CN105649846B - 用于启停起动机的电子式限流继电器 - Google Patents

用于启停起动机的电子式限流继电器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于启停起动机的电子式限流继电器，属汽车起动机配套设备技术领域。它由延时电路、升压驱动电路、MOS功率管电路和限流电阻构成，其特点是：继电器本体由延时电路、升压驱动电路、MOS功率管电路和限流电阻组成，MOS功率管电路的场效应管漏极和源极间并接有限流电阻；继电器本体串接在起动机电路中，省去传统电路与点火端并接的导线。场效应管替代继电器触点控制限流电阻的加入和撤出，使用寿命长。由四线变为三线连接，简化了电路结构，提高了启停可靠性。解决了现有继电器触点控制限流电阻的加入和撤出，使得启停装置使用寿命短，限流削峰可靠性差，连线多，机械结构复杂，抗振性差，及存在起动失效隐患的问题。

Description

用于启停起动机的电子式限流继电器
技术领域
本发明涉及一种用于启停起动机的电子式限流继电器，属汽车起动机配套设备技术领域。
背景技术
车辆采用启停装置，在行使中路遇红灯等待或堵车时,发动机可自行停止工作,能有效减少怠速空耗及污染排放，但发动机重启时峰值电流极大，使得电源电压瞬间降落太多而出现某些车载电子设备掉电复位问题，严重影响驾乘人员的舒适度。现有启停装置为克服这个缺陷，有的在起动电路中串接限流电阻，并通过继电器触点控制限流电阻的加入和撤出；有的是额外增加一套大功率稳压电源防止车载电子设备掉电，成本高，电路复杂。例如日本电装公司就是在起动机主回路里通过继电器触点控制限流电阻的加入和撤出，存在因继电器触点寿命短，对限流电阻失控，最终不能起限流削峰作用的问题,还会导致起动机不能正常工作。此外，继电器触点控制限流电阻加入和撤出电路都是四线连接结构，连线多，会降低启停装置工作的可靠性，且增加了成本。
详见日本电装公司专利：专利号200910005683.9【具有改进的电阻布置的起动机电磁开关】。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种连线少，电路结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长，启停限流削峰效果好，装接方便的用于启停起动机的电子式限流继电器，解决现有技术使用有触点的继电器控制限流电阻的加入和撤出，以限制电流峰值，使得启停装置使用寿命短，限流削峰工作可靠性差，连线多，机械结构复杂，抗振性差，及存在起动机失效的隐患问题。
本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：
该用于启停起动机的电子式限流继电器由延时电路、升压驱动电路、MOS功率管电路和限流电阻R0构成，其特征在于：继电器本体由延时电路、升压驱动电路、MOS功率管电路和限流电阻R0组成，继电器本体串接在起动机电路中；继电器本体的正极端与触点30b、限流电阻R0并联连接，继电器本体的负极端与限流电阻R0和起动电机的正极端M并联连接；延时电路的正极端、升压驱动电路的正极端和MOS功率管电路的场效应管的漏极端与触点30b并联连接；延时电路的输出端与升压驱动电路的输入端连接，升压驱动电路的输出端与MOS功率管电路的场效应管的栅极端连接；延时电路和升压驱动电路的负极端均接地；MOS功率管电路的场效应管的源极并联连接限流电阻R0和起动电机的正极端M，起动电机的负极端接地；
当电磁开关闭合将触点30和30b短接，继电器本体正极端得电，延时电路延时100~150mS后输出高电位控制升压驱动电路开始工作，输出电压驱动MOS功率管电路的场效应管的栅极，使MOS功率管电路的所有场效应管均由截止变为全导通，使连接在触点30b和起动电机端子之间的限流电阻R0从10mΩ高阻抗在维持100~150mS后转变为短接后呈现出0.5mΩ的低阻抗。
所述的MOS功率管电路包括至少四个场效应管、电阻R1和稳压管D1；多个场效应管的栅极并联连接、漏极并联连接、源极并联连接；场效应管的漏极和源极之间并联连接有限流电阻R0；当MOS功率管电路的场效应管由截止变为导通时，限流电阻R0两端的阻抗将由10mΩ降低为0.5 mΩ；避免起动电路的瞬间高压加到漏极和源极之间击穿场效应管。
所述的延时电路至少有两种：延时电路A和延时电路B，所述两种延时电路的电路结构不同，但作用相同，即延时时间均为100~150mS，都为升压驱动电路提供输入信号。
所述的升压驱动电路至少有两种：其一为芯片驱动，其二为DC-DC驱动，两种升压驱动电路的电路结构不同，但作用相同，即都是驱动MOS功率管电路的场效应管的导通和截止。
所述的采用芯片驱动的升压驱动电路由NPN三极管Q4、倍压整流电路、电阻R9组成；倍压整流电路由电容C1和C3、二极管D3和D4、电阻R7、R8和R10组成；NPN三极管Q4的基极通过电阻R9与延时电路A的MCU芯片的5端连接， NPN三极管Q4的集电极连接有倍压整流电路，NPN三极管Q4的发射极接地；通过倍压整流电路提升电压，输出驱动MOS功率管电路。
所述的采用DC-DC驱动的升压驱动电路由小功率DC-DC电源构成。
所述的延时电路A与芯片驱动的升压驱动电路适配：延时电路A由MCU芯片、NPN三极管Q2和PNP三极管Q3、电阻R5和R6、稳压管D2、电容C2组成；MCU芯片的5端产生振荡信号，MCU芯片的7端产生延时信号；所述振荡信号通过芯片驱动的升压驱动电路的倍压整流电路提升电压，控制NPN三极管Q2和PNP三极管Q3的导通和截止，最后驱动MOS功率管电路的场效应管的导通和截止。
所述的延时电路B与DC-DC驱动的升压驱动电路适配：延时电路B由NPN三极管Q2、稳压管D、电阻R1和电容C1组成；NPN三极管Q2的基极通过稳压管D并联连接电阻R1和电容C1；NPN三极管Q2的集电极与DC-DC驱动的升压驱动电路的输入端连接；NPN三极管Q2的发射极和电容C1均接地；电阻R1与DC-DC升压驱动电路的另一个输入端连接。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
该用于启停起动机的电子式限流继电器的MOS功率管电路采用无触点的场效应管替代继电器触点，以此控制限流电阻的加入或撤出，使用寿命长。同时，由于场效应管的漏极和源极之间并联连接有数毫欧、千瓦级功率的限流电阻，几乎不可能有高压施加到漏极和源极之间，因此场效应管被击穿的可能性几乎不存在，即便是场效应管被击穿也不会导致起动机的功能失效。限流削峰效果好、启停稳定，具备保证驾乘者舒适度和避免抛锚故障发生的双重作用。去除与点火端并接的导线，仅采用三根线就实现了限流功能，由于减少了连接线，故提高了工作的可靠性。启停效果好，操作方便，有效降低了制造成本。很好地解决了现有技术使用继电器控制限流电阻的加入和撤出，以限制电流峰值，使得启停装置使用寿命短，限流削峰工作可靠性差，连线多，电路结构复杂，及存在起动机失效的隐患问题。
附图说明
图1为一种用于启停起动机的电子式限流继电器的电路原理方框示意图；
图2为一种用于启停起动机的电子式限流继电器的升压驱动电路采用芯片驱动时的电路原理示意图；
图3为一种用于启停起动机的电子式限流继电器的升压驱动电路采用DC-DC驱动时的电路原理示意图；
图4为一种用于启停起动机的电子式限流继电器的限流削峰作用波形示意图；
图5为现有技术的四线连接结构示意图。
图中：1、电源，2、电磁开关，3、起动电机，4、继电器本体，4-1、延时电路，4-2、升压驱动电路，4-3、MOS功率管电路，4-11、延时电路A，4-12、延时电路B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明：
该用于启停起动机的电子式限流继电器由延时电路4-1、升压驱动电路4-2、MOS功率管电路4-3和限流电阻R0构成，继电器本体4由延时电路4-1、升压驱动电路4-2、MOS功率管电路4-3和限流电阻R0组成，继电器本体4串接在起动机电路中；继电器本体4的正极端与触点30b、限流电阻R0并联连接，继电器本体4的负极端与限流电阻R0和起动电机3的正极端M并联连接；延时电路4-1的正极端、升压驱动电路4-2的正极端和MOS功率管电路4-3的场效应管的漏极输出端与触点30b并联连接；延时电路4-1的输出端与升压驱动电路4-2的输入端连接，升压驱动电路4-2的输出端与MOS功率管电路4-3的场效应管的栅极输入端连接；延时电路4-1和升压驱动电路4-2的负极端均接地；MOS功率管电路4-3的场效应管的源极并联连接限流电阻R0和起动电机3的正极端M，起动电机3的负极端接地；
当电磁开关2闭合将触点30和30b短接，继电器本体 4正极端得电，延时电路4-1延时100~150mS后输出高电位控制升压驱动电路4-2开始工作，输出电压驱动MOS功率管电路4-3的场效应管的栅极，使MOS功率管电路4-3的所有场效应管均由截止变为全导通，使连接在触点30b和起动电机3端子之间的限流电阻R0从10mΩ高阻抗在维持100~150mS后转变为短接后呈现出0.5mΩ的低阻抗。
所述的延时电路4-1至少有两种：延时电路A4-11和延时电路B4-12，所述两种延时电路的电路结构不同，但作用相同，即延时时间均为100~150mS，都为升压驱动电路4-2提供输入信号。
所述的升压驱动电路4-2至少有两种：其一为芯片驱动的升压驱动电路4-21，其二为DC-DC驱动的升压驱动电路4-22，两种升压驱动电路的电路结构不同，但作用相同，即都是驱动MOS功率管电路4-3的场效应管的导通和截止。
所述的芯片驱动的升压驱动电路4-21由NPN三极管Q4、倍压整流电路、电阻R9组成；倍压整流电路由电容C1和C3、二极管D3和D4、电阻R7、R8和R10组成；NPN三极管Q4的基极通过电阻R9与延时电路A4-11的MCU芯片的5端连接， NPN三极管Q4的集电极连接有倍压整流电路，NPN三极管Q4的发射极接地；通过倍压整流电路提升电压，输出驱动MOS功率管电路4-3。
所述的采用DC-DC驱动的升压驱动电路4-22由小功率DC-DC电源构成。
所述的延时电路A4-11与芯片驱动的升压驱动电路4-21适配：延时电路A4-11由MCU芯片、NPN三极管Q2和PNP三极管Q3、电阻R5和R6、稳压管D2、电容C2组成；MCU芯片的5端产生振荡信号，MCU芯片的7端产生延时信号；所述振荡信号通过芯片驱动的升压驱动电路4-21的倍压整流电路提升电压，控制NPN三极管Q2和PNP三极管Q3的导通和截止，最后驱动MOS功率管电路4-3的场效应管的导通和截止。
所述的延时电路B4-12与DC-DC驱动的升压驱动电路4-22适配：延时电路B4-12由NPN三极管Q2、稳压管D、电阻R1和电容C1组成；NPN三极管Q2的基极通过稳压管D并联连接电阻R1和电容C1；NPN三极管Q2的集电极与DC-DC驱动的升压驱动电路4-22的输入端连接；NPN三极管Q2的发射极和电容C1均接地；电阻R1与DC-DC驱动的升压驱动电路4-22的另一个输入端连接。
所述的MOS功率管电路4-3包括至少四个场效应管、电阻R1和稳压管D1；四个场效应管的栅极并联连接、漏极并联连接、源极并联连接；场效应管的漏极和源极之间并联连接有限流电阻R0；当MOS功率管电路4-3的场效应管由截止变为导通时，限流电阻R0两端的阻抗将由10mΩ降低为0.5 mΩ；避免起动电路中的瞬间高压加到漏极和源极之间击穿场效应管。（参见图1～5）
该用于启停起动机的电子式限流继电器的工作原理如下：
为降低瞬间起动峰值电流，在传统起动机主回路里串接该用于启停起动机的电子式限流继电器；当点火开关Ig闭合，电磁开关2随后闭合，电磁开关2的触点将30和30b端短接，继电器本体1的正极端得电，延时电路4-1开始计时，在延时100~150mS后，延时电路4-1输出高电位，控制升压驱动电路4-2开始工作，升压驱动电路4-2输出电压，驱动MOS功率管电路4-3的多个场效应管的栅极，使得MOS功率管电路4-3的场效应管由截止变为全导通，这样，使连接在触点30b和起动电机3正极端子M之间的限流电阻R0从10mΩ高阻抗在维持100~150mS后转变为短接后呈现出0.5mΩ的低阻抗，这样，就限制了起动电机3瞬间的堵转电流峰值，（参见图4）电流峰值从A3点降低为A1点。在恢复低阻抗后，因为起动电机3已由堵转状态转为旋转状态，其电流峰值如A2点所示，此后起动电机3工作在正常的全功率输出状态。（参见图1）
实施例1：（参见图2）
当升压驱动电路为芯片驱动时：延时电路A4-11的MCU芯片的5端产生振荡信号，该振荡信号通过芯片驱动的升压驱动电路4-21的电阻R9输送到NPN三极管Q4的基极，通过由电容C1和C3、二极管D3和D4、电阻R7、R8和R10组成的倍压整流电路将电压升高，通过MCU芯片处理后在其7端产生延时信号输出，控制NPN三极管Q2和PNP三极管Q3的导通和截止，最后通过电阻R3输出信号驱动MOS功率管电路4-3的场效应管的导通和截止。MCU芯片的1端为工作电源端，其8端接地。
实施例2：（参见图3）
当升压驱动电路采用DC-DC电源驱动时：延时电路B4-12的NPN三极管Q2的集电极输出信号，控制DC-DC驱动的升压驱动电路4-22在延时100~150mS后开始工作，DC-DC驱动的升压驱动电路4-22的输出信号送至MOS功率管电路4-3的场效应管的栅极，控制场效应管的导通和截止。
延时电路4-1不限于本发明选用的延时电路A4-11和延时电路B4-12，只要延时时间为100~150mS，能为相应升压驱动电路提供适配输入信号的其它电路结构的延时电路均可替代使用。
该用于启停起动机的电子式限流继电器采用无触点的场效应功率管替代继电器触点，控制限流电阻R0的加入和撤出，使用寿命长。将限流电阻R0与MOS功率管电路4-3的场效应管的漏极与源极并联连接后，再将该用于启停起动机的电子式限流继电器串联连接在起动机主回路中，不仅能很好地起到限流削峰的作用，而且省去了与点火端并接的导线；简化电路连接结构，提高了启停可靠性。同时，并接在场效应管漏极和源极之间的数毫欧、千瓦级功率的限流电阻R0，可有效防止场效应管击穿导致限流功能失效。该用于启停起动机的电子式限流继电器现已生产样件，在实际试用中，驾乘者反映操作方便，舒适感好，启停起动机工作性能稳定。
以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (8)

1.一种用于启停起动机的电子式限流继电器，它由延时电路（4-1）、升压驱动电路（4-2）、MOS功率管电路（4-3）和限流电阻R0构成，其特征在于：继电器本体（4）由延时电路（4-1）、升压驱动电路（4-2）、MOS功率管电路（4-3）和限流电阻R0组成，继电器本体（4）串接在起动机电路中；继电器本体（4）的正极端与触点30b、限流电阻R0和电磁开关（2）并联连接，继电器本体（1）的负极端与限流电阻R0和起动电机（3）的正极端并联连接；延时电路（4-1）的正极端、升压驱动电路（4-2）的正极端和MOS功率管电路（4-3）的场效应管的漏极输出端与触点30b并联连接；延时电路（4-1）的输出端与升压驱动电路（4-2）的输入端连接，升压驱动电路（4-2）的输出端与MOS功率管电路（4-3）的场效应管的栅极输入端连接；延时电路（4-1）和升压驱动电路（4-2）的负极端均接地；MOS功率管电路（4-3）的场效应管的源极并联连接限流电阻R0和起动电机（3）的正极端，起动电机（3）的负极端接地；
当电磁开关（2）闭合将触点30和30b短接，继电器本体（1）正极端得电，延时电路（4-1）延时100~150mS后输出高电位控制升压驱动电路（4-2）开始工作，输出电压驱动MOS功率管电路（4-3）的场效应管的栅极，使MOS功率管电路（4-3）的所有场效应管均由截止变为全导通，使连接在触点30b和起动电机端子之间的限流电阻R0从10mΩ高阻抗在维持100~150mS后转变为短接后呈现出0.5mΩ的低阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的MOS功率管电路(4-3)包括至少四个场效应管、电阻R1和稳压管D1；四个场效应管的栅极并联连接、漏极并联连接、源极并联连接；场效应管的漏极和源极之间并联连接有限流电阻R0；当MOS功率管电路（4-3）的场效应管由截止变为导通时，可控制限流电阻R0的阻值由10mΩ降低为0.5 mΩ；避免起动电路中的瞬间高压加到漏极和源极之间击穿场效应管。
3.根据权利要求1所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的延时电路（4-1）至少有两种：延时电路A（4-11）和延时电路B（4-12），所述两种延时电路的电路结构不同，但作用相同，即延时时间均为100~150mS，都为升压驱动电路（4-2）提供输入信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的升压驱动电路（4-2）至少有两种：其一为芯片驱动的升压驱动电路（4-21），其二为DC-DC驱动的升压驱动电路（4-22），两种升压驱动电路的电路结构不同，但作用相同，即都是驱动MOS功率管电路（4-3）的场效应管的导通和截止。
5.根据权利要求4所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的芯片驱动的升压驱动电路（4-21）由NPN三极管Q4、倍压整流电路、电阻R9组成；倍压整流电路由电容C1和C3、二极管D3和D4、电阻R7、R8和R10组成；NPN三极管Q4的基极通过电阻R9与延时电路A（4-11）的MCU芯片的5端连接， NPN三极管Q4的集电极连接有倍压整流电路，NPN三极管Q4的发射极接地；通过倍压整流电路提升电压，输出驱动MOS功率管电路（4-3）。
6.根据权利要求4所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的采用DC-DC驱动的升压驱动电路（4-22）由小功率DC-DC电源构成。
7.根据权利要求1所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的延时电路A（4-11）与芯片驱动的升压驱动电路（4-21）适配：延时电路A（4-11）由MCU芯片、NPN三极管Q2和PNP三极管Q3、电阻R5和R6、稳压管D2、电容C2组成；MCU芯片的5端产生振荡信号，MCU芯片的7端产生延时信号；所述振荡信号通过芯片驱动的升压驱动电路（4-21）的倍压整流电路提升电压，控制NPN三极管Q2和PNP三极管Q3的导通和截止，最后驱动MOS功率管电路（4-3）的场效应管的导通和截止。
8.根据权利要求1所述的一种用于启停起动机的电子式限流继电器，其特征在于：所述的延时电路B（4-12）与DC-DC驱动的升压驱动电路（4-22）适配：延时电路B（4-12）由NPN三极管Q2、稳压管D、电阻R1和电容C1组成；NPN三极管Q2的基极通过稳压管D并联连接电阻R1和电容C1；NPN三极管Q2的集电极与DC-DC驱动的升压驱动电路（4-22）的输入端连接；NPN三极管Q2的发射极和电容C1均接地；电阻R1与DC-DC驱动的升压驱动电路（4-22）的另一个输入端连接。
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