CN109072855B - 用于交流发电机-启动器和机动车辆启动器之间的协作启动的控制系统 - Google Patents

用于交流发电机-启动器和机动车辆启动器之间的协作启动的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明主要涉及一种用于机动车辆的控制系统(10)，该控制系统被设计为控制设置有小齿轮的启动器(11)，该小齿轮能够与热力发动机(12)的环形齿轮啮合，以确保所述热力发动机(12)的驱动，以及耦合到所述热力发动机(12)的交流发电机‑启动器(13)，其特征在于，所述控制系统(10)被构造为，在所述热力发动机(12)的启动阶段期间，控制所述启动器(11)和所述交流发电机‑启动器(13)，使得所述启动器(11)和所述交流发电机‑启动器(13)同时将扭矩传递到所述热力发动机(12)。

Description

用于交流发电机-启动器和机动车辆启动器之间的协作启动 的控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于交流发电机-启动器和机动车辆的启动器之间的协作启动的控制系统。本发明对柴油类型的热力发动机具有特别有利的但非排他性的应用，但也可以与汽油热力发动机一起使用。
背景技术
以已知的方式，交流发电机启动器包括旋转电机，该旋转电机可以可逆地工作，首先作为交流发电机功能中的发电机，其次作为电动机，特别是为了启动机动车辆的热力发动机。交流发电机-启动器构造为确保发动机的热启动。
为了保证热力发动机的初始冷启动操作，车辆还具有机载启动器。该启动器设置有起动装置，该起动装置可通过小齿轮将旋转能量传递到热力发动机的曲轴，该小齿轮与热力发动机的启动器环形齿轮啮合。
图1示出了在启动操作期间，基于热力发动机的速度、启动器的速度以及启动器中的电流随时间的发展，其分别针对具有用于冷启动的最佳尺寸的启动器(参见发动机转速的曲线C1，启动器电枢转速的C2，及启动器中的电流的C3)，以及针对具有用于热启动的最佳尺寸的启动器(参见发动机转速的相应曲线C4，启动器电枢速度的C5及启动器中的电流的C6)。在附图中，速度已经以曲轴的速度的比例增加，使得电枢的实际速度相对于曲线图上表示的速度偏移。实际上，由于小齿轮和环形齿轮之间的齿数差异，因此近似10的比率存在于曲轴的速度和小齿轮的驱动轴的速度之间，以及由于外摆线减速器，因此通常5的比率存在于起动装置轴和启动器的电枢之间，即，50的比率存在于启动器的电枢和曲轴之间。
可以看出，当热力发动机的环形齿轮的旋转速度超过增加到曲轴的速度的启动器的电枢的速度时，自由轮长时间分离，结果是从启动器到热力发动机的动力传递的水平相对较低。因此，对于设计用于冷启动操作的启动器，该压缩水平大约为T/4，对于设计用于热力发动机的热启动操作的启动器，该压缩水平大约为T/2，其中T是基于时间的速度信号的周期。
此外，应该注意的是，对于在寒冷条件下操作的启动器，启动器的最大功率被保留，因此它不能用于最小化在炎热条件下重新启动期间的响应时间。
发明内容
本发明的目的是改善热力发动机的启动性能，同时可以减小相关的启动器和交流发电机-启动器的尺寸。
为此目的，本发明提出了一种用于机动车辆的控制系统，该控制系统被设计成控制设置有小齿轮的启动器，该小齿轮能够与热力发动机的环形齿轮啮合以确保所述热力发动机的驱动，以及连接到所述热力发动机的交流发电机-启动器，其特征在于，所述控制系统被构造为，在所述热力发动机的启动阶段期间，控制所述启动器和所述交流发电机-启动器，使得所述启动器和所述交流发电机-启动器将扭矩同时向所述热力发动机传递，并且根据在从从动小齿轮状态变为驱动小齿轮状态的小齿轮状态变化期间触发的驱动小齿轮控制定律控制交流发电机-启动器，并且根据在从驱动小齿轮状态到从动小齿轮状态的小齿轮状态变化期间触发的从动小齿轮控制定律来控制交流发电机-启动器，并且驱动小齿轮控制定律与从动小齿轮控制定律是不同的。
由于交流发电机-启动器的贡献，本发明因此可以减小启动器的尺寸和功率，但也可以减小交流发电机-启动器的尺寸和功率，其所需的性能水平低于单独启动热力发动机的交流发电机-启动器的性能水平。尽管这些尺寸的减小是可能的，但是本发明允许更快地达到热力发动机的自主速度。
驱动小齿轮控制定律在下文中称为第三控制定律，并且从动小齿轮控制定律在下文中称为从动控制定律。
根据一个实施例，驱动小齿轮控制定律被构造为以便减小热力发动机的曲轴的减速度，同时提供比启动器小至少两倍的扭矩，并且从动小齿轮控制定律被构造为增加在气体膨胀阶段期间的速度，以便缩短其周期。
“为了减小热力发动机的曲轴的减速度”意味着与仅向启动器提供功率的情况相比。
由于从电池向交流发电机提供电流的事实，控制交流发电机的功率的事实使得可以避免给启动器提供更少的电流。实际上，从提供给启动器的电流中减去提供给交流发电机的电流。
根据一个实施例，所述控制系统被构造为在所述热力发动机的冷启动期间控制所述启动器和所述交流发电机-启动器。
根据一个实施例，所述控制系统被构造为在所述热力发动机的热启动期间控制所述启动器和所述交流发电机-启动器。
根据一个实施例，所述启动器被构造为以开环进行控制，并且所述交流发电机-启动器被构造为以闭环进行控制。
根据一个实施例，交流发电机-启动器根据脉冲形式的控制定律来控制，并且每个脉冲的幅度比启动器的扭矩小3至5倍。在从从动小齿轮状态变为驱动小齿轮状态的启动器的小齿轮状态改变期间触发该定律。
根据一个实施例，在所述启动阶段期间由所述交流发电机-启动器产生的扭矩取决于所述热力发动机的惯性扭矩。
根据一个实施例，在第一阶段期间，所述控制系统被构造为根据第一控制定律控制所述交流发电机-启动器，所述第一控制定律也称为初始控制定律。
根据一个实施例，第一阶段对应于四缸发动机的曲轴90°旋转范围，或对应于三缸发动机的曲轴120°旋转范围。
根据一个实施例，在所述启动器的自由轮的解耦的阶段期间，所述控制系统被构造为根据第二控制定律控制所述交流发电机-启动器。
根据一个实施例，在所述热力发动机的减速阶段以及在所述启动器的自由轮的解耦阶段期间切断所述交流发电机-启动器的控制。
根据一个实施例，在所述启动器的自由轮的耦合阶段期间，所述控制信号被构造为根据第三控制定律控制所述交流发电机-启动器。
根据一个实施例，由所述交流发电机-启动器产生的所述扭矩等于k.Jmth.d2θmth/dt2，其中Jmth表示所述热力发动机的惯性，θmth对应于曲轴角度，t对应于时间，并且k的值根据所述热力发动机的操作阶段而变化。
根据一个实施例，根据第一和第二控制定律，k是1。这使得可以从启动器的角度实际上取消热力发动机的贯性矩。因此，这以低能量成本便于由启动器执行的工作。另外，它通过增加曲轴速度的增加来减少热力发动机的膨胀阶段的持续时间。
根据一个实施例，根据第三控制定律，k是-2。这使得可以在自由轮的耦合阶段期间减小曲轴的速度的降低，使得耦合阶段的持续时间减少。
本发明还涉及一种用于启动热力发动机的组件，包括启动器、交流发电机-启动器和如前所述的控制系统。
根据一个实施例，为了启动柴油类型的在2和2.2L之间并且具有四个气缸的热力发动机，所述组件包括功率在1.4kW和1.8kW之间的启动器，以及具有功率在2至2.5千瓦的交流发电机-启动器。在现有技术中，确保启动这种类型的发动机的启动器需要1.8和2kW之间的更大功率。
附图说明
通过阅读以下描述并检查伴随它的附图，将更好地理解本发明。这些图纯粹是为了说明而提供的，并不以任何方式限制本发明。
图1，已经描述的，示出了在热力发动机的启动操作期间，启动器的电流的时间发展曲线，以及热力发动机和启动器的速度的曲线，其分别针对具有用于冷却启动的最佳尺寸的启动器，以及针对具有用于热力发动机的热启动的最佳尺寸的启动器；
图2是根据本发明的控制系统的示意图，使得可以控制交流发电机-启动器和机动车辆的启动器之间的协作启动；
图3示出了在热力发动机的启动操作期间，热力发动机和启动器的速度、曲轴角度的时间发展曲线，以及热力发动机的惯性扭矩的曲线，基于此开发了交流发电机-启动器的扭矩控制；
图4示出了热力发动机和启动器的速度的时间发展曲线，其示出了在实施本发明时启动期间效率的提高。
具体实施方式
图2示意性地示出了控制系统10，该控制系统被设计成控制设置有小齿轮的启动器11的电流，该小齿轮可以与热力发动机12的环形齿轮啮合以驱动它，以及耦合到热力发动机的交流发电机-启动器13。为此目的，交流发电机-启动器13设置有属于运动传递装置的滑轮，在交流发电机-启动器13和热力发动机12之间具有带。交流发电机-启动器13包括可以可逆地工作的旋转电机，首先作为发电机，其次作为电动机，特别是为了在热力发动机12启动时驱动热力发动机。
在该情况下，与电池14相关的控制系统10被构造为特别地根据检测到的自由轮的耦合和解耦的操作阶段来控制交流发电机-启动器13的电流。启动器11和交流发电机-启动器13可以在启动阶段期间至少暂时地将扭矩C传递到热力发动机12。启动器11以开环控制，而交流发电机-启动器13以闭环控制。控制交流发电机-启动器13，例如在启动阶段期间产生一扭矩，该扭矩取决于热力发动机12的惯性扭矩，热力发动机12的惯性扭矩本身由Jmth.d2θmth/dt2的乘积组成。
更具体地，控制系统10控制交流发电机-启动器13，例如以产生由启动器11感知的热力发动机12的惯性矩的虚拟调制效果。贯性矩的调制被称为“虚拟的“因为它不是通过使质量朝向或远离旋转轴而物理地进行，而是通过使得与d2θmth/dt2成比例的项(term)介入的特定命令进行。
在此情况下，由交流发电机-启动器13产生的扭矩等于k.Jmth.d2θmth/dt2，其中Jmth表示热力发动机的惯性，θmth对应于曲轴角，t对应于时间，k的值根据热力发动机12的操作阶段而变化。
图3示出了在热力发动机12启动期间，热力发动机12的速度(曲线Ωmth)、曲轴角度(曲线θmth)和启动器11的电枢速度(曲线Ωdem)的发展。在自由轮的耦合阶段Pacc期间，即，当启动器11的小齿轮旋转热力发动机12的驱动启动器环时，增加到曲轴的曲线Ωdem与曲线Ωmth一致，并且在自由轮的解耦阶段Pdec期间，即当热力发动机12的启动器环比启动器11的电枢旋转得更快时，曲线Ωdem与曲线Ωmth不同，在倍减比率内。阶段Comp和Exp分别对应于热力发动机12的压缩和膨胀阶段。
热力发动机12的惯性矩Mmth在耦合阶段Pacc期间以实线表示，并且在去耦阶段Pdec期间以不连续线表示。启动器Cdem的扭矩是热力发动机12的负载扭矩、启动器11的电机的惯性扭矩和热力发动机12的惯性扭矩的合矢量(resultant)。
根据本发明，在对应于用于四缸发动机的曲轴90°旋转范围或用于三缸发动机的120°的启动的初始阶段Pinit期间，控制系统10根据第一控制定律控制交流发电机-启动器13。根据该第一控制定律，k为1，即由交流发电机-启动器13提供的扭矩为Jmth.d2θmth/dt2。因此，实际上降低了热力发动机的惯性Jmth，以便最小化启动器11的扭矩需求。
然后，在启动器11的自由轮的Pdec的解耦阶段期间，热力发动机由先前在气缸中压缩的气体的膨胀驱动，从气缸的初始速度开始。在该解耦阶段Pdec期间，控制系统10根据第二控制定律控制交流发电机-启动器13。第二控制定律与第一控制定律相同，以便实际上减小热力发动机的惯性Jmth，即k也是1。作为变型，第二控制定律可以与第一控制定律不同。在所有情况下，第二控制定律必须降低热力发动机的惯性Jmth。
更具体地，根据第二控制定律的交流发电机-启动器13的控制是在从初始时段Pinit的结束到热力发动机12的第一速度峰值的时段P'上执行的。然后，在对应于热力发动机12的减速阶段的该阶段P“期间，系统10暂时切断交流发电机-启动器13的控制。在此情况下，交流发电机-启动器13的控制切断的阶段P”在热力发动机的第一速度峰值的瞬间开始，并且在耦合阶段Pacc的开始处结束。
在启动器11的自由轮的耦合阶段Pacc期间，控制系统10被构造为根据第三控制定律控制交流发电机-启动器13。根据该第三控制定律，k为-2，即由交流发电机-启动器提供的扭矩为-2.Jmth.d2θmth/dt2。因此，这实际上使热力发动机12的惯性增加三倍，以便最小化曲轴速度的降低。
因此，可以在热力发动机12的冷启动或热启动期间控制启动器11和交流发电机-启动器13。
根据另一个实施例，该系统可以包括其他控制定律，根据该定律，k可以大于1或小于-2。这使得可以缩短发动机启动的持续时间，但是具有增加能量消耗和磨损启动器构的缺点。
或者，根据脉冲形式的控制定律控制交流发电机-启动器13。每个脉冲的幅度比启动器11的扭矩小3到5倍。所述定律在小齿轮从从动小齿轮状态变为驱动小齿轮状态的状态变化期间被触发。这种状态变化在理论上通过曲轴的角加速度的不连续性转换。
由于交流发电机-启动器13的扭矩贡献，可以减小启动器11的尺寸，但也可以减小交流发电机-启动器13的尺寸，所需的性能水平低于单独启动热力发动机12的交流发电机-启动器13的性能水平。
根据一个实施例，为了启动具有四个气缸的柴油类型在2L和2.2L之间的热力发动机12，使用功率在1.4kW和1.8kW之间的启动器11，以及具有在2到2.5千瓦之间的功率的交流发电机-启动器13。在现有技术中，确保启动这种类型的发动机的启动器需要1.8至2kW的更大功率。
尽管驱动元件11和13的尺寸减小，但本发明使得可以更快地达到热力发动机12的自主速度，其特征在于以足够的发动机速度到达第三上止点(PMH#3)(超过200rpm)。因此，图4示出，对于由根据本发明的策略控制的交流发电机-启动器13辅助的2.2kW的绕线启动器11，热力发动机的自主速度可以在t1＝225ms达到，而对于具有相同功率单独操作的绕线启动器11，它是在t2＝333ms达到。在图4中，曲线Idem表示通过启动器11的电流。
应当认识到，前面的描述纯粹是作为示例提供的，并不限制本发明的领域，与其的背离不会通过任何其他等同物替换不同的元件来构成。

Claims (16)

1.一种用于机动车辆的控制系统(10)，该控制系统被设计为控制设置有小齿轮的启动器(11)，该小齿轮能够与热力发动机(12)的环形齿轮啮合，以确保所述热力发动机(12)的驱动，以及耦合到所述热力发动机(12)的交流发电机-启动器(13)，其特征在于，所述控制系统(10)被构造为，在所述热力发动机(12)的启动阶段期间，控制所述启动器(11)和所述交流发电机-启动器(13)，使得所述启动器(11)和所述交流发电机-启动器(13)同时将扭矩传递到所述热力发动机(12)，并且根据在从从动小齿轮状态变为驱动小齿轮状态的小齿轮的状态变化期间触发的驱动小齿轮控制定律来控制所述交流发电机-启动器，并且根据在从驱动小齿轮状态变为从动小齿轮状态的小齿轮的状态变化期间触发的从动小齿轮控制定律来控制所述交流发电机-启动器，以及所述驱动小齿轮控制定律与所述从动小齿轮控制定律是不同的。
2.根据权利要求1所述的控制系统(10)，其中，所述驱动小齿轮控制定律被构造为以便减小所述热力发动机的曲轴的减速度，同时提供比所述启动器小至少两倍的扭矩，并且所述从动小齿轮控制定律被构造为在气体膨胀阶段期间增加速度以缩短其周期。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统(10)，其特征在于，所述控制系统被构造成在所述热力发动机(12)的热启动和/或冷启动期间控制所述启动器(11)和所述交流发电机-启动器(13)。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统(10)，其特征在于，所述启动器(11)被构造为以开环进行控制，并且所述交流发电机-启动器(13)被构造为以闭环进行控制。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述驱动小齿轮控制定律是脉冲形式的，并且每个脉冲具有参数化的振幅，使得所述交流发电机-启动器具有比启动器(11)的扭矩小3和5倍之间的扭矩，所述定律在从从动小齿轮状态变为驱动小齿轮状态的小齿轮的状态变化期间被触发。
6.根据权利要求1或2所述的控制系统(10)，其特征在于，在所述启动阶段期间由所述交流发电机-启动器(13)产生的扭矩取决于所述热力发动机(12)的惯性扭矩(Mmth)。
7.根据权利要求6所述的控制系统(10)，其特征在于，在第一阶段(Pinit)期间，所述控制系统(10)被构造为根据第一初始控制定律来控制所述交流发电机-启动器(13)，以及当曲轴具有零转速时，初始阶段开始。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一阶段对应于四缸发动机的曲轴90°旋转范围，或对应于三缸发动机的曲轴120°旋转范围。
9.根据权利要求7所述的控制系统(10)，其特征在于，在所述启动器(11)的自由轮的解耦阶段(Pdec)期间，所述控制系统(10)被构造为根据所述从动小齿轮控制定律来操作所述交流发电机-启动器(13)。
10.根据权利要求9所述的控制系统(10)，其特征在于，在所述启动器(11)的自由轮的解耦阶段(Pdec)期间，且在所述热力发动机(12)的减速阶段，切断所述交流发电机-启动器(13)的控制。
11.根据权利要求9所述的控制系统(10)，其特征在于，在所述启动器(11)的自由轮的耦合阶段(Pacc)期间，所述控制信号(10)被构造为根据所述驱动小齿轮控制定律来控制所述交流发电机-启动器(13)。
12.根据权利要求6所述的控制系统(10)，其特征在于，由所述交流发电机-启动器(13)产生的所述扭矩等于k.Jmth.d2θmth/dt2，其中Jmth表示所述热力发动机(12)的惯性，θmth对应于曲轴角度，t对应于时间，并且k的值根据所述热力发动机(12)的操作阶段而变化。
13.根据权利要求9所述的控制系统(10)，其特征在于，由所述交流发电机-启动器(13)产生的所述扭矩等于k.Jmth.d2θmth/dt2，其中Jmth表示所述热力发动机(12)的惯性，θmth对应于曲轴角度，t对应于时间，并且k的值根据所述热力发动机(12)的操作阶段而变化，且其中，根据第一和第二控制定律，k为1。
14.根据权利要求11所述的控制系统(10)，其特征在于，由所述交流发电机-启动器(13)产生的所述扭矩等于k.Jmth.d2θmth/dt2，其中Jmth表示所述热力发动机(12)的惯性，θmth对应于曲轴角度，t对应于时间，并且k的值根据所述热力发动机(12)的操作阶段而变化，且其中，根据第三控制定律，k为-2。
15.一种用于启动热力发动机(12)的组件，包括如前述权利要求中任一项所述的启动器(11)，交流发电机-启动器(13)和控制系统(10)。
16.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，为了启动柴油类型的在2到2.2L之间并且具有四个气缸的热力发动机(12)，所述组件包括功率在1.4kW和1.8kW之间的启动器(11)，以及功率在2到2.5kW之间的交流发电机-启动器(13)。
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