CN105379042B - 用于稳定机动车车载电气网络的电源电压的稳定方法和系统 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的方法是一种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,限制为车载电气网络(2)供电的电池(3)的电压变化的类型。根据本发明的方法,电阻元件(6)串联地连接至电池(3)和启动器(4),所述元件具有根据电压变化在由预先确定的值构成的离散集合(RDSon1,RDSon2,RDSon3RDSon4)中所选定的电阻值。根据本发明的另一特征,所述由预先确定的值构成的离散集合中的这些预先确定的值(RDSon1,RDSon2,RDSon3RDSon4)与预先确定的数量的调和级数(1,1/2,1/3和1/4)的前几项成正比。
Description
技术领域
总体上,本发明涉及机动车中热机的启动器这一领域。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方法和系统。
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,所述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在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所述启动器:一个延时继电器及一个限流电阻。在第一个运行阶段中,其持续时间由该延迟继电器确定,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方法。
所涉及的方法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,将把电阻元件串联连接至电池和启动器,该电阻元件具有根据电压变化从由预先确定的值构成的离散集合中的所选定的电阻值,这些预先确定的值与预先确定的数量的、调和级数的前几项成正比。
根据本发明的方法因此有利地由具有预先确定的基础电阻值的电阻部件或由可变数量的、该电阻部件的相同的复本并联连接形成该电阻元件,该可变数量取决于电压变化且最大等于预先确定的、调和级数的项的数量。
该方法的一种可选形式很有利地使用该预先确定的数量的、具有预先确定的基础电阻值的电阻部件的相同的复本,且通过交替地并联连接可变数量的这些复本形成电阻元件,该可变数量是所述电压变化的函数且最大等于预先确定的、调和级数的项的数量。
本发明还涉及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、且适用于使用上述方法的类型。
根据本发明的系统,其显著之处在于,其包含有与电池和启动器串联连接的电阻元件,该电阻元件具有根据电压变化而阶梯式变化的电阻值。
优选地,该电阻元件由多个相同的电阻部件以及多个开关构成,每一个所述电阻部件串联连接至每一个所述开关,以形成预先确定的数量的并联连接的分支。
该稳定系统另外还有利地包含这些开关的根据电压变化的控制装置。
优选地,电阻元件的分支通过以开关模式运行的功率晶体管形成,并由这些控制装置所控制。
这些控制装置有利地生成具有占空比的控制信号,该占空比是所述预先确定的数量的倒数的倍数。
本发明还涉及机动车的启动器,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本,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示出,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随时间的演变,图1b示出,与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方法的启动器串联连接的电阻元件的电阻值的对应的演变。
图2是车载电气网络的示意图,其示出该电阻元件以便描述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方法。
图3是车载电气网络的示意图,其详细示出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一个优选的实施例中的该电阻元件。
图4a、4b、4c和4d示出,在如图3示出的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中,构成该电阻元件的功率晶体管的控制信号。
具体实施方式
根据本发明的用于稳定机动车车载电气网络的稳定方法,其原理如图1a和1b所示。
该方法被车载电气网络2中的如图3所示的稳定系统1所使用,图2是该车载电气网络2的简化表示。
电池3为该网络2供电,电启动器4连接至该网络2,该电启动器4适用于在机动车的热机启动时被机械耦合至该机动车的热机。
各种其它电器负载5通常会连接至网络2。
正是这些电器负载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。
根据本发明的稳定方法1,其基于,在启动器4的电源回路中引入电阻元件6,该电阻元件6具有由预先确定的电阻值构成的离散集合。
在图1b所示的例子中,存在4个预先确定的电阻值:R,R/2,R/3和R/4。
应当注意,这些预先确定的值与调和级数的前四项1,1/2,1/3和1/4成正比,比例系数为R。
如图1a中清晰地示出的取决于电压下降而被选定的电阻值,应与图1b相对应。
当电池3的电压Ubat在启动初始的第一个时间间隔Δt1期间保持在第一区域Z1时,且当热机稳定运行时电池3的电压Ubat回复至该第一区域Z1时,根据本发明的方法选定最低值R/4。
当电压Ubat下降至第二区域Z2持续第二个时间间隔Δt2期间时,或者此后回升至该第二区域Z2中时,根据本发明的方法就选定较高的值R/3。
在第三个时间间隔Δt3期间,在第三区域Z3中,电压Ubat继续下降时,根据本发明的方法就选定更高的值R/2。
在第四个时间间隔Δt4期间,在第四区域Z4中电压Ubat最小时,最大值R被选定。
如图2所示,形成具有该四个预先确定的值R,R/2,R/3和R/4的电阻元件6的方法是,要么通过单个的具有电阻值R的电阻部件7,要么通过并联使用2至4个、该电阻部件7的相同的复本来形成电阻元件6。
在与图2相对应的实用的实施例中,电阻元件6由四个具有电阻值R的电阻部件7及四个开关8构成,每一个该电阻部件7与每一个该开关8串联连接,以形成四个并联连接的分支。
当不能同时连接所有这些电阻部件7以实现较低的电阻值时,通过交替地连接仅为必要的电阻部件7,根据本发明的方法利用这种结构中的电阻部件7的冗余度。
例如,为了实现在第四区域Z4的最高值R,单个电阻部件7是必要的。根据本发明的方法在于交替地连接每一个所述四个电阻部件7。
当电阻部件7由以饱和状态运行的功率晶体管9构成时,根据本发明的方法的该特征是必要的,所述晶体管优选地为具有电阻值为几毫欧的漏极电阻RDS(on)的MOSFET(在英语中代表“Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Trans istor”,即“金属氧化物半导体场效应晶体管”)类型。
实际上,电流峰值对应于在第四区域Z4中的最小电压Ubat,该电流峰值可达1000安培,其在由单个晶体管9构成的单个电阻部件7中流通。
当前可用的MOSFET不能连续承受这样的电流强度。
导通时间的交替能够保持在其热量消散的限度内。
如图3所示的根据本发明的稳定系统1的优选实施例中,微控制器10控制该四个MOSFET晶体管9,以在交替导通时间的同时,使并联设置的在导通状态下的晶体管9的电阻值RDS(on)具有预先确定的值RDS(on),RDS(on)/2,RDS(on)/3或RDS(on)/4。
如图3所示,这些MOSFET优选地为在启动器4与地级之间所插入的N-沟道MOSFET以简化其控制,假定该地级对应于电池3的负极。
图4a、4b、4c和4d示出由控制器10生成的控制信号T1、T2、T3、T4,该控制信号T1、T2、T3、T4应用于MOSFET9的栅极。
如果电池3的电压Ubat处于第一区域Z1中(图4a),所有晶体管是导通的,且控制信号T1、T2、T3、T4的占空比D为D=1。等效电阻值是RDS(on)/4。
当电压Ubat在第二区域Z2中下降时(图4b),四个晶体管9中只有三个是同时导通的。控制信号T1、T2、T3、T4的占空比D为D=3/4。等效电阻值是RDS(on)/3。
在第三区域Z3中(图4c),四个晶体管9中只有两个是同时导通的。控制信号T1、T2、T3、T4的占空比D为D=1/2。等效电阻值是RDS(on)/2。
最终,在第四区域Z4中(图4d),四个晶体管9中只有一个是同时导通的。控制信号T1、T2、T3、T4的占空比D为D=1/4。等效电阻值是RDS(on)/4。
需要注意的是,由于晶体管9由微控制器10(或微处理器)控制,控制信号T1、T2、T3、T4的频率和占空比D是可以容易地被修改的。
本领域技术人员将会理解晶体管9以切换模式工作;但是,如果考虑根据本发明的稳定系统1中流经的电流,电阻元件6的等效电阻值Requi在区域Z1,Z2,Z3,Z4之间的转变之间是持续的。因此,不存在显著的dUbat/dt或dIbat/dt的峰值。
这表示不存在电磁兼容性CEM的问题。
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9的类型不是受限的;其它可执行如所述MOSFET 9一样的功能的半导体元件的使用不脱离本发明的范围。
例如,对应于通过四个电阻元件7、特别是通过四个功率晶体管9的一种实现方式,四个预先确定的电阻值被引用。
本领域技术人员将选用必须的更多数量的电阻部件7或功率晶体管9,如此,通过交替切换时间,以分配在启动器4中流经的电流,并在每一个该电阻部件7或功率晶体管9的性能限度内分配热应激。
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 (9)
1.用于稳定机动车车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的稳定方法,是一种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,用于限制为所述网络(2)供电的电池(3)的电压变化的类型,其特征在于,将电阻元件(6)串联连接至所述电池(3)与所述启动器(4),该电阻元件(6)具有根据所述电压变化在由预先确定的值构成的离散集合中所选定的电阻值,所述预先确定的值与预先确定的数量的调和级数的前几项成正比。
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)的稳定方法,其特征在于,所述电阻元件(6)由具有预先确定的基础电阻值(RDs(on))的电阻部件(7,9)或由可变数量的、所述电阻部件(7,9)的相同的复本并联连接形成,所述可变数量是所述电压变化的函数且最多等于所述预先确定的数量。
3.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)的稳定方法,其特征在于,其使用所述预先确定的数量的、具有预先确定的基础电阻值(RDS(on))的电阻部件(7,9)的相同的复本,并通过交替地并联连接可变数量的所述复本(7,9)形成所述电阻元件(6),所述可变数量是所述电压变化的函数且最多等于所述预先确定的数量。
4.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),是一种在通过与所述车载电气网络(2)连接的电启动器(4)启动所述机动车的热机时,用于限制为所述网络(2)供电的电池(3)的电压变化、且适用于使用如权利要求1至3其中任意一项所述的方法的类型,其特征在于,其包含与所述电池(3)和所述启动器(4)串联连接的、具有根据所述电压变化而阶梯式变化的电阻值的电阻元件(6)。
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,所述电阻元件(6)由多个相同的电阻部件(7,9)以及多个开关(8,9)构成,每一个所述电阻部件(7,9)串联连接至每一个所述开关(8,9),以形成预先确定的数量的并联连接的分支。
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,其另外包含所述开关(8)的根据所述电压变化的控制装置(10)。
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,所述分支由以切换模式运行的功率晶体管(9)形成,所述功率晶体管由所述控制装置(10)控制。
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,所述控制装置(10)生成具有占空比(D)的控制信号,所述占空比(D)根据所述电压变化是所述预先确定的数量的倒数的倍数。
9.一种机动车的启动器,其特征在于,其包括根据权利要求4至8其中任一项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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GR01 | Patent grant | ||
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