CN1049954C - 给摩托车的电力负载及其内燃机的点火电路选择供电的装置 - Google Patents

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Abstract

一种选择地给摩托车的电气负载(L，B)及内燃机点火电路供电的装置，发电机具有一个发电绕组，通过相反偏置的二极管D3、D4和电子开关装置T1、T3，受电压调节器控制，可选择地分别连接到发动机的点火电路和交直流负载L，B。电压调节器包括电气负载电路的电子开关T2、T3及控制单元U2，用来选择性地把发电机的输出电压在其周期的一部分(a1，a2)供给电气负载，在其周期的其余部分(a3)供给发动机点火电路。

Description

给摩托车的电力负载及其内燃机的点火电路选择供电的装置
本发明涉及摩托车的电气系统，用来选择地分别供电给交流负载和直流角载以及发动机的电点火电路。
用于摩托车例如小功率摩托车的基本的电系统包括具有电压调节器的第一电路装置，用来供给交流电和直流电；以及第二电路装置，用来供电给内燃机的点火电路。其中第一第二电路装置由同一磁发电机的独立的或分开的几个线圈供电。
当不需要使系统的所有电气负载和内燃机的点火电路由电池连系起来的时候，选择这种方案。在这种车辆中电池总是很小的，并一般只用于临时供电，例如起动时或车辆本身的方向灯照明。
一种典型的具有这种操作方式的摩托车的供电系统如图1和图2所示。
该系统基本上包括由定子10和磁转子11以已知方式构成的发电机G。定子10一般包括几个电源绕组，它们由不同的线圈构成，例如绕组L1，由大约3000至4000匝非常细的线构成，用来给电容放电型点火电路CDI供电。以及两个串联的绕组L2、L3，用来给交直流负载L和B供电。点火电路CDI原理上包括点火电容C1，它通过二极管D2和发电机的绕组L1相连，还和高压线圈T1的初级绕组相连。高压线圈T1的次级绕组供给火花塞CD。点火电路还包括分支二极管D1以及电子开关SCR3，其控制电极连接于触发线圈4，它提供触发信号以便和内燃机的操作循环同步。
另一方面，负载电路包括，绕组L2，它由一个或多个由较粗导线构成的几百匝的线圈构成，用来供电给交流负载，例如用灯L表示。还包括第三绕组L3，它由一个或几个与绕组2的大小类似的线圈构成，用来供电给直流负载，例如电池B。以及相连的电压调节器12，它分别由两部分构成，即交流部分，包括电子开关SCR1，用来调节电负载L的电压VL，以及直流部分，包括电子开关SCR2，用来调节电池B的电压VB。单独的控制电路U1在其两个电压输入端I1、I2分别输入交流和直流负载的电压VL和VB，并在其输出端输出控制信号E1和E2，供给两个电子开关SCR1和SCR2。
简短地说，图1、图2所示的电路的工作方式如下：绕组L1在正半周期间通过二极管D2提供给为电容器C1充电所需的电流，而负半周被二极管D1短路。当绕组4提供触发信号控制点火电路时，SCR3被触发，电容C1对高压线圈T1放电，从而在火花塞CD上产生火花。
在点火电路工作的同时，给负载供电的电路也工作：调节器12的交流部分AC。测量供给灯L的电压VL的标称值，当这一电压超预定值时，电压调节器的控制电路VI使SCR1导通，从SCR1触发时刻t1开始的整个负半波使发电机的绕组L2短路，直到时刻t2，SCR1的电流为零，相当于发电机绕组L2的端电压的负载电压VL再次变正。
实际上，负载L上的标称值是发电机负半波的一部发，即在某个角度α1之后，使开关SCR1导通，如图2的曲线所示。它表示如果不加调节系统时施加于负载L的发电机电压V0。因为发电机绕组L2和L3有其自身的电感，所以一旦开关SCR1导通之后，它就保持导通一个角度α2，这个角度是由所述发电机的内部特性决定的。当α1加上α2大于180°电角度，而小于360°时，则情况如上所述。所有这些由下面的关系相联系：
WLG/R，其中，在电阻负载时
W＝2πf，其中
f是发电机的电频率；
R是负载的等效电阻加上发电机的电阻；
LG是发电机的内部电感。
由上所述可见，关于维持发电机电压的一部分的角度α3具有一正弦部分，它向负载L提供交流电，并且实际上它不能被这类调节器控制。这便导致关于发电机供出的最小负载值的限制。实际上，所有这些就使得调节器不能调节负载上的电压，如果负载没有大于某值的高的等效电阻的话。例如，额定功率为100W(A·C·)的永磁发电机，在6000rpm的速度下把电压调节到13.5V，而用上述的调节器，在10000rpm的速度下，则在10W的电阻负载上具有16V电压(额定的)，由此可见，电压调节器不能维持10W或更小的负载上的车辆电路的正常电压，此时有一较高的电压13.5V(标称的)。
因而这表明已知类型的调节器的一种固有的而又非常重要的限制。因为它妨碍使用具有高于设定功率的发电机和小于给定值的负载。换句话说，这种已知电路的调节器只调节发出功率的一部分，一般为90％，而其余的10％的可用功率是不能被控制的，这便形成了对所用发电机的最小功率的限制。
另一方面，电压调节器的直流电部分的操作也很简单：控制电路U1读取电池的电压VB，如果这电压小于所需值时，就启动开关SCR2，使当绕组L2、L3的端电压VL3为正时流过电流向电池充电；否则电子开关SCR2就保持不导通。
因为发电机绕组L2、L3彼此同相串连，所以电压调节器的交流部分和直流部分部互相影响，尤其是交流部分，因而负载L上的电压受开关SCR2是否导通的影响，这表明常规负载供电电路的第二个限制。
最后的但非最不重要的是，这种方案的第三种限制在于，由于发电机具有多个绕组而用导线相连，使得发电机的结构复杂。
在专利US-A-4,537,174中说明了一种具有给发动机的电子点火电路和车辆负载电路供电的双重功能的方案，它提供了在发电机和点火电路之间有限数量的连接，并只利用单个发电机绕组。然而，在这方案中，利用了混合的交流直流调节系统，这永远不会暴露上述的最小负载问题。
本发明的目的在于，提供一种给摩托车中的负载及其内燃机的点火电路供电的装置，旨在克服上述缺点，从而提出一种方案，在发电机的整个运行周期内通过控制其输出功率来消除加于发电机的最小功率问题。
本发明的另一个目的在于，提供一种给车辆内燃机的点火电路及其负载供电的装置，尤其是对摩托车或低功率摩托车，供以消除交流供电部分和直流供电部分之间的不良影响，使同一发电机的结构和功能简化。
本发明的另一个目的在于，提供一种给负载供电的装置，尤其适用于电容放电型点火电路，它利用高压响应系统供给点火能量，例如在同一申请人的先前专利申请ITMI 92 A 2809中所述，该专利在下面将作简要说明。
因此，本发明提供一种用来选择地给摩托车的电负载及其内燃机的点火电路供电的装置。该装置包括发电机的单个电源发生线圈，它可以通过相反偏置连接的二极管和电子开关选择地连接到发动机的点火电路和交直流负载电路。它由在电气负载电路中的半导体开关器件组成的电压调节器进行控制；以及控制单元，用来选择地把发电机的电压输出在发电机的电压周期的一部分内供给电气负载电路，在上述周期的其余部分内供电给发动机的点火电路。
本发明的原理以及与现有技术的区别从下面结合附图的说明中将更加清楚，其中：
图1表示一个常规的电系统；
图2表示供给交流负载的电压，相对于不调节发电机电压的情况；
图3是本发明的供电给内燃机点火系统及其它负载的电路图；
图4是可以利用图3所示电路的高压响应型电容点火电路的特定方案图；
图5是发电机电压和电池电压在电池电压小于所需充电值时，相对于点火电容器电压的波形图；
图6是交流负载上的电压波形图；
图7是发电机的输出电流波形图；
图8是发电机的输出电压，此时与交流电容器上的电压VL一致，表明当电池电压大于预定值时，发电机的未调整电压V0和点火电容器上的电压；
图9是一个电压调节器的例子。
如上所述，图1和图2说明现有技术的情况，由图可见，该系统具有用于发动机点火和用于给车辆的交直流负载供电的单一的电路。
现在参见图3，说明本发明的用来克服现有技术中的固有缺点的方案。
图3的方案包括：发电机G的单一的电源绕组线圈L5，它可以是绕在定子各个极上的一个或多个线圈，它通过正偏置的二极管D3和电子开关T1与摩托车的交流负载L的电路14相连。电子开关T1可以通断。同时绕组线圈L5还通过相对于二极管D3为反偏置的二极管D4和点火电路CDI连接，以便给火花塞CD供电。
更精确地说，供电电路14给灯L供电，形成交流负载，供电电路15给电池B供电，形成直流负载，它们构成混合的直流交流电压调节器13，具有第一电子开关T1，例如功率MOS管，它和电路14串连供电给灯L。以及第二电子开关T2，例如SCR，用来把发电机G的绕组L5对地短路。还有电子开关T3，例如和电池B串连的SCR。如果T1能够完成遮断从负载到发电机电流的功能，二极管D3就可以取消。在操作期间，二极管D3和电子开关T1、T2和T3使得只有发电机的电压VG为正时才供给AC和DC负载电流。
AC负载上的电压VL和电池B上的电压VB分别输入到控制单元U2的控制输入端16和17，通过控制单元U2的输出端18、19和20分别送给电子开关T1、T2和T3的控制极。控制电路U2如图9所示，它适用于各种电子开关的开关顺序控制，使得有选择的调节各个负载L、B以及发动机点火电路CDI的电压和电功率，如下详述。
控制电路U2的一个例子示于图9，由图9可见，控制电路U2包括第一电压比较器CPA，其反相输入端与由电容CA提供的电压VCA相连，电容CA连接在电阻RA连接在电阻RA的下游端，形成时间延迟电路，和供给交流负载L的电压VL相连。CPA的同相输入端和参考电压VRA相连。第一电压比较器CPA的输出送到接口FFA的输入端，FFA和电子开关T1的控制极相连，在FFA的另一输入端21，它接收发电机10的电压VG。
第一电压比较器CPA的输出还通过信号反相器IA和电子转换开关TAB分别送到电子开关T2或T3的控制极，TAB的开关状态由第二电压比较器CPB控制，CPB的输出被送到TAB的输入端。电压比较器CPB的反相输入端与电池电压VB相连，而其同相输入端与第二参考电压VRB相连。
最后，图9中的PSA代表给控制单元U2的各个电子装置供电的电路，并且和图3中相同的标号代表相同的部分。
参见图4，为了完整地描述本发明，我们以电容放电点火装置为例进行说明。它包括上级系统，用来使用发电机绕组感应的高电压给点火电容器充电，发电机绕组感应的高电压是由电压升压器部分的开关快速通断而导致短路电流快速遮断引起的。
在图4中，A代表给点火电容器C3的充电电路B供电的部分，具体地说，电路A部分包括图3所示的交流发电机G的绕组L5。
在所示的例子中，电容C3的充电电路B通过二极管D4和D5与点火线圈T2的初级绕组相连。该电路还包括电子开关T4，它使电容器C3按照电压发电机的合适线圈提供的定时信号或以其它公知方式向点火线圈T2放电。还包括二极管D6，用来为高压线圈T2的初级绕组续流。
为电容器C3提供充电电压的部分A还和发电机绕组L5相连，其间通过二极管D4，它使发电机电流只有当发电机电压为负时电流才流向点火电路。电路的部分A包括电压升压器，用来升高供给C3的电压，例如它可包括电子开关T5和电阻R2，它可以和发电机G并联。电阻R2或其它等效电路向电压比较器CP1的输入端提供电压升压器的电压V2，说电压正比于流过电子开关T5的电流，使得借助于输出电压VA和接口F快速地控制开关本身的开关状态。事实上，电子开关T5的快速的通断使得电容器C3充电到基本恒定的电压值，而不依赖于发电机G的输出电压和发动机的运行条件。开关T5的通断状态由电压比较器CP1控制，它在其输入端和电压V2相连，而电压V2代表流过开关T5的电流。还由电容器C2提供工作电压V3，它适用于维持比较器CP1的操作状态。或通过另一个装置提供在每一个单一的充电期间电容器C3的电压VC增加的情况，以及参考电压VR1，它代表电压V2的最大值，因而也代表电压V2的最大值，相对于这一最大值，比较器快速地触发开关T5使其不断地通断。
CP2代表禁止CP1的装置，适用于规定C3的电压VC的最大值，并且例如由第二电压比较器组成，它连续地比较电容器C3的电压和第二参考电压VR2，从而在VC达到或倾向超过点火电容器C3的充电电压允许的最大值时，阻止CP1的操作并保持T5闭合。因此，CP2的输出V5为上述目的被送到CP1的控制输入端。最后PS代表电源系统的各个操作单元的供电电路，用于所示的电子点火。
图4所示电路的工作原理在于，把发电机G的绕组L5的电感存储的能量传输给使点火电容C3充电的电能。这借助于短路获得，即快速地打开和关闭开关T5，从而引起快速的电流变化，在发电机的绕组T5内产生感应高电压，用于给电容器C3充电，该电压与发电机本身的输出电压无关，它根据发动机的转数的变化而变化。
再参考图3和图9以及图5、6、7和8，来描述该装置的操作方式，从图5可见，当D3的阳极的电压VG开始上升时，开关T1被控制电路U2接通，因而灯L或其它交流负载由电压V1供电，并因此电流IL流动相应于电角度α1的一段时间，用来提供合适的电压额定值，一般为13.5V。更精确地说，当发电机的电压VG开始变正时，由于T1闭合，负载L上的电压VL也增加。这也导致电容器CA上的电压VCA增加，CA和电压比较器CPA的反相输入端相连，CPA把电压VCA和参考电压VRA进行比较。
电压VCA将达到值VRA，只是相对于VL有某一滞后，这由时间常数值A＝RA·CA确定，这时向滞后确定了角α1，在角α1内电压加到负载L上，电压VL的标称值由电角度比α1/360°确定。如果VCA大于或等于VRA，CPA的输出将由高变为低；接口FFA将识别这一转变，并通过输出18将断开电子开关T1。
这种状态被维持整个角度α2，即直到VG变正为止；VG的极性通过输入21识别。
在这状态期间，开关T2和T3被断开，因而加列交流负载的电压VL的波形及其电流IL如图6和图7所示。
在第一状态之后，即伴随着确定关于调节器的交流部分的角α1，有两种可能的状态：第一种状态是电池B具有低于相应于所需充电电压的参考电压VRB的值，一般为13.5V；在这种情况下，T1被断开，转换开关TAB转到输出20，使得开关T3导通，同时T2保持断开。
用这种方式，电池B根据发电机的电感由电流IB(图7)充电等效于电角度α2的一段时间。在角α3的时间期间内，电子开关T1、T2和T3返回其初始状态，即T1导通，T2、T3断开，为下一周期作好准备。
因为发电机G总有本身的电感，供给负载的电流在发电机电压的每个周期内总能导通大于180°电角度的电角度α1+α2。结果，便能充分利用发电机提供的能量供给车辆电系统的交直流负载。这是可能的，因为内燃机点火需要有限的功率，大约为5-10瓦的数量级。
然而，在第二种情况下，如果供给CPB反相输入端的电池B的电压VB超过参考值VRB，TAB就转到输出端19，从而使T2导通而T1和T3断开；在这种情况下，在T2导通之后，T1和T3的状态不受影响，因为T2使发电机G对地短路。这状态由图8说明。由图8可见，角载电压也即负载电流仅导通角度α1。
后一种情况是与发电机的每个周期的负半波部分的电角度α3有关的，此时仅涉及供电给图4所示的电容放电点火电路的升压器。在α3期间，接口FFA通过输入端21检测出发电机VG的电压相对于地为负，因而恢复电子开关T1的初始状态，使其导通而T2、T3截止。
图5和图8表示在两种情况下点火电容器上电压VC的波形，直列当发电机电压为正时出现点火时刻t3。用这种方式，电子开关T4防止发电机10短路。
图7表明在点火电容充电期间，在α3内发电机电流IC的波形。
在T1已经断开并且T2和T3已经开始导通之后，比较器CPA的输出因为电容CA通过RA和负载L充电而从低变为高，并因此IA的输出由高变为低，恢复到初始状态。
从上述可见，可以理解能够提供一种系统，用来供电给摩托车的交直流负载，其特征在于利用发电机的一个绕组，最好它均匀分布在发电机的定子磁极上，并且通过合适极性的二极管分别与负载电压调节器以及发动机点火电路相连。结合由控制电路控制的开关器件，选择性地在发电机电压周期内的特定时刻把发电机输出的功率供给车辆装置的负载电路和点火电路。从而把大部分电能供给负载而仅有小部分电能供给点火电路。用这种方式，与最小负载有关的问题便完全被消除了，因为发电机每个周期所发能量的剩余部分，这部分以前是不能以任何方式控制的，而现在却用于发动机点火，同时又不影响车辆电气负载用电，可以不依赖于发电机和负载的标称功率而以合适的电压电流供电。

Claims (6)

1.一种用于给摩托车的交流负载(L)和直流负载(B)以及电容放电点火电路(CDI)供电的装置，包括发电机(G)，它的一个绕组(L5)可分别连接于车辆的电负载(L，B)供电电路和所述点火电路(CDI)，其特征在于，所述发电机(G)的绕组(L5)在电压调节器(13)的控制下，可选择地分别经由正偏置二极管(D3)和电子开关器件(T1、T3)与电气负载电路(L，B)串联连接及经由反偏置二极管(D4)与所述点火电路(CDI)串联连接，所述电压调节器(13)包括：分别和电气负载电路(L，B)串联而和发电机(G)并联的所述电子开关器件(T1，T3)，以及控制电路(U2)，用来选择地把来自发电机(G)的功率在其交流电压的每个周期的一部分，(α1+α2)以正电压供给所述电负载电路(L，B)，并在上述周期内的其余部分(α3)用负电压供电给发动机点火电路。
2.如权利要求1的装置，其特征在于，电压调节器(13)在发电机电压每个周期的正半波开始的一部分断开或闭合所述开关器件(T1，T3)从而选择地供给交流负载电路(L)正电压。
3.如权利要求2的装置，其中续流负载电路包括电池(B)，其特征在于，根据电池(B)的充电状态，在给交流负载电路(L)供过电之后，控制电路顺序地使所述发电机(G)的所述绕组(L5)通过第一电子开关(T3)连接到电池充电电路(15)，并通过第二开关(T2)连接到摩托车电路的池。
4.如权利要求1的装置，其特征在于，所述电压调节器(13)包括，第一电压比较器(CPA)，在其输入端分别加有第一参考电压(VRA)和与加于交流负载上的发电机电压(VG)成正比的电压(VCA)，所述第一电压比较器(CPA)的输出端以及发电机(G)的电压输出(VG)被送到控制接口(FFA)的各个输入端，用于控制和交流负载(L)串联的电子开关(T1)；
所述第一电压比较器(CPA)的输出还通过信号反相器(IA)和电子转换开关装置(TAB)分别送到电子开关(T2)的控制极，用来使发电机(G)对地短路，以及电子开关(T3)的控制极，用于使电池(B)和发电机(G)串联连接；
还具有第二电压比较器(CPB)，被连接到所述转换装置(TAB)的控制输入端，所述第二电压比较器(CPB)在其输入端加有直流负载(B)的电压(VB)以及第二参考电压(VRB)。
5.如权利要求1的装置，其特征在于，所述发动机点火电路(CD1)包括电压升压装置，用于为点火电容器提供充电电压，包括发电机绕组(L5)的电感以及用来短路所述发电机绕组(L5)的电子开关(T5)，以及可编程的逻辑控制装置(CP1-F)，用于使所述短路开关(T5)重复地通断，从而使发电机绕组(L5)中的以及电子短路开关(T5)中的电流反复地通断。
6.如权利要求5的装置，其中发电机(G)包括相位检测装置(VT)，用来发出定时信号，从而使点火电容器(C3)在与内燃发动机运行循环有关的时刻放电，其特征在于包括用来在发电机电压(G)的正半周期间发出使点火电容器(C3)放电的信号的电路装置。
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