TWM520155U - 用於啟動兼發電系統之電源控制電路 - Google Patents

Description

用於啟動兼發電系統之電源控制電路

本創作係關於一種用於啟動兼發電系統之電源控制電路，尤指一種適用於具有啟動兼發電系統之車輛之電源控制電路。

傳統一體式啟動發電機(Integrated starter and generator, ISG)技術，使用於發電控制時，由引擎曲軸連結帶動三相無刷馬達作發電機使用，發電機內部電壓設計較電池高，故發電時充電電流可由三相無刷馬達流經控制單元，對電池充電，並供應整車負載。然而，當騎乘狀態中，由於引擎轉速升高後三相無刷馬達之發電電壓也跟著等比例升高，故需進行相位控制，調整控制器內部六開關元件導通時序超前或延後，來穩定發電電壓藉以對電池充電。此種方法在導通時序超前時可壓抑發電電壓，但相對是將多於能量消耗於三相無刷馬達中，故就算三相無刷馬達以導通時序超前時可壓抑發電電壓，還是會對引擎造成動力上的損失。

另外針對四行程之引擎，習知技術中仍具有在引擎曲軸正轉經過壓縮行程時，會有較高阻抗之問題；過去為了解決此問題係設計一減壓機構，或是利用曲軸反轉到適當位置後開始正轉來增加正轉慣性，用以克服引擎位於壓縮時的壓縮壓力，使引擎可以順利啟動。然而，上述方式必須新增元件或新增步驟，因此會有增加成本及減低效能等問題。

創作人緣因於此，本於積極創作之精神，亟思一種可以解決上述問題之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，幾經研究實驗終至完成本創作。

本創作之主要目的係在提供一種用於啟動兼發電系統之電源控制電路，藉由在傳統三相六臂電路中增加第二組全橋整流電路，使得啟動兼發電裝置內之三相無刷馬達，可直接使用開路的全波整流的發電方式，依照該馬達位置與相序導通充電，更可透過該第二組全橋整流電路，在電池滿電或不需充電時，將發電引擎阻抗減到最少，用以妥善利用引擎動力並有效克服壓縮阻抗。

本創作之另一目的係在提供一種用於啟動兼發電系統之電源控制電路，除了包含上述兩組全橋整流電路之外，更結合一升壓電路，可提升驅動時的電壓供給使得驅動扭力增加，藉此，本創作可在不需要減壓機構或曲軸反轉到特定位置的狀況下，透過高扭力直接正轉驅動克服壓縮阻抗。

為達成上述目的，本創作之用於啟動兼發電系統之電源控制電路係使用於具有一引擎之一機車上，該啟動兼發電系統包括有一用以驅動引擎之啟動兼發電裝置、一用以偵測一曲軸角度與啟動兼發電裝置相位之角度感測裝置以及一用以控制啟動兼發電裝置之驅動控制裝置，電源控制電路係位於驅動控制裝置內，分別電連接一電池及啟動兼發電裝置，包括有一第一整流電路、一第二整流電路、一升壓電路。

第一整流電路具有六開關元件，分別電連接啟動兼發電裝置；第二整流電路具有六單向式開關元件，分別電連接啟動兼發電裝置，且與第一整流電路並聯設置；升壓電路包括有一電容、一電感及二開關，分別電連接第一整流電路、第二整流電路以及電池；其中，該二開關包括一控制第一整流電路之第一開關及一控制第二整流電路之第二開關，該二開關之控制方式係依據引擎轉速、曲軸角度以及電池電壓區分為一正常驅動模式、一升壓驅動模式、一發電模式、一截止發電模式以及一引擎終止模式，用以妥善利用引擎動力並有效克服壓縮阻抗。

藉由上述設計，本創作依據電池充電、放電或斷電之各種情況，選擇式地控制第一開關及第二開關，並配合啟動兼發電裝置位置與相序變化，使電流依循特定路徑流動或斷開，可有效改善過去當導通時序超前時，必須壓抑發電電壓並將多餘能量消耗在三相啟動兼發電裝置中之窘境，藉以減少動力損失。

所述正常驅動模式，係為當機車處於怠速熄火狀態或曲軸位於一較佳啟動角度時，可持續導通第一開關及持續不導通第二開關。此時，使用當下電池之電壓，並配合角度感測裝置所感應到啟動兼發電裝置之相位，對所述六開關元件輸出驅動控制導通時序，藉以進行驅動控制。其中，上述較佳啟動角度可為曲軸角0~300度。

所述升壓驅動模式，係為當引擎冷機啟動、曲軸角度未知或曲軸位於一較差啟動角度時，可持續切換導通第一開關及第二開關。此時，藉由將能量儲存於電感中來提升驅動電壓，並利用較高的電壓差所投入之大電流而得到更大的扭矩，以利克服壓縮阻抗，對所述六開關元件輸出驅動控制導通時序，藉以進行驅動控制。其中，上述較差啟動角度可為曲軸角301~720度。

所述發電模式，係為當引擎轉速提升至一發電轉速或啟動兼發電裝置之電壓比電池之電壓高時，可持續不導通第一開關及持續導通第二開關。此時，第一整流電路係脫離運作，而第二整流電路在啟動兼發電裝置之反電動勢達到適合充電範圍時，對所述六單向式開關元件輸出發電控制導通時序，藉以進行發電控制。其中，上述發電轉速可為每分鐘1200轉以上。

所述截止發電模式，係為當電源控制電路之狀態為發電模式，且電池電量已滿，可持續不導通第一開關及第二開關，進入截止發電模式。此時，停止六單向式開關元件之切換順序，使得啟動兼發電裝置處於三相斷路的狀態，對於引擎的負載最小。

所述引擎終止模式，係為當引擎結束運轉時，可持續不導通第一開關及第二開關。此時，如同前述之截止發電模式，只不過不需要以發電模式作為先決條件，待引擎停止後，等待 下次啟動命令再驅動。

以上概述與接下來的詳細說明皆為示範性質是為了進一步說明本創作的申請專利範圍。而有關本創作的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參閱圖1，係本創作較佳實施例之用於啟動兼發電系統之電源控制電路之系統架構圖。圖中出示一種用於啟動兼發電系統之電源控制電路，係使用於具有一引擎之一機車上，其中啟動兼發電裝置23(Integrated starter and generator, ISG)、角度感測裝置22及驅動控制裝置21，三者合稱為啟動兼發電系統1(ISG系統)，該啟動兼發電裝置23設置於一曲軸20上，同時具有馬達及發電機之特性，用以驅動引擎並將多餘能量儲存至一電池10中。角度感測裝置22偵測曲軸20角度與啟動兼發電裝置23之相位變化，作為後續電路導通時序之控制依據，而驅動控制裝置21係用以控制該啟動兼發電裝置23，並具有一電源控制電路210，其分別電連接一電池10及啟動兼發電裝置23。

請一併參閱圖2，係本創作較佳實施例之正常驅動模式之電路圖。如圖所示，本創作之電源控制電路210包括有一第一整流電路211、一第二整流電路212、一升壓電路213。第一整流電路211具有六開關元件Q1~Q6，分別電連接該啟動兼發電裝置23，本實施例係選用金氧半場效電晶體(MOSFET)，也可替換為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)、矽控整流器(SCR)等導通/關閉反應快速之開關元件，且不限制為雙向導通之元件。另一方面，第二整流電路212具有六單向式開關元件q1~q6，分別電連接該啟動兼發電裝置23，且與該第一整流電路211並聯設置，本實施例係選用矽控整流器(SCR)，也可替換為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或繼電器等導通/關閉反應快速之單向式開關元件。此外，本創作所使用之升壓電路213包括有一電容C、一電感L及二開關S1,S2，分別電連接第一整流電路211、第二整流電路212以及電池10，用以提升驅動時之電壓使驅動扭力增加，即便曲軸20在不安裝減壓機構或反轉到特定位置的情況下，仍可克服壓縮壓力。再者，在上述升壓電路213與第一整流電路211之間設置一第一開關S1；在上述升壓電路213與第二整流電路212之間設置一第二開關S2，在本實施例中第一開關S1與第二開關S2係選用金氧半場效電晶體(MOSFET)，也可替換為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)、矽控整流器(SCR)等導通/關閉反應快速之開關元件，其中，該二開關S1,S2之控制方式係依據該引擎轉速、該曲軸角度以及該電池電壓區分為一正常驅動模式、一升壓驅動模式、一發電模式、一截止發電模式以及一引擎終止模式，用以妥善利用引擎動力並有效克服壓縮阻抗。

請繼續參閱圖2，電路圖中實線部分係指實際有在作用之電路；虛線部分係指實際未在作用之電路。如圖所示，當機車處於怠速熄火狀態或曲軸位於一較佳啟動角度時，在本實施例中該角度範圍介於曲軸角0~300度，此時引擎還未出現較大之壓縮阻抗，故僅需導通第一開關S1及不導通第二開關S2，在初始電壓下讓電流流經第一整流電路211，並配合角度感測裝置22所感應到啟動兼發電裝置23之相位，對所述六開關元件Q1~Q6輸出驅動控制導通時序，依序導通各開關元件Q1~Q6建立出旋轉磁場，進而驅動啟動兼發電裝置231及曲軸20運轉。附帶一提，由於六單向式開關元件q1~q6皆選用為只能單向導通之電子元件，故進行驅動時不需額外增加開關切換六單向式開關元件q1~q6的電路脫離系統。

接著，請參閱圖3及圖4，分別為本創作較佳實施例之升壓驅動模式之電感儲電之電路圖及電感放電之電路圖。當引擎冷機啟動、曲軸角度未知或曲軸位於一較差啟動角度時，在本實施例中該角度範圍介於曲軸角301~720度，且啟動兼發電裝置23可由曲軸20之角度感測裝置22偵測所得曲軸位置與引擎溫度資訊，決定是否開啟升壓功能。此時，因為曲軸20啟動角度會經過引擎之壓縮行程，而產生有高壓縮阻抗的問題，故本創作係藉由結合一升壓電路213，持續切換導通第一開關S1及第二開關S2來克服引擎位於壓縮時的壓縮壓力，使引擎可順利啟動。如圖3所示，當第二開關S2導通及第一開關S1不導通時，電流僅僅在升壓電路213中流動，並將電池10的能量累積在電感L中。接著，如圖4所示，當第二開關S2不導通及第一開關S1導通時，電流將流經電感L後進入第一整流電路211，使得電池10能量可一併加入電感L中的能量，俾能有效提升驅動電壓，並對所述六開關元件Q1~Q6輸出驅動控制導通時序，依序導通各開關元件Q1~Q6建立出旋轉磁場，進而驅動啟動兼發電裝置231及曲軸20運轉。其中，上述提升電壓的比例則由第一開關S1與第二開關S2的切換頻率來調整。此外，若以電池10與啟動兼發電裝置23間具有越高的電壓差，則可對三相啟動兼發電裝置23投入更多電流，藉以得到更大的扭矩啟動引擎。附帶一提，由於六單向式開關元件q1~q6皆選用為只能單向導通之電子元件，故進行驅動時不需額外增加開關切換六單向式開關元件q1~q6的電路脫離系統。

請參閱圖5，係本創作較佳實施例之發電模式之電路圖。如圖所示，當引擎轉速提升至一發電轉速或啟動兼發電裝置23之電壓比電池10之電壓高時，本實施例中該發電轉速係為每分鐘1200轉以上，此時，引擎已順利點火運轉且具有一定的轉速，故啟動兼發電裝置23係由驅動引擎啟動轉變為接收其動能，進入發電控制。該發電模式的做法係為：持續不導通第一開關S1及持續導通第二開關S2，使得第一整流電路211脫離運作，而第二整流電路212在啟動兼發電裝置23之反電動勢達到適合充電範圍時，對所述六單向式開關元件q1~q6依照啟動兼發電裝置23位置與相序輸出發電控制導通時序，藉以進行發電控制。其中，依照電池10充電電壓標準對電池10充電，當未達充電電壓時以定電流模式對電池10充電；充電至接近滿電時以定電壓模式對電池10充電。

請參閱圖6，係本創作較佳實施例之截止發電模式及引擎終止模式之電路圖。如圖所示，當電源控制電路210之狀態為發電模式，且電池10電量已滿，將持續不導通第一開關S1及第二開關S2，進入截止發電模式。此時，停止六單向式開關元件q1~q6之切換順序，使得啟動兼發電裝置23處於三相斷路的狀態，對於引擎的負載可降至最低，直到電池10電壓下降至需要充電之電壓時，可再次回復至發電模式。或者，當引擎結束運轉時，將持續不導通第一開關S1及第二開關S2，進入引擎終止模式。此時，如同前述之截止發電模式，只不過不需要以發電模式作為先決條件，待引擎停止後，等待 下次啟動命令再驅動。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧啟動兼發電系統
10‧‧‧電池
20‧‧‧曲軸
21‧‧‧驅動控制裝置
210‧‧‧電源控制電路
211‧‧‧第一整流電路
212‧‧‧第二整流電路
213‧‧‧升壓電路
22‧‧‧角度感測裝置
23‧‧‧啟動兼發電裝置
S1‧‧‧第一開關
S2‧‧‧第二開關
Q1~Q6‧‧‧開關元件
q1~q6‧‧‧單向式開關元件
C‧‧‧電容
L‧‧‧電感

圖1係本創作較佳實施例之用於啟動兼發電系統之電源控制電路之系統架構圖。 圖2係本創作較佳實施例之正常驅動模式之電路圖。 圖3係本創作較佳實施例之升壓驅動模式之電感儲電之電路圖。 圖4係本創作較佳實施例之升壓驅動模式之電感放電之電路圖。 圖5係本創作較佳實施例之發電模式之電路圖。 圖6係本創作較佳實施例之截止發電模式及引擎終止模式之電路圖。

1‧‧‧啟動兼發電系統

10‧‧‧電池

20‧‧‧曲軸

21‧‧‧驅動控制裝置

210‧‧‧電源控制電路

211‧‧‧第一整流電路

212‧‧‧第二整流電路

213‧‧‧升壓電路

22‧‧‧角度感測裝置

23‧‧‧啟動兼發電裝置

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

Claims (9)

1. 一種用於啟動兼發電系統之電源控制電路，係使用於具有一引擎之一機車上，該啟動兼發電系統包括有一用以驅動該引擎之啟動兼發電裝置、一用以偵測一曲軸角度與該啟動兼發電裝置相位之角度感測裝置以及一用以控制該啟動兼發電裝置之驅動控制裝置，該電源控制電路係位於該驅動控制裝置內，分別電連接一電池及該啟動兼發電裝置，包括有： 一第一整流電路，具有六開關元件，分別電連接該啟動兼發電裝置； 一第二整流電路，具有六單向式開關元件，分別電連接該啟動兼發電裝置，且與該第一整流電路並聯設置；以及 一升壓電路，包括有一電容、一電感及二開關，分別電連接該第一整流電路、該第二整流電路以及該電池，其中，該二開關包括一控制該第一整流電路之第一開關及一控制該第二整流電路之第二開關，該二開關之控制方式係依據該引擎轉速、該曲軸角度以及該電池電壓區分為一正常驅動模式、一升壓驅動模式、一發電模式、一截止發電模式以及一引擎終止模式，用以妥善利用引擎動力並有效克服壓縮阻抗。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，當該機車處於怠速熄火狀態或該曲軸位於一較佳啟動角度時，係持續導通該第一開關及持續不導通該第二開關，進入該正常驅動模式。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，該較佳啟動角度係為曲軸角0~300度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，當該引擎冷機啟動、該曲軸角度未知或該曲軸位於一較差啟動角度時，係持續切換導通該第一開關及該第二開關，進入該升壓驅動模式。
5. 如申請專利範圍第4項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，該較差啟動角度係為曲軸角301~720度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，當該引擎轉速提升至一發電轉速或該啟動兼發電裝置之電壓比該電池之電壓高時，係持續不導通該第一開關及持續導通該第二開關，進入該發電模式。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，該發電轉速係為每分鐘1200轉以上。
8. 如申請專利範圍第6項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，當該電源控制電路之狀態係為該發電模式，且該電池電量已滿，係持續不導通該第一開關及該第二開關，進入該截止發電模式。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於啟動兼發電系統之電源控制電路，其中，當該引擎結束運轉時，係持續不導通該第一開關及該第二開關，進入該引擎終止模式。