CN106411199A - 车辆瞬态电压控制 - Google Patents

Abstract

本公开涉及车辆瞬态电压控制。一种车辆电力系统包括控制器，所述控制器响应于在预定时间段期间由交流发电机提供的电荷的量超过第一阈值并且在所述时间段期间由交流发电机输出的功率的变化率超过第二阈值，将交流发电机的电压设定点减小预定量。所述控制器还基于电压设定点调节交流发电机的输出电压。

Description

车辆瞬态电压控制

技术领域

本申请涉及被配置为选择性地对高电流负载突降做出响应的用于车辆的交流发电机的控制系统。

背景技术

大多数现代车辆包括交流发电机。交流发电机是一种将机械能转换为电流形式的电能的发电机。交流发电机可被配置为使得电流可以是直流(DC)或交流(AC)。交流发电机可包括转子和定子，转子被配置为产生旋转的磁场，定子被配置为捕获磁场并将旋转的磁场的转动能转换为AC或DC电流。交流发电机可使用永磁体来产生磁场，或者交流发电机可使用励磁线圈来产生磁场。交流发电机可以是自调节的，体现在车辆为了满足各种负载所需要的电力的量使得交流发电机输出针对任何给定输出电压而自动调节其自身。然而，因为交流发电机是由转子绕组和定子绕组组成的机械装置，所以交流发电机对于接通和断开大负载扰动是敏感的。当负载被快速移除时，交流发电机具有这样时间段，在该时间段期间，系统的惯性将导致交流发电机在即使负载与系统断开连接的情况下也继续产生运行负载所需要的电压。

发明内容

一种车辆电力系统包括交流发电机和控制器。所述控制器响应于在预定时间段期间由交流发电机提供的电荷的量超过第一阈值并且在所述时间段期间由交流发电机输出的功率的变化率超过第二阈值，将交流发电机的电压设定点减小预定量，并且基于电压设定点调节交流发电机的输出电压。

一种调节交流发电机输出电压的方法包括：接收指示由交流发电机提供到负载的电荷的量和由交流发电机输出的功率的幅值的数据。所述方法还包括：响应于所述电荷的量超过第一阈值并且所述幅值超过第二阈值，将交流发电机的输出电压设定点减小预定量，基于输出电压设定点调节交流发电机的输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于负载与交流发电机断开连接，增大输出电压设定点。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于所述电荷的量下降到第三阈值之下并且所述幅值下降到第四阈值之下，增大输出电压设定点。

根据本发明的一个实施例，所述预定量是基于一程度的，其中，所述电荷的量超过第一阈值达到所述程度或者所述幅值超过第二阈值达到所述程度。

一种车辆电力系统包括：交流发电机和控制器。所述控制器响应于在预定时间段期间由交流发电机输出的电荷的量和由交流发电机输出的功率的变化率超过各自的阈值，选择性地将交流发电机的输出电压设定点改变预定量。

根据本发明的一个实施例，所述电荷的数和变化率指示负载与交流发电机连接或与发电机断开连接。

根据本发明的一个实施例，所述预定量是基于一程度的，其中，所述电荷的量和变化率超过各自的阈值达到所述程度。

根据本发明的一个实施例，所述预定量基于所述变化率从多个预定量中被选择。

根据本发明的一个实施例，所述选择性地将交流发电机的输出电压设定点改变预定量包括：将输出电压设定点增大预定量。

根据本发明的一个实施例，所述选择性地将交流发电机的输出电压设定点改变预定量包括：将输出电压设定点减小预定量。

附图说明

图1是具有基于交流发电机的电气系统的车辆的框式拓扑图。

图2是交流发电机系统的电路图。

图3是交流发电机系统的操作参数相对于时间的图形示图。

图4是用于减小可能的电压尖峰的影响的基于交流发电机系统参数的系统电压相对于时间的减小的图形示图。

图5是用于控制交流发电机系统的示例性流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图说明和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中说明的特征组合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

本公开的实施例总体上提供了多个电路或其它电气装置。当提及所述电路和其它电气装置以及由它们中的每一个提供的功能时，都不意在限于仅涵盖在此示出和描述的内容。虽然特定标号可被分配给公开的各种电路或其它电气装置，但是这样的标号并不意在限制所述电路和其它电气装置的操作范围。可基于所期望的特定类型的电气实现方式，按照任何方式将这样的电路和其它电气装置彼此组合和/或分离。应认识到的是，在此公开的任何电路或其它电气装置可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述项的其它适当变型)以及软件，它们彼此协作以执行在此公开的操作。此外，任意一个或更多个电气装置可被配置为执行在非暂时性计算机可读介质中实现的计算机程序，其中，计算机程序被编写为用于执行所公开的任意数量的功能。

大多数现代交流发电机是自调节装置，其中，车辆为了满足各种负载所需要的电力的量使得交流发电机输出针对任何给定输出电压而自动调节其自身。然而，因为交流发电机为由转子绕组和定子绕组组成的机械装置，所以一旦在绕组中感应出场，则使与绕组关联的磁场消失会花费时间。由于使所述场消失所需要的时间段，所以交流发电机对于连接和断开大负载扰动是敏感的。问题在于：当负载被快速移除时，交流发电机具有这样的时间段，在该时间段期间，系统的惯性将产生运行现在不再连接的负载所需要的电压和电流。其结果是：输出电压会增加，从而导致电压尖峰，并且如果负载断开足够大的，则尖峰可能大于连接到交流发电机的模块的最大电压。所述模块随后可能由于过电压而关闭并且当电压下降到最大电压(例如，16伏特)之下时重置。在此，提供处理、方法和算法，以在移除大负载之后检测、减缓和保持车辆电气系统的操作。

这可分解为3个步骤：检测、反应和返回到正常操作。检测算法被设计为检测交流发电机负载的任何大的增大。为了增加可靠性和准确性，使用两个输入信号。一个信号用于检测负载的大的分离，另一个信号用于确保所述分离足以超过阈值。引入的负载指示符信号的时间差允许算法只考虑变化率。阈值检测确保变化率的任何大的增大已经迫使交流发电机足够接近满磁场(如果连接到交流发电机系统的负载突然被移除，则具有大小足以破坏电气系统的幅值的电压尖峰将跟着发生)。

引入的负载信号的差分高通滤波器需要能够准确地检测变化率的光滤波。信号的这种滤波增大了系统的稳定性。此外，随后可向这些信号中的每个施加迟滞，使得不会发生颤振(chattering)。考虑大幅度的增大而不仅仅等待交流发电机负载指示符超过最大值的重要性是算法尝试检测将同时影响系统电压的大负载，而不检测打开和关闭的累积的较小的负载。除了使用将减小来自算法的模糊度的、直接连接到交流发电机或交流发电机的调节器的离散信号以外，还可使用这种检测系统或检测方法。鉴于在即使考虑电压设定点的减小而电压通常也由调节器保持为常数的情况下，功率的幅值是电流的幅值的函数，所以这可考虑电流或功率而被执行。

在成功检测到大幅度的增大和负载指示符超过阈值之后，下一步骤是反应步骤。在反应步骤中，重要的是，系统快速获取现有的设定点且随后逐渐将其减小至在负载突然移除自身的情况下被认为是标称的电压设定点，并且尖峰将不会导致对车辆系统的剩余部分造成干扰。

在反应步骤之后，系统可返回到标称状态。当设定点被减小以补偿从交流发电机汲取电力的大负载时，期望尽快将设定点返回到标称设定点。这可以是响应于通过观察到以下操作而确定大负载的移除的：交流发电机负载信号的负的变化率超过限制、交流发电机负载信号下降到特定阈值之下、低电压系统电压的大的变化率以及告知系统因负载移除而不再需要保护的离散信号。利用这些状况的组合，算法随后释放设定点并将设定点提升回到标称系统电压。

图1是具有基于交流发电机的电气系统的车辆系统100的框式拓扑图。车辆102可以是各种类型的乘用车辆之一(诸如，混合型多用途车辆(CUV)、运动型多用途车辆(SUV)、卡车、休旅车(RV))、船、飞机或用于运输人或物品的其它移动机器。车辆102包括发动机104。发动机104可以是内燃发动机(诸如，汽油发动机、柴油发动机或天然气发动机)。发动机104可连接到变速器106以推进车辆102。发动机104可与起动马达108和交流发电机110连接。起动马达108可以是DC电动马达或者可以是AC马达(诸如，用在一些混合动力车辆中)。起动马达108和交流发电机110可以是单个电机，所述单个电机可被配置为：当被配置为交流发电机时产生输出电压，或者当被配置为起动机时输出扭矩以使发动机104旋转。模块(诸如，动力传动系统控制模块(PCM)112)内的控制器可控制交流发电机110。交流发电机110的输出的一部分可被存储在DC电池114(诸如，铅酸电池、锂离子电池或其它车辆电池)内。此外，从交流发电机110产生的能量可经由配电盒(PDB)116(也被称作接线盒)进行分配。应该注意的是，示出的系统100仅仅为示例，并且可使用更多、更少和/或不同布置的元件。

PCM 112可包括被配置为执行支持在此描述的处理的指令、命令和其它例程的一个或更多个处理器。例如，PCM 112可被配置为执行用于控制多个车辆系统的指令，所述多个车辆系统包括发动机104、变速器106和其它车辆负载118(包括高电流附件120和电动助力转向(EPS)122)。可使用各种类型的计算机可读存储介质以非易失性方式来保存这样的指令和其它数据。计算机可读介质(也被称作处理器可读介质或存储器)包括参与提供可由PCM 104的处理器读取的指令或其它数据的任何非暂时性介质(例如，有形介质)。处理器还可以是分别执行整体功能的一部分的多个计算单元中的多个处理器。可从使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序编译或解释计算机可执行指令，所述各种编程语言和/或技术包括但不限于以下项中单独一个或它们的组合：Java、C、C++、C#、Objective C、Fortran、Pascal、Java Script、Python、Perl和PL/SQL。

PCM 112还可被配置为经由一个或更多个车载网络与车辆102的其它组件进行通信。作为一些示例，车载网络可包括车辆控制器局域网(CAN)、局域互联网络(LIN)、以太网、面向媒体的系统传输(MOST)以及FlexRay中的一个或更多个。车载网络可允许计算平台与其它车辆系统(诸如，其它车辆负载118、EPS 120和PDB 116(在一些配置中可能不存在))进行通信。PCM 112可被配置为提供发动机操作组件(例如，怠速控制组件、燃料输送组件、排放控制组件等)的控制以及发动机操作组件的监测(例如，发动机诊断码的状态)。车身控制模块和PDB 116可被配置为管理各种电力控制功能，诸如，外部照明、内部照明、无钥匙进入、远程启动以及接入点状态验证(例如，车辆102的引擎盖、车门和/或行李厢的关闭状态)。可汲取大量电流的其它车辆模块包括环境控制管理模块，所述环境控制器管理模块被配置为提供加热和冷却系统组件的控制和监测(例如，压缩机离合器和鼓风机控制、温度传感器信息等)。

图2是交流发电机系统的电路图200。交流发电机110可包括发电机202和调节器204。发电机202可被配置为单定子发电机或双定子发电机。该图示为双定子发电机。第一定子包括绕组206，绕组206被示出为被配置为Y型连接器(也被称作为“Y”)。第一定子具有绕组206A、206B和206C，其中，每个绕组与一对二极管216A-C和218A-C连接，以将来自AC信号的信号整流或转换为DC信号。绕组206A与二极管216A以及218A电连接，绕组206B与二极管216B以及218B电连接，绕组206C与二极管216C以及218C电连接。第二定子208包括绕组208A、208B和208C，其中，每个绕组与一对二极管216D-F和218D-F连接，以将来自AC信号的信号整流或转换为DC信号。绕组208A与二极管216D以及218D电连接，绕组208B与二极管216E以及218E电连接，绕组208C与二极管216F以及218F电连接。

通过控制在励磁线圈210中流动的电流来执行对交流发电机的调节。励磁线圈210激励出磁场，定子在磁场内旋转以将转动能(使磁场旋转)转换为电能。调节器204包括励磁线圈210和开关212。开关212被示出为场效应晶体管(FET)，然而开关212可以是双极结型晶体管(BJT)、继电器或用于控制电流流动的其它结构。驱动器214控制开关212。驱动器214可以是离散逻辑、模拟电路或数字电路。驱动器214与控制器112连接，控制器112可包括经由输出端口222驱动信号且从输入端口224接收信号的处理器220。输入端口224可包括模拟输入和数字输入。如果开关由模拟电路进行驱动，则开关可通过减小励磁线圈210两端的电压来控制流入励磁线圈210的电流。此外，开关可利用数字电路被驱动。数字电路可对开关进行脉冲宽度调制，使得开关按照特定频率根据特定占空比被接通和断开。所述频率可以是固定频率或可变频率。脉冲宽度调制的开关将在励磁线圈中产生波动的磁场。产生的磁场可基于调制的频率和电感器的电感而被滤波，从而产生大体上恒定的场。

图3是交流发电机系统的操作参数相对于时间的图形示图300。电压302和电流304相对于时间306而变化。示出的参数包括负载电流308、系统电压310、交流发电机电流312和交流发电机场负载信号314。在该示例中，从110秒处的时间点到点316(此时负载被接入)，系统具有大约15伏特的电压。负载可以是售后附件(诸如，犁、绞车、探照灯或汲取大量电流的其它附件)。系统电压310随着负载通电而被减小，直到系统电压310在时间318处返回到操作水平。系统将继续以操作水平进行操作，并且如果接入其它负载(诸如，由114秒处的时间点示出的)，调节器将继续在电流增大时对电压进行调节以满足负载功率需求。负载在点320处断开连接。在负载断开连接之前，交流发电机正在产生用于供应到车辆系统(包括负载)的电力。因为交流发电机的响应不是瞬时的，所以当负载断开连接时，由交流发电机供应的电力未立即减小，从而在时间点322处产生了电压尖峰。如果连接和断开连接的负载大到足以导致调节器以接近满功率来驱动交流发电机，则当负载断开连接时，系统可能没有能力去吸收现在未被消耗的额外的电力。因此，电压尖峰可能增大到超过高电压阈值(诸如，针对12V机动车系统的16V)。由于时间322处的电压尖峰，车辆内的模块可接收该电压尖峰。通常，车辆内的模块被配置有过电压关闭。当电压超过预定阈值(诸如，16伏特)时，模块将关闭。当电压下降到阈值或较低阈值之下时(诸如，在时间324处)，为了提供迟滞和提高稳定性，模块将重置并重启。这种模块重启或模块重新引导可能使得车辆所有者感到不适。

图4是用于减小可能的电压尖峰的影响的、基于交流发电机系统参数的系统电压相对于时间的减小的图形示图。示出了响应于负载被连接或断开连接的系统操作400。图示具有相对于时间406的电压402和电流404。电压402包括系统电压410和交流发电机设定点控制信号414(也被称作电压设定点)。交流发电机设定点414可被用于控制在交流发电机110的励磁线圈210中流动的电流。励磁线圈210中的电流的流动感应出磁场，使得在定子206和208内产生输出电压。励磁线圈210中的电流被用于调节交流发电机的输出功率。输出功率与系统电压410和电流408有关。电流408是从交流发电机输出到负载(诸如，内部车辆负载(例如，HVAC风扇和EPS)或外部负载(例如，绞车和雪犁))的电流。当接入负载时，系统电压将随着电流升高而下降，直到电流可支持负载的阻抗时为止，这发生在点420处。重要的是，负载不会导致大于最小电压的电压下降。在电压下降到较低阈值之下的情况下，由系统电压410供电的车辆内的模块可关闭或重置。

交流发电机还可包括输出信号(也被称作负载指示符416)。负载指示符416可以是交流发电机的功率输出的函数或者可以是电流408的函数。负载指示符416可以是电流的积分(诸如，定积分)。定积分是在给定时间段上的积分。积分被定义为曲线下方的面积，所以在电路具有快速增长的时间418处，预定时间段期间的曲线下方的面积将开始增大。所述增大将跟随斜率，直到时间段包围较高电流流动时为止。这可被示出为时间418与时间422之间的差。从负载被连接起开始增大的电流呈现出变化增大速率。所述变化增大速率也被称作电流曲线的斜率。因为曲线的导数是在那一点的斜率，所以电流曲线的斜率可通过微分来确定。在从定积分的斜率为零开始的预定时间之后(诸如，时间422和424之间的窗口)，电压设定点414可被减小以补偿当前通电的负载。当电压设定点414减小时，系统电压410将基于电压设定点414而被减小。在时间426处，负载断开连接，并且系统电压410基于断开连接的负载的大小以及由交流发电机110产生的能量而在428处产生电压尖峰。如果电压设定点未被减小，则电压尖峰可能超过阈值电压。然而，通过减小电压设定点，电压尖峰没有超过阈值电压(例如，18伏特)。以安培小时为单位测量的一段时间期间的从交流发电机流出的电流为电荷的测量值。

图5是用于控制交流发电机系统的示例性流程图500。在方框502，电压设定点(也被称作交流发电机输出电压设定点)被设定，以将交流发电机输出电压保持在标称操作电压(例如，15伏特)。在方框504，动态指示符(诸如负载的变化率)被确定。动态指示符还可被称作负载指示符。在方框504正在确定动态指示符的同时，在方框506监测正在被供电的大负载的状态。在方框508，执行负载指示符的变化率与正变化率阈值的比较。在方框510，执行负载指示符与预定限制的比较。如果负载指示符的变化率大于正变化率阈值并且负载指示符大于预定限制，则在方框512，电压设定点将被减小。如果方框508和510的测试中的任何一个为假，则将执行另一次读取并且测试将重复。

一旦交流发电机输出电压设定点在方框512被减小，则在方框514执行负载指示符的变化率与负变化率阈值的比较。在方框516，执行负载指示符与预定限制的比较。如果负载指示符的负的变化率大于负变化率阈值或者负载指示符大于指示负载已经被移除的预定限制，则在方框520，电压设定点将返回到操作设定点。此外，在方框518，测量电压设定点已经被减小的时间的计时器与预定时间段进行比较。如果电压设定点已经保持在减小的电压水平持续大于所述预定时间段的时间段，则计时器将跳转到方框520，并且电压设定点将在方框520返回到正常操作电压。在方框522，如果电压接近于标称设定点，则处理将返回到方框520。否则，处理将退出。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者，通过处理装置、控制器或计算机来实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可被控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于永久存储在非可写存储介质(诸如，ROM装置)上的信息以及可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可在软件可执行对象中被实现。可选地，所述处理、方法或算法可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合被全部或部分地实现。

尽管在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (7)

1.一种车辆电力系统，包括：

交流发电机；

控制器，被配置为：响应于在预定时间段期间由交流发电机提供的电荷的量超过第一阈值并且在所述时间段期间由交流发电机输出的功率的变化率超过第二阈值，将交流发电机的电压设定点减小预定量，并且基于电压设定点调节交流发电机的输出电压。

2.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中，控制器还被配置：在所述变化率超过第二阈值时开始的延迟时间之后，启动所述电压设定点的减小。

3.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中，所述电荷的量和变化率指示负载与交流发电机连接，其中，控制器还被配置为：响应于负载与交流发电机断开连接，增大电压设定点。

4.如权利要求3所述的车辆电力系统，其中，所述预定量是基于第一程度或第二程度的，其中，所述电荷的量超过第一阈值达到第一程度，所述变化率超过第二阈值达到第二程度。

5.如权利要求4所述的车辆电力系统，其中，所述预定量基于所述变化率从多个预定量中被选择。

6.如权利要求3所述的车辆电力系统，其中，电荷与流过交流发电机的励磁线圈的电流相关联。

7.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中，所述变化率是基于设置在交流发电机的励磁线圈与交流发电机的输出之间的脉冲宽度调制开关的占空比的。