CN1277748A - 双电池电气系统充电控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

一种控制双电池车辆电气系统中对两电池再充电进行控制的控制电路,包括:一用于升高备用电池(RES.)电压以便该电压可加到启动电池(HPB)上的充电电路(20);当车辆引擎运行时允许发电机(A)对两者电池进行充电的替代电路路径(18,19);以及在不同状态组合下用于切换电池经过充电电路(20)和替代电路路径(18,19)连接的控制器(30)。

Description

双电池电气系统充电控制方法和电路
相关申请的交叉引用
在此主张1997年10月27日提交的名称为“双电池电气系统”的美国临时专利申请No.60/063,516的权益。
                             技术领域
本发明总体涉及汽车车辆电气系统，具体来说，涉及向汽车车辆提供电能并维持双电池系统充电的双电池电气系统。
                             背景技术
通常由内燃机提供动力的车辆具有启动引擎的电启动电动机。该启动电动机与一接受蓄电池电能的启动电路电连接。当开动点火钥匙时，该电池便提供给启动电动机电力来发动内燃机。在普通车辆应用中，诸如引擎控制电子系统，照明系统和车辆附属设备等电器便成为该电池的负载，或车辆引擎运行时成为发电机的电力负载。
常规电池往往称为启动、照明及点火(SLI)电池。在设计和构成方面，这些是多单元铅酸蓄电池，用装有活性物质的铅板构成，并分成堆叠层。该堆叠层插入到电池容器分隔的单元隔室中，并形成电连接，为稀释的酸性电解液所浸没。
启动需要短时间内有高功率输出。上述构成的SLI电池远足以提供引擎启动所需的相对高功率要求。
在车辆运行期间和非运行期间维持电力负载，要比启动表现为相对低的功率要求。SLI电池设计难以优化来进行短时间高功率输出和长时间低功率输出。由于铅版和电解液的重量，SLI电池另一不足之处在于，与其他电池构成相比具有相对低的能量密度(千瓦时/克(kWh/g))。
近来车辆电力系统装有两种电池。该系统的第一种电池，为启动电池，对引擎启动进行了优化，也就是说，经过专门设计用于短时间高功率输出。该系统的第二种电池，为备用电池，对于非启动类电力负载的运行和维持进行了优化。这种系统的优点在于，启动电池可以做得更小和更轻，但仍能短时间内提供高功率输出。另外，备用电池也可以做得更小和更轻，但能满足车辆附属设备相对低的功率要求。综合来看，两种电池的系统可以达到比单个常规SLI电池占据更小空间并具有更轻重量的目的。
双电池系统需要控制电路来维持对系统中两种电池的充电。通常，车辆包括一响应SLI电池和车辆电力负载的充电需要对发电机输出进行调节的调节器。在双电池系统中，每一电池类型以不同速率传递电力和接收充电。例如，启动电池以较高速率输送电力，同样也以高速率接收充电。反之，备用电池以低速率输送电力，并以低速率接收充电。每一电池会典型地表现一不同的充电状态，因而需要不同的充电维护。还可以通过在车辆非运行、启动和运行期间有选择地将电池相连或断开连接来达到另外的优点。但需要仔细的管理以避免损坏车辆电气系统或双电池系统。
因而，需要一种所具有的大小和重量均减小，并包括供电及充电管理的用于车辆启动和运行的双电池系统。
道格尔特(Dougherty)等的美国专利N0.5,162,164揭示了在单个壳体中包含两个电池的双电池系统。因而，应理解对两个电池的辨识在不加限定的情况下，意味着容纳于分开的壳体中或一个壳体中。
                             发明概述
本发明提供一种车辆双能源贮存系统的控制电路。本发明尽管按照两种电池的情形加以说明，但还考虑到包括启动电池用启动电容器替代的系统。所用的“充电能源”术语包括电池、电容器和其他等效充电能源。
本发明种种较佳实施例中，电池控制电子线路、车辆控制电子线路以及这些电子控制设备的组合均用于电池充电配置和增强的系统性能。举例来说，该系统适合对系统电池的充电状态自动进行判定，并根据需要与电池或各个电池相连，进行足够的充电以满足必要的车辆电气负载工作需要和提供启动能量的需要。
另外，有一种较佳充电配置策略，减小使一个或多个系统电池过充电的可能性，但使各个电池保持在充电充足状态。
本发明的上述和其他优点和目的，在以下结合作为本发明教导一部分的附图对所图示的本发明较佳实施例进行的说明当中将会容易理解。对较佳实施例的说明和图示是为了举例而非限定。对于本发明保护范围内的本发明各个实施例，参照说明书后所附的权利要求书。
附图简要说明
图1是本发明较佳实施例适用于汽车车辆电气系统的双电池系统的框图。
图2是本发明较佳实施例双电池系统控制器的具体示意图。
图3是图2所示的电压升压电路的具体示意图。
                       较佳实施例的具体说明
参见图1，车辆电气系统10包括启动电池，也称为高功率电池(HPB)。这是指极短瞬间或短促的启动车辆所需的电力。该启动电池HPB经一对切换触点12与电启动电动机(S)13连接。该启动电动机13经一输出转轴(未图示)以机械方式与内燃机引擎(未图示)相连，当启动电动机13旋转时，便发动内燃机引擎在火花出现时开始燃料的燃烧。
启动电池HPB较好是具有当今技术的电池，在比常规SLI电池更小的封装中提供所需的高启动电力。在1997年6月6日提交的名称为“模块式电气贮存电池”，并转让给本发明受让人的共同待批准美国专利申请N0.08/870,803中图示和说明了这一新型启动电池，特在此引用直接合并其公开内容。这一启动电池通常应在10.0伏特起动电压下提供800安培的电流用于启动，具有4.5安培·时的备用能量。
车辆电气系统10还包括一备用电池(RES.)，它较好是具有较高备用容量的吸收性玻璃垫类型结构的。该备用电池RES.适合在一延续的时间内提供一相对较低速率的放电。该备用电池通常可以具有额定的23安培·时的能量贮存容量，在11伏特标称电压下具有25安培的额定输出。
备用电池RES.的后面是一常规发电机(A)14，这是一种由内燃机驱动的发电机，提供经整流的直流电力，对电池进行充电，并使车辆其他负载工作。
具有2个切换位“接通”和“启动”的点火钥匙开关在图1中用带有相应标记的2个切换开关“接通”和“启动”表示。即使“接通”切换开关打开(处于“关断”位置)，车辆备用电池RES.还是与某些电阻性负载15(例如大光灯)连接。电阻性负载16则表示点火钥匙开关操作为使“接通”切换开关闭合时的车辆负载，该开关在启动期间和启动后处于闭合状态。而“启动”切换开关在启动期间闭合，通过电阻17由发电机14提供电力，接着关断。
必需的车辆负载可以包括诸如车辆运行期间供电的车辆引擎/电力序列控制器、照明系统、制动系统控制器、安全系统控制器等负载。其他车辆负载可以包括对于车辆运行并非必需或需要的娱乐系统、便利性技术特征等。
当点火钥匙开关换至“启动”位置(“启动”切换开关和“接通”切换开关均闭合)时，点火线圈L1便受到激励使启动触点12闭合，能量便由启动电池HPB提供给启动电动机13。
在车辆引擎关闭期间和车辆启动后的某些时间，需要对启动电池HPB进行充电。当车辆正运行时，由发电机14提供这种对电池的再充电。车辆停止时，这种再充电就可由备用电池RES.提供。
为了对启动电池HPB的充电电压和速率进行控制，它经过一包含后面述及的电压升压电路21在内的充电电路20相连。该充电电路20经过其常闭位和打开位分别表示为触点“NC”和“O”的继电器18，与启动电池HPB电连接。继电器18处于常闭状态时，充电电路20与启动电池HPB的一侧连接。但为了可行，充电电路20还必须与备用电池RES.连接来接收电力，充电电路20必须由电子控制器30输出的“使能”线信号来启动。随继电器18被激励，充电电路20经过一包括可选的PTC(正温度系数)电阻19的替代电路路径分流。该PTC电阻19起到依赖时间的熔断器的作用，在相应时间内为某些电流阈值时所提供的是有效的开路，接下来电流充分下降后便复位。雷侃(Raychem)提供的9安培多切换开关是用于此用途的一例合适的部件。控制器30还与继电器线圈R1连接使继电器18工作。所连接的控制器30还检测一输入端钥匙开关的状态。所连接的控制器30还经过二极管D1和D2接收电池HPB、RES.的电力。一电源电容22与来自启动电池HPB的电路路径中二极管D1的阴极连接。
控制器30按一组逻辑状态或条件工作，其逻辑以及编程将在下面进一步说明。
接下来参见图2，对于充电电路20和电子控制器30更为具体地示出车辆电气系统。图3示出电压升压电路21的具体示意图。
备用电池RES.经二极管D3与电压调节器23连接，提供+5伏特电压向图2中所示电子线路的供电。所设置的DIP开关24和上拉电阻(未图示)向可编程阵列逻辑(PAL)电路25提供多个输入，该电路25则向图1和图2中所示的总体电路提供控制逻辑。该PAL电路较好是Advanced Micro Devices(先进微器件)公司的继承者Vantis公司提供的PALCE22V10Z-25IP集成电路。时基发生电路26向PAL电路25提供时间信号。该电路26包括一哈里斯半导体(Harris Semiconductor)公司提供的ICM 7555定时器集成电路。该电路提供的时间信号，例如为具有5秒周期波形的脉冲串，由PAL电路25计数，对更长的继电器时间定时。
备用电池RES.使其输出与一除法电路27连接，将该输出定标为+2.5伏特的标称电平。该除法电路27具有4组2电阻串，它们形成具有按比较器28的理想行程位置确定的4个比值的精确电压除法器。该比较器28是Texas Instruments(德州仪器)公司提供的TCL2252IP双运算放大器。该比较器28将备用电池RES.的输出与包含12.2伏特直流、13.1伏特直流和13.4伏特直流在内的各个阈值相比较，其意义会在下面说明。比较器28的输出与PAL电路25上的输入连接，来检测备用电池RES.的电压。
图2中的启动电池HPB与图2中所示的继电器HPB开关输入端连接。图2中的常闭(NC)端与电压升压电路21连接，其为图1中充电电路20更为具体的实施例。该电压升压电路21对备用电池电压进行转换，将其13.1至13.4伏特的电平升高至诸如14.0伏特电平，表示启动电池HPB的满充电状况。启动电池的电压经电压升压电路的连接和另一组比较器29来检测，对于该启动电池HPB检测的阈值诸如为14.0伏特直流、13.8伏特直流和12.75伏特直流这些阈值，这些阈值的意义会在下面说明。如上面对比较器28所说明的那样，对于比较器29可以用相同类型的商售电路。第二电压除法电路33连接在电压升压变换器21输出端和比较器29输入端之间。该电压除法电路33由电阻对组成，将比较器行程位置定标为标称的+2.5伏特。
图2示出经一TI“接通”信号控制继电器18动作的PAL电路25，该信号加到晶体管T1的基极上导通晶体管T1，让电流流过继电器线圈R1。
图3示出电压升压电路21，围绕设有Unitrol公司提供的UC3844N集成电路和20μH电感器32的脉冲宽度调制(PWM)电路31所构成。该电感器32一端与PWM电路31上的Vc插脚连接，另一端与晶体管Q1的集电极连接。PWM电路的输出插脚控制对晶体管Q1进行开关的晶体管Q1的基极。电感器32的输出经二极管D5与继电器18(图2)的常闭NC触点连接。该PWM电路31通过控制器30输出的“使能”线来启动，它使晶体管Q2导通向PWM电路31提供一接地路径。该PWM电路31具有合适的偏置网络，以控制对电感器32输出进行控制的“输出”端所输出的信号。电感器32将备用电池RES.的电压反馈给输入一侧，由PWM电路31控制输出。PWM电路31的导通和截止，使得电感器的输出端电压升高至比备用电池所见到的13.1至13.4伏特高的电平。该开关产生大约14.0伏特直流输出电压。该电感器32的输出端与图2中用于检测启动电池电压电平的比较器相连。电感器32的输出端还与继电器18的常闭(NC)触点连接，继电器处于常闭状态时，便与启动电池HPB连接。
                           工作原理
车辆引擎定义为具有3种状态：1)停着，2)启动，和3)运行。控制器30通过检测图1中“接通”和“启动”开关所代表的点火开关的状态，来检出前面所述状态。
当车辆停着时，启动电池的电压下降至预定电平，例如12.75伏特直流，这表明该车辆停下来一段持续的时间，例如一个月。接着，启动充电电路20，假如备用电池处于至少为表征其充电电平的12.2伏特直流电压的状态，便允许备用电池RES.对启动电池HPB进行充电。比较器28中一个对备用电池RES.检测该12.2伏特的阈值。比较器29中一个对启动电池HPB检测该12.75伏特的阈值。该充电电路启动的时间由PAL25中的逻辑和检测HPB电池的电压所确定。
当车辆引擎正运行时，控制器30检测到此状态，并且假如备用电池RES.电压超过+13.4伏特上限阈值，继电器18便被激励，使得继电器活动触点与打开位置触点相接触。在此二十分钟期间，充电电流将经过PTC电阻19从发电机14流至备用电池RES.和启动电池HPB两者。定时器时间用完或备用电池下降至低于13.1伏特阈值时，这表明备用电池电压太低难以用来对启动电池再次充电。继电器18将处于常闭(NC)位置，但至充电电路20的“使能”信号将会变成禁止，来断开启动电池14，不再接收备用电池RES.的充电。这将允许发电机14对备用电池RES.进行充电，并且会进行保护以避免经过启动电池HPB放电。相反，若启动电池电压升高超过14.0伏特阈值并处于这种情况大于预定时间，这表示启动电池HPB充足电的状态，和不再接收备用电池RES.的充电，因而继电器18便会被激励，对充电电路20禁止来保护备用电池RES.的充电状态，并防止对启动电池过充电。
当对启动电池HPB的充电下降至低于13.8伏特，并假定车辆引擎正运行着，PAL电路25便会激励继电器18，以允许发电机14经过PTC电阻19对启动电池HPB进行充电。
第三顶功能用于汽车启动时。若控制器30检测出备用电池低于某些阈值这样表明备用电池没有功率输出的话，在第一次操作点火开关时就不启动，而在第二次尝试时才会启动。
应该理解，在替代实施例中，图2中虚线内所示的部件如控制器30可以由等效的微电子CPU经过合适编程以提供在此说明的功能来替代。会需要一些定时电路向这种CPU电路提供时间信号。这种电路可具有用于检测电池电压电平的模拟-数字输入端。
在所图示的实施例中，继电器18是可切换器件，对启动电池HPB与不同充电源的连接进行控制，但应理解，可构成不同类型和数目的半导体器件，在不脱离本发明保护范围的情况下执行上述功能。
将会理解，阈值电压表示较佳电压，各种车辆系统可需要不同的电压阈值。同样，各种定时器数值表示较佳数值，其他数值可在不脱离本发明保护范围的情况下加以选择。还要理解，较佳实施例的其他细节和替代实施例，可在不脱离下列权利要求限定的本发明保护范围加以变化。

Claims (20)

1.一种控制车辆启动充电能源充电并控制车辆备用充电能源提供充电的电路，其特征在于，该电路包括：
在启动充电能源和备用充电能源之间电路路径中，用于将备用充电能源电压变换至对启动充电能源充足电所需电压的充电电路；以及
可操作地连接以检测启动充电能源和备用充电能源上电平的控制器，所述控制器响应启动充电能源上的电压电平，响应备用充电能源上的电压电平，并响应车辆引擎运行一停止状态，来启动和禁止充电电路使启动充电能源与充电电路连接和断开连接。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，控制器还响应由启动充电能源上电压电平所表示的车辆停止状态，可操作地将备用充电能源经过充电电路与启动充电能源连接。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，控制器还响应车辆运行状态，可操作地将充电电路从备用充电能源起连至启动充电能源一段预定的时间。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括一连接在启动充电能源至备用充电能源的电路路径中的可切换器件，所述可切换器件可切换地断开启动充电能源与充电电路的连接，并且使启动充电能源与一发电机连接。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，可切换器件为继电器。
6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，还包括一从发电机至启动充电能源的电路路径，所述电路路径中还包括一限流器件。
7.如权利要求4所述的电路，其特征在于，该限流器件为所述电路路径中的正温度系数电阻。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，该控制器包括可编程逻辑电路和定时电路。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，该启动充电能源部分按车辆启动操作期间高速率放电进行过优化。
10.如权利要求1所述的电路，其特征在于，备用充电能源部分按总体能量进行过优化。
11.如权利要求1所述的电路，其特征在于，控制器可操作地就一阈值检测启动充电能源和备用充电能源中某一个电压电位，一旦检测出所述电压电位与所述阈值相关，便有选择地断开备用充电能源与启动充电能源的连接。
12.如权利要求11所述的电路，其特征在于，该阈值表示启动充电能源充足电的状态。
13.如权利要求11所述的电路，其特征在于，该阈值为备用充电能源其电池低电压状态。
14.如权利要求1所述的电路，其特征在于，启动充电能源为电池。
15.如权利要求1所述的电路，其特征在于，备用充电能源为电池。
16.一种控制车辆启动充电能源充电并控制车辆备用充电能源提供充电的方法，其特征在于，该方法包括：
检测启动充电能源上的充电电平；
检测备用充电能源上的充电电平；
检测车辆引擎的运行—停止状态；
响应启动充电能源上的电压电平，响应备用充电能源上的电压电平，并响应车辆引擎的运行—停止状态，使启动充电能源与充电电路电连接；以及
将备用充电能源电压变换至对启动充电能源充足电所需的电压。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，响应由启动充电能源上电压电平所表示的车辆停止状态，经过充电电路将启动充电能源连接至备用充电能源。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，响应车辆运行状态，经过充电电路对启动充电能源的连接经过一段预定的时间。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在电气上断开启动充电能源与充电电路的连接，并且在电气上将启动充电能源与一发电机连接。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括就一阈值检测启动充电能源和备用充电能源中某一个电压电位，一旦检测出与所述阈值相关的所述电压电位，便有选择地在电气上断开备用充电能源与启动充电能源的连接。
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