CN104169131B - 用于在机动车辆起动期间保持电压的装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的装置(DMT)被设置以提供附加电压，当热机被起动时，该电压用于旋转电机(AD)的供电。该额外电压加到被电池(BAT)提供的车载电网(RB)的名义电压。该装置包括第二电压源(Ucap)以及电子开关(K1、K2)，每个电子开关包括至少一个MOSFET晶体管。根据本发明，开关的至少一个MOSFET晶体管(K2)，与第二电压源(Ucap)串联安装，在热机起动结束时以线性模式被控制。有利地，装置包括电流控制环路，用于在线性模式控制晶体管。

Description

用于在机动车辆起动期间保持电压的装置
技术领域
本发明大体涉及用于机动车辆保持电压的装置。更具体地，本发明涉及用于保持电压的装置，其可在机动车辆热机起动阶段期间被使用。
背景技术
用于热机的自动停止/重新起动的系统(称为停止和行进)引入到机动车辆中使车辆的车载电网的电压约束更加严格。
总体上，确保热机起动的旋转电机的功率已经增加，以便有助于发动机的起动，并防止车辆重新起动的多个操作对用户导致的一些缺点。因而，在发动机起动期间，存在来自电池的更高电流尖峰，且因而存在车载电网上的相应的大的电压降。大电压降的该问题在停止和行进系统中已知的两个结构中出现，即，交流发电机-起动器的结构和具有再起动器(其还称为增强起动器)的结构。
将用于保持电压的装置并入在热机的自动停止/重新起动系统中是对上述问题的可行响应。在具有交流发电机-起动器的系统中，并入用于保持电压的装置还具有允许增加电机扭矩的优点，该扭矩增加由于通过一电压提供转子的激励电流的可能性而导致，该电压远远高于传统车载电网的14V标称电压。
在现有技术中，由本发明主体制造的系统是已知的，交流发电机-起动器装备有用于保持电压的装置，其可使车载电网电压增加到大约17.5V的值。
但是，应注意到，连接至车辆车载电网的大多数电子附件和装备没有被设计用于重复抵抗大约17.5V的车载电网电压。实际上，这些电子附件和装备已经通常被设计用于12V的标准车载电网。
发明内容
因此期望的是提供出允许更好地控制装备有用于保持电压的装置的车辆中的车载电网电压的方案，这是通过将装置在车载电网上施加高电压的时间段减小到最小实现的。
根据第一方面，本发明涉及一种用于保持电压的装置，其被设计为与旋转电机相关联，该旋转电机实现起动机动车辆的热机的功能，该装置被设计为，当热机被起动时，提供用于旋转电机供电的额外电压，该额外电压加到车辆的被电池供电的车载电网的标称电压，该电池作为主电压源包含在车辆中，该装置包括第二电压源以及第一和第二电子开关，每个电子开关包括至少一个MOSFET类型的晶体管。
根据本发明，第二开关的至少一个MOSFET晶体管，与第二电压源串联安装，在热机起动结束时以线性模式被控制。
根据另一特定特征，在热机起动结束时以线性模式运行的MOSFET晶体管在起动操作的其余部分期间以全或无切换模式(all-or-nothing switching mode)运行。
根据另一特定特征，装置包括电流控制环路，用于第二电子开关晶体管的以线性模式的控制。
根据另一特定特征，在线性模式的晶体管中循环的电流通过作为输入被供应给电流控制环路的设定值被控制。
根据本发明的特定实施例，第二电子开关包括并联安装的多个MOSFET晶体管，该多个MOSFET晶体管与第二电压源串联安装。该组晶体管可在热机起动结束时以线性模式被控制，且对于每个晶体管，装置包括一电流控制环路来以线性模式控制该晶体管。
实际上，在本发明的一些应用中，必要的是，将多个MOSFET晶体管并联安装，以便能够使具有大尖峰的电流通过。在现有技术中，将MOSFET晶体管并联在这些晶体管以线性模式运行期间带来问题，因为首先，该运行模式是热不稳定的，其次，与MOSFET晶体管的Vsgth(源极对栅极临界电压)有关的制造偏差产生每个晶体管传导的电流的大差异。在本发明中，尽管在晶体管中存在与Vsgth电压和跨导相关以及与晶体管之间的热耦合和温度相关的制造偏差，并入电流控制环路以控制并联安装的MOSFET晶体管确保满意的运行，而不需要在制造期间给晶体管分级。另外，没有对晶体管热耦合的约束使得可以使用用于晶体管的不同功率基板，和特别地使用隔离金属类型(SMI)的基板。
根据本发明的又一特定特征，第一开关包括至少一个MOSFET晶体管，其在所谓的全或无切换模式中被控制。
根据本发明的又一特定实施例，第二电压源包括超级电容器。在该情况下，装置可包括连接至第二电压源的直流-直流转换器，以便为超级电容器充电。
根据另外的方面，本发明还涉及一种用于起动热机的系统，包括如前述的用于保持电压的装置。
附图说明
参考附图，本发明现通过不同实施例被描述。应注意到，这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
图1示出具有交流发电机-起动器的用于起动热机的系统，其装备有用于保持电压的装置；
图2示出电子开关，其可以线性模式控制，且包含在根据本发明的装置的特定实施例中，该电子开关包括多个MOSFET晶体管，它们并联安装并装备有电流控制环路；和
图3示出MOSFET晶体管，其装备有电流控制环路，且包含在图2所示的电子开关中。
具体实施方式
在图1中示出用于起动具有交流发电机起动器的热机的系统1，其具有用于保持电压的装置DMT。
用于起动热机的系统1大体包括交流发电机-起动器AD、可逆交流-直流(AC/DC)转换器CAC、电子控制单元ECU和用于保持电压的装置DMT。
电池BAT连接至车辆的车载电网RB。电池BAT的正端子B+连接到缆线，该缆线具有电网RB的正极。电池BAT的负端子B-通过用于保持电压的装置DMT连接至车载电网RB的地线(车体)。
交流发电机-起动器AD是可逆电机，其可首先在被热机驱动时用作发电机，且其次用作用于起动与其相关的热机的电马达。
转换器CAC是可逆转换器，其可在交流发电机-起动器AD处于发电机模式时用作整流电桥，当交流发电机-起动器AD处于电马达或起动器模式时以逆变器模式运行。转换器CAC习惯性地在功率晶体管桥周围构造，例如是MOSFET类型，且首先连接到交流发电机-起动器的起动器的定子绕组，且其次连接到车辆的车载电网RB。当交流发电机-起动器AD处于电马达模式时，转换器CAC的晶体管被串联地控制，并同步地向定子相绕组供应电力。
电子控制单元ECU以传统方式构造在微控制器周围。单元ECU通过通信总线(例如CAN类型)连接到车辆的控制单元(未示出)。通过该通信总线，单元ECU从车辆控制单元接收命令和指令，单元ECU将它们分为用于交流发电机-起动器AD、转换器CAC和用于保持电压DMT的装置的控制信号。另外，诸如警报的状态信息——从交流发电机-起动器AD、转换器CAC和用于保持电压DMT的装置获得——可通过设置有这些功能元件的通信连接件返回至单元ECU。
单元ECU由此将激励控制信号SE供应给交流发电机-起动器AD，将切换控制信号SG供应给转换器CAC。信号SE通过将功率提供给电机AD的转子的激励线圈而确定激励电流。信号SG命令转换器CAC的功率晶体管的切换操作，并确定后者的运行模式。另外，单元ECU将控制信号CK1、CK2和SDC提供给用于保持电压的装置DMT。
如图1所示，用于保持电压的装置DMT大体包括两个受控电子开关K1和K2、超级电容器单元Ucap和直流-直流(DC/DC)负载转换器。
用于保持电压的装置DMT的大体原理包括在热机起动操作期间将第二电压源与电池BAT串联。该第二电压源在该情况下是超级电容器单元Ucap。在热机起动期间，转换器CAC由此被供应有比通常在车辆车载电网RB上存在的14V高的电压。该更高电压使得可以在起动期间增加电机AD的扭矩，并保证保持电压水平，该电压水平对于连接到车载电网RB的装备和附件组足够。
受控开关K1和K2在该情况下是N类型的MOSFET晶体管。
晶体管K1包括漏极D，其连接到晶体管K2的漏极D和电池BAT的负端子B-。晶体管K1的源极S连接到电路地线。当命令晶体管K1的饱和(开关闭合)时，电池BAT的端子B-由此连接到地线。晶体管K1通过单元ECU借助控制信号CK1被控制。
晶体管K2包括源极S，其连接到超级电容器单元Ucap的正端子+，其负端子被连接到电路地线。当命令晶体管K2的饱和(开关闭合)时，超级电容器Ucap作为第二电压源与构成主电压源的电池BAT串联。晶体管K2通过单元ECU借助控制信号CK2被控制。
在该情况下，超级电容器单元Ucap通过串联安装的两个单元形成，每个单元具有大约1200F的电容。超级电容器单元Ucap的充电通过被电池BAT供电的转换器CDC被确保。超级电容器单元Ucap的充电水平被单元ECU通过信号SDC被控制和管理，该信号SDC通过单元ECU提供给转换器CDC。典型地，超级电容器单元Ucap被冲电至大约5V的名义电压。
应指出，根据本发明，晶体管K1仅在所谓的全或无切换模式中运行(即，在闭合状态或断开状态)，而晶体管K2以切换模式和线性模式运行。晶体管K1和K2的导电永远不同时促动。在相同时刻，晶体管K1和K2处于相反运行状态。当晶体管K1饱和(闭合)时，晶体管K2截止(断开)。当晶体管K1截止(断开)时，晶体管K2通过受控电阻Rds(漏极电阻)而饱和(闭合)或处于线性模式。
在装置DMT的闲置状态下，即，在热机的起动阶段之外，晶体管K1饱和，晶体管K2截止。车载电网RB的电压则是名义电压14V，其通过铅电池类型的电池BAT确定。超级电容器Ucap通过转换器CDC被保持充电。
当单元ECU收到起动命令时，装置DMT通过借助信号CK1和CK2命令晶体管K1截止和晶体管K2饱和而被激活。电池BAT和超级电容器单元Ucap则串联联接，且为转换器CAC供应有大约17.5V的无负载高电网电压VCH。在起动操作期间，该电压VCH下降，这是电路的不同电阻的结果，即，电池BAT和超级电容器单元Ucap以及晶体管K2和连接缆线的内部电阻。
在起动操作结束时，电压VCH倾向于朝向无负载电压17.5V升高，这是所收集的电流减小的结果。根据本发明，晶体管K2继而通过控制信号SK2以线性模式被控制，以便将大电阻Rds引入到电路，并在端子B+和地线之间形成电压VCH降。为此目的，在单元ECU中设置控制软件模块(未示出)。连接至车辆车载电网的电子附件和装备由此经历高电压VCH(17.5V)，仅用于起动热机必须的最小时间。
在该实施例中，晶体管K2以线性方式被控制，以便在热机起动操作结束时将电压VCH限制到15V的最大值。
还参考图2和3，在此以后提供根据本发明的保持电压装置的实施例的描述，其中，电子开关K1和K2被开关K1'(未示出)和K2'替代，每个电子开关包括并联安装的多个MOSFET晶体管。在此仅详细描述开关K2'，已知的是，本领域技术人员已知用并联的多个MOSFET晶体管形成的开关K1'的结构和运行，其以全或无切换模式运行。
图2示出根据本发明的开关K2'的大体结构。开关K2'包括并联安装n个开关IC1至ICn，每个具有MOSFET晶体管，在该情况下为N通道类型，还包括电流控制环路。每个开关ICn则传送电流I/n，并接收相应的设定值CK2'，已知的是，开关K2'必须传送的总电流等于I。
如图3所示，在该实施例中，用于包含在开关K2'中的晶体管的K2n'的电流控制环路大体包括差分放大器2、减法放大器3、矫正器4、驱动放大器5和电流测量分流器6。
以与图1的实施例中的晶体管K2相同的方式，在热机起动操作期间，晶体管K2n'可根据两个模式运行，即首先全或无切换模式，然后，在起动结束时，以线性模式，以便限制电压VCH。晶体管K2n'的这两个运行模式通过分配给设定值CK2'的值控制。
差分放大器2从分流器6的端子收集电压信息，该电压信息表示通过晶体管K2n'的实际电流I/n。
实际电流信息I/n是反作用信息，其应用于减法器2的-输入。减法器3的+输入接收设定值CK2'，其具有单元ECU供应的控制信号的形式(见图1)。晶体管K2n'通过设定值CK2'和实际电流I/n之间的误差信号E被控制。误差信号E通过矫正器4和驱动放大器5应用于晶体管K2n'的栅极G。典型地，矫正器4是比例-积分类型(PI)。
与开关K2'的晶体管相关联的电流控制回路允许晶体管运行点的准确控制。由此可以根据通过本发明提出的两个运行模式控制晶体管，同时确保线性模式中的非常好的稳定性。
应意识到，之前参考图3所述的电流控制环路可并入在图1中的实施例中，以便控制MOSFET晶体管K2。
本发明与上述实施例不同的实施例在被提供有本说明教导的本领域技术人员的范围内。

Claims (10)

1.一种用于保持电压的装置(DMT)，其被设计为与旋转电机(AD)相关联，该旋转电机实现起动机动车辆的热机的功能，该装置(DMT)被设计为，当热机被起动时，提供用于旋转电机(AD)的供电的额外电压，该额外电压加到车辆的被电池(BAT)供电的车载电网(RB)的名义电压，该电池作为主电压源包含在车辆中，该装置包括第二电压源(Ucap)以及第一电子开关(K1)和第二电子开关(K2、K2’)，每个电子开关包括至少一个MOSFET类型的晶体管，其特征在于，与第二电压源(Ucap)串联安装的开关的至少一个MOSFET晶体管在热机起动结束时以线性模式被控制。
2.根据前一项权利要求所述的装置，其特征在于，在热机起动结束时以线性模式运行的MOSFET晶体管在起动操作的其余部分期间以全或无切换模式运行。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，其包括电流控制环路(2、3、4、5、6)，用于第二电子开关(K2、K2n')的MOSFET晶体管的以线性模式的控制。
4.根据前一项权利要求所述的装置，其特征在于，在线性模式的MOSFET晶体管中循环的电流(I、I/n)通过作为输入被供应给电流控制环路(2、3、4、5、6)的设定值(CK2')被控制。
5.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的装置，其特征在于，第二电子开关(K2’)包括并联安装的多个(n)MOSFET晶体管(IC1、IC2,…ICn)，该多个MOSFET晶体管与第二电压源(Ucap)串联安装。
6.根据前一项权利要求所述的装置，其特征在于，每个MOSFET晶体管(IC1、IC2,…ICn)在热机起动结束时以线性模式被控制，且在于，对于每个MOSFET晶体管(IC1、IC2,…ICn)，所述装置包括一电流控制环路(2、3、4、5、6)，来以线性模式控制该MOSFET晶体管(IC1、IC2,…ICn)。
7.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的装置，其特征在于，第一电子开关(K1)包括至少一个MOSFET晶体管，该MOSFET晶体管在所谓的全或无切换模式中被控制。
8.根据前述权利要求1-2中的任一项所述的装置，其特征在于，第二电压源包括超级电容器。
9.根据前一项权利要求所述的装置，其特征在于，其包括连接至第二电压源的直流-直流转换器(CDC)，以便为所述超级电容器充电。
10.一种用于起动热机的系统，其特征在于，其包括根据前述权利要求任一项所述的用于保持电压的装置(DMT)。
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