CN105379041A - 用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的系统属于在通过与车载电气网络(2)连接的电启动器(4)启动机动车的热机时，限制为所述网络(2)供电的电池(3)的电压变化的类型。本发明的系统包含可根据电压变化而变化的可变电阻(6)，所述可变电阻(6)与所述电池(3)和所述启动器(4)串联连接。根据本发明的另一个特征，所述可变电阻(6)由主电流回路(7)根据基准电流强度(Iref)控制，该基准电流强度(Iref)通过电压回路(8)根据相对于基准电压(Uref)的电压变化生成。所述可变电阻(6)通常由多个功率晶体管并联形成。

Description

用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统
技术领域
总体上，本发明涉及机动车中的热机启动器这一领域。更具体地，本发明涉及一种用于稳定机动车在启动时的车载电气网络的电源电压的稳定系统。
背景技术
当对启动器供电以确保机动车热机的启动时，会产生接近于启动器短路电流水平的显著的冲击电流，即约1000安培的电流。该电流的强度随后随着启动器的电枢的加速而减小，该电枢对应于机器的转子。
对应于此初始电流峰值，电池的端电压显著下降。其它较不显著的电压下降随后发生于启动阶段，并对应于热机连续通过上止点。
被称为“增强的”的、适用于热机的自动关闭/重启系统(被称为“关闭/启动”或者按英语术语为“Stop&Go”的系统)的启动器的开发，现在将新的限制强加给汽车供应商，该新的限制是关于遵守在对启动器供电时的冲击电流下的电池的最小电压阈值。因此，在他们的规格说明书中，汽车制造商通常将第一电压阈值限定在7-9伏之间，电池电压不应低于此阈值。对于后续的对应于热机上止点的电压下降，电池电压应该维持在高于8-9伏之间的第二电压阈值。在热机启动期间，机动车车载网络的电压因此维持在一个足够的值以保证所预期的、机动车设备的运行。
为了增加用户舒适度，增强的启动器较传统的启动器通常具有更高的功率以达到快速启动。这在供电时引起更高的冲击电流并因此引起电池电压的、将超出通常值的第一个下降，而且面对高需求时就这样。
此电压下降的问题在装备有“停止/启动”系统的机动车的情况下变得更加显著。由于传统的机动车的从其初始启动起的高重启频率，机动车乘驾者可能会经受不适，并且，此外，某些设备的安全性，如动力转向，可能会受到影响。
在现有技术中，已经提出了对上述问题的解决方案。
第一种广泛使用的解决方案，由VALEO电机设备公司在专利申请FR2833841中公布，是在启动过程中将电容器，或者任何其它次级电源，串联连接至电池以增加启动器的电源电压，并因此稳定车载网络电压。
该发明实施例的一种已知的类似解决方案基于使用升压电子转换器以避免车载网络上的电压电平过低。
这些电容、转换器或次级电源的主要缺点在于，它们引起了大量的额外费用。
另一种已知的解决方案提出通过两个继电器控制启动器：一个延时继电器及一个限流电阻。在第一个运行阶段中，其持续时间由延迟继电器确定，附加电阻被串联插入启动器的功率电路中并限制初始电流的峰值。在第二个运行阶段中，附加电阻从功率回路中取出以允许足够的电流流经启动器的电枢并准许其速度的增加。
除了由附加控制继电器、延迟继电器以及限流电阻导致的额外费用这一缺点外，该包括有经受着磨损的活动机械部件的附加继电器的引入，对该启动器维持其能够安全地承受的启动周期数量方面有负面影响。启动器对其能够安全地承受的启动周期数量的维持对于用于停止/启动系统的启动器是一项特别的限制。实际上，要求这样的启动器可维持300000个启动周期，是传统的启动器所要求的大约30000个周期的十倍。
还已提出将开关串联连接至启动器，该开关由以切换模式运行的功率继电器构成。晶体管的控制设备测量电池电压，并根据测量值，打开或闭合开关。每当电池电压下降至低于基准电压时，开关周期性地切换至打开状态。
该解决方案最大的缺点是电流的切换产生可能损坏电池的反向电压峰值。
此外，由于在高电平时的电流切换，另一个主要问题是电磁兼容性(CEM)。
最近，VALEO电机设备公司提出使用低通滤波器以限制启动时的冲击电流并因此限制电压下降。
如专利申请FR2978499中所描述，该解决方案的原理是耦合至磁回路的高功率感应式过滤器，其串联连接至启动器的电机。
该过滤器的一个缺点是，其特性必须适合于所使用的启动器型号。此外，该具有也含有一定质量的磁心的磁回路，仅将电流限制在一个不明确的值，因此，电池电压可能降低至额定值以下。
鉴于这些已知的各种解决方案，有必要消除其缺点，或至少减弱这些缺点。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统。
所涉及的系统是一种在通过与车载电气网络连接的电启动器启动机动车的热机时限制为该网络供电的电池的电压变化的类型。
根据本发明，该系统包含根据电压变化以线性模式被控制的可变电阻，所述可变电阻与电池和启动器串联连接。
该电阻有利地由主电流回路根据基准电流强度控制，该基准电流强度通过电压回路根据相对于基准电压的电压变化生成。
该电阻器优选地由多个并联的功率晶体管构成。
其得益于，如果电源电压的绝对值大于或等于基准电压的绝对值，晶体管以饱和模式运行；或者如果电源电压的绝对值小于基准电压的绝对值，晶体管以线性模式运行。
主电流回路有利地由多个次级电流回路形成，每一个该次级电流回路根据基准电流强度控制每一个晶体管。
优选地，晶体管连接于启动器与具有固定电位的地级之间。
每一个次级电流回路优势地包含与每一个晶体管串联的、与该地级连接的电流测量分流器。
很有利地，电压回路和次级电流回路包含模拟控制装置，优选地为运算放大器。
根据本发明的用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统，所利用的晶体管有利地属于MOSEFT类型(在英语中代表“MétalOxydeSemiconductorFieldEffectTransistor”，即“金属氧化物半导体场效应晶体管”)
本发明还涉及一种机动车启动器，其显著之处在于，其包括具有上述综合特征的用于稳定车载电气网络的电源电压的稳定系统。
这些基本的技术说明将使根据本发明的用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统的相对于现有技术状况的优点对于本技术领域人员而言清晰明了。
对本发明的详细的技术说明将结合附图在下面的描述中给出。应当注意的是，这些附图没有其它目的，而仅用以说明描述文字，并且不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1a和1b分别表示，机动车启动器在启动时，为机动车的车载电气网络供电的电池的电压下降以及相应的电流强度峰值，其中包括没有稳定系统(虚线)和带有根据本发明的稳定系统(实线)两种情况。
图2是根据本发明的用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定系统的优选实施例的简化框图。
具体实施方式
图1a用虚线表示，在没有稳定系统的情况下，为连接有启动器的机动车的车载电气网络供电的电池的端电压Ubat在热机启动时随时间的演变。
自对应于电池标准电荷的约为12伏的额定值U0(假定为正)产生一个显著的电池电压变化Um-U0，在热机启动的状态下，直至电池恢复至其额定电压U0。
最小电压Um可能会大大低于约为7至9伏的基准电压Uref，此基准电压被汽车制造商设置为不可被超越的阈值。
与最小电压Um对应的是由电池输出的电流Ibat强度峰值IM，如图1b所示(虚线)。
通过在整个电池电压Ubat趋于变得低于基准电压Uref的时间间隔ΔΤ内进行干预，根据本发明的稳定系统能够将电池电压Ubat维持在该基准电压Uref，如图1a以实线清楚地表示。
在同样的间隔ΔΤ上，输出电流Ibat强度峰值的幅值被减小并达到限值IL，如图1b中以实线清楚地表示。
图2示意性地表示在机动车车载电气网络2中所执行的根据本发明的稳定系统1。
电池3供电给该连接有电启动器4的网络2(地级连接至电池3的负极)，该电启动器4适用于在机动车的热机启动时与其机械耦合。
各种其它电气负载5通常会连接至网络2。
正是这些电气负载5可能会由于启动时电池3的电压下降而使其运行受到干扰。
根据本发明的稳定系统1是线性调节器，其被设计为通过限制启动器4的冲击电流Ibat以将电池电压Ubat至少维持在基准电压Uref，以稳定启动阶段的电池电压Ubat。
该线性调节器1包含并联的MOSFET类型的晶体管6，这些并联的MOSFET类型的晶体管6形成与启动器4串联的可变电阻。
只要电池电压Ubat保持高于基准电压Uref，晶体管6被闭合(以饱和模式)且调节器1等同于一个具有低值RDS_ON(约为1毫欧)的简单电阻器。
当电池电压Ubat下跌至低于基准电压Uref(负电压变化)，稳定系统1被激活且晶体管6开始作为可变电阻以线性模式运行以限制电流Ibat。
在该阶段中，晶体管6受两个调节回路7、8控制，即主电流回路7和电压回路8。
该主电流回路7，一方面，其根据基准强度Iref控制启动器4中流经的电流。
该电压回路8，另一方面，其负责提供用以维持电池电压Ubat高于基准电压Uref的必要的基准电流强度Iref，电池电压Ubat也是网络2的电压。
考虑到以线性模式工作的晶体管6的散热，有必要运用多个并联的晶体管6。
实际上，如已经指出的，热机的启动需要约为1000安的电流强度Ibat，而目前尚没有功率晶体管能够以线性模式在几伏下支持这样的电流强度，即几千万的功率。
不幸的是，尽管处理了针对晶体管6的某个确定的特性的匹配，例如互导gm，但其它参数的离差(例如阈值电压Vth)以及机械装配误差通常会导致不平衡的组合件。
如果多个MOSERT类型的晶体管6并联连接而没有栅电阻器，则栅-源电压对于每一个晶体管6都是一样的。在这些情况下，对于所有的晶体管6阈值电压Vth不是一样的，在最糟糕的情况下，在电流分配上有可能存在很大的差异。
即使使用新一代的MOSFET晶体管，其支持由其高互导引起的强电流，也会引发该问题。对于控制每一个晶体管6的相同的栅-源电压，这些晶体管6中的电流可能很不相同，因此，散热可能会很不相同。
根据本发明的稳定系统1因此包含有主电流回路7，其由多个次级电流回路9形成，以分别控制晶体管6。以这种方式，这些晶体管6的散热得以平衡。
每一个次级电流回路采用与地级连接的分流器10，以测量每一个晶体管6中的源电流(在MOSFET情况下，为如所示的N-沟道；在漏极情况下，为P-沟道)，并通过运算放大器11比较所测量的源电流与基准电流强度Iref，该源电流代表着启动器4中流通的电流Ibat的相同的部分。
该运算放大器11在其输出端产生栅-源电压，该栅-源电压以线性模式控制晶体管6的阻抗，以控制具有所需要的基准电流强度Iref的部分的源电流。
因每一个晶体管6具有负反馈，相同的基准电流强度Iref，或更确切地代表该基准电流强度Iref的电压，能够施加于所有的控制这些晶体管6的运算放大器11，而不论并联的晶体管6的数量。
代表该基准电流强度Iref的电压通过另一个运算放大器12根据电池3的电压Uref-Ubat相对于基准电压Uref的电压差而生成，网络2的电压Ubat施加于反相输入端，而基准电压Uref施加于正相输入端。
根据本发明的稳定系统1因以线性非切换的模式工作，具有避免电磁兼容性问题的优点。
而且，由于电压回路以及电流回路7、8、9的控制装置是基于放大运算器11、12而模拟的，所以不需要使用复杂的微控制器。
不言而喻，本发明不受上述优选的实施例的限制。
特别地，所提及的功率晶体管6的类型不是受限的；其它可执行如MOSFET6一样的功能的半导体元件的使用不脱离本发明的范围。
执行集成运算放大器11也不是实现对电流回路7、9或电压回路12的模拟控制的方法的唯一的可能；本领域技术人员可以通过分立的或混合的现有元件以更低的成本完成这些相同的功能。
本发明在下述权利要求的目的的限制下包含所有可能的实施例的变型。

Claims (10)

1.用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，属于在通过与车载电气网络(2)连接的电启动器(4)启动机动车的热机时，限制为所述网络(2)供电的电池(3)的电压变化的类型，其特征在于，所述稳定系统(1)包含根据电压变化以线性模式被控制的可变电阻(6)，所述可变电阻(6)与所述电池(3)和所述启动器(4)串联连接。
2.如权利要求1所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述可变电阻(6)由主电流回路(7)根据基准电流强度(Iref)控制，该基准电流强度(Iref)通过电压回路(8)根据相对于基准电压(Uref)的所述电压变化生成。
3.如权利要求2所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述变阻(6)由多个功率晶体管并联构成。
4.如权利要求3所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，如果所述电源电压(Ubat)的绝对值大于或等于所述基准电压(Uref)的绝对值，所述晶体管(6)以饱和模式运行；或者如果所述电源电压(Ubat)的绝对值小于所述基准电压(Uref)的绝对值，所述晶体管(6)以线性模式运行。
5.如权利要求4所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述主电流回路(7)由多个次级电流回路(9)形成，每一个次级电流回路(9)根据所述基准电流强度(Iref)控制每一个所述晶体管(6)。
6.如权利要求5所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述晶体管(6)连接于所述启动器(4)与具有固定电位的地级之间。
7.如权利要求6所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，每一个所述次级电流回路(9)包含与每一个所述晶体管(6)串联的、与所述地级连接的电流测量分流器(10)。
8.如权利要求7所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述电压回路(8)和所述次级电流回路(9)包含模拟控制装置(11)，该模拟控制装置优选地为运算放大器。
9.如权利要求3至8其中任意一项所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)，其特征在于，所述晶体管(6)属于MOSEFT类型。
10.一种机动车启动器，其特征在于，其包含如权利要求1至9中任意一项所述的用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定系统(1)。
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