CN107112932A - 控制机动车辆的交流发电机的装置和对应的交流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制交流发电机的控制装置，其通过监测在交流发电机的激励电路中流通的激励电流(I_EXC)的强度而由交流发电机(11)产生的直流电压(B+A)控制到预定电压设定点(U₀)。根据本发明，装置包括电压控制回路(7)和温度控制回路(17)，该温度控制回路包括提供交流发电机的部件的当前温度(T)的温度传感器、提供当前温度(T)和最大允许温度(T_max)之间的温度误差(ε_T)的减法器(19)、和按照预定控制法则提供根据温度误差的最大允许激励百分比(r_max)的控制模块(20)。

Description

控制机动车辆的交流发电机的装置和对应的交流发电机

技术领域

本发明涉及用于控制机动车辆交流发电机的装置。本发明还涉及包括该控制装置的交流发电机。

背景技术

由于车载设备的消耗的增加，机动车辆的交流发电机或交流发电机-起动器现今必须提供的功率被增大，为了应付这一情况，倾向于使用大约为42V的额定车载网络电压以代替14V的额定车载网络电压，以便提供大约为4kW至10kW的功率水平。

此外，即使车载网络的额定电压保持为14V，在某些情况下，也可能期望通过增加在交流发电机的转子中流通的激励电流的强度来间歇性地增大交流发电机的输出性能。

为了这一目的，VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR公司在专利申请FR2802363中提出了基于车载网络通过增压斩波电路来过度激励转子。

控制回路使得可以将激励电流保持在需要交流发电机永久性地处于低于对于交流发电机及其部件而言的最大允许温度的温度的值。

提高标准交流发电机的输出性能的另一种方法是降低转子的激励绕组的阻抗，这具有对于车载网络的同一额定电压增大激励电流的效果。

这种方法在范围减小操作(已知术语为“小型化寸(downsizing)”)中是有利的，即，当希望在某一类的车辆中使用较低类别的车辆的设备(通过“提升”其特性)时。

然而，在以超速模式(其也称为术语“提升(boosting)”)运行的交流发电机的情况下，零部件制造商显然具有机器热平衡问题，其中，电流增大相应地增加损耗，例如焦耳损失和铁损。

发明内容

由此，本发明的目的在于解决上述热问题。

根据第一方面，本发明涉及一种用于控制机动车辆的交流发电机的控制装置，其控制在预定电压设定点下由该交流发电机产生的直流电压。

该直流电压通过控制在激励电路中循环的电流而被控制，该激励电路包括交流发电机的转子的激励绕组。

这一控制装置属于其自身已知的类型，其还将交流发电机的部件的至少一个当前温度维持在至少一个预定的最大允许温度以下。

根据本发明的用于控制机动车辆的交流发电机的控制装置包括控制回路，该控制回路包括：

-获取器件，用于获取所产生的直流电压和提供测得电压；

-第一减法器，用于从电压设定点减去该测得电压，产生电压误差；

-调节器件，用于调节该电压误差；

-饱和模块，其根据在输入处的电压误差在输出处提供激励百分比,该激励百分比限制至最大允许激励百分比；

-脉宽调制信号发生器，该脉宽调制信号具有等于激励百分比的占空比；

-半导体开关，其由脉冲宽度调制信号控制，其控制激励电流的强度。

根据本发明的控制装置还包括温度控制回路，该温度控制回路包括：

-至少一个温度传感器，其提供部件的至少一个当前温度；

-至少一个第二减法器，其从至少一个最大允许温度中减去该当前温度，产生至少一个温度误差；

-控制模块，其根据预定控制法则而根据该温度误差提供所述最大允许激励百分比。

在根据本发明的用于控制机动车辆交流发电机的控制装置的第一实施例中，当前温度是该交流发电机的外壳的当前外壳温度、或者是该交流发电机的后轴承(bearing)的当前轴承温度、或者是半导体开关的接合件的当前接合件温度，所述至少一个最大允许温度是预定的最大允许外壳温度、或预定的最大允许轴承温度、或预定的最大允许接合件温度，并且，温度传感器是外壳温度传感器、或轴承温度传感器、或接合件温度传感器。

在根据本发明的用于控制机动车辆交流发电机的控制装置的第二实施例中，温度控制回路包括：

-由该温度传感器的多个第一样品形成的传感器组；

-该第二减法器的多个第二样品，其通过分别从由该最大允许温度的多个第四样品形成的一组最大允许温度的元素减去由该传感器组提供的一组当前温度的元素，而产生由该温度误差的多个该第三样品形成的一组误差；

-用于从该组误差中确定最大误差的器件；

-选择器，其提供该最大误差至控制模块。

在根据本发明的用于控制机动车辆的交流发电机的控制装置中：

-传感器组包括选自以下元件的至少多个元件：交流发电机的定子的第一温度的第一传感器、交流发电机的外壳的第二温度的第二传感器、交流发电机的相电流的整流二极管的第三温度的第三传感器、转子的第四温度的第四传感器、半导体开关的接合件的第五温度的第五传感器；

-所述一组当前温度包括选自所述第一、第二、第三、第四和第五温度中的至少多个当前值；

-所述一组最大允许温度包括选自对应于第一、第二、第三、第四和第五温度的第一、第二、第三、第四和第五最大允许温度中的至少多个参考值。

在本发明的该第二实施例中，电压设定点是第五温度的函数。

在本发明的两个实施例中，用于调节电压误差的器件包括用于过滤和调整增益的器件。

电压控制回路和温度控制回路是数字的。

依然根据本发明，控制装置形成合并有所述半导体开关的单体组件。

根据另一方面，本发明还涉及包括如上所述的控制装置的机动车辆交流发电机。

对于本领域技术人员而言，这些少量的必要说明使得本发明相对于现有技术提供的优点将是显而易见的。

本发明的详细说明在下面结合附图的描述中给出。应当注意，这些附图仅用于说明说明书的文本，而绝不构成对本发明范围的限制。

附图说明

图1a和图1b分别显示根据现有技术中已知的具有非临界(non-critical)和临界(critical)热平衡的交流发电机的转速的输出和温度测量值；

图2是根据本发明的第一优选实施例的用于控制机动车辆的交流发电机的控制装置的原理框图；

图3a和图3b分别是表示定义允许激励百分比的控制法则的图形、以及表示从该控制法则派生的饱和方程的另一图形；。

图4a建立标准交流发电机(细线)和设置有根据本发明的控制装置的类似交流发电机(粗线)的流量和温度值之间的比较，并且图4b和图4c分别显示这两个交流发电机的最大允许激励百分比；

图5是根据本发明的第二优选实施例的用于控制机动车辆的交流发电机的控制装置的原理框图。

具体实施方式

图1a中的实线曲线1表示在最大环境温度(例如125℃)下并且在所施加的操作电压(例如13.5V)下，对于最大激励(已知为“全磁场(full field)”)，交流发电机的输出I根据其转速Ω的特性。

“铁”交流发电机温度T，即在外壳上的一点处，可随后在所谓的“稳态”点处针对转子的不同转速Ω而被检测；所得到的曲线同样在图1a中以虚线2示出。

具有良好的热平衡的交流发电机具有不超过最大允许“铁”温度阈值T_max的“铁”温度T。该热平衡则对于前述的操作条件是非临界的。

如图图1b的另一实线曲线3所示，在输出性能I增大的机器(“提升”的交流发电机)的情况下，例如通过减小转子的激励绕组的阻抗，这具有增大激励电流的效果，“铁”温度T在上述操作条件下在称为“温度临界”的速度范围ΔΩ上超过最大允许温度阈值T_max，其如另一虚线曲线4所示。

在这些条件中，因为各种损耗，用于冷却交流发电机的器件不能释放热量。

机器的热平衡则认为被中断。交流发电机在温度临界的速度范围ΔΩ中的过长时间的操作能够导致机器由于过高温度而被破坏。

根据本发明的用于控制交流发电机的控制装置5、6基本上关注“提升的”交流发电机的热稳定性的问题，其第一和第二优选实施例的过原理分别在图2和图5中给出。

为了解决交流发电机的热问题，本发明主题提出的方案是使用调节器(regulator)5、6，以便借助于放置在交流发电机的至少一些部件上(例如定子的铁、或在机器的后轴承上以测量二极管的温度的)的至少一个传感器控制交流发电机的至少一个当前温度T。

以已知的方式，该调节器5、6包括电压控制回路7、8，其使得可以控制车辆车载网络的直流电压B+A至电压设定点U₀，车辆车载网络通常包括电池9和各种设备10，车辆车载网络由交流发电机11供电。

传统地，该电压控制回路7、8包括：

-获取器件12，其用以获取提供测得电压U_b+的交流发电机11的正极端子上使用的直流电压B+A；

-第一减法器13，其从电压设定点U₀减去测得电压U_b+，产生电压误差ε_v；

-调节器件14，用以通过过滤和调整增益k而调节该电压误差ε_v；

-脉宽调制信号PMW发生器15，脉宽调制信号具有等于激励百分比的占空比r，该激励百分比依赖于电压误差ε_v，并且脉宽调制信号控制半导体开关16，该半导体开关控制激励强度I_EXC。

根据本发明，调节器5、6还包括温度控制回路17、18。

在第一优选实施例中，其原理图在图2中表示，该温度控制回路17包括温度传感器，该温度传感器提供交流发电机11的部件中的一个的当前温度T。

这可以是在调节器5以外的传感器，其放置在定子的铁上或放置在后轴承上，以便测量二极管的温度，或可替代地是在调节器5内的传感器，其测量半导体开关16的接合件温度。

从预定最大允许温度T_max减去当前温度T的第二减法器19产生温度误差ε_T，基于该温度误差ε_T，控制模块20提供最大允许激励百分比r_max至电压控制回路7，该最大允许激励百分比r_max使得可以将交流发电机11的当前温度T保持在预定最大允许温度T_max以下，同时确保电压的调节。

根据温度误差ε_T定义最大允许激励百分比的控制法则的示例在图3a中示出。

在该示例中，在线性区域A中，根据误差温度ε_T的最大允许激励百分比r_max的斜率大约为-5％/℃。

在线性区域A中，斜率可被调整以获得温度调节回路增益，该温度调节回路增益依据所期望的受限温度精度而是更高或更低的。

在控制法则的另一区域B1中，温度误差ε_T在-100℃至-20℃的范围内，交流发电机11在显著高于预定最大允许温度T_max的当前温度T下，激励被切断(最大允许激励百分比r_max为零)。

如果温度误差ε_T为正(控制法则的区域B2)，则当前温度T显著低于预定最大允许温度T_max，并且激励仅取决于电压控制回路7(最大允许激励百分比r_max为100％)。

由控制模块20提供的最大允许激励百分比r_max被应用至饱和模块21，该饱和模块21串联地插入电压控制回路7中，在用于调节电压误差ε_V的调节器件14和脉宽调制信号发生器15之间。

所得到的饱和函数在图3b中表示。取决于输入处的电压误差ε_V的输出处的激励百分比最大等于由控制模块20提供的最大允许激励百分比r_max。

图4a、4b和4c显示，相比于不具有根据本发明的控制装置5、具有在临界速度范围ΔΩ中的临界热平衡的标准交流发电机，用于设有根据本发明的控制装置5的交流发电机11的温度控制回路17的效果。

对于标准交流发电机，当激励持续为“全磁场”时(图4b)，当输出Is(细实线23)根据转速Ω增大时，如图4a清楚地所示，当前温度Ts(细虚线)超过250℃，并且在临界速度范围ΔΩ中达到255℃。

对于根据本发明的交流发电机11，当前温度T(粗虚线24)保持低于250℃。

由于温度控制，激励25在临界速度范围ΔΩ中不保持为“全磁场”，而是减小25％。根据本发明的交流发电机的输出I(粗实线26)小于标准发电机的输出Is，但将交流发电机11保持低于250℃使得可以保护其部件的完好性。

在第二优选实施例中，其远离图在图5中表示，温度控制回路18包括多个温度传感器，所述多个温度传感器提供交流发电机11的多个部件的多个当前温度：

-用于交流发电机11的定子的第一温度T_s的第一传感器；

-用于交流发电机11的外壳的第二温度T_Fe的第二传感器；

-用于交流发电机11的后轴承(即在该轴承上布置的用于相电流的整流二极管)的第三温度T_d的第三传感器；

-用于转子的第四温度T_r的第四传感器；

-用于半导体开关16的接合件27的第五温度的第五传感器。

分别通过第一、第二、第三、第四和第五减法器28、29、30、31、32从第一、第二、第三、第四和第五最大允许温度Th_s、Th_Fe、Th_d、Th_r,、Th_j减去这些第一、第二、第三、第四和第五温度T_s、T_Fe、T_d、T_r、T_j，从而形成由第一、第二、第三、第四和第五温度误差ε_s、_Fe、ε_d、ε_r、ε_j构成的一组误差。

用于从该组确定最大误差ε_max的确定器件33控制选择器34，选择权34将该最大误差ε_max提供给控制模块20，以便确定通过饱和模块21限制由电压控制回路8计算的激励百分比r的最大允许激励百分比r_max。

在本发明的该第二实施例中，可以通过半导体开关16的接合件的第五温度T_j控制的电压参考模块35通过将初始电压设定点降低至大约为-5mV/℃的比率而提供电压设定点U₀至电压控制回路8。

应当理解，本发明不仅限于上述优选实施例。

特别地，在上文列举的温度、斜率或比率的具体值仅作为示例给出。

同样的情况适用于交流发电机11的具体部件，、定子、外壳、转子或开关，其当前电流被测得。作为变型，这些部件可由交流发电机11的这样的其它部件代替，这些其它部件在预定温度阈值以下的保持将使得可以改善交流发电机11的可靠性。

因此相反地，本发明涵盖将保持在通过随附权利要求书限定的范围内的所有可行的实施变型。

Claims (10)

1.一种用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5、6)，所述控制装置(5、6)通过控制在包括所述交流发电机(11)的转子的激励绕组的激励电路中流通的激励电流(I_EXC)的强度来将由所述交流发电机(11)产生的直流电压(B+A)控制在预定电压设定点(U₀)，且所述控制装置(5、6)还将所述交流发电机(11)的部件的至少一个当前温度(T)维持在至少一个预定最大允许温度(T_max)以下，所述控制装置的特征在于，所述控制装置包括电压控制回路(7、8)，所述电压控制回路(7、8)包括：

用于获取所述直流电压(B+A)的获取器件(12)，其提供测得电压(U_b+)；

从所述电压设定点(U₀)减去所述测得电压(U_b+)的第一减法器(13)，其产生电压误差(ε_v)；

用于调节所述电压误差(ε_v)的调节器件(14)；

饱和模块(21)，其根据在输入处的所述电压误差(ε_v)而在输出处提供受限至最大允许激励百分比(r_max)的激励百分比(r)；

脉宽调制信号(PWM)发生器(15)，所述脉宽调制信号具有等于所述激励百分比(r)的占空比；

被所述脉宽调制信号(PWM)控制的半导体开关(16)，其控制所述强度(I_EXC)；

并且所述控制装置的特征在于，所述控制装置还包括温度控制回路(17、18)，所述温度控制回路包括：

至少一个温度传感器，其提供所述部件的所述至少一个当前温度(T)；

从所述至少一个最大允许温度(T_max)减去所述至少一个当前温度(T)的至少一个第二减法器(19)，其生成至少一个温度误差(ε_T)；

控制模块(20)，其根据预定控制法则提供根据所述至少一个温度误差(ε_T)的所述最大允许激励百分比(r_max)。

2.根据前述权利要求1所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5)，其特征在于，所述至少一个当前温度(T)是所述交流发电机(11)的外壳的当前外壳温度、或者是所述交流发电机(11)的后轴承的当前轴承温度、或者是所述半导体开关(16)的接合件(27)的当前接合件温度，所述至少一个最大允许温度(T_max)是预定最大允许外壳温度、或是预定最大允许轴承温度、或是预定最大允许接合件温度，所述至少一个温度传感器是外壳温度传感器、或轴承温度传感器、或接合件温度传感器。

3.根据前述权利要求1所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(6)，其特征在于，所述温度控制回路(18)包括：

由所述至少一个温度传感器的多个第一样品形成的传感器组；

所述至少一个第二减法器(19)的多个第二样品(28,29,30,31,32)，其通过将由所述传感器组提供的一组当前温度(T_s、T_Fe、T_d、T_r、T_j)的元素与通过由所述至少一个最大允许温度(T_max)的多个第四样品形成的一组最大允许温度(Th_s、Th_Fe、Th_d、Th_r、Th_j)的元素分别进行比较而产生由所述至少一个温度误差(ε_T)的多个第三样品形成的一组误差(ε_s、ε_Fe、ε_d、ε_r、ε_j)；

用于从所述一组误差(ε_s、ε_Fe、ε_d、ε_r、ε_j)确定最大误差(ε_max)的确定器件(33)；

选择器(34)，其提供所述最大误差(ε_max)至所述控制模块(20)。

4.根据前述权利要求3所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(6)，其特征在于：

所述传感器组包括选自以下元件的至少多个元件：用于所述交流发电机(11)的定子的第一温度(T_s)的第一传感器、用于所述交流发电机(11)的外壳的第二温度(T_Fe)的第二传感器、用于所述交流发电机(11)的相电流的整流二极管的第三温度(T_d)的第三传感器、用于所述转子的第四温度(T_r)的第四传感器、用于所述半导体开关(16)的接合件(27)的第五温度((T_j)的第五传感器；

所述一组当前温度包括选自所述第一、第二、第三、第四和第五温度(T_s、T_Fe、T_d、T_r、T_j)的至少多个当前值；

所述一组最大允许温度包括选自对应于所述第一、第二、第三、第四和第五温度(T_s、T_Fe、T_d、T_r、T_j)的第一、第二、第三、第四和第五最大允许温度(Th_s、Th_Fe、Th_d、Th_r、Th_j)的至少多个参考值。

5.根据前述权利要求4所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(6)，其特征在于，所述电压设定点(U₀)取决于所述第五温度(T_j)。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5、6)，其特征在于，用于调节所述电压误差(ε_v)的所述调节器件(14)包括用于过滤和调整增益(k)的器件。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5、6)，其特征在于，所述电压控制回路(7、8)和所述温度控制回路(17、18)是数字的。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5、6)，其特征在于，其形成并有所述半导体开关(16)的单体组件。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的用于控制机动车辆交流发电机(11)的控制装置(5、6)，其特征在于，所述预定控制法则在-20℃和0℃之间具有大约为-5％/℃的斜率。

10.一种机动车辆交流发电机(11)，包括根据前述权利要求1至9中任一项所述的控制装置(5、6)。