CN103717878B - 包括用于增加电池电压的装置的机动车辆起动机电路、和配备有该类型电路的起动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种起动机电路，其包括起动机和用于增加电池电压的装置的组合。用于增加电池电压的装置使得可以阻止当起动机被通电时由于起动机的电源电路中发生的电流突升而引起的电池电压的降低。起动机通常包括电动机和电磁接触器。根据本发明，用于增加电池电压的装置包括圆柱形头部、两个闭合部件、和轴向芯部，主绕组电路和短路的次绕组电路围绕所述轴向芯部布置，所述主绕组电路串联地插入到电源电路，且所述芯部具有至少一个空气间隙。

Description

包括用于增加电池电压的装置的机动车辆起动机电路、和配备有该类型电路的起动机
技术领域
总体上，本发明涉及用于机动车辆中的热发动机的起动机领域。更具体地，本发明涉及起动机、和允许车辆的电池端子处的电压在起动机接通时增加的装置。
背景技术
在起动机接通时，为了确保车辆的热发动机的起动，出现对大量电流的需求，其接近于起动机的短路电流水平，即大约1000A的电流。在起动机被接通时的这种电流需求的强度随后随着起动机电枢速度（对应于机器的转子）的升高而降低。
随之发生的电池端子处的电压的降低对应于这种初始电流突升。随后其他较小量的电压降发生在起动阶段，其对应于通过热发动机的相继的上死点。
所谓的“加强”起动机被设计用于热发动机的自动停止/起动系统（所谓的“停止/起动”或“停止/运行”系统），该“加强”起动机的发展对车辆部件制造商赋予了新的约束，所述约束与符合电池在起动机接通时的电流需求期间电池的最小电压阈值相关。由此，在它们的说明书中，机动车辆制造商限定了第一电压阈值，其通常包括在7至9V内，电池电压必须不能低于该第一电压阈值。对于接下来的对应于热发动机上死点的电压降，电池电压必须保持高于第二电压阈值，该第二电压阈值通常包括在8至9V内。在热发动机的起动期间，车载网络的电压由此保持在足以确保车辆设备所需要的功能性的值。
加强的起动机通常具有高于传统起动机的功率，以便获得快速的起动，用来令使用者更舒适。这导致功率接通时更高的电流需求，并因此导致超出惯用值，且与高的需求相关的第一电池电压降。这给设计者带来现实的困难，因为，为了高于所述电池电压，起动机需要具有足够高的内部电压降，以至于将不再存在以足够速度在低温下驱动热发动机所必须的功率。
现有技术中已经针对上述问题提出了解决方案。发明人已知的第一种解决方案是基于电子转换器的使用以增大电压，以便阻止车载网络中的过低电压水平。这些转换器的主要缺点在于它们带来大量的成本。
另一种已知的解决方案提出了借助两个继电器、计时器和限流电阻器来控制起动机。在第一运作阶段，其持续时间通过计时器确定，附加的电阻器串联地被插入起动机电路中，并限制初始电流冲击。在第二运作阶段，附加的电阻器被从起动机电路去除，以便允许足够的电流通入起动机电枢，以及允许起动机速度的增大。
文档EP2080897A2和EP2128426A2描述了上述类型的起动机。不但额外控制继电器、计时器和限流电阻器涉及附加成本这一缺点，而且，额外的继电器的引入（包括承受磨损的活动机械部件）对起动机的使用寿命（关于起动机必须能够无困难地承受的起动周期的数量）具有负面影响。关于起动周期次数的起动机使用寿命对于设计用于起动/停止系统的起动机来说是特别严格的限制。事实上，这种类型的起动机要求承受大约300000次起动周期，即传统起动机所要求的大约30000次起动周期的十倍还多。
除了上述缺点之外，根据现有技术的第二种解决方案的使用可以证明在符合电压范围（其在机动车辆制造商所要求的时间方面受到限制）时是不合适的。该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阶跃、和对应于第二电压阈值的高电压阶跃。升高的电压梯度也包括在该范围内，在低阶跃和高阶跃之间。
发明人通过制造商的用于所述范围的斜率和低阶跃的持续时间的常见值进行的测试显示了存在于根据现有技术的保持在范围内的第二解决方案中的困难。事实上，当电池电压（在初始电流突升已经被吸收时已经被校准之后）在正时结束时又下降一次时，已经发现具有超出在其电压梯度水平处的范围的风险，同时通过起动机的电枢的电流则基本由于起动机电路的限流电阻器的输出而显著增大。在由此超出范围之后，电池电压可以保持低于所述范围达到特定持续时间，并仅在升高的电压梯度结束之后回到范围内，然而高电压梯度阶跃瞬间已经被达到。
为了消除上述缺陷，发明人已经对根据现有技术的现有的起动机提出了改进，特别是应用于涉及热发动机的自动停止/起动功能的机动车辆中的起动机。
总之，这些改进已经包括将感应式滤波装置与电动机串联地装配到起动机的电源电路中，以诸如阻止电池的电压降，并进一步阻止通过将电动机运行所引起的电流突升。
发明人进行的新研究使得可以优化这些改进的实施例。
发明内容
根据第一方面，本发明由此涉及机动车辆的电起动机电路中的、起动机和用于增加电池电压的装置的组合，所述起动机包括电动机和电磁接触器，用于增加电池电压的装置被设计用来阻止电池电压中的降低，以及阻止通过将起动机在电源电路中开始运行所引起的电流突升。
根据本发明，用于增加电池电压的装置包括感应类型的滤波装置，该滤波装置与电动机串联地装配在电源电路中，滤波装置包括磁路，所述磁路包括由磁材料制成的壳体，该壳体包括圆柱形头部、两个闭合部件和轴向芯部，围绕该轴向芯部设置有主绕组电路，所述绕组电路被设计为串联地插入到电源电路中，且设置有次短路绕组电路，并包括具有至少一个空气间隙的轴向芯部。
根据第一特定实施例，所述至少一个空气间隙是中间空气间隙。
根据第二特定实施例，所述至少一个空气间隙包括在闭合部件之间的两个端部空气间隙。
根据第三特定实施例，闭合部件每一个具有环形空气间隙。优选地，环形空气间隙与主绕组电路或与次绕组电路轴向地对齐。
根据特定的特性，次绕组电路包括导电管。所述管包括铜或铝，且具有预定的长度半径比，以及预定的厚度。
根据另一特定实施例，所述滤波装置插入在所述起动机电源电路中，在所述车辆的电池的正端子和所述电磁接触器的电源触点之间。
根据再一特定实施例，所述滤波装置插入在所述起动机电源电路中，在所述电磁接触器的电源触点和所述电动机之间。
根据另一方面，本发明还涉及一种起动机，其可以并入在上文中简要描述的组合中。根据本发明，包括在该组合中的所述滤波装置固定到起动机的外壳上。
上文的一些描述将使得通过申请公司对其感应式滤波装置的优化而获得的附加优势对于本领域技术人员来说更加明显。
本发明的详细说明将在结合附图提供的以下描述中给出。应注意到，这些附图仅用来对文字描述进行图解，不构成对本发明范围的任何限制。
附图说明
图1是以透视图显示了申请公司先前开发的感应式滤波装置和起动机的组合的视图。
图2是包括图1中所示组合的电起动机的流程图。
图3a、3b和3c分别显示了，在根据本发明（正方形）的滤波装置的情况下，以及在现有技术（菱形）的滤波装置的情况下，根据在起动机的电源电路中流通的电流以及电流基于时间的发展变化，滤波装置中的磁能和磁通量的变化。
图4是申请公司先前开发的感应式滤波装置的截面视图。
图5是第一优选实施例中的根据本发明的滤波装置的轴向截面视图。
图6是第二优选实施例中的根据本发明的滤波装置的轴向截面视图。
图7a和7b是第三优选实施例中的根据本发明的滤波装置的示例的轴向截面视图。
具体实施方式
图1显示了起动机和感应式滤波装置LPF的组合1，所述起动机包括直流电动机DCM和电磁接触器EC，申请公司已经对所述感应式滤波装置LPF进行了优化工作。
在该实施例中，滤波装置LPF机械地固定到起动机的外壳，在接触器EC附近。
滤波装置LPF、接触器EC和电动机DCM之间的电连接在图2中示出。
滤波装置LPF电串联地装配在接触器EC的电压触点CP和电动机DCM之间。
根据替代实施例（未示出），滤波装置LPF没有并入在起动机EC、DCM中，而是插入在电源电路中，在电池的正端子B+和电压触点CP之间。
在该情况中，接触器EC是传统的起动机接触器，具有简单的电源触点CP，并包括通过吸引线圈和保持线圈（pull-incoilandahold-incoil）而形成的螺线管。
根据本领域技术人员熟知的顺序，车辆的起动机触点CS的闭合指令吸引和保持线圈的激励以及起动机的致动，该顺序将不在这里详细描述。
前述的初始电流突升发生在电源触点CP闭合时，当电动机DCM被供应全功率时。
电源触点CP的闭合还引起供应电动机DCM的电源电流在滤波装置LPF中的循环。
如图2中通过其电路图所示的，滤波装置LPF在该情况中是感应式的，其在该情况中采取壁壳式变压器的形式，其具有磁性联接的绕组。将注意到，根据应用，简单的感应电阻器可被用来形成优化工作所涉及的低通滤波装置。然而，具有变压器的实施例使得可以具有用于根据应用调节装置LPF的频率响应的更多的参数。由此，可以通过调节主和次电路W1、W2的感应电阻器，以及通过这些电路之间的联接所引入的互感来优化该响应。
主绕组电路W1是插入到起动机的电源电路中的那个。次绕组电路W2是短路的。
通常，针对大约300A至1000A大小的电流，感应滤波装置LPF的等效电感包括在大约0.1至10mH之间。
所获得的增加电池电压的效果来自于这一事实：当电动机DCM接通时，由于在短路的次电路W2中感应的强电流的产生，初始电流突升被降低（大约减弱一半），所述强电流对抗产生它们的磁通量的突然变化。
图3a显示了在未优化的滤波装置LPF（菱形2的曲线）的磁路中、以及根据本发明的被优化的滤波装置LPF（正方形3的曲线）的磁路中的磁通量Φ的变化。
在未优化的滤波装置LPF的情况中，磁通量Φ与磁强度一起快速增大并稳定在最大值。
图3b显示了对应于少量磁能量Em（菱形4的曲线）的存储的饱和值。
因此，尽管电流冲击被减弱，但电源电流I在未优化的滤波装置LPF的磁路达到饱和时非常快速地增大，如图3c中清晰地示出（菱形5的曲线）。
为了延迟饱和现象的发生，根据本发明的优化的滤波装置LPF包括具有至少一个空气间隙AG的磁路。
图3a清晰地显示了相比于磁路不具有空气间隙AG（菱形2的曲线）的情况，磁通量Φ根据电源电流I增大得不那么强烈（正方形3的曲线）。饱和现象也不那么明显。
在该情况中，被存储的磁能Em达到的值（图3b中的正方形6的曲线）高于对应于未优化的滤波装置LPF（菱形4的曲线）的值。
空气间隙AG的实施的结果是，当电动机DCM运行时，相比于未优化的滤波装置LPF，在饱和之后电源电流I的发展缓慢（如图3c中正方形7的曲线所示）。
图4显示了申请公司之前开发类型的感应式滤波装置，其基本对应于由磁性材料(比如钢)制成的壳体C、YO、CM、CM’，以及主绕组电路W1和次绕组电路W2。
壳体包括圆柱形头部YO、两个闭合部件CM、CM'、和轴向芯部C，绕组电路W1、W2围绕所述轴向芯部设置。
主绕组电路W1被设计为串联地插入在电源电路中，次绕组电路W2是短路的。
次绕组电路W2包括多个匝，或替代地可以以环的形式产生。
根据图5中所示出的第一优选实施例，被优化的装置LPF包括与未优化的滤波装置LPF相同的主要元件，即由磁性材料制成的壳体C、YO、CM、CM’、和主绕组电路W1和次绕组电路W2。区别在于大约0.5mm至5mm的中间空气间隙AG的存在，其沿轴向方向，基本位于中央芯部C的中部。
根据图6中示出的第二优选实施例，被优化的装置LPF包括轴向芯部C，其具有在闭合部件CM、CM'之间的两个端部空气间隙AG1、AG2。这些空气间隙AG1、AG1'优选地为大约0.5mm至5mm。
根据图7a和7b中示出的第三优选实施例，优化的装置LPF包括闭合部件CM、CM'，其每一个具有环形空气间隙AG2、AG2’；AG3、AG3’。
这些环形空气间隙AG2、AG2’；AG3、AG3或与主绕组电路W1（图7a）或与次绕组电路W2（图7b）轴向对齐，即限定空气间隙的母面基本与包围主和次绕组电路W1、W2的母面合并。
磁路C、YO、CM、CM’中的空气间隙AG使得可以更晚地达到磁路C、YO、CM、CM’的饱和，由此通过减弱的电流水平（借助滤波装置LPF）更长时间地为起动机DCM、EC的电动机DCM供电。
由此，电动机DCM达到了更高速的旋转，并由此在饱和时刻产生更高的反电动势，这有助于限制电源电流I。
在本发明的特定实施例中，次绕组电路W2可有利地由导电管构成（其例如由铜或铝制成），所述导电管与主绕组电路W1同中心，且位于后者的外部上或其外部。
该类型的结构能够形成这样的滤波装置LPF，其比具有多个匝的次绕组电路W2更容易生产。注意到，保持与具有多个匝的次绕组电路相同的长度半径比将要求管的厚度的正确尺寸。由于描述变压器特征的比值N1/N2，如果存在从对于N2匝的电阻向管的圈的电阻R/N22的转换，滤波装置LPF的电功能将不被修改，N2和N1分别是绕组电路W2和W1的匝数。
将注意到，本发明不限于上述优选实施例。
特别地，所列举的空气间隙（一个或多个）AG的磁路C、YO、CM、CM’的各种布置仅仅是实施例的示例。
在上述描述中，空气间隙AG暗含地是在磁路C、YO、CM、CM’的两个部件之间的自由间隔。
替代地，空气间隙AG的功能可以借助磁路C、YO、CM、CM’中的可以被饱和的块形成，该块突然或渐进地被饱和。例如，具有不足以令总流动通过的块的闭合部件CM、CM'将从中间开始饱和，其等价于渐进形成的空气间隙。饱和度可以通过根据半径选择闭合部件CM、CM’的厚度而被确定。类似地，芯部C中或外部流中的节流调节可以被用来借助饱和产生渐进的空气间隙效应。
本发明由此在以下的权利要求的主题的限制内并入所有可能的变形形式。

Claims (10)

1.一种电动车辆的电起动机电路中的、起动机(DCM、EC)和用于增加电池电压的装置(LPF)的组合(1)，所述起动机(DCM、EC)包括电动机(DCM)和电磁接触器(EC)，所述用于增加电池电压的装置(LPF)被设计为阻止电池电压(Vbat)的降低，并进一步阻止通过将所述起动机(DCM、EC)在电源电路中开始运行而引起的电流突升，其特征在于，所述用于增加电池电压的装置(LPF)包括感应式滤波装置(LPF)，该感应式滤波装置与所述电动机(DCM)串联地装配在所述电源电路中，所述滤波装置包括磁路(YO、C、CM、CM’)，所述磁路包括磁材料制成的壳体(YO、C)，该壳体包括圆柱形头部(YO)、两个闭合部件(CM、CM’)和轴向芯部(C)，围绕该轴向芯部设置有主绕组电路(W1)，所述主绕组电路被设计为串联地插入到电源电路中，以及短路的次绕组电路(W2)，且所述轴向芯部(C)具有至少一个空气间隙(AG；AG1、AG1’)。
2.如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述至少一个空气间隙是中间空气间隙(AG)。
3.如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述至少一个空气间隙包括在所述闭合部件(CM、CM')之间的两个端部空气间隙(AG1、AG1')。
4.如权利要求1所述的组合，其特征在于，所述闭合部件(CM、CM')每一个具有环形空气间隙(AG2、AG2'；AG3、AG3')。
5.如权利要求4所述的组合，其特征在于，所述环形空气间隙(AG2、AG2'；AG3、AG3')与所述主绕组电路(W1)或与所述次绕组电路(W2)轴向对齐。
6.如前述权利要求1-5中任一项所述的组合，其特征在于，所述次绕组电路(W2)包括导电管。
7.如权利要求6所述的组合，其特征在于，所述导电管由铜或铝制成，且具有预定的长度-半径比，以及预定的厚度。
8.如权利要求1至5中任一项所述的组合，其特征在于，所述滤波装置(LPF)插入在所述起动机电源电路(DCM、EC)中，在所述车辆的电池的正端子(B+)和所述电磁接触器(EC)的电源触点(CP)之间。
9.如权利要求1至5中任一项所述的组合，其特征在于，所述滤波装置(LPF)插入在所述起动机电源电路(DCM、EC)中，在所述电磁接触器(EC)的电源触点(CP)和所述电动机(DCM)之间。
10.一种起动机(DCM、EC)，其可以并入到根据权利要求1至9中任一项所述的组合(1)中，其特征在于，包括在所述组合(1)中的滤波装置(LPF)固定在所述起动机(DCM、EC)的外壳上。
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