CN103717438A

CN103717438A - 电压调节器装置

Info

Publication number: CN103717438A
Application number: CN201280035373.1A
Authority: CN
Inventors: 安德烈亚·贝洛米尼; 让保罗·米拉尼
Original assignee: Piaggio and C SpA
Current assignee: Piaggio and C SpA
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: ITMI20111395A1; CN103717438B; JP2014527792A; US20140139195A1; EP2736758A1; WO2013014115A1; TW201312928A

Abstract

描述了一种电压调节器装置（10），所述电压调节器装置（10）适用于包括至少一个发电机和至少一蓄电池（12）的机动车辆类型的电力系统，所述发电机由三相发电机构成，所述电压调节器装置（10）包括整流器桥和设置有第一系列功率元件（20）的升压电路（16），其特征在于，所述升压电路（16）包括一个或多个电感器（14），为了将相位电压升高至高于由所述蓄电池（12）所提供的电压电平，所述升压电路（16）利用一个或多个电感器（14）的定子相位的绕组电感，使得在所述车辆本身的发动机的旋转状态非常低时，也能够向所述车辆的电力负载供应电流。

Description

电压调节器装置

技术领域

本发明涉及电压调节器装置，具体地适用于诸如摩托车的机动车辆的电力系统。

背景技术

电压调节器或稳压器为意图插入在电力发电机与一个或多个电力负载之间的装置。电压调节器或稳压器在预置时间段内接收具有可变值的输入电压，并且独立于由电力负载所汲取的电流强度产生具有预置、精确且稳定值的输出电压。

具体参考摩托车，通常的机动车辆的电力和电子组件通常能够汲取不是特别高的最大电压，并且也会被电压振荡严重损坏。反之亦然，电压降低可伴随有用于车辆的正常运行的电力供应不足。因此，在机动车辆上使用电压调节器允许在不引起故障的前提下将电压维持在车辆的电力或电子组件其本身可以接受的范围内。

用于机动车应用的现有技术分流电压调节器提供了使用二极管桥以将由车辆的吸热型发动机制动的三相电压发生器所提供的信号转换成连续的电压，从而能够对存在于车辆本身上的蓄电池（电池）再充电。这样的电压调节器通过在以下图1中所示的原理方案来表示。

在图2中，由车辆电压发生器所产生的三个正弦波在时间上的变化是示意性的。所产生的这些正弦波相互偏移120°。通过使用三相二极管桥使这些正弦信号完全为正，因此，为每个相位获得的信号趋势如在图3中示出的。因为二极管桥充当包络检波器，故所获得的输出（exiting）波形是在图4中所表示的波形。

贯穿半波的整个持续时间，电压发生器借助于三个另外的功率元件进行调节的管理，例如，该三个另外的功率元件诸如晶闸管或SCR（“可控硅整流器”），并且在达到电池最大电压后被启用并且提供至地的短路。这样，没有另外的能量供应至电池，电池本身的电压不会进一步提升。

已知类型的电压发生器的主要缺点涉及由于低效率导致的电压发生器的所有三个操作阶段，即：

1）在向电池供电的供电阶段期间，其中由于在桥的二极管上发生电压损耗，故存在在70%与80%范围之间的产率，其中二极管利用发生器所提供的全部电流来运行；

2）在调节阶段期间，因为由发生器所提供的整个电流流过控制晶闸管，故发生机械功率损耗。该机械功率损耗以热的形式在内部被浪费；

3）在点火阶段期间，因为整流器桥的二极管处在反转偏置的状态下，因此阻止了它们导电，故发生器电压未超过电池电压电平并且不可能向电池本身提供能量。

最初的两个方面的结果是在机动车辆上安装的电能生成系统与实际需要相比必须是大型的，以解决在电压调节系统中的损耗，伴随着增加了燃料消耗和污染物排放的结果。此外，已知类型的电压调节器装置需要合适的散热设备，例如，诸如在图5中所示的散热设备。

相反，此后者的方面限制了制造具有较低最小状态的发动机的可能性、以及在没有电池的情况下借助于使用脚踏起动器起动电喷供应的车辆的可能性。此后者的问题具体涉及摩托车和机动脚踏两用车。

发明内容

因此，本发明的目的是制造一种具体适用于机动车辆的电力系统的电压调节器装置，其能够以极其简单、经济且特别实用的方式解决现有技术的上述缺点。

详细地，本发明的目的是制造一种能够向电池传送从发电机（发生器）获得的几乎全部能量的电压调节器装置。

本发明的另一目的是制造一种避免在整流器桥的二极管上消耗能量，因此减小在功率元件上的电压损耗的电压调节器装置。

本发明的另一目的是制造一种不需要特别复杂并且庞大的散热系统的电压调节器装置。

通过制造如在权利要求1中阐述的具体适用于机动车辆的电力系统的电压调节器装置来实现根据本发明的这些目的。

附图说明

参考示意性附图，通过以非限制性示例给出的以下描述来强调根据本发明的电压调节器装置的另外的特性和优势，附图中：

图1显示了根据现有技术制造的电压调节器装置的原理方案；

图2是示出了通过普通的机动车辆的电压发生器所产生的三个正弦信号在时间上的变化的示图；

图3是示出了图2的信号被三相二极管桥整流之后的示图；

图4是示出了来自图1的电压调节器装置的输出电压的波形的示图；

图5示出了适用于如在图1中所示的电压调节器装置的散热元件；

图6示出了适用于根据本发明的电压调节器的升压电路、o电压提升电路；

图7示出了根据本发明的电压调节器装置的整个电路；以及

图8是示出了根据本发明的电压调节器装置运行的框图方案。

具体实施方式

具体参考图6至图8，显示出了根据本发明的电压调节器装置，该电压调节器装置具体适用于机动车辆，尤其是摩托车的电力系统，并且通常使用参考标号10来表示。详细地，机动车辆的电力系统是这样的类型，其包括至少一个发电机（未示出）、通常的三相发电机（交流发电机）以及至少一个蓄电池12，例如，诸如普通的12伏电池。

为了使蓄电池12再充电系统最优化至车辆的最小旋转状态（regime），需要向电池12本身传送从发电机获得的几乎全部的能量。这是通过在根据本发明的电压调节器装置10中利用一个或多个电感器14的定子相位的绕组电感以实施升压电路16或电压提升装置来获得的，根据在图6中所示的原理方案，该升压电路16或电压提升装置允许将相位电压提升至高于由蓄电池12所提供的电压电平，使得能够在发动机具有非常低的旋转状态时向车辆的电力负载供应电流。

基本上，在整流器桥的下部的开关关闭期间，能量被存储在电感器14中。此能量作为额外电压返回至开关的打开，该额外电压允许触发存在于整流器桥上部中的三个二极管18，因此允许向蓄电池12供应能量。

升压电路16必须使用在整流器桥的下部上、以关闭和打开两种方式在任意时间均可控的功率元件20，以及被布置在整流器桥上部中的上述二极管18来制造。根据本发明，这样的功率元件20由第一系列的三个MOSFET型N沟道场效应晶体管构成，其中，根据在图6中所示的原理方案，可以使用各自的续流二极管22作为整流器元件和通道关闭来执行调节和提升电压的功能（升压）。为了在运行期间使电压调节器装置10的产率最优化，引入了通过减少在功率元件上的电压损耗以避免在整流器桥的二极管18上消耗能量的措施。根据在图7中所示的原理方案，该措施提供了在整流器桥的上部中还设置第二系列功率元件24，其中第二系列功率元件24由三个MOSFET型N沟道场效应晶体管构成。在这样的MOSFET型场效应晶体管24之中，可以在升压阶段期间使用续流二极管26作为整流器元件。相反，在升压阶段结束时该续流二极管26被旁路。

基本上，当超过发动机的旋转状态值（在该值之外，升压方法不再起作用）时，使用由三相发电机所生成的三个半波以同步方式驱动整流器桥的第一MOSFET系列20和第二MOSFET系列24。

当相关的续流二极管22、26变为直接导电时，立即使用单独的驱动器来驱动每个MOSFET20、24。

如此，通过具有非常低的阻抗的元件替代传统的二极管，该元件大幅地减少了在整流器桥上的能量消耗，因此增加了电压调节器装置10的产率。使用此驱动类型，可以实现的产率可超过95%，这允许在保持由蓄电池12供应的能量恒定的同时，与根据传统技术制造的电压调节器相比更加大幅地降低了冷却系统的使用。

为了能够实施上面描述的所有功能，根据本发明的电压调节器装置10被设置有为每个MOSFET20、24产生所需的驱动的微处理器28，以及用于驱动整流器桥的上部和下部的特定接口驱动器。当续流二极管22、26接近直接导电时，用来驱动MOSFET20、24的算法被表示在图8中。此算法被提供用于同步驱动每个MOSFET20、24，其中整流器桥的发电机被实施为如下：

如果电压调节器装置10中的电压部分（phase）V_{fase_n}大于或等于电池12的正电位V_batt，则断开第一系列的MOSFET20，使得不短路电池12，并且接通作为MOSFET24的第二系列功率元件24，从而使得电流可以通过低阻抗路径而从发电机流向电池12但不通过续流二极管26。相似地，如果电压调节器装置10中的电压部分V_{fase_n}低于或等于电池12的负电位G_batt，则断开第二系列MOSFET24，使得不短路电池12，并且接通作为MOSFET20的第一系列MOSFET20，从而使得电流可以通过低阻抗路径而从发电机流向电池12但不通过续流二极管22。

如此，已示出了根据本发明的电压调节器装置实现了上面阐述的目的。

根据本发明的由此设计的电压调节器装置允许任意的多个变形和变化，所有的变形和变化均落在相同发明概念的保护范围内；此外，所有的细节可以通过技术等效元件替换。在实践中，根据技术需要所使用的材料以及形状和尺寸将能够是任何材料以及形状和尺寸。

因此，本发明的保护范围通过所附权利要求来限定。

Claims

1.一种电压调节器装置（10），所述电压调节器装置适用于包括至少一个发电机和至少一蓄电池（12）的机动车辆类型的电力系统，所述发电机由三相发电机构成，所述电压调节器装置（10）包括整流器桥和设置有第一系列功率元件（20）的升压电路（16），其特征在于，所述升压电路（16）包括一个或多个电感器（14），所述一个或多个电感器的定子相位的绕组电感被用于将相位电压升高至高于由所述蓄电池（12）所提供的电压电平，使得在所述车辆的发动机的旋转状态非常低时，也能够向所述车辆的电力负载供应电流。

2.根据权利要求1所述的电压调节器装置（10），其特征在于，所述第一系列功率元件（20）由三个MOSFET型N沟道场效应晶体管组成，其中，能够利用作为整流器元件的各自的续流二极管（22）以及通道关闭来执行调节和升高电压的功能。

3.根据权利要求1或2所述的电压调节器装置（10），其特征在于，在所述整流器桥的上部中存在三个二极管（19），所述整流器桥的下部中的开关关闭时存储在所述电感器（14）中的能量作为额外电压进一步在所述开关打开时被返回，所述额外电压允许触发所述三个二极管（18）以将电流供应给所述蓄电池（12）。

4.根据权利要求1或2所述的电压调节器装置（10），其特征在于，在所述整流器桥的所述上部中存在第二系列功率元件（24），所述第二系列功率元件由三个MOSFET型N沟道场效应晶体管构成，其中能够在升高电压阶段期间使用各自的续流二极管（26）作为整流器元件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压调节器装置（10），其特征在于，所述电压调节器装置配备有为每个系列的功率元件（20；24）产生所需要的驱动的微处理器（28）。

6.根据权利要求5所述的电压调节器装置（10），其特征在于，所述电压调节器装置配备有专用于驱动所述整流器桥的所述上部和所述下部的接口驱动器。

7.根据权利要求5或6所述的电压调节器装置（10），其特征在于，当相关续流二极管（22；26）进入直接导通时，立即由所述微处理器（28）通过单独的驱动来驱动每个系列的功率元件（20；24）。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电压调节器装置（10）的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法包括以下阶段：

-如果在所述电压调节器装置（10）中的电压部分（V_{fase_n}）大于或等于所述蓄电池（12）的正电位（V_batt），则断开第一系列功率元件（20），使得所述蓄电池（12）不短路，并且接通第二系列功率元件（24），使得电流能够通过如所述第二系列功率元件（24）的低阻抗路径并且不通过所述续流二极管（26）而从所述三相发电机流向所述蓄电池（12）；

-如果在所述电压调节器装置（10）中的所述电压部分（V_{fase_n}）低于或等于所述蓄电池（12）的负电位（G_batt），则断开所述第二系列功率元件（24），使得所述蓄电池（12）不短路，并且接通所述第一系列功率元件（20），使得所述电流能够通过如所述第一系列功率元件（20）的低阻抗路径并且不通过所述续流二极管（22）而从所述三相发电机流向所述蓄电池（12）。