CN107208596A - 经由高性能电池为机动车辆的电气装备供电的系统、对应的电流限制装置以及与其安装的起动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种经由高性能电池(2)为电气装备供应电力(10)的系统，高性能电池(2)包括用于限制高性能电池的电流的至少一个装置(LPF)。高性能电池具有第一标称电压，第一标称电压高于用于为所述装备供电而初始提供的标准电池的电压，所述装备包括经由限制装置连接到高性能电池的内燃机起动器(8)。根据本发明，限制装置(LPF)为具有次级绕组电路(R、W2)的变压器，所述次级绕组电路由短路的次级绕组(W2)形成。根据另一特征，所述变压器的耦合系数和次级绕组电路的次级电阻取决于所述装备的具体特性。

Description

经由高性能电池为机动车辆的电气装备供电的系统、对应的 电流限制装置以及与其安装的起动器
技术领域
总体上，本发明涉及一种用于通过高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统，以及对应的电流限制装置。
更特别地，本发明涉及一种标准起动器以及限制装置的组合，标准起动器设计为与铅酸型的标准电池一起使用，并且限制装置允许通过锂-离子型的电池将电力供应到该标准起动器。
背景技术
当将电力供应到起动器以确保车辆的热机启动时，产生大量的电流需求，其接近于起动器的短路电流，即，大约1000A的电流。然后当将电源提供到起动器时的此电流需求在强度上随着起动器的电枢(对应于机器的转子)的速度提高而降低。
此初始电流尖峰对应于电池的端子处的电压的对应的下降。此外，在启动阶段期间发生较少量的电压降，并且对应于穿过连续的热机上死点的通路。
所谓的“加强的”起动器的发展，其为热机的自动化停止/重启的系统(所谓的停止/启动或停-起系统)而设计，现对机动车辆零件制造商产生新的要求，涉及当电力供应到起动器时在电流需求期间与电池的最低电压阈值的符合度。从而，在它们的规格中，机动车辆制造商限定了第一电压阈值，其惯常地在7至9V之间，电池电压必须不下降到之下。对于之后的电压降，对应于热机的上死点，电池电压必须保持高于第二电压阈值，其惯常地在8至9V之间。从而在热机的启动期间，车辆的车载网络电压保持在足以保证车辆的装备的所需功能的值。
加强的起动器通常具有高于常规起动器的功率，以便获得快速启动来提升用户的舒适性。这导致当打开电源时对电流的较高需求，并且因此导致超出惯常值且与高需求相关的第一电池电压降。这对于制造商造成切实的困难，因为，为了具有较高的电池电压，对于起动器将必要具有如此大的内部电压降，使得其将不再具有在低温下以足够的速度驱动热机的必要功率。
在现有技术中，已经提出了上述问题的解决方案。创造性主体的已知解决方案基于采用提高电压的电子转换器，以避免车载网络上的过低的电压电平。这些转换器的缺点包括它们带来的大量成本。
已知解决方案涉及实质上基于12V铅酸型的标准电池对机动车辆的装备供电的系统。
然而，这些标准电池时日无多，因为，尽管它们仍受益于从限制铅使用的欧洲规定被豁免，毫无疑问，它们在车辆中将最终被禁止。
因此，机动车辆零件制造商预期无铅高性能电池的使用的普遍化，尤其是锂-离子型，以取代常规电池。
接近于标准12V电池的标称电压的锂-离子型电池，包括六个接线元件，每个提供2.25V的容量，必须包括四个串联的单元，每个充电的单元具有3.6V的电压。
从而，锂-离子电池的标称操作电压为13.4V，而标准电池的则为12.8V。
在采用为12V电压设计的装备与锂-离子型电池的情况下，发现要解决的技术问题不再是前述的电压降，而是当将电力供应到起动器的时刻的电流需求，施加的较高电压和锂-离子型电池的较低内部阻抗使得电流需求更大。
此问题已经由标致雪铁龙(PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES)公司清楚地指出，其在国际专利申请WO2013/121133中提出了用于机动车辆的锂-离子电池的电流的限制的系统。
所提出的解决方案包括采用与起动器串联的低值电阻器，以及交流发电机(alternator)。根据装备的这些项目的操作模式，通过开关使这些电阻器工作。
此解决方案具有的主要缺点是，降低供电系统的电性能，因为大量强度通过阻抗式元件：为将电压降低1V而通过1000A的1mΩ的电阻器耗散1kW的功率！
此解决方案还具有其他缺点，即：
-由开关、继电器或电力半导体构成的有源部件以及它们的控制装置的附加成本，其在高度竞争的机动车辆产业中极为重要；
-由半导体部件的使用和机电继电器的使用导致的可靠性的相对缺失，移动的零件和弹簧导致碰撞；
-车载网络上的电应激事件(电磁场)，在机械开关期间典型地为几kV；以及
-启动热机时间上的延迟。
发明内容
从而，本发明的目标是消除前面描述的现有技术中的已知解决方案的缺点，以在不降低性能的情况下，且在有限的附加成本的情况下，允许在机动车辆中将铅酸型电池替换为锂-离子型电池。
讨论中的用于通过高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统的类型包括此高性能电池的至少一个电流限制装置，高性能电池具有第一标称电压，装备的具体特性设计为连接到标准电池，且具有低于第一标称电压的第二标称电压。
在本发明的应用领域中，此装备包括车辆热机的至少一个起动器，通过电源电路连接到高性能电池，电源电路包括与起动器串联的此类型的限制装置。
根据本发明，限制装置尤其为变压器，变压器包括由短路的次级绕组形成的次级绕组电路。
此变压器具有取决于装备的具体特性的耦合系数和次级绕组电路的次级电阻。
根据本发明，变压器的初级绕组插设在电磁接触器的电力触点与起动器的电动机之间。
在根据本发明的用于通过高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统中，装备包括多个电动机，各自由接触器连接，以及对车载网络的限制装置的示例，车载网络由高性能电池供电。
根据本发明，此装备附加地包括至少一个组的元件，包括至少一个电动风挡擦拭器、至少一个电动窗、至少一个电动风挡清洗器、至少一个电动风扇、至少一个电动压缩机以及至少一个电动锁。
在根据本发明的用于通过高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统中，高性能电池为锂-离子型，具有约13.4V的第一标称电压，并且标准电池为铅酸型，具有约12.8V的第二标称电压。
本发明还涉及一种用于高性能电池的电流的限制的装置，该高性能电池可以用于前面描述的用于通过高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统中。
根据本发明，其包括由壳体形成的磁路，壳体由磁性材料制成，磁性材料包括圆柱头、两个闭合部分以及轴芯，初级绕组和短路的次级绕组布置在轴芯周围。
还根据本发明，次级绕组由围绕初级绕组的导电管形成，并且具有根据装备的项目中的一个的具体特性预定的长度对半径的比例，限制装置为该装备设计。
本发明还涉及一种机动车辆中的起动器、高性能锂-离子型电池以及用于前面描述的此高性能电池的电流的限制的装置的组合，起动器包括电动机和电磁接触器。
在此组合中，根据本发明，限制装置固定在起动器的外壳上，并且电动机为标准电动机，其设计为通过铅酸型标准电池供电。
本发明的这些若干必要说明将使得对于本领域技术人员显而易见，消除了迄今已知的仅有解决方案的缺点，其使得可以在机动车辆中将铅酸型电池用高性能电池替换，尤其是锂-离子型。
在下面与附图相关联的说明书中，给出了本发明的详细说明。应注意到，这些仅为图示说明书的文字的目的，而不以任何方式构成本发明的限制。
附图说明
图1为现有技术中已知的用于通过锂-离子型电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统工艺图；
图2为根据本发明的用于通过锂-离子型电池对机动车辆的电气装备(尤其是起动器)供应电力的系统的工艺图；
图3为根据本发明的用于通过锂-离子型电池对机动车辆的电气装备(尤其是起动器)以及装备的若干其他项目(包括电动机)供应电力的系统的工艺图；
图4以轴向截面示出了高性能电池的电流限制装置的实施例，该装置可以用于通过根据图2和3中所示的工艺图的高性能电池对机动车辆的电气装备供应电力的系统中；
图5为示出了根据本发明的锂-离子型电池、标准起动器以及高性能电池的电流限制装置的组合的示意图。
具体实施方式
在图1中所示的现有技术中已知的用于对机动车辆的电气装备供应电力的系统1中，具有磷酸铁锂(LiFePO4)技术的电池2包括引接到接地4的负端子3以及连接到车辆的车载网络6的正端子5。
此电池2的正端子5还由电路7连接到车辆的热机的起动器8的电动机DCM，且连接到由此热机驱动的交流发电机9。
在电池2的正端子5与起动器8之间，电路7包括第一连接和第二连接，第一连接包括具有约1mΩ的低值的第一电阻器R1，布置为与第一开关K1串联，并且第二连接包括约6mΩ的第二电阻器R2，布置为与第二开关K2串联。
在电池2的正端子5与交流发电机9之间，电路7包括第三连接和第四连接，第三连接仅包括第三开关K3，并且第四连接包括另一电阻器R2’，也约为6mΩ，布置为与另一开关K2’串联。
开关K1、K2、K3、K2’由控制和命令电子器件控制，控制和命令电子器件接收车辆的行进和驱动器的动作的各种信息。
对于采用起动器8的热机的启动，闭合第二开关K2，其使得可以将由电池2提供的约13.4V的第一标称电压降低到第二标称电压12.8V，第二标称电压与设计为连接到铅酸型的标准电池的起动器的电动机8的特性兼容。
例外地，在困难启动条件下，闭合第一开关K1，以给起动器供给更高的电压。
相似地，根据电池2的充电状态控制第三和第四开关K2’、K3。
如前文中已经指出的，现有技术中已知的用于对机动车辆的电气装备供应电力的此系统1不令人满意，因为有价值的电力无效益地在电路7中通过焦耳效应耗散。
如果供电系统1用于自动化停止/重启系统中，这甚至更令人不满意，其中在城市交通中重启操作非常频繁。
在如图2所示的根据本发明的用于对机动车辆的电气装备供应电力的系统10中，起动器的电动机DCM消耗的瞬时功率受装置LPF限制，装置LPF用于由锂铁电池2供应的电流的限制，但因为此装置LPF的电感性质，至少部分地挽回该电能。
限制装置LPF插设在起动器EC、DCM的电源电路中，串联在电动机DCM与电磁接触器EC的电源接触CP之间。
在此情况下，接触器EC为具有简单电力触点CP的常规起动器接触器，并且包括由吸引线圈和保持线圈形成的螺线管。
根据本领域技术人员熟知的顺序，车辆的起动器触点CS的闭合命令吸引和保持线圈的激励，和起动器DCM、EC的激活，在本文将不再详细描述。
当用全功率供给电动机DCM时，前面提到的强初始电流尖峰在电力触点CP的闭合处干扰。
电力触点CP的闭合还引起限制装置LPF中对电动机DCM供应电源的电力电流的循环。
如图2中的其接线图所示，限制装置LPF为铠装型变压器，变压器具有磁耦合的绕组W1、W2，以及由次级绕组W2形成的次级绕组电路W2、R，其端部直接彼此连接，即，短路。
此变压器LPF的各种实施例使得可以具有若干参数，以根据起动器的电动机DCM的具体特性，调整限制装置LPF的脉冲响应。从而，可以通过调节初级和次级绕组W1、W2的电感，通过由这些电路之间的耦合引入的互感，以及通过图2中由等效电阻R示出的次级绕组电路R、W2的次级电阻来最优化此响应。
然而，变压器LPF继续是高质量的变压器，即，其选择为具有接近于单元的耦合系数。
应记住的是，变压器的耦合系数由比例k＝M/(L1.L2)1/2限定，其中M为互感，L1为初级电感，并且L2为次级电感。
初级绕组电路W1是插设在起动器的电源电路中的一个。
典型地，对于具有数量级为300至1000A的电力电流，限制装置LPF的等效电感约为在0.1至10mH的范围内。
瞬时功率的限制的效果由以下事实衍生：当通过锂-离子电池2将电力供应到电动机DCM时，由于短路的次级电路W2中的强感应电流(与使其产生的磁通量的突然变化相反)的产生，在高于由标准铅电池供给的供给电压的情况下，初始电流尖峰还是衰减约一半。
当电力供给到电动机DCM的时刻的电力电流的缓慢进展限制了对电动机DCM的集电刷触点的电损害的风险，并且初始电流尖峰的衰减限制了由相关的过高水平的扭矩造成的机械损害的风险。
在图3中所示的根据本发明对机动车辆的电气装备供应电力的系统11中，通过将电动机M1、M2、M3连接到锂-离子电池2，由开关S1、S2、S3使设计为用标准12V电池工作的装备12的电动机M1、M2、M3进入运行。
与前述相同类型的根据本发明的由具有短路的次级的变压器形成的电流限制器LPF1、LPF2、LPF3插设为与这些电动机M1、M2、M3串联。
这些变压器适配于装备的特性，其可以为电动风挡擦拭器、电动窗、电动风挡清洗器、电动风扇、电动压缩机或电动锁。
电流限制装置LPF、LPF1、LPF2、LPF3的具体实施例的示例如图4所示。
在图4中的示例中，变压器LPF实质上包括由诸如钢的磁性材料制成的壳体C、YO、CM、CM’，以及初级绕组W1和次级绕组W2。
壳体包括圆柱头YO、两个闭合部分CM、CM’以及轴芯C，初级和次级绕组W1、W2布置在轴芯C周围。
初级绕组W1设计为插设为在电源电路DCM、EC中串联，并且次级绕组W2为短路的。
围绕初级绕组W1的此次级绕组W2包括多匝，或可替代地其制造为导电管的形式。
在管形式的实施例中，后者具有根据所述装备的具体特性预定的长度对半径的比例，限制装置LPF为该具体特性设计。
图5示意性示出了根据本发明的限制装置LPF在机动车辆中的具体应用。
所示应用涉及一种以下项的组合13：
-12V 50Ah型锂-离子电池2；
-起动器DCM、EC，包括直流电动机DCM和设计为与标准12V铅酸电池使用的电磁接触器EC；
-如前所述的电流限制装置LPF。
在此应用中，电流限制装置LPF机械固定在起动器的电动机DCM的外壳14上，在接触器EC附近。
EC附近。
电流限制装置LPF、接触器EC与电动机DCM之间的电连接对应于图2中所示的工艺图。
根据本发明的电流限制装置LPF为完全无源的装置，其不需要任何必然产生大量附加成本的复杂控制逻辑，与如图1所示的现有技术中已知的由可开关电阻器R1、R2、R2’形成的电路7不同。
由于电流限制不是基于电阻器R1、R2、R2’的插设，也不存在由焦耳效应的相关联损耗，并且保持了供给系统10、11的电性能。
应当认识到，本发明不简单地限于上面所描述的优选实施例。此外，所提出的装备仅由非限制性示例构成：车辆的构成可能造成当对其供给电力时对电流的高需求的电感或电容负载的任意装备可以由根据本发明的电流限制装置LPF保护
所提出的高性能电池2为具有铁磷技术的锂-离子型电池。在较低负温度下(低至-35℃)运行的具有掺杂有钇的铁磷技术(LiFeYPO4)的电池2可以同样良好地在根据本发明的供电系统10、11中实现，以及具有其他技术的电池，比如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2)、锂镍锰铝氧化物(LiNiMnAlO2)、锂钛(Li4Ti5O12，具有串联的五个元件)。
对于机动车辆应用，还可以设想锂聚合物(Li-Po)型高性能电池。每个元件的电压为3.7V，它们与每个元件电压为3.6V的磷酸铁电池相差很小。凭借本发明，在对装备没有损害的情况下，在车辆中也可以由具有四个元件的Li-Po电池2取代标准12V铅电池。
本发明从而整合了全部可能的变体实施例，其在下面的权利要求的主体的限制内。

Claims (10)

1.一种用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(1、10、11)，该类型的高性能电池(2)包括至少一个限制装置(7、LPF)，以便限制所述高性能电池(2)的电流，具有第一标称电压，以便满足初始地设计为连接到所谓的标准电池的所述装备(6、8、9、12)的特性，具有低于所述第一标称电压的第二标称电压，所述装备(6、8、9、12)包括所述车辆的热机的至少一个起动器(8)，所述至少一个起动器(8)通过电源电路连接到所述高性能电池(2)，所述电源电路包括与所述起动器(8)串联装配的所述至少一个限制装置(7、LPF)，其特征在于，所述至少一个限制装置(LPF)为变压器，该变压器包括由短路的次级绕组(W2)形成的次级绕组电路(R、W2)。
2.根据前述权利要求1所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)，其特征在于，所述变压器(LPF)具有取决于所述特性的所述次级绕组电路(R、W2)的耦合系数和次级电阻(R)。
3.根据前述权利要求1或2所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)，其特征在于，所述变压器(LPF)的初级绕组(W1)插设在电磁接触器(EC)的电力触点(CP)与所述起动器(EC、DCM)的电动机(DCM)之间。
4.根据前述权利要求1或2所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)，其特征在于，所述装备(6、8、9、12)包括多个电动机(M1、M2、M3)，所述多个电动机(M1、M2、M3)每个都由接触器(S1、S2、S3)和由所谓的限制装置(LPF)连接到由所述高性能电池(2)供电的车载网络。
5.根据前述权利要求4所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)，其特征在于，所述装备(6、8、9、12)附加地包括至少一个组的元件，所述至少一个组的元件包括至少一个电动风挡擦拭器、至少一个电动窗、至少一个电动风挡清洗器、至少一个电动风扇，至少一个电动压缩机以及至少一个电动锁。
6.根据前述权利要求1-5中任一项所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)，其特征在于，所述高性能电池(2)为具有约13.4V的第一标称电压的锂-离子型的，并且所述标准电池为具有约12.8V的第二标称电压的铅酸型的。
7.一种用于高性能电池(2)的电流的限制的装置(LPF)，该装置能够用于根据前述权利要求1-6中任一项所述的用于通过所谓的高性能电池(2)为机动车辆的电气装备(6、8、9、12)供应电力的系统(10、11)中，其特征在于，它包括由壳体(YO、C)形成的磁路(YO、C、CM、CM’)，所述壳体(YO、C)由磁性材料制成，所述壳体包括圆柱头(YO)、两个闭合部分(CM、CM’)以及轴芯(C)，初级绕组(W1)和短路的次级绕组(W2)布置在所述轴芯(C)周围。
8.根据前述权利要求7所述的用于高性能电池(2)的电流的限制的装置(LPF)，其特征在于，所述次级绕组(W2)由围绕所述初级绕组(W1)的导电管形成，以及具有长度对半径的比例，所述长度对半径的比例是根据电气装备(6、8、9、12)的项目中的一个的具体特性预定的，所述限制装置为该电气装备(6、8、9、12)设计。
9.一种机动车辆中的起动器(DCM、EC)、锂-离子型的高性能电池(2)以及根据前述权利要求7-9中任一项所述的用于高性能电池(2)的电流的限制的装置(LPF)的组合件(13)，所述起动器(DCM、EC)包括电动机(DCM)和电磁接触器(EC)，。
10.根据前述权利要求9所述的组合件(13)，其特征在于，所述限制装置(LPF)固定在所述起动器(DCM、EC)的外壳(14)上，以及在于所述电动机(DCM)是设计为通过铅酸型的标准电池供电的标准电动机。
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