CN106253203B - 用于在交流发电机中防止故障状况的安全电路和刷柄 - Google Patents

用于在交流发电机中防止故障状况的安全电路和刷柄 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在交流发电机中防止故障状况的安全电路和刷柄，具体提供了用于交流发电机的故障保护电路，其用于防止交流发电机中诸如延长全电场状况的故障。故障保护电路包括安全开关，当会在由电短路引起的全电场状况期间发生的交流发电机输出电压变得太高时或者当在交流发电机中检测到一些其他故障时打开安全开关。该安全开关的打开断开了馈送激励电流控制开关的电源电压。激励电流控制开关通常调整提供给交流发电机中的转子的激励电流，以调整从交流发电机输出的电压。通过设置为交流发电机中的转子激励断开电源电压的安全开关，可以防止交流发电机输出电压达到会损伤电系统中的设备以及耦合至交流发电机的电池的过量电平。

Description

用于在交流发电机中防止故障状况的安全电路和刷柄
技术领域
本发明涉及用于在交流发电机中防止或缓解故障状况的安全电路、刷柄(brushholder)和方法。
背景技术
汽车电系统要求向车辆内的各种设备提供电能。这些设备通常包括电起动机、引擎点火系统、电控制单元(计算机)、前灯和各种配件。通过电池将电能提供给这些设备(负载)，其中最常用的类型为12V铅酸电池。当车辆的引擎不运行时，电池通常是初级的或者仅仅是电能源，而当引擎运行时，电池和交流发电机通常都提供电能。
交流发电机将引擎生成的机械能量转换为用于满足各种电设备的需求并对电池充电的电能。为了在电池中保持足够的充电状态以及避免损伤该电池(或过充电)或各种电设备，交流发电机必须在相当窄的范围内生成输出电压。为了支持典型的12V电池和相关的电系统，交流发电机应该提供14.0至14.6V的范围内的输出，理想电压约为14.2V。使用一些类型的电压调节来控制来自交流发电机的电压输出。
通过控制流过交流发电机的转子中的绕组的电流量来调节用于最常用交流发电机的输出电压。与转子的旋转速度相结合，该电流确定流过起动机绕组的感生电流，该电流在被整流之后产生交流发电机的输出电压。通过感测来自交流发电机的输出电压来完成电压调节，并且使用感测电压来确定适当激励电流提供给转子。
提供给转子的激励电流的控制经由适当地切换向转子提供电流的电源电压(例如，电池电压)来完成。这种切换典型地通过功率晶体管来执行，其中功率晶体管被激励控制信号所控制。可通过交流发电机内的控制器结合由控制器执行的电压调节和/或通过交流发电机外的电子控制单元(ECU)来生成激励控制信号。
如果故障引起交流发电机中的“全电场”状况，则发生潜在的安全问题。当电源电压变得直接连接至转子以使转子的激励电流不再受交流发电机内的控制器和相关联的电压调节的限制时，发生这种问题。这些故障导致不受控的交流发电机电压输出，这可能会达到损伤电池(或对其过充电)或连接至电系统的其他设备的过量电平。
上述问题的一个解决方案是在检测到“全电场”状况时将交流发电机输出与电池和电系统的其他部件断开。然而，交流发电机输出相对较高的电流(例如在50-200安培的范围内)，这使得这种输出的切换难以实施和/或过于昂贵。
另一个建议的解决方案实施通过中断控制信号(例如，从交流发电机的控制器到控制转子激励电流的开关)实现的安全功能。这种解决方案解决了控制器本身的故障、由控制器的输入(例如，不正确的感测电压)引起的故障或者控制激励电流控制开关的信号的故障。
然而，上述补救措施没能解决通过发生在激励控制开关周围的短路所引起的全电场状况的情况，即，电源电压直接电短路至转子输入的情况。期望一种用于解决通过这些故障引起的全电场状况的故障保护电路和方法。
发明内容
根据故障保护电路的实施例，该故障保护电路包括激励电流开关和安全开关。激励电流开关控制提供给交流发电机的转子的电流的量。该电流量确定从交流发电机输出的电压，因此可用于调节输出电压。安全开关设置在激励电流开关及其电源电压之间，使得安全开关可以在检测到故障状况时(例如在交流发电机的全电场状况期间)将电源电压与激励电流开关断开。
根据用于交流发电机的刷柄的实施例，该刷柄包括固定刷子的壳体、激励电流开关和安全开关。刷子被配置为将激励电流传导至交流发电机内的转子。激励电流开关根据控制激励电流开关的激励电流控制信号经由刷子向转子提供激励电流，以调节交流发电机的输出电压。安全开关电串联连接在激励电流开关及其电源电压之间，使得安全开关可响应于接收到存在故障状况的指示将电源电压与激励电流开关断开。
根据用于缓解交流发电机的故障状况的交流发电机的方法，该方法包括：使用激励电流开关向交流发电机的转子提供激励电流；响应于检测到交流发电机中的故障状况，通过打开电串联连接在激励电流开关及其电源电压之间的安全开关将电源电压与激励电流开关断开。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并参照附图的基础上可以意识到附加特征和优势。
附图说明
附图中的元件没有必要按比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部分。所示各个实施例的特征可以组合，除非它们相互排除。在附图中示出并在以下说明书中描述实施例。
图1示出了包括设置在交流发电机内的安全开关的车辆电系统的高级框图。
图2示出了包括安全开关的交流发电机的框图。
图3示出了可以结合到交流发电机中的包括安全开关的故障保护电路的实施例的框图。
图4示出了包括安全开关的故障保护电路的可选实施例的框图，其中该实施例包括监控电路。
图5示出了结合安全开关的刷柄。
图6示出了用于通过将电源电压与驱动交流发电机中的转子的激励电流开关断开来缓解交流发电机的故障状况的方法。
具体实施方式
本文描述的实施例用于避免或缓解故障状况，诸如交流发电机中的不受控全电场状况以及交流发电机输出处的相关过电压情况。这不是在交流发电机的输出上添加大且昂贵的开关来实现的。为了解决可导致全电场状况的各种故障状况(包括电源电压(例如，电池电压)和馈送交流发电机转子的输入之间的短路)，添加安全开关，其被配置为将电源电压与激励控制开关断开，其中激励控制开关向交流发电机的转子提供激励电流。
图1提供了典型的汽车电系统100的高级框图。系统100包括各种车辆负载110、电池130和交流发电机140。车辆负载110包括电子控制单元(ECU)120。交流发电机140包括安全开关150，其被配置为断开馈送交流发电机的转子的激励电流以防止交流发电机140的输出处的故障状况，诸如过电压情况。
图2示出了交流发电机140的框图。交流发电机控制器210向交流发电机140的转子230提供激励电流。转子230通过机械装置(例如，耦合至运行引擎的驱动带)来旋转。旋转转子230创建磁场，其在交流发电机140的定子240的绕组中引发电流。典型的定子具有三个绕组(如图2所示)，使得生成三个交流(AC)输出。通常使用二极管构造的整流器220将来自定子240的绕组的定相AC电流转换为直流(DC)输出。DC输出应适合于对电池130充电以及向各种车辆负载110提供电能。
要求电压调节以将交流发电机140的输出电压(例如，Vbat)维持在适当电平。通过转子230的旋转速度以及由交流发电机控制器210提供给转子230的激励电流(EXC)来确定交流发电机输出电压。在第一结构中，交流发电机控制器210通过感测交流发电机输出电压(其在图2中也为电池电压Vbat)并设置激励电流以保持期望的设置电压(Vset)来执行电压调节。在第一结构中，可以通过ECU 120向交流发电机控制器210提供设置电压Vset。在第二结构中，ECU 120主要用于电压调节。在第二结构中，ECU 120感测电压Vbat并向交流发电机控制器210发送命令交流发电机控制器210设置用于转子230的特定激励电流(EXC)的消息。
交流发电机140还包括安全开关150，其可用于将电源电压(例如，Vbat)与将激励电流驱动至转子230的电路装置断开。安全开关150将在下面更详细地描述为故障(例如，过电压)保护电路的一部分。
图2示出了设置在刷柄200上的交流发电机控制器210和安全开关150。虽然这是用于包括这些元件的便利且优选的放置，但应该理解，交流发电机控制器210和安全开关150可以物理地位于别处，包括交流发电机140内的其他位置或者甚至在交流发电机140外部。
在ECU中具有监控电路的故障保护电路实施例
图3示出了故障保护电路300的实施例，其包括用于中断驱动转子230的激励电流的安全开关150。更具体地，激励电流控制器310向激励电流开关320提供激励电流信号。该信号例如可以是图3所示的脉宽调制(PWM)波形，其中，占空比被配置为提供期望的激励电流。如前所解释的，来自交流发电机控制器210的激励电流(EXC)被调整以在交流发电机输出处保持期望的设置电压Vset。可以在ECU 120、交流发电机控制器210或者在故障保护电路300中的其他部件中执行电压调节。换句话说，任何这些设备都可以确定适当的激励电流来将期望设置电压Vset保持在交流发电机140的输出处。
可以使用许多不同的技术来实施激励电流开关320，但是通常使用功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实施。在一个实施例中，激励电流开关320是双重扩散MOSFET(DMOS)。在另一实施例中，激励电流开关320是横向扩散MOSFET(LDMOS)。如果激励电流开关320是任何类型的N沟道MOSFET，则开关320的漏极端连接至电源电压，源极端提供激励电流(EXC)且电连接至转子230，以及栅极端连接至激励电流控制器310。作为功率MOSFET的备选，激励电流开关320可以代替为绝缘栅型双极晶体管(IGBT)或高电子迁移率晶体管(HEMT)，也已知为异质结构FET(HFET)或调制掺杂FET(MODFET)。其他开关类型也是可以的，只要它们能够提供用于转子230的充足激励电流(EXC)。转子230通常要求5-10安培范围内的最大激励电流以满足交流发电机140的输出功率要求。
交流发电机控制器210还包括通信接口330，其主要配置为用于与ECU 120通信。ECU 120和通信接口330之间的通信可以发生在串行总线上，诸如局部互连网络(LIN)或控制器局域网络(CAN)总线。此外，ECU 120可提供通知交流发电机控制器210用于电压调节的期望设置电压Vset是多少或者提供给转子230的激励电流(EXC)的电平是多少的命令。
故障保护电路300还包括设置在激励电流开关320和电源电压(例如，Vbat)之间的安全开关150。当安全电路150接收指示故障(诸如过电压状况)的信号(ACT)时，安全开关150打开，从而将电源电压与激励电流开关320断开。对于发生在安全开关150下游的故障(例如，激励电流开关320的输入和输出之间的短路360、激励电流开关320的控制输入上的短路或者来自激励电流控制器310的信号输出的故障)，以这种方式断开电源电压有助于调整故障。换句话说，安全开关150防止交流发电机140中由提供给转子230的连续激励电流引起的任何延迟“全电场”状况。因此，安全开关150防止电系统100中的过量电压损伤电设备(诸如与车辆负载110相关)或电池130。
注意，如前所述，图3所示的短路360可以是不会导致显著的过电压情况的高阻短路。例如，100千欧以上的高阻短路不产生被检测为过量的交流发电机输出电压。然而，这种故障具有潜在的不利结果，其中短路360会使电池130放电同时旋转交流发电机140的车辆引擎不运行。诸如此的故障还可以使用先前描述的故障保护电路300来缓解。
与激励电流开关320一样，安全开关150可以使用许多不同的技术来实施。安全开关150优选使用功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实施，诸如双重扩散MOSFET(DMOS)或横向扩散MOSFET(LDMOS)。如果安全开关150是任何类型的N沟道MOSFET，则开关150的漏极端连接至电源电压(例如，Vbat)，源极端连接至激励电流开关320的输入，以及栅极端连接至用于在检测到故障状况时打开安全开关150的控制信号(ACT)。从而，如果安全开关150是P沟道MOSFET，则其源极端将连接至电源电压且其漏极将连接至激励电流开关320的输入。作为功率MOSFET的备选，安全开关150可以代替为绝缘栅型双极晶体管(IGBT)或高电子迁移率晶体管(HEMT)，也已知为异质结构FET(HFET)或调制掺杂FET(MODFET)。其他开关类型也是可以的，只要它们能够提供充足的激励电流。
安全开关150的电流要求类似于激励电流开关320，因为用于转子230的激励电流流过两个开关(如前所解释的，转子230通常要求5-10安培范围内的最大电流)。
在图3所示的实施例中，通过监控电路350来检测故障状况，其中监控电路350位于交流发电机控制器210的外部。具体地，监控电路350位于ECU 120中。该结构优选用于ECU120提供电压调节的布置。对于这种布置，ECU 120已经监控交流发电机输出电压(例如，Vbat)以将交流发电机输出电压维持在期望的设置电压Vset附近。如果交流发电机输出电压超过一些阈值Vthresh视为过量(例如，15V)，则监控电路350确定发生会导致过电压状况的故障。然后，ECU 120向保护电路300发出安全开关150需要将电源电压与激励电流开关320断开的信号。
使用虚线在图3中示出用于控制安全开关150的两个可选子实施例。在第一子实施例中，ECU 120向通信接口330发出安全开关150应该将电源电压与激励电流开关320断开的信号。然后，交流发电机控制器210引导安全开关150打开，从而将电源电压(例如，Vbat)与激励电流开关320断开。
在第二子实施例中，通信接口340设置在故障保护电路300中，其中通信接口340不位于交流发电机控制器210内。例如，通信电路340可专用于控制安全开关150。通信电路340可以设置在与安全开关150相同的半导体管芯(芯片)上。在第二子实施例中，ECU 120可以向通信电路340发出安全开关150需要使用串行总线(诸如先前关于串行接口330所描述的总线)或者使用专用信号线(其通过ECU 120或通信接口330与任何串行总线分离)打开的信号。
对于上述任何子实施例，为了防止安全开关150被与引起激励电流开关320两端的短路360相同的故障所影响，可以期望物理地将安全开关150与交流发电机控制器210分离。例如，安全开关150应该设置在与交流发电机控制器210不同的管芯上。
在交流发电机控制器中具有监控电路的故障保护电路实施例
图4示出了故障保护电路300的可选实施例。在该可选实施例中，监控电路350是故障保护电路300的一部分而非定位在ECU 120中。这种结构可以优选用于通过交流发电机控制器210执行交流发电机电压调节的布置。对于这种布置，交流发电机控制器210已经监控交流发电机输出电压(例如，Vbat)。如前所述，如果监控电路350检测到交流发电机输出电压超过视为过量的一些阈值(例如，15V)，则监控电路350确定发生会导致过电压调节的故障。然后，监控电路350命令安全开关350将电源电压与激励电流开关320断开。
如图4所示，监控电路350位于交流发电机控制器210内，并且甚至可以设置在与交流发电机控制器210相同的半导体管芯上。具有该结构的子实施例具有用于电压调节的电路部件可以被再利用的优势，例如与感测交流发电机输出电压(例如，Vbat)相关联的模拟部件还可用于检测何时交流发电机输出电压高于预定阈值。然而，如虚线框所示，监控电路350可以设置在别处。
在第二子实施例(未示出)中，监控电路可定位在交流发电机控制器210外。例如，监控电路350和安全开关150可组合到一起作为安全电路，这两个部件甚至可以设置在相同的半导体管芯上，其中该管芯不同于交流发电机控制器210的管芯。该第二子实施例具有包括监控电路350和安全开关150的安全电路可以包括在故障保护电路300中而不对现有的交流发电机控制器210进行任何设计改变的优势。
对于上述任何子实施例，将监控电路350定位在故障保护电路300中具有这种实施方式不要求对现有ECU 120进行改变的优势。实施故障保护电路300的安全特征所要求的改变可以完全在交流发电机140内实施，意味着新交流发电机设计可以包括在电系统100中而不需要重新设计ECU 120或电系统100的其他部件。类似地，具有这些安全特征的替换交流发电机可安装在现有的电系统100中。
图5示出了包括壳体510、安全开关150和交流发电机控制器210的刷柄500。刷柄500被配置为固定将激励电流传导至交流发电机140的转子230的刷子(如图2所示)。壳体510由适当材料组成，诸如塑料、陶瓷或基于石墨的材料。安全开关150和交流发电机控制器210可以设置在开放凹部中，开放凹部位于壳体中、嵌入在壳体内或者例如使用粘合剂、密封剂附接至壳体的外表面或内表面。如前所述，安全开关150被配置为将电源电压与位于交流发电机控制器210内的激励电流开关断开。刷柄500被配置为包括先前描述的故障保护电路300的第一或第二实施例。
图6示出了用于防止交流发电机在其输出处提供过量电压的延长周期的方法。该方法例如可以在图4所示的故障保护电路300中或者在图3所示的故障保护电路300和ECU的组合中实施。该方法开始于步骤610，其中激励电流被提供给交流发电机的转子。使用控制提供给转子的电流量的激励电流开关来提供激励电流。在步骤620中，测量交流发电机输出电压Valt(该电压例如可以与电池电压Vbat相同)。然后在步骤630中将电压Valt与阈值Vthresh进行比较，以确定交流发电机输出电压是否过量。如果交流发电机输出电压Valt大于阈值电压Vthresh，则在步骤640中打开安全开关，从而将电源电压与激励电流开关断开。如果交流发电机输出电压Valt不大于阈值电压Vthresh，即电压在安全范围内，则在步骤610中继续正常操作。
如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”等是开放性术语，其表示所提元件或特征的存在但是不排除附加的元件或特征。冠词“一个”和“该”用于包括多个以及单个，除非另有明确指定。
应该理解，本文所述的各个实施例的特征可以相互组合，除非另有明确指定。
尽管本文示出和描述了具体实施例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对所示和所述的具体实施例替换各种可选和/或等效的实施方式。本申请用于覆盖本文讨论的具体实施例的任何改变或变化。因此，仅通过权利要求及其等效物来限定本发明。

Claims (18)

1.一种用于交流发电机的故障保护电路，包括：
第一开关，具有电连接至中间电源节点的第一端、电连接至所述交流发电机中的转子的第二端以及第三端，其中所述第一开关被配置为根据施加给所述第三端的激励电流控制信号和所述中间电源节点处的电压向所述转子提供激励电流，以调节所述交流发电机的输出电压；
交流发电机控制器电路，包括被配置为生成所述激励电流控制信号的激励电流控制器；
监控电路，所述监控电路被配置为检测故障状况并响应于该检测生成故障指示信号；以及
第二开关，电串联连接在所述中间电源节点与电源电压节点之间，所述第二开关被配置为在所述故障指示信号有效时持续地将所述电源电压节点与所述中间电源节点断开，其中所述交流发电机的所述输出电压在所述电源电压节点处提供电源电压。
2.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述故障指示信号是指示所述交流发电机的输出电压超过预定限制的过电压指示信号。
3.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述故障指示信号表示所述第一开关的第一端和第二端之间存在100千欧以上的高阻短路。
4.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述监控电路与所述交流发电机控制器电路设置在不同的半导体管芯中。
5.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述监控电路与所述第二开关设置在同一半导体管芯中。
6.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述交流发电机控制器电路被配置为从电子控制单元(ECU)接收所述故障指示信号。
7.根据权利要求1所述的故障保护电路，还包括：
通信接口电路，被配置为从电子控制单元(ECU)接收所述故障指示信号并将所述故障指示信号发送至所述第二开关，其中所述通信接口电路与所述交流发电机控制器电路设置在不同的半导体管芯上。
8.根据权利要求7所述的故障保护电路，其中所述通信接口电路被配置为在串行总线上接收所述故障指示信号。
9.根据权利要求7所述的故障保护电路，其中所述通信接口电路被配置为在专用线上接收所述故障指示信号，其中所述专用线与共享串行总线分开，所述ECU在所述共享串行总线上与所述交流发电机控制器电路通信。
10.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述激励电流控制信号是脉宽调制(PWM)信号。
11.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中交流发电机输出节点被连接至所述电源电压节点。
12.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述交流发电机对电池进行充电，并且通过所述电池提供所述电源电压。
13.根据权利要求1所述的故障保护电路，其中所述第一开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且所述第一开关的第三端是所述MOSFET的栅极。
14.根据权利要求13所述的故障保护电路，其中所述第一开关是N沟道MOSFET，以及所述第二开关被配置为将所述电源电压节点与所述N沟道MOSFET的漏极断开。
15.根据权利要求13所述的故障保护电路，其中所述第一开关是双扩散MOSFET。
16.一种用于交流发电机的刷柄，所述刷柄包括：
壳体，用于固定被配置为将激励电流传导至所述交流发电机中的转子的刷子；
第一开关，被所述壳体固定，所述第一开关具有电连接至中间电源节点的第一端、电连接至所述刷子的第二端以及第三端，其中所述第一开关被配置为根据施加至所述第三端的激励电流控制信号和所述中间电源节点处的电压经由所述刷子向所述转子提供所述激励电流，以调节所述交流发电机的输出电压；
交流发电机控制器电路，被所述壳体固定，所述交流发电机控制器电路包括被配置为生成所述激励电流控制信号的激励电流控制器；
监控电路，所述监控电路被配置为检测故障状况并响应于该检测生成故障指示信号；以及
第二开关，被所述壳体固定，所述第二开关电串联连接在所述中间电源节点与电源电压节点之间，所述第二开关被配置为在所述故障指示信号有效时持续地将所述电源电压节点与所述中间电源节点断开，其中所述交流发电机的所述输出电压在所述电源电压节点处提供电源电压。
17.根据权利要求16所述的刷柄，其中所述监控电路和所述第二开关设置在同一半导体管芯中。
18.一种在交流发电机中用于缓解所述交流发电机的故障状况的方法，所述方法包括：
使用第一开关向所述交流发电机的转子提供激励电流，所述第一开关具有电连接至中间电源节点的第一端、电连接至所述转子的第二端以及第三端，其中提供给所述转子的所述激励电流是施加给所述第三端的激励电流控制信号和所述中间电源节点处的电压的函数，以调节所述交流发电机的输出电压，所述激励电流控制信号由包括激励电流控制器的交流发电机控制器电路生成；
经由监控电路检测所述交流发电机的故障状况，并响应于该检测并且在所述故障状况持续时生成故障指示信号；以及
响应于生成的所述故障指示信号时，通过打开第二开关持续地将电源电压节点与所述中间电源节点断开，所述第二开关电串联连接在所述中间电源节点与所述电源电压节点之间，其中所述交流发电机的所述输出电压在所述电源电压节点处提供电源电压。
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