CN111656672A - 低损耗分流调节器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于车辆的直流(DC)发电系统、一种提升分流调节器以及一种利用该提升分流调节器来调节AC发电机的输出的方法。该提升分流调节器包括电耦合在AC发电机触点与输出触点之间的门控功率开关。分流将以选定的占空比操作这些功率开关，以提升该AC发电机输出的AC电压。

Description

低损耗分流调节器
相关申请的交叉引用
本申请涉及2018年1月10日提交的ETS申请号15/867,492，该申请的全部披露内容通过引用明确地并入。
技术领域
本披露内容涉及车辆的发电系统，并且更具体地涉及AC电压的分流调节器(shuntregulator)。
背景技术
一般地，车辆包括包含推进系统和乘客空间的任何装置。车辆的示例包括摩托车、汽车、休闲车辆、非道路车辆、全地形车辆(ATV)、雪地车等。由于增加的电负载，包括非道路车辆、ATV、雪地车等的休闲车辆中的电功率需求持续上升。增长的电功率需求驱动了对增大从作为车辆电气系统的核心的磁电机或交流发电机充电系统输出的功率的需要。传统上，已经对磁电机的大小进行缩放来满足不断提高的电功率要求，这导致了成本的增加。
许多车辆的发电系统在固定的负载电压下工作。选择好负载电压后，在全部RPM范围内，充电系统均在该电压下工作。这样的系统导致在较低和较高的发动机转速下的功率降低，并且使充电系统在较高发动机转速下所需的功率与发动机启动/怠速所需的功率之间折衷。另外，当磁电机产生大电流以在固定的负载电压下提供所需的车辆功率时，一些发动机(例如，雪地车的风冷式发动机)容易过热。
一些车辆可以包括用于启动车辆发动机的手动启动系统，比如手拉反冲启动系统或脚踏启动系统。手动启动系统可能会生成较低的发动机转速，该发动机转速不足以产生用于激励发动机控制单元的足够的功率，从而需要进行多次手动启动尝试。此外，一些车辆可以包括由从发电系统汲取功率的绞车或其他电机器所驱动的犁或其他作业工具。当电机器在犁操作期间汲取功率时，发动机转速可能不足以对其他负载的维持适当的功率水平。例如，在犁地期间，由于由犁汲取的电流，可能无法充分地维持电池的充电水平。
因此，需要改进的发电系统，该改进的发电系统在变化的飞轮转速下生成足够的功率。
发明内容
本披露内容提供了一种分流调节器，与常规的调节器相比，该分流调节器可操作以从交流(AC)发电机收获更大量的功率。在一些实施例中，AC发电机具有比常规的发电机更少的绕组，并且从而产生更低的电压输出，该AC发电机与该新型分流调节器结合，使得发电系统能够在发动机每分钟的低转数和高转数下生成更大的功率。在一个示例中，AC发电机的标称整流电压比车辆的直流(DC)总线电压小约50％。相应地，分流调节器对该低压进行提升以生成DC总线电压。
在一些实施例中，分流调节器利用低损耗场效应晶体管(FET)来比常规的调节器更高效地实施开关变换，从而允许构造不灌封功率开关的调节器。
在一些实施例中，分流调节器包括具有两个护罩的外壳，在每个护罩内有三个触点，这些触点之一提供双模式局部互连网络(LIN)通信或其他单线串行通信方法。因此，调节器可以通过同时地且方便地连接AC发电机的触点、输出触点和LIN触点来连接至车辆的发动机。当然，新型外壳的用途不限于与本文描述的分流调节器的实施例一起使用，而是还可以与任何调节器一起使用。类似地，双模式LIN触点和操作模式的用途可适用于任何外壳或调节器，并且不限于与本文描述的分流调节器的实施例一起使用。
在一些实施例中，提供了一种在具有内燃机的车辆中发电的方法，该方法包括：由包括分流控制器的分流调节器从机械地联接至该内燃机的AC发电机接收AC功率，其中，该AC发电机在峰值功率点操作时可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压；以及由该分流控制器以选定的占空比操作这些功率开关，以将该标称AC电压提升至DC总线电压，并且在第一操作模式下响应于该负载的变化而将这些AC电压提升至该DC总线电压。
在一些实施例中，提供了一种用于车辆的分流调节器，该分流调节器包括：第一输出触点和第二输出触点，该第一输出触点和该第二输出触点适于将负载电连接至该分流调节器，其中，DC总线电压可用于该第一输出触点与该第二输出触点之间的该负载；AC发电机触点，这些交流发电机触点适于将AC电压发生器电连接至该分流调节器，其中，该AC发电机在峰值功率点操作时，可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压；多个门控功率开关，这些门控功率开关电耦合在这些AC发电机触点与该第一输出触点之间以及在这些AC发电机触点与该第二输出触点之间，这些门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应的门控功率开关的电流的门；以及分流控制器，该分流控制器通信地耦合至这些门控功率开关的门，该分流控制器被配置为以选定的占空比操作这些功率开关，以提升包括该标称AC电压的这些AC电压来生成该DC总线电压。
在一些实施例中，提供了一种用于车辆的DC发电系统，该系统包括：包括绕组的AC发电机，该交流发电机当在峰值功率点操作时，可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压；分流调节器，该分流调节器可操作以提升这些AC电压来生成DC总线电压，其中，该标称AC电压在未被提升的情况下不足以生成该DC总线电压，该分流调节器包括：第一输出触点和第二输出触点，该第一输出触点和该第二输出触点适于将负载电连接至该分流调节器，其中，该DC总线电压可用于该第一输出触点与该第二输出触点之间的该负载；多个门控功率开关，这些门控功率开关电耦合在该AC发电机的绕组与该第一输出触点之间，这些门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应的门控功率开关的电流的门；以及分流控制器，该分流控制器通信地耦合至这些门控功率开关的门，该分流控制器被配置为以选定的占空比操作这些功率开关，以提升这些AC电压来生成该DC总线电压。
附图说明
图1是根据本披露内容的实施例的全地形车辆的左前透视图；
图2是包括分流调节器的车辆控制系统的框图；
图3和图4是包括无源设备和门控功率设备的整流电路的实施例的电气图；
图5是低损耗分流调节器的实施例的电气图；
图6是调节器壳体的透视图；
图7是调节器壳体的截面视图；
图8是图5的低损耗分流控制器的框图；以及
图9是将包括图5的系统在内的两种DC发电系统在各种飞轮转速下的功率输出进行比较的曲线图。
具体实施方式
为了促进对本披露内容的原理的理解的目的，现在将参考附图中展示的实施例，这些实施例将在以下进行描述。贯穿这几个视图，相应的附图标记指示相应的部分。
本披露内容提供了一种分流调节器，与常规的调节器相比，该分流调节器可操作以从AC发电机获得更大量的功率。在一些实施例中，AC发电机(其可以被称为低压AC发电机)具有比常规的发电机更少的绕组，并且从而产生更低的电压输出，该AC发电机与该新型分流调节器结合，使得发电系统能够在发动机每分钟的低转数和高转数下生成更大的功率。有利的是，与其未被提升的整流DC电压满足怠速时的DC总线电压需求的AC发电机相比，低压AC发电机将调节扩展到更高的RPM范围，从而撷取额外的功率。在一个示例中，低压AC发电机的标称整流(未被提升)电压比车辆的DC总线电压小约50％。相应地，分流调节器对该低压进行提升以生成DC总线电压。低压AC发电机包括产生在未被提升的情况下进行整流时小于DC总线电压的电压的发电机。在一个示例中，未被提升的整流电压不超过DC总线电压的80％。在另一示例中，未被提升的整流电压不超过DC总线电压的60％。
在一些实施例中，分流调节器利用低损耗场效应晶体管(FET)来比常规的调节器更高效地实施开关变换，从而允许构造不灌封功率开关的调节器。灌封会增加重量，需要时间进行固化，并且阻碍对电路进行返工。因此，用空气代替灌封会显著减轻重量并节省成本。
将低损耗FET与低压AC发电机结合使用具有许多益处。通过使用低损耗器件而实现的热量减少减小了热应力，并且从而提高了可靠性。热量减少还使得能够将分流调节器放置在可能放置发动机控制模块或车辆控制模块的任何位置。在热量未减少的情况下，必须将调节器放置在足以冷却该调节器的气流的路径中，通常放置在散热器的前方。这种放置需要使用较长的线束，而这可以通过使用本文提供的新型分流调节器来规避。
提升怠速时的AC电压可以使得能够使用较小的AC发电机飞轮，并且从而降低成本。本文提供的新型分流调节器可能能够增大怠速时的功率，从而允许车辆在无电池的情况下进行操作。此外，基于占空比控制的电压控制可以减小负载切换时(比如散热器风扇启动或停止时)的转矩变化从而改善怠速稳定性，可以减小电压纹波并提供更快的负载变化响应，并且减小负载突降(负载移除)浪涌电压。
图1是车辆20(说明性地是ATV)的透视图，该车辆包括在车辆的前端的发动机22和后端的储物架24。多个车轮26支撑车辆的框架。车辆20还包括由框架支撑的座椅组件28和转向组件30。参考图2，车辆20进一步包括控制系统50，该控制系统包括电子控制器52，用于控制燃料喷射器60和节气门62。电子控制器52可以从电池58以及从所耦合的DC发电系统70接收DC功率，以向电负载80供电。电负载80可以包括例如电池58、用于激励发动机22的燃料喷射器60和火花塞(未示出)的电路、电子控制器52以及其他车辆部件和配件。电子控制器52可以是包括处理器54和存储器56的常规的发动机控制器。存储器56包括软件和/或固件，该软件和/或固件包括可由处理器54执行以控制车辆20的处理指令。更一般地，电子控制器52包括用于执行控制功能的控制逻辑。本文使用的术语“逻辑”或“控制逻辑”可以包括在以下各项上执行的软件和/或固件：一个或多个可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、硬连线逻辑或其组合。因此，根据实施例，可以以任何适当的方式来实施各种逻辑，并且将根据本文所披露的实施例对这些逻辑保持。控制逻辑可以是分布式的，并且可以包括彼此通信的一个或多个物理控制模块。存储器56包括可由控制器52的(多个)处理器54访问的任何合适的计算机可读介质。存储器56可以是单个存储设备或多个存储设备，可以位于控制器52的内部或外部，并且可以包括易失性介质和非易失性介质。示例性存储器56包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储装置、磁存储设备、或被配置为存储数据并且可由控制器52访问的任何其他合适的介质。
低压AC发电机72机械地联接至发动机22。发动机22的旋转使AC发电机72旋转并生成旋转的磁场，该旋转的磁场在AC发电机72的绕组上感应出AC功率。该AC功率被供应到分流调节器74。AC发电机72的示例包括磁电机或交流发电机。AC发电机72可以包括多个相。虽然图3至图5中示出了三相发电机，但是AC发电机72还可以包括更多或更少的相。更多的相会增加复杂性，但也可以使得能够减小DC电压纹波。对AC发电机的选择可以基于车辆的需求，比如，成本、控制系统的改进、是否存在平滑电容器或电池以及其他因素。分流调节器74可操作以基于由发电机72提供的AC功率来控制DC功率的生成和输送。通信线75使得能够在控制器52与分流调节器74之间进行通信。用于数据传输的通信协议可以是串行通信协议。在一种变体中，串行通信包括LIN网络(以下定义的)。经由LIN网络控制器75可以使分流调节器74相对于DC总线电压增大或减小输出电压，例如通过在寒冷状况下将输出电压增大10％、或基于电池或温度状况将输出电压减小10％。
在仅包括无源功率部件(比如，二极管)的典型整流电路中，整流电路的输出与AC发电机的输出成正比。随着发动机转速的增大，AC发电机的电压和频率、以及因此整流电路的DC电压输出也增大。然而，功率输出随负载而变化。在开路电压下，因为没有电流流动，所以功率输出为零，并且在短路电压下，该功率输出基本上等于零，这使绕组输出的电压崩溃。在开路电压与短路电压之间的大约一半处，功率输出达到其峰值，这被称为峰值功率点电压。在操作中，在特定发动机转速下，功率输出从零开始随电压增大(该电压增大响应于负载的变化而引起)而增大，最大达到峰值功率点电压，并且然后随电压继续增大而减小。在峰值功率点下操作会产生最高的发电量。当然，在峰值功率点处产生的功率的量随发动机转速而增加。
在本发明的实施例中，有源开关部件用于对AC发电机的绕组进行分流，以提升其电压输出。图3是包括AC发电机71的DC发电系统70的实施例的示意图，该AC发电机具有以三角(delta)构型连接的三个绕组73。这些绕组耦合至串联调节器90，该串联调节器包括三个无源部件92(说明性地为二极管)和三个门控功率开关94(说明性地为可控硅整流器(SCR))。门控功率开关可以被称为有源功率开关，以反映其功能是可控的。在串联调节器中，SCR被门控成使得绕组开路，从而防止过度充电。
图4呈现了包括低压AC发电机72和分流调节器96的DC发电系统70的另一实施例，该分流调节器包括三个无源部件92(说明性地为二极管)和三个门控功率开关98(说明性地为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。门控功率开关还可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。MOSFET比二极管或SCR更高效。在分流调节器中，MOSFET被门控成使得绕组短路，从而防止过度充电。时序使得AC电压不会被提升，而仅被分流。如以下所描述的，分流调节器96可以包括分流控制器120，该分流控制器以选定的占空比来控制MOSFET，以提升AC电压。
图5是用于车辆的DC发电系统的另一实施例的示意图。由数字100表示的系统包括低压AC发电机72，该低压AC发电机包括绕组L1、L2、L3，这些绕组当在峰值功率点操作时，可操作以在车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压。系统100进一步包括低损耗分流调节器102，该低损耗分流调节器可操作以将AC电压提升至DC总线电压，其中，标称AC电压在未被提升的情况下不足以在被整流时生成DC总线电压，因此被称为“低压”。在一个示例中，DC总线电压为约14伏，并且未被提升的标称整流电压为7伏。因此，可将提升用于低压AC发电机，以将平均DC输出电压从7伏升高到14伏。与图4的仅在功率电路的低侧上使用MOSFET的调节器相比，低损耗分流调节器102在功率电路的低侧和高侧两者上仅包括低损耗门控功率开关，例如，MOSFET。更一般地，低损耗FET的功率损耗小于功率输出的10％，并且优选地小于功率输出的7％。在怠速时，包括MOSFET的低损耗分流整流器产生462瓦的功率输出可能具有2.2瓦的损耗。相比之下，包括二极管的调节器(例如，调节器90、92)产生相同的功率输出可能具有66.0瓦的损耗。损耗等同于热量，因此效率较低的电路会生成更多的热量。如以下进一步讨论的，使用MOSFET(或具有低功率损耗的任何其他晶体管电路)使得分流调节器的构造能够发生有益的变化，比如，消除灌封和相关问题。
分流调节器102具有触点142、144、146，这些触点被设置为电耦合AC发电机72的绕组L1、L2、L3。分流调节器102包括功率电路104和控制电路110，该控制电路包括关断电路112、保护电路114、电压感测电路116、电压极性电路118、分流控制器120、温度传感器124、LIN收发器122、第一输出触点130、第二输出触点132和LIN触点134。
功率电路104包括门控功率开关Q1至Q6，这些门控功率开关电耦合在AC发电机的绕组与第一输出触点和第二输出触点之间。分流控制器120控制门控功率开关Q1至Q6，以在第一输出触点与第二输出触点之间生成期望的(例如DC总线)电压。门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应门控功率开关的电流的门。门控功率开关的示例包括SCR、MOSFET和IGBT。分流控制器120通信地耦合至门控功率开关的门。分流控制器被配置为在第一操作模式下以选定的占空比操作功率开关，以提升AC电压来生成DC总线电压。在一些变体中，占空比被选择成响应于负载的变化，从而维持DC总线电压。
在本实施例的变体中，分流控制器进一步被配置为在第二操作模式下将占空比限制为与AC发电机的转速相对应的最小占空比。第二操作模式在第一操作模式将应用小于该最小占空比的占空比时起效。此时，针对特定转速的最小占空比替代所确定的占空比而被施加。
关断电路112包括耦合至第一输出触点的二极管D1和耦合至分流控制器120的晶体管。二极管D3连接至绕组和晶体管的栅极，并且其电压被电容器C1和电阻器R4下拉。当C1的电压足够低时，晶体管输出向分流控制器120指示一关断信号，并且分流控制器120关断。可替代地，来自关断电路112的输出信号对分流控制器120供电，并且C1的低压使得到分流控制器120的功率被中断。
保护电路114包括电阻器R7和R8、二极管D5和D6、以及晶体管Q9。电阻器R7和R8形成分压器电路，该分压器电路耦合至晶体管Q9的栅极。当输出电压过高时，晶体管Q9将电流传导至二极管D7至D9，这进而导通门控功率开关，从而保护了分流调节器和所连接的负载。
电压感测电路116包括电阻器R5和R6，这些电阻器形成向分流控制器120提供经缩放的电压的分压器电路。如下所述，分流控制器120利用经缩放的电压来调节分流调节器的输出电压。
电压极性电路118包括电阻器R2和R3、二极管D2和D4、以及开关Q7。二极管D2是齐纳二极管。如果连接至分流调节器的负载是电池，并且电池连接不正确(极性颠倒)，则开关Q7断开门控功率开关与第二触点之间的电路，从而保护电池和调节器。
如上所述，分流调节器102可以包括具有各种有利特性的壳体。图6是分流调节器102的壳体(由数字140表示)的实施例的透视图。壳体140包括多个散热片148、第一护罩150和第二护罩152。图7是未示出散热片的壳体的一部分的截面视图。第一护罩150包围触点130至132，并且护罩152包围触点142至146。壳体140与车辆的发动机的耦合使得同时将分流调节器100连接至AC发电机72、发动机的DC总线和发动机的LIN。散热片148耗散由门控功率开关生成的热量。壳体140内部是电路板160，该电路板支撑分流调节器100的电气部件。仅示出了几个部件。壳体内的空间(由数字162表示)没有灌封材料。因此，空气围绕部件的表面。
在各个实施例中，分流调节器102包括被构造成用于实施调节器的功能的各种逻辑。参考图8，在一个实施例中，分流控制器120包括转速检测逻辑150、分流逻辑152、反馈逻辑154和通信逻辑156。转速检测逻辑150被构造成用于确定由AC发电机生成的AC电压的过零点，并基于在过零点之间经过的时间来确定AC发电机的转速中的每一个。转速检测逻辑可以包括任何已知的过零点检测器。在一个示例中，转速检测逻辑150包括输入引脚和算法，该算法用于周期性地感测输入引脚处的电压并确定电压何时从逻辑高转变到逻辑低(反之亦然)，这指示出过零点。该算法然后测量连续的过零点之间的时间。该时间乘以二表示AC电压的AC频率的周期，并且对应于发动机的转速。发动机的转速与AC发电机的飞轮相关，例如通过皮带和皮带轮或传动系。可以使用多于一个引脚来检测AC发电机的每个绕组(例如定子绕组)和电压的过零点。可以使用任何已知的电路来使定子电压适用于分流调节器120的输入引脚，该电路包括被布置成例如通过借助于电容器整合电压来箝位电压峰值或稳定定子电压的齐纳二极管、电容器和电阻器。还可以使用光电耦合器来提供电隔离。
反馈逻辑152被构造成用于确定输出触点处的实际DC输出电压，并且可选地，控制门控功率开关的占空比以将实际DC电压维持在DC总线电压附近。电压反馈电路(说明性地为电压感测电路116)感测实际的DC输出电压。反馈逻辑154将实际DC输出电压与DC总线电压进行比较，以确定指示它们之间的差的误差值。如本文所使用的，DC总线电压是可与实际DC输出电压区分开的期望或目标DC输出电压，该实际DC输出电压可以被称为DC输出电压，展现出开关系统固有的纹波或变化。在一种变体中，反馈逻辑152将误差值提供给分流逻辑154。在另一变体中，反馈逻辑152基于该误差确定占空比。如果实际DC输出电压小于DC总线电压，则较大的误差会导致较大的占空比或者导致占空比增大，从而增大电压，反之亦然。可以使用占空比对误差的线性函数(直线形或弓形)来确定如何主动地补偿误差。弓形函数将比线性函数更主动地进行补偿。反馈逻辑152可以包括表示占空比对误差函数的查找表、映射或数学模型。也可以使用PID控制器来根据误差信号生成占空比信号。
分流逻辑154生成用于门控功率开关的门信号，这些门信号由分流控制器120输出到门、或者到生成相应信号的PWM控制器。PWM控制器在本领域中是众所周知的。可以以高于AC电压频率的频率来对门进行切换。在一个示例中，切换频率在5kHz到10kHz之间。分流逻辑154可以包括用于确定占空比的查找表、映射或数学模型。在一个变体中，在第一操作模式下，分流逻辑电路154从反馈逻辑电路152接收误差信号，并使用表示占空比对误差的线性函数的查找表、映射或数学模型，基于误差来确定占空比。在另一变体中，在第二操作模式(如上所述)下，分流逻辑154使用表示转速对最小占空比的函数的查找表、映射或数学模型，以确保在每个转速下占空比都不小于最小占空比。表的示例如下所示，即，表1。在一个示例中，分流逻辑154选择具有高于所确定的转速的最低每分钟转数(RPM)的表值，并读取相应的允许最小占空比或等效的最大提升百分比。提升百分比＝1-占空比。表1的值被计算为最大提升＝100*(1-(V峰值_功率/DC总线电压))，夹在2％与98％之间。最大提升在V峰值_功率与DC输出电压之比＝1时(例如，当DC输出电压等于峰值功率电压时)实现。通过限制提升量，电压不会增加至超过峰值功率点电压。峰值功率可以利用以下方法来确定：使用二极管电桥来测量在每个RPM下的电流和电压，将电流与电压相乘以获得功率，以及反复改变负载以找到最大功率点。如下所指示的，提升在低速时比在高速时大得多。
表1：
RPM 最大提升 最小占空比
200 86 14
250 83 17
300 81 19
350 75 25
425 69 31
500 64 36
600 56 44
725 52 48
875 36 64
1050 24 76
1250 8 92
1500 2 98
1800 2 98
2150 2 98
通信逻辑156可以结合温度传感器124、LIN收发器122和LIN触点134发挥作用，在第一操作模式下，通过改变LIN触点的逻辑状态来发信号通知过热状况，并且经由LIN触点来接收转变命令，并响应于转变命令而转变到第二操作模式，其中，在第二操作模式下，LIN收发器可操作以通过LIN触点发送和接收数据。在第一操作模式下，通信逻辑156经由温度传感器124监测功率电路104的温度，并将该温度与高温度阈值进行比较。如果该温度超过高温度阈值(温度过高状况)，则通信逻辑156指示LIN收发器122反转LIN触点134的输出，使得监测输出的过程将识别到LIN触点134的反转或新状态，并且例如经由仪表板灯向车辆用户指示故障。例如，LIN触点134可以被下拉至低逻辑状态以发信号通知过热状况。LIN触点134可以被下拉，直到过热状况消除。同时，LIN收发器122监测LIN触点134，以等待来自LIN主设备的转变命令。LIN协议在本领域中是已知的，并且因此在此将不再额外地详细描述。在接收到转变命令之后，LIN收发器122将该命令传送到通信逻辑156，并且通信逻辑156转变到第二操作模式，并开始向LIN主设备传送用于传输的数据，或者经由LIN收发器122从LIN主设备接收数据。通信逻辑156保持在第二操作模式，直到分流调节器断电为止。该数据可以包括校准数据，例如目标DC总线电压和包括期望占空比对误差值或最小占空比值的电压提升表。该数据还可以包括实时电压控制命令。例如，LIN主设备可以命令要求增大的目标DC电压来加速电池充电，或者命令要求较低的目标DC电压来降低功耗。LIN主设备还可以基于电池温度来命令要求目标DC电压，以延长电池寿命。该数据还可以包括状态信息，例如温度状态和故障状态。故障状态可以包括温度过高故障或定子故障，该定子故障通过将绕组电压相互比较或将绕组电压与预期值比较而检测得到。
图9是将图3的DC发电系统的功率输出与图5的DC发电系统的功率输出进行比较的曲线图。如所示，在800飞轮RPM下，系统100比系统90多生成30％的功率，并且生成较少的热量。
本文描述的本发明的范围仅受所附权利要求书的限制，其中，以单数形式提及元件并不旨在是指“一个且仅有一个”，而是指“一个或多个”，除非明确如此声明。此外，在权利要求中使用类似于“A、B或C中的至少一个”的短语时，旨在将该短语解释为是指在实施例中可以单独存在A、在实施例中可以单独存在B、在实施例中可以单独存在C、或者在单个实施例中可以存在元素A、B或C的任何组合；例如，A和B、A和C、B和C、或A和B和C。因此，尽管在特定实施例中一些特征与其他特征一起被描述，但是在一些实施例中这些特征也可以独立于其他特征而存在。例如，新型调节器壳体和故障通信特征可以用在低损耗分流调节器中、或与串联调节器一起使用、或与未被提升的分流调节器一起使用，可以与任何AC发电机而不仅仅是低压发电机一起使用。新型故障通信特征可以用在任何调节器中，并且可以与任何AC发电机而不仅仅是低压发电机一起使用。
在本文的具体实施例中，对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的提及意味着所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但可能并非每一个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，此类短语不一定指代同一实施例。进一步地，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，应当认为，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这种特征、结构或特性都是在本领域的受益于本披露内容的普通技术人员的知识范围内的。在阅读了说明书之后，如何在替代实施例中实施本披露内容对于(多个)相关领域的技术人员而言将是显而易见的。
贯穿本披露内容，可以采用范围格式来呈现本发明的各个方面。应当理解，采用范围格式的描述仅是为了方便和简洁，并且不应当被解释为是对本发明范围的硬性限制。相应地，对范围的描述应当被认为是已经具体披露了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对比如从1到6的范围的描述应当被认为是已经具体披露了比如，从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等的子范围、以及该范围内的各个数值，例如，1、2、2.7、3、4、5、5.3、6及其之间的任何整体和部分增量。无论范围的宽度如何，这都适用。
此外，无论在权利要求中是否明确列举了元件、部件或方法步骤，本披露内容中的任何元件、部件或方法步骤都不旨在奉献给公众。
尽管已经将本披露内容描述为具有示例性设计，但是本申请旨在覆盖使用本披露内容的一般原理的任何变体、用途、或对本披露内容的修改，包括本披露内容所属领域的落入已知或惯常实践之内的与本披露内容的偏离。

Claims (26)

1.一种用于车辆的直流(DC)发电系统，该系统包括：
包括绕组的交流(AC)发电机，该交流发电机当在峰值功率点操作时，可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的交流(AC)电压；
分流调节器，该分流调节器可操作以将这些AC电压提升至DC总线电压，其中，该标称AC电压在未被提升的情况下不足以生成该DC总线电压，该分流调节器包括：
第一输出触点和第二输出触点，该第一输出触点和该第二输出触点适于将负载电连接至该分流调节器，其中，该DC总线电压可用于该第一输出触点与该第二输出触点之间的该负载；
多个门控功率开关，这些门控功率开关电耦合在该AC发电机的绕组与该第一输出触点之间，这些门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应的门控功率开关的电流的门；以及
分流控制器，该分流控制器通信地耦合至这些门控功率开关的门，该分流控制器被配置为以选定的占空比操作这些功率开关，以提升这些AC电压来生成该DC总线电压。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该分流控制器进一步被配置为将该占空比限制为与该AC发电机的转速相对应的最小占空比。
3.如权利要求2所述的系统，其中，该分流控制器包括转速检测逻辑，该转速检测逻辑被配置为确定这些AC电压的过零点并且基于在这些过零点之间经过的时间来确定该AC发电机的转速中的每一个。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，该分流调节器包括：电压反馈电路，该电压反馈电路用于感测实际DC输出电压；以及反馈逻辑，该反馈逻辑被配置为基于该实际DC输出电压与该DC总线电压之间的误差来确定占空比。
5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，该分流控制器被配置为在第一操作模式下响应于该负载的变化而提升这些AC电压来生成该DC总线电压。
6.如权利要求5所述的系统，其中，这些门控功率开关由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成。
7.如权利要求6所述的系统，其中，该分流调节器包括壳体和在该壳体内支撑这些MOSFET的电路板，并且其中，这些MOSFET未被灌封。
8.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，该分流调节器包括：壳体；在该壳体内支撑这些门控功率开关的电路板；和六触点接口，该六触点接口包括电耦合至该AC发电机的绕组的三个触点、第一输出触点、第二输出触点和局部互连网络(LIN)触点；以及在该壳体内围绕这些门控功率开关的表面的空气通道。
9.如权利要求8所述的系统，其中，该分流调节器进一步包括温度传感器、耦合至该LIN触点的LIN收发器、以及通信逻辑，该通信逻辑可操作以在第一操作模式下通过改变该LIN触点的逻辑状态来发信号通知过热状况，并且通过该LIN触点接收转变命令，并响应于该转变命令转变到第二操作模式，其中，在该第二操作模式下，该LIN收发器可操作以通过该LIN触点发送和接收数据。
10.如权利要求8所述的系统，其中，该壳体包括两个触点护罩，这些触点护罩中的一个触点护罩围绕电耦合至该AC发电机的绕组的该三个触点，并且另一个触点护罩围绕该第一输出触点、该第二输出触点和该LIN触点，其中，将该壳体从该车辆移除使得同时将该分流调节器与该AC发电机、该负载和该LIN断开。
11.如权利要求1所述的系统，其中，这些绕组是低压绕组，这些低压绕组生成导致未被提升的整流DC电压小于在该怠速转速下的该总线电压的AC电压，其中，该AC发电机包括飞轮和磁电机，该磁电机包括磁体材料，并且其中，与包括可以生成导致未被提升的整流DC电压等于该DC总线电压的AC电压的绕组的发电机相比，该系统能够在每分钟800飞轮转数下以少至少13％的磁体材料生成相同的功率。
12.一种用于车辆的分流调节器，该分流调节器包括：
第一输出触点和第二输出触点，该第一输出触点和该第二输出触点适于将负载电连接至该分流调节器，其中，DC总线电压可用于该第一输出触点与该第二输出触点之间的该负载；
交流(AC)发电机触点，这些交流发电机触点适于将AC电压发生器电连接至该分流调节器，其中，该AC发电机在峰值功率点操作时，可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压；
多个门控功率开关，这些门控功率开关电耦合在这些AC发电机触点与该第一输出触点之间以及在这些AC发电机触点与该第二输出触点之间，这些门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应的门控功率开关的电流的门；以及
分流控制器，该分流控制器通信地耦合至这些门控功率开关的门，该分流控制器被配置为以选定的占空比操作该功率开关，以提升包括该标称AC电压的这些AC电压来生成该DC总线电压。
13.如权利要求12所述的分流调节器，其中，该分流控制器进一步被配置为将该占空比限制为与该AC发电机的转速相对应的最小占空比。
14.如权利要求13所述的分流调节器，其中，该分流控制器包括转速检测逻辑，该转速检测逻辑被配置为确定这些AC电压的过零点并且基于在这些过零点之间经过的时间来确定该AC发电机的转速中的每一个。
15.如权利要求12至14中任一项所述的分流调节器，其中，该分流调节器包括：电压反馈电路，该电压反馈电路用于感测实际DC输出电压；以及反馈逻辑，该反馈逻辑被配置为基于该实际DC输出电压与该DC总线电压之间的误差来确定占空比。
16.如权利要求12至15中任一项所述的分流调节器，其中，这些门控功率开关由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成，其中，该分流调节器包括壳体和该壳体内支持该门控功率开关的电路板，并且其中，该MOSFET不被灌封。
17.如权利要求12至16中任一项所述的分流调节器，其中，该分流调节器包括：壳体；在该壳体内支撑这些门控功率开关的电路板；和六触点接口，该六触点接口包括电耦合至该AC发电机的绕组的三个触点、第一输出触点、第二输出触点和局部互连网络(LIN)触点；以及在该壳体内围绕这些门控功率开关的表面的空气通道。
18.如权利要求17所述的分流调节器，其中，该分流调节器进一步包括温度传感器、耦合至该LIN触点的LIN收发器、以及通信逻辑，该通信逻辑可操作以在第一操作模式下通过导致该LIN触点的逻辑状态来发信号通知过热状况，并且经由该LIN触点接收转变命令，并响应于该转变命令转变到第二操作模式，其中，在该第二操作模式下，该通信逻辑引起该LIN收发器通过该LIN触点发送和接收数据。
19.如权利要求17所述的分流调节器，其中，该壳体包括两个触点护罩，这些触点护罩中的一个触点护罩围绕这些AC发电机触点，并且另一个触点护罩围绕该第一输出触点、该第二输出触点和该LIN触点，其中，将该壳体从该车辆移除使得同时将该分流调节器与该AC发电机、该负载和该LIN断开。
20.一种在具有内燃机的车辆中发电的方法，该方法包括：
由包括分流控制器的分流调节器从机械地联接至该内燃机的交流(AC)发电机接收AC功率，其中，该AC发电机在峰值功率点操作时可操作以在该车辆的怠速转速下生成包括标称AC电压的AC电压；
由该分流控制器：
以选定的占空比操作这些功率开关，以将该标称AC电压提升至DC总线电压，并且在第一操作模式下响应于该负载的变化而将这些AC电压提升至该DC总线电压。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：由该分流控制器在第二操作模式下将该占空比限制为与该AC发电机的转速相对应的最小占空比。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：由该分流控制器确定这些AC电压的过零点；以及基于在这些过零点之间经过的时间来确定这些AC发电机的转速中的每一个。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括：由该分流控制器感测实际DC输出电压；以及基于该实际DC输出电压与该DC总线电压之间的误差来确定占空比。
24.如权利要求20至23中任一项所述的方法，进一步包括：在第一操作模式下感测该分流调节器的壳体内部的温度；并且基于该温度通过改变该分流调节器的局部互连网络(LIN)触点的逻辑状态来发信号通知过热状况。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：通过该LIN触点接收转变命令；响应于该转变命令转变到第二操作模式；以及在第二操作模式下，由LIN收发器通过该LIN触点发送或接收数据。
26.一种用于车辆的分流调节器，该分流调节器包括：
第一输出触点和第二输出触点，该第一输出触点和该第二输出触点适于将负载电连接至该分流调节器，其中，DC总线电压可用于该第一输出触点与该第二输出触点之间的该负载；
交流(AC)发电机触点，这些交流发电机触点适于将AC电压发生器电连接至该分流调节器；
多个门控功率开关，这些门控功率开关电耦合在这些AC发电机触点与该第一输出触点之间以及在这些AC发电机触点与该第二输出触点之间，这些门控功率开关中的每一个都包括可操作以控制流过相应的门控功率开关的电流的门；
分流控制器，该分流控制器通信地耦合至这些门控功率开关的门，该分流控制器被配置为提升这些AC电压来生成该DC总线电压；
温度传感器；
局部互连网络(LIN)触点；
耦合至该LIN触点的LIN收发器；并且
其中，该分流控制器包括通信逻辑，该通信逻辑可操作以在第一操作模式下通过导致该LIN触点的逻辑状态来发信号通知过热状况，并且经由该LIN触点接收转变命令，并响应于该转变命令转变到第二操作模式，其中，在该第二操作模式下，该通信逻辑引起该LIN收发器通过该LIN触点发送和接收数据。
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