CN103261670B - 用于机动车辆的包括用于提高电池电压的装置的起动器马达电路和装备有该电路的起动器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的起动器马达电路（1）包括起动器马达和用于提高电池电压的装置（LPF）的组合结构（10）。所述用于提高电池电压的装置被设计为防止通过电流尖峰引起的电池电压降，当功率施加至起动器马达时，该电流尖峰在该起动器马达的功率电路中出现。起动器马达以传统方式包括电马达（DCM）和电磁接触器（EC）。根据本发明，用于提高电池电压的装置是感应类型的滤波装置，其与电马达串联安装在所述功率电路中，且包括由磁性材料制成的外壳，设计为串联插入在所述功率电路中的主绕组电路和安装为短接电路的副绕组电路。
Description
技术领域
总的来说，本发明涉及用于机动车辆中的热机的起动器的领域。更具体地，本发明涉及起动器和一种装置的组合结构，其使得可以当起动器被开启时提高在车辆电池的端子处的电压。
背景技术
当起动器开启以便确保车辆热机的起动时，对电流的实质需求产生，其接近起动器的短路电流的水平，即，大约1000A的电流。当起动器被开启时的该电流需求随后随着起动器电枢速度增加而强度降低，该电枢对应于电机转子。
该初始电流尖峰对应于电池端子处的电压的随之发生的降低。此外，随后在起动阶段期间发生较小电压降，且该电压降对应于相继的对热机上死点的通过。
所谓“增强式”起动器（其被设计用于热机的自动停止/启动系统（所谓的“停止/启动”或“停止和行进”系统））的开发现对车辆部件制造商关于在起动器开启时对电流需求期间对最小电压阈值的遵守提出新的限制。由此，在机动车辆制造商的规格中，他们限定第一电压阈值，其习惯性地包含在7至9V之间，电池电压必须不能降低到其以下。对于之后的电压降，对应于热机的上止点，电池电压必须保持高于第二电压阈值，其习惯性地包含在8至9V之间。在热机的起动期间，车载网络的电压由此保持在一值处，该值足以保证车辆部件的所需运行。
增强式起动器通常具有高于传统起动器的功率水平，从而获得快速的起动用于用户的增加的舒适度。当开启发生时，这导致更高的功率需求，并由此导致超过习惯值的第一电池电压降，这与高需求相关。这对于设计者产生真正困难的问题，因为，为了处于更高的电池电压，起动器将不得不具有内部电压降，其非常大，使得电池不再能具有在低温时以充足速度驱动热机所必须的功率。
在现有技术中，已经对上述问题提出解决方案。本发明主体提出的第一已知方案基于电子转换器的使用，用于提高电压，以便防止车载网络中过低的电压水平。这些转换器的主要缺点在于它们导致的较大成本。
另一已知方案提出通过两种继电器（延时和限流电阻器）控制起动器。在第一运行阶段，其时长由延时继电器确定，另外的电阻器串联插入在起动器电路中，并限制初始电流尖峰。在第二运行阶段，该另外的电阻器从起动器电路中取出，以便允许充分的电流通过起动器的电枢，并允许后者速度的增加。
文献EP2080897A2和EP2128426A2描述了上述类型的起动器。除了该另外的控制继电器、该另外的继电器的延时和限流电阻器所带来的额外成本的缺点之外，该另外的继电器的引入（包括经历磨损的移动机械部件）对起动器关于起动循环（对于起动器来说，起动器必须能够没有障碍地经历其）的数量的抗性有负面影响。起动器关于起动循环的数量的抗性对于被设计用于停止/起动系统的起动器来说是特别严峻的约束。实际上，这种类型的起动器必须承受大约300,000个起动循环，即，是传统起动器所需的大约30,000的十倍多。
除了上述缺点之外，根据现有技术的该第二方案的使用可证明在机动车辆制造商要求遵守电压范围时是不适当的，该电压范围在时间方面有限制性。这种类型的范围通常包括对应于上述的第一电压阈值的低电压阈值，和对应于第二电压阈值的高电压阈值。增大的电压梯度也在该范围中提供，在低阈值和高阈值之间。
由本发明主体执行的测试，以及通过对于低阈值的持续时间和该范围的梯度斜率的制造商通常值，显示出在根据现有技术的该第二方案的情况下仍在该范围中存在的问题。实际上，已经发现当电池电压在初始电流尖峰已被吸收而被矫正之后在该延时结束时再次降低的时候，存在在该电压梯度水平超出该范围的风险，电流通过起动器的电枢，随后由于限制起动器电路的电流的电阻器的移除而明显增加。在由此超出该范围之后，电池电压可保持在该范围以下持续一定时间段，且仅在增大的电压梯度的终点之后回到该范围，而高电压阈值的开始时刻已经到达。
因此需要提出对根据现有技术的现有起动器的改进，以便消除上述缺点，特别是对于与热机的自动停止/起动功能相关的机动车辆应用。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及在用于机动车辆的起动器的电路中的起动器和用于提高电池电压的装置的组合结构，起动器包括电马达和电磁接触器，用于提高电池电压的装置被设计为防止由电流尖峰引起的电池电压降，当起动器开启时，该电流尖峰在起动器的功率电路中介入。根据本发明，用于提高电池电压的装置是感应类型的滤波装置，其与电马达串联安装在功率电路中，且包括由磁性材料制成的外壳，设计为串联插入在功率电路中的主绕组电路和安装为短接电路的副绕组电路。
根据特定特征，由磁性材料制成的外壳包括圆柱体头部以及第一和第二芯部部分，这些芯部部分关闭圆柱体头部中的圆柱形开口，并形成包含在圆柱体头部中的磁芯，主绕组电路和副绕组电路围绕该磁芯设置。
根据又一特征，滤波装置的主绕组电路和副绕组电路每个包括至少一个具有矩形横截面的导体。
根据又一特征，滤波装置的主绕组电路和副绕组电路由具有两个平行的扁平导体的线圈形成，所述两个平行的扁平导体通过已有的两个导体缠绕，副绕组电路通过将线圈端部处的平行的扁平导体分离以及将其中一个被缠绕的扁平导体的两个端部连接在一起而制造，以便形成短路的副绕组电路，另一个被缠绕的变形导体形成主绕组电路。
根据又一特征，滤波装置的导体以相反缠绕方向缠绕在至少两层上，一层根据第一、上升或下降方向缠绕，接下来的一层根据另一方向缠绕。
根据特定实施例，滤波装置插入在起动器的功率电路中，在车辆电池的正端子和电磁接触器的功率触点之间。
根据另一特定实施例，滤波装置插入在起动器的功率电路中，在电磁接触器的功率触点和电马达之间。在该实施例中，滤波装置有利地固定在起动器的外部壳体上。
以上简述的本发明提供的解决方案使得可以根据对电流的需求确保电池电压的高水平，而不会损害起动器的功率，从而足够的功率可以被传输到低温的热机，用于以好的状态从冷的条件起动或从温的条件重新起动，即，在重新起动时具有高水平的电池电压，以及自冷条件起动时具有足够速度。
另外，应注意到，在该情况下，由根据本发明的装置提供的低通滤波还对在高频时由于电马达的电刷-集电器组件的机械切换操作引起的电噪音具有有益影响。这在EMC（电磁兼容性）方面提供了额外益处，特别是通过传导的EMC，这改善了车辆的车载网络的电压质量。
附图说明
现在将通过本发明特定实施例以及参考附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1A和1B显示了起动器的第一和第二电路，这两个电路并入有滤波装置，且对应于本发明的第一和第二实施例；
图2显示了在起动器的电控制电路中整合和没有整合本发明提出的滤波装置的电池电压曲线；
图3是根据本发明的滤波装置的全局透视图；
图4A和4B是第一和第二熔丝的纵向截面，分别对应于根据本发明的滤波装置的第一和第二实施例；
图5A和5B是显示出形成根据本发明的滤波装置的不同部件的第一和第二分解透视图，分别用于在图4A和4B中以截面显示的第一和第二实施例；
图6是装备有根据本发明的滤波装置的起动器的侧视图；
图7是图6的起动器的后部透视图。
具体实施方式
参考图1A和1B，现提供起动器的第一和第二电路1和1′的描述，二者均包括滤波装置LPF，且分别对应于本发明的第一和第二实施例。
如图1A和1B所示，起动器1和1′的电路仅在滤波装置LPF在起动器功率电路中并入的位置上有差别。当起动器开启时，该功率电路中有几百安培的功率电流流过。根据本发明，功率电路通过串联安装滤波装置LPF、电马达DCM和起动器的功率触点CP而形成，该功率触点CP是起动器的电磁接触器EC（还已知为起动器的“螺线管”）的触点。
在图1A所示的实施例中，滤波装置LPF装备起动器，起动器在该情况下具有附图标记10，且在电磁接触器EC和直流电马达DCM之间插入在功率电路中。电磁接触器EC和直流电马达DCM以传统方式形成机动车辆起动器的一部分。
图6和7示出根据本发明装备的起动器10的具体实施例。在该实施例中，滤波装置LPF机械地固定在起动器的外壳体中，在接触器EC的附近。在接触器EC、装置LPF和电马达DCM之间的电连接件EL在图7中显示。装置LPF串联地电安装在马达DCM和接触器EC的功率触点（未在图7中示出）之间，如图1A中的构造。
在图1B所示的实施例中，滤波装置LPF未并入在起动器中，起动器在该情况下具有附图标记10′，但在电池的正端子B+和功率触点CP之间插入在功率电路中。
接触器EC在该情况下是传统的起动器接触器，具有简单的触点，且包括由需求线圈La和保持线圈Lm形成的螺线管，以及包括第一和第二端子EC1和EC2的功率触点CP。
在图1A中的电路1中，端子EC1直接连接到电池的端子B+，且端子EC2通过滤波装置LPF连接到马达DCM的正端子。在图2A中的电路1′中，端子EC1通过滤波装置LPF连接到端子B+，端子EC2直接连接到马达DCM的正端子。马达DCM的负端子连接到车辆的电地线，用于这两个电路1和1′。
车辆的起动器触点CS的闭合命令线圈La和Lm的激励和起动器的激活，根据本领域技术人员已知的次序，且不在此描述。触点CS插至在电池的端子B+与线圈La和Lm的共用端子之间，后者的第一端连接至该触点。线圈La和Lm的第二端分别连接至端子EC2和车辆的电地线。
当马达DCM被供应有全功率时，之前所提到的强初始电流尖峰在功率触点CP闭合时介入。端子EC1则通过功率触点CP的闭合电连接到端子EC2，且为马达DCM供电的功率电流还通过滤波装置LPF。
如通过在图1A和1B中展示的其电路图所示，滤波装置LPF在该情况下是感应类型的装置，其在该情况下以铠装类型的变压器的形式制造，并具有磁性联接的绕组。将注意到，取决于应用，单个感应器可被用于形成根据本发明的低通滤波装置。但是，具有变压器的该实施例使得可以获得根据应用而用于调整装置LPF的频率响应的更多参数。由此，可以通过调节主、副电路的感应器和通过在这些电路之间联接而引入的相互感应器而优化该响应。典型地，感应滤波装置LPF的等同电感对于300至1000A量级的强度将大约为0.1至10mH。
装置LPF由此包括主绕组电路W1和副绕组电路W2。主绕组电路W1是插入在起动器的功率电路中的电路。副绕组电路W2被短接，如图1A和1B所示。
参考图2，现将描述装置LPF的主要技术效果，其包括提高电池电压（附图标记为Vbat）。该例子涉及12V电池，如习惯性地在机动车辆中所能找到的。
图2示出两个曲线C1vbat和C2vbat，分别对应于通过和不通过滤波装置LPF获得的电池电压Vbat。曲线C1vbat以虚线展示。曲线C2vbat以实线展示。
曲线C1vbat和C2vbat已经通过本发明主体在起动器电路的情况下测量，该起动器电路包括缠绕感应器类型的起动器（起动器具有标记ESW20，是VALEO公司的注册商标）。如图2所示，在初始电流尖峰期间在电压Vbat上由滤波装置LPF引入的提高RV在该情况下被测量为1.4V。
由本发明主体执行的其他测试已经显示出本发明使得在具有永磁体的感应器类型的起动器的情况下可以获得甚至更好的结果。例如，在具有永磁体的起动器的情况下，电压Vbat的提高RV为1.6V，该起动器具有VALEO公司的标记ESM18（注册商标）。
提高电池电压所获得的效果由以下事实得到，当马达DCM开启时，由于在短接的副电路中感应的强电流的产生，初始电流尖峰切断（衰减大约一半），所述强电流抵抗产生它们的磁通的突然变化。
电池电压的水平通过电路尖峰频率谱的高频率的滤波效果而明显提高。另一方面，在低得多的频率（特征为热机的非循环运行）处，电流变化基本上保持为未受影响，具有非常低的衰减（仅几个百分数），热机的驱动的质量由此没有被不利地影响。根据本发明的滤波装置LPF等同于具有高截止频率的低通功率滤波器，该截止频率必须位于对应于热机的非循环运行的频带之外。
还参考图3、4A、4B和5A、5B，现将提供根据本发明的滤波装置LPF的两个实施例的详细描述。
如图3以及图6和7所示，装置LPF在外为圆柱体的形式，其形状和体积接近于接触器EC的那些。典型地，装置LPF可制成为具有大约为40至50mm的直径。
在在此所述的实施例中，装置LPF基本上包括外壳以及由铜制成的主绕组电路W1和副绕组电路W2，外壳由诸如钢的磁性材料制成，例如XC6或XC10类型的钢，外壳由两个芯部部分C1和C2以及圆柱体头部YO形成。
芯部部分C1和C2为大体圆柱形部分，其插入在圆柱体头部YO中的相反圆柱形开口中，以便关闭后者，并形成包含在圆柱体头部YO中的磁芯，主绕组电路W1和副绕组电路W2围绕该磁芯设置。在圆柱体头部YO内的芯部部分C1、C2的直径小于圆柱体头部YO的内直径，以便留出被主绕组电路W1和副绕组电路W2占据的自由空间。
特别地如图3所示，圆柱体头部YO包括凸耳E，该凸耳插入在设置在芯部部分C1、C2中设置的相应槽口中。这些凸耳2通过夹持在槽口中而被插入，且由此确保装置LPF的机械组装。应注意到，在该情况下，该组装必须被尽最大可能仔细地执行，以便防止在外壳的部分之间的接头处的任何不希望有的间隙。
图4A和5A示出根据本发明的滤波装置的第一实施例LPF1。
装置LPF1包括由两个扁平的平行和连续导体（可在图3中看到的导体w10、w11）形成的主绕组电路W1。导体w10、w11通过清漆层而被电绝缘，且通过两个已有的导体缠绕在两层上，以便形成主绕组电路W1。第一层根据上升方向被缠绕，第二层根据下降方向被缠绕。在该实施例中，主绕组电路W1的圈数是12。主绕组电路W1的两个端部在圆柱体头部YO的外部上露出，并形成装置的电流输入端IN和电流输出端OU。
将注意到，在变化实施例中，主绕组电路W1可通过单个扁平的导体形成或比两个多的多个扁平导体形成。多于一个的导体的数量的选择可通过实际曲率的约束而指定，或通过对限制趋肤效应的影响的需求而指定。另外，在一些变体中，主绕组电路W1将形成为单层或多于两层。
在装置LPF1中，短接的副绕组电路W2包括两个铜导体，该两个铜导体形成具有矩形横截面的环w20和w21，它们插入在芯部部分C1中。在其他实施例中，可以具有单个环，或数量多于两个的环。
将注意到，与圆形线相比，具有矩形横截面的导体（W2的扁平导体和环w20、w21）的使用使得在外壳中的接收部中的更高水平的铜填充可行，该接收部被保留用于绕组电路W1和W2。
滤波装置LPF1的组装在图5A中示出。除了以上所述的部件C1、C2、YO、W1和W2之外，装置LPF1还包括形成电绝缘部的元件，标记为IS1至IS7。优选地，绕组电路W1和W2（w20、w21）将彼此绝缘且与金属外壳（C1、C2和YO）绝缘。
绝缘元件IS1至IS7例如由绝缘纸形成。元件IS1、IS5和IS6被缠绕，以便形成绝缘纸管。元件IS2、IS3、IS4和IS7是由绝缘纸制成的冠部。
管IS1和IS6分别插入在芯部部分C1和C2中，并覆盖后者的圆柱形表面，在圆柱体头部YO之内。管IS5具有基本等于圆柱体头部YO的内直径的直径，并覆盖后者的内表面。
冠部IS2、IS3、IS4和IS7具有的内直径略微大于芯部部分C1、C2的内直径，以便插入在后者上，芯部部分被覆盖有管IS1、IS6。冠部IS2、IS3、IS4和IS7的外直径略微小于圆柱体头部YO的内直径，以便插入在后者内部，圆柱体头部覆盖有管IS5。
冠部IS2确保环w20的上部部分相对于部件的绝缘，该部件形成芯部C1的部分的外领圈。冠部IS3确保环w20的下部部分相对于环w21的上部部分的绝缘。冠部IS4确保环w21的下部部分相对于主绕组电路W1的上部部分的绝缘。冠部IS7确保主绕组电路W1的下部部分相对于部件的绝缘，该部件形成芯部部分C2的外领圈。将注意到，在该情况下，冠部IS2和IS7必须小心放置到位，以便避免芯部部分C1、C2和圆柱体头部YO之间的间隙的任何意外产生，例如通过在形成这些冠部的这些元件之间插置一片绝缘纸。
图4B和5B示出根据本发明的滤波装置的第二实施例LPF2。
装置LPF2与装置LPF1的不同主要在于主绕组电路W1和副绕组电路W2。在装置LPF2中，形成副绕组电路W2的铜环w20和w21被消除。副绕组电路W2以与主绕组电路W1重叠的方式（imbricatedmanner）形成。在该情况下，线圈W1-2以与形成装置LPF1的主绕组电路W1的线圈类似的方式形成。两个扁平导体通过清漆绝缘，平行且连续，其通过已有的两个导体缠绕在两层上。第一层根据上升方向被缠绕，第二层根据下降方向被缠绕。与装置LPF1比较，由此制造的线圈W1-2具有更多圈，即，22圈，并具有更大的高度，由此用铜填充因环w20和w21的消除而空出的空间。
从线圈W1-2出发，副绕组电路W2通过在线圈W1-2的端部处分离平行的扁平导体并将其中一个缠绕的扁平导体的两个端部连接在一起而制造，以便形成短接的副绕组电路W2。另一个缠绕的扁平导体形成主绕组电路W1，从圆柱体头部YO露出的其端部由此形成电流输入端和输出端IN和OU。
与装置LPF1相比，该实施例LPF2具有在主绕组电路W1和副绕组电路W2之间的明显增大的磁耦合系数的优势，该系数接近1。另外，圈数大于LPF1的圈数，这使得可以增加装置的电感值。电路W1中的电流强度在LPF2中比在LPF1中低，因为铜的较小的量。但是，具有较高强度的初始电流尖峰具有非常短的持续时间（几毫秒），且在较低频率，在电流尖峰之后，作为与W1良好热交换的结果，副绕组电路W2补偿主电路W1中的铜的体积减小引起的焦耳损失（RI2）的增加，由此使得可以获得等同于装置LPF1的总热容量的总热容量。
Claims (8)
1.一种在用于机动车辆的起动器的电路(1,1')中的起动器(10,10')和用于提高电池电压的装置的组合结构，所述起动器(10,10')包括电马达(DCM)和电磁接触器(EC)，所述用于提高电池电压的装置被设计为防止通过电流尖峰引起的电池电压(Vbat)降，当所述起动器开启时，该电流尖峰在该起动器(10,10')的功率电路中介入，其特征在于，所述用于提高电池电压的装置是感应类型的滤波装置，其与所述电马达(DCM)串联安装在所述功率电路中，且包括由磁性材料制成的外壳(C1、C2、YO)，设计为串联插入在所述功率电路中的主绕组电路(W1)和安装为短接电路的副绕组电路(W2)。
2.根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置的所述由磁性材料制成的所述外壳包括圆柱体头部(YO)以及第一和第二芯部部分(C1，C2)，所述芯部部分(C1，C2)关闭所述圆柱体头部(YO)中的圆柱形开口，并形成包含在所述圆柱体头部(YO)中的磁芯，所述主绕组电路(W1)和所述副绕组电路(W2)围绕该磁芯设置。
3.根据权利要求1或2所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置的所述主绕组电路(W1)和所述副绕组电路(W2)每个包括至少一个具有矩形横截面的导体。
4.根据权利要求1或2所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置的所述主绕组电路(W1)和所述副绕组电路(W2)由具有两个平行的扁平导体的线圈(W1-2)形成，所述两个平行的扁平导体通过已有的两个导体缠绕，所述副绕组电路(W2)通过将所述线圈(W1-2)端部处的所述平行的扁平导体分离以及将其中一个被缠绕的扁平导体的两个端部连接在一起而制造，以便形成被短接的副绕组电路(W2)，另一个被缠绕的扁平导体形成所述主绕组电路(W1)。
5.根据权利要求4所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置的所述导体以相反缠绕方向缠绕在至少两层上，一层根据第一、上升或下降方向缠绕，接下来的一层根据另一方向缠绕。
6.根据权利要求1或2所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置(LPF)插入在起动器的所述功率电路(1')中，在车辆电池的正端子(B+)和所述电磁接触器(EC)的功率触点(CP)之间。
7.根据权利要求1或2所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置(LPF)插入在起动器的所述功率电路(1)中，在所述电磁接触器(EC)的功率触点(CP)和所述电马达(DCM)之间。
8.根据权利要求7所述的组合结构，其特征在于，所述滤波装置(LPF)固定在所述起动器的外部壳体上。
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