CN106817052A - 起动机限流器与断路器的集成模块及其汽车起动系统 - Google Patents

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Abstract

一种起动机限流器与断路器的集成模块，包括外部电源连接端子、电池连接端子、起动机连接端子、点火信号输入端子、热起动信号输入端子、热起动中断信号输出端子、通信端子、断路器、起动机限流器和控制器。断路器的输入端与外部电源连接端子连接，输出端分别与起动机限流器的输入端和电池连接端子连接。起动机限流器的输出端与起动机连接端子连接。控制器的第一输入端与点火信号输入端子连接，第二输入端与热起动信号输入端子连接，第三输入端与外部电源连接端子连接；控制器的第一输出端与起动机限流器连接，第二输出端与断路器连接，第三输出端与热起动中断信号输出端子连接。本发明还公开了汽车起动系统。本发明的集成模块体积小，制造成本低。

Description

起动机限流器与断路器的集成模块及其汽车起动系统
技术领域
本发明涉及汽车起动控制技术。
背景技术
越来越多的汽车起动控制系统使用了起动机限流器。目前，汽车上的起动机限流器与断路器是两个分立的模块，起动机限流器的主要功能是限制起动机起动电流，防止起动电池在电机起动时压降太大从而导致电子控制单元复位等问题；而断路器主要起接通和断开外部电源（通常为DC/DC变换器）与起动电池之间的连接的功能。
采用分立模块占用了较大的空间，增加了制造成本。在混合动力汽车上，只能依靠专门的辅助电池为负载供电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种起动机限流器与断路器的集成模块，其体积小，制造成本低，具有热起动中断功能。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种汽车起动系统。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种起动机限流器与断路器的集成模块，包括外部电源连接端子、电池连接端子、起动机连接端子、点火信号输入端子、热起动信号输入端子、热起动中断信号输出端子、通信端子、断路器、起动机限流器和控制器；外部电源连接端子和电池连接端子分别用于连接外部电源的输出端和外部蓄电池的正极，起动机连接端子用于连接起动机的输入端，点火信号输入端子和热起动信号输入端子分别用于接收自外部输入的点火信号和热起动信号，热起动中断信号输出端子用于向外部输出热起动中断信号，通信端子用于实现集成模块与外部的通信；断路器的输入端与外部电源连接端子连接，断路器的输出端分别与起动机限流器的输入端和电池连接端子连接；起动机限流器的输出端与起动机连接端子连接；控制器的第一输入端与点火信号输入端子连接，控制器的第二输入端与热起动信号输入端子连接；控制器的第三输入端与外部电源连接端子连接；控制器的第一输出端与起动机限流器的控制端连接，控制器的第二输出端与断路器的控制端连接，控制器的第三输出端与热起动中断信号输出端子连接，控制器的通信端与通信端子连接。
本发明实施例还提供了一种汽车起动系统，包括外部电源、外部蓄电池、起动机、电子控制单元以及上述的集成模块；集成模块的外部电源连接端子和电池连接端子分别连接外部电源的输出端和外部蓄电池的正极，集成模块的起动机连接端子连接起动机的输入端，集成模块的点火信号输入端子、热起动信号输入端子、热起动中断信号输出端子和通信端子均与电子控制单元连接，用以接收自电子控制单元输入的点火信号和热起动信号，向电子控制单元输出热起动中断信号，并与电子控制单元实现通信。
采用上述技术方案后，本发明至少达到以下的有益效果之一：
1、由于断路器、起动机限流器和控制器设置在同一个外壳中，控制和供电系统只用一套，与分立的断路器和起动机限流器具有各自的外壳和控制器的情况相比，不仅降低了制造成本，而且节约了安装空间；
2、根据本发明实施例的集成模块具有热起动中断功能，在外部电源的输出电压低于预设的电压阈值时，集成模块控制起动机限流器不工作并控制断路器导通，这样可使原来由外部电源供电的负载改由蓄电池供电，从而防止外部电源在热起动时压降过大，影响其向负载供电或造成电子控制单元复位，同时集成模块还会向电子控制单元输出热起动中断信号，通知外界集成模块进行了热起动中断；
3、在用于混合动力车辆时，可使用起动电池为负载供电，不需要专门的辅助电池，从而进一步降低了成本。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的汽车起动系统以及集成模块的原理示意图。
图2示出了起动机限流器的等效电路原理图。
图3示出了根据本发明一实施例的控制器控制起动机限流器工作的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
图1示出了根据本发明一实施例的汽车起动系统以及集成模块的原理示意图。请参考图1，根据本发明一实施例的汽车起动系统包括外部电源U1、外部蓄电池B1、起动机3、电子控制单元4和集成模块5。
集成模块5包括外部电源连接端子5a、电池连接端子5b、起动机连接端子5c、点火信号输入端子5d、热起动信号输入端子5e、热起动中断信号输出端子5f、通信端子5g、断路器51、起动机限流器52和控制器53。
外部电源连接端子5a和电池连接端子5b分别连接外部电源U1的输出端和外部蓄电池B1的正极，起动机连接端子5c连接起动机3的输入端。点火信号输入端子5d、热起动信号输入端子5e、热起动中断信号输出端子5f和通信端子5g均与电子控制单元4连接，点火信号输入端子5d和热起动信号输入端子5e分别用于接收自电子控制单元4输入的点火信号KL50和热起动信号WS，热起动中断信号输出端子5f用于向电子控制单元4输出热起动中断信号CPC，通信端子5g用于实现集成模块5与电子控制单元4的通信。优选地, 通信端子5g为LIN通信端子，图1中的LIN表示LIN通信信号。
断路器51的输入端与外部电源连接端子5a连接，断路器51的输出端分别与起动机限流器52的输入端和电池连接端子5b连接。起动机限流器52的输出端与起动机连接端子5c连接。
控制器53的第一输入端与点火信号输入端子5d连接，控制器53的第二输入端与热起动信号输入端子5e连接；控制器53的第三输入端与外部电源连接端子5a连接；控制器53的第一输出端与起动机限流器52的控制端连接，控制器53的第二输出端与断路器51的控制端连接，控制器53的第三输出端与热起动中断信号输出端子5f连接，控制器53的通信端与通信端子5g连接。
控制器53用于根据接收到的点火信号、热起动信号、以及所采集到的外部电源连接端子的输入电压控制起动机限流器52和断路器51的工作。
在本实施例中，外部电源U1为DC/DC变换器。外部蓄电池B1为起动电池。控制器53为MCU。
在本实施例中，控制器53用于在未接收到点火信号和热起动信号时控制起动机限流器52不工作并控制断路器51导通，在接收到点火信号但未接收到热起动信号时控制起动机限流器52工作并控制断路器51导通，在接收到点火信号且接收到热起动信号时控制起动机限流器52工作并控制断路器51断开，并且实时地将采集到的外部电源连接端子5a的输入电压V_KL30与预设的电压阈值V1进行比较，如果V_KL30≥V1，则维持起动机限流器52工作以及断路器51断开的状态不变，如果出现V_KL30＜V1的情况，则控制起动机限流器52不工作并控制断路器51导通，并且向外输出热起动中断信号。
表1是以输出电压为12V的蓄电池B1为例的控制器53的工作逻辑表。
表 1
该示例中，预设的电压阈值V1为11V。点火信号KL50为逻辑高电平（>6V）时有效，热起动信号WS为逻辑低电平（<3V）时有效。
当点火信号KL50为逻辑低电平、热起动信号WS为逻辑高电平或悬空时，起动机限流器52不工作，断路器51导通，实现供电和电池充电功能，此时断路器51的电流允许双向流动，即电流可以由断路器51的输出端KL30Z流向断路器51的输入端KL30，也可以由断路器51的输入端KL30流向断路器51的输出端KL30Z。
当点火信号KL50为逻辑高电平、热起动信号WS为逻辑高电平或悬空时，起动机限流器52工作，断路器51导通，此时实现冷起动功能。
当点火信号KL50为逻辑高电平、热起动信号WS为逻辑低电平时，起动机限流器52工作，断路器51断开，进入热起动状态。在此过程中，控制器53会实时地将采集到的外部电源连接端子的输入电压V_KL30与预设的电压阈值V1进行比较，如果V_KL30≥11V时，则起动机限流器52工作、断路器51断开的状态维持不变，即维持热起动状态，而一旦出现V_KL30小于11V的情况，则起动机限流器52停止工作，断路器51导通，进而实现热起动中断功能。热起动中断功能是在热起动时优先保证对车身负载的供电，并防止外部电源在热起动时压降过大，进而影响其向负载供电或造成电子控制单元复位，同时集成模块还会向电子控制单元输出热起动中断信号。上述的车身负载例如可以是车灯等。
起动机限流器52包括限流电阻Rv、限流支路开关Q1和非限流支路开关Q2。由限流电阻Rv和限流支路开关Q1组成的串联支路与非限流支路开关Q2并联连接。断路器51的输出端分别连接该串联支路的一端以及非限流支路开关Q2的一端，起动机连接端子5c分别连接该串联支路的另一端以及非限流支路开关Q2的另一端。起动机限流器52的工作原理是在起动机3起动时，限流支路开关Q1先导通，通过限流电阻Rv限制起动机冲击电流Is，在起动机正常运行后，再使非限流支路开关Q2导通旁路限流电阻Rv。
在本实施例中，控制器53控制起动机限流器52工作是指控制器53先控制起动机限流器的限流支路开关Q1导通，再判断从限流支路开关导通之时起所经过的延时时间Tsw是否满足tsw_min≤Tsw≤tsw_max，当Tsw满足tsw_min≤Tsw≤tsw_max时实时预估非限流支路开关导通时的起动机电流Is2和起动机阈值电流Is2_th, 并比较Is2与Is2_th的大小，在Is2≤Is2_th时控制非限流支路开关导通；如果在Tsw大于等于tsw_min且小于等于tsw_max的期间Is2均大于Is2_th，则控制器在Tsw ＞tsw_max时控制非限流支路开关导通； tsw_min为预先设定的延时时间下限值，tsw_max为预先设定的延时时间上限值，起动机阈值电流Is2_th为非限流支路开关Q2导通的情况下、起动机限流器的输入端电压V_KL30Z等于预先设定的最低电压V_KL30Z_min时所对应的起动机电流，V_KL30Z低于V_KL30Z_min时认为起动机不能正常起动运行。控制器53控制起动机限流器52不工作是指控制器控制限流支路开关Q1和非限流支路开关Q2都断开。图3示出了根据本发明一实施例的控制器控制起动机限流器工作的流程示意图。图1中所示的电平信号DRV_Q1、DRV_Q2和DRV_Q3为控制器53输出的分别控制限流支路开关Q1、非限流支路开关Q2和断路器51的开关Q3的信号，高电平工作，低电平不工作。
进一步地，控制器53的第四输入端与起动机限流器52的输入端连接，用于采集起动机限流器52的输入端电压V_KL30Z；控制器53的第五输入端与起动机限流器52的输出端连接，用于采集起动机限流器52的输出端电压V_ST；控制器53根据采集到的两组V_KL30Z、V_ST计算出起动机电流Is2，根据采集到的两组V_KL30Z、V_ST以及预先设定的V_KL30Z_min计算出起动机阈值电流Is2_th。
图2示出了起动机限流器的等效电路原理图。下文将结合图2详细说明控制器53根据V_KL30Z、V_ST计算起动机电流Is2以及起动机阈值电流Is2_th的原理。
图2中用两个虚线框分别示出了蓄电池B1和起动机3的模型框图。其中，Is为起动机电流。Rm为起动机绕组电阻，Lm为起动机绕组感量，Emf为起动机反电势；Ri为电池内阻，Vbat为电池电压。
Vbat=Ri*Is+V_KL30Z
V_KL30Z=Is*Rv+V_ST
根据以上两个方程，可以得到
Ri=(Vbat- V_KL30Z)*Rv/(V_KL30Z-V_ST)
在限流支路开关Q1导通时，假设短时间内电池电压Vbat不变，通过采样两组V_KL30Z和V_ST，可以得出Ri和Vbat的值。
V_ST=Emf+Rm*Is+Lm*dIs/dt
因为Lm*dIs/dt很小，计算时候忽略。因此，可以认为V_ST=Emf+Rm*Is。
设定Is1为非限流支路开关Q2闭合前的起动机电流，Is2为非限流支路开关Q2闭合后起动机的电流。
(Rm+Rv+Ri)*Is1=(Rm+Ri)*Is2
预先设定KL30Z允许跌落到的最低电压为V_KL30Z_min。则应当满足Vbat－Is2*Ri>V_KL30Z_min。从而可得到起动机阈值电流Is2_th为：
Is2_th=(Vbat-V_KL30Z_min)/Ri 。
在另一种实施方式中，控制器53控制起动机限流器52工作是指控制器53先控制起动机限流器52的限流支路开关Q1导通，在经过预定的固定延时时间t后再控制非限流支路开关Q2导通；控制器53控制起动机限流器52不工作是指控制器53控制限流支路开关Q1和非限流支路开关Q2都断开。与上述的实施例不同的是，在本实施方式中不考虑起动机电流的因素，从限流支路开关Q1导通之时起所经过的延时时间t是一个固定值。优选地，预定的延时时间t的取值范围为180ms-450ms。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，包括外部电源连接端子、电池连接端子、起动机连接端子、点火信号输入端子、热起动信号输入端子、热起动中断信号输出端子、通信端子、断路器、起动机限流器和控制器；
所述外部电源连接端子和所述电池连接端子分别用于连接外部电源的输出端和外部蓄电池的正极，所述起动机连接端子用于连接起动机的输入端，所述点火信号输入端子和所述热起动信号输入端子分别用于接收自外部输入的点火信号和热起动信号，所述热起动中断信号输出端子用于向外部输出热起动中断信号，所述通信端子用于实现所述集成模块与外部的通信；
所述断路器的输入端与所述外部电源连接端子连接，所述断路器的输出端分别与所述起动机限流器的输入端和所述电池连接端子连接；
所述起动机限流器的输出端与所述起动机连接端子连接；
所述控制器的第一输入端与所述点火信号输入端子连接，所述控制器的第二输入端与所述热起动信号输入端子连接；所述控制器的第三输入端与所述外部电源连接端子连接；所述控制器的第一输出端与所述起动机限流器的控制端连接，所述控制器的第二输出端与所述断路器的控制端连接，所述控制器的第三输出端与所述热起动中断信号输出端子连接，所述控制器的通信端与所述通信端子连接。
2.如权利要求1所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述控制器用于在未接收到点火信号和热起动信号时控制起动机限流器不工作并控制断路器导通，在接收到点火信号但未接收到热起动信号时控制起动机限流器工作并控制断路器导通，在接收到点火信号且接收到热起动信号时控制起动机限流器工作并控制断路器断开，并且实时地将采集到的外部电源连接端子的输入电压V_KL30与预设的电压阈值V1进行比较，如果V_KL30≥V1，则维持起动机限流器工作以及断路器断开的状态不变，如果出现V_KL30＜V1的情况，则控制起动机限流器不工作并控制断路器导通，并且向外输出热起动中断信号。
3.如权利要求1或2所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述起动机限流器包括限流电阻、限流支路开关和非限流支路开关；由限流电阻和限流支路开关组成的串联支路与所述非限流支路开关并联连接；所述断路器的输出端分别连接所述串联支路的一端以及所述非限流支路开关的一端，所述起动机连接端子分别连接所述串联支路的另一端以及所述非限流支路开关的另一端；
所述的控制器控制起动机限流器工作是指控制器先控制起动机限流器的限流支路开关导通，再判断从限流支路开关导通之时起所经过的延时时间Tsw是否满足tsw_min≤Tsw≤tsw_max，当Tsw满足tsw_min≤Tsw≤tsw_max时实时预估非限流支路开关导通时的起动机电流Is2和起动机阈值电流Is2_th, 并比较Is2与Is2_th的大小，在Is2≤Is2_th时控制非限流支路开关导通；如果在Tsw大于等于tsw_min且小于等于tsw_max的期间Is2均大于Is2_th，则控制器在Tsw ＞tsw_max时控制非限流支路开关导通；tsw_min为预先设定的延时时间下限值，tsw_max为预先设定的延时时间上限值，起动机阈值电流Is2_th为非限流支路开关导通的情况下、起动机限流器的输入端电压V_KL30Z等于预先设定的最低电压V_KL30Z_min时所对应的起动机电流；所述的控制器控制起动机限流器不工作是指控制器控制限流支路开关和非限流支路开关都断开。
4.如权利要求3所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述控制器的第四输入端与起动机限流器的输入端连接，用于采集所述起动机限流器的输入端电压V_KL30Z；所述控制器的第五输入端与起动机限流器的输出端连接，用于采集所述起动机限流器的输出端电压V_ST；
所述的控制器根据采集到的两组V_KL30Z、V_ST计算出起动机电流Is2，根据采集到的两组V_KL30Z、V_ST以及预先设定的V_KL30Z_min计算出起动机阈值电流Is2_th。
5.如权利要求1或2所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述起动机限流器包括限流电阻、限流支路开关和非限流支路开关；由限流电阻和限流支路开关组成的串联支路与所述非限流支路开关并联连接；所述断路器的输出端分别连接所述串联支路的一端以及所述非限流支路开关的一端，所述起动机连接端子分别连接所述串联支路的另一端以及所述非限流支路开关的另一端；
所述的控制器控制起动机限流器工作是指控制器先控制起动机限流器的限流支路开关导通，在经过预定的延时时间t后再控制非限流支路开关导通；所述的控制器控制起动机限流器不工作是指控制器控制限流支路开关和非限流支路开关都断开。
6.如权利要求5所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述预定的延时时间t的取值范围为180ms-450ms。
7.如权利要求1所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述的控制器为MCU。
8.如权利要求1所述的起动机限流器与断路器的集成模块，其特征在于，所述的通信端子为LIN通信端子。
9.一种汽车起动系统，其特征在于，包括外部电源、外部蓄电池、起动机、电子控制单元以及如权利要求1至8中任何一项所述的集成模块；
所述集成模块的外部电源连接端子和电池连接端子分别连接外部电源的输出端和外部蓄电池的正极，集成模块的起动机连接端子连接起动机的输入端，集成模块的点火信号输入端子、热起动信号输入端子、热起动中断信号输出端子和通信端子均与所述电子控制单元连接，用以接收自所述电子控制单元输入的点火信号和热起动信号，向所述电子控制单元输出热起动中断信号，并与所述电子控制单元实现通信。
10.如权利要求9所述的汽车起动系统，其特征在于，所述的外部电源为DC/DC变换器；所述的外部蓄电池为起动电池。
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