用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于稳定机动车辆的车载电气网络(2)的电源电压的稳定系统(1)，在致动连接到所述网络(2)的所述车辆的电子设备(4)时，所述稳定系统(1)限制为所述网络(2)供电的电压源(3)的电压变化，所述系统包括：?在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流的第一限制单元(100)，所述单元(100)被构造为根据所述电压源(3)的电压变化来限制在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流；?在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流的第二限制单元(200)，所述单元(200)被构造为将所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流限制在电流阈值。
【专利说明】
用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统
技术领域
[0001]本发明涉及在致动电子设备时用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统和方法。本发明还涉及包括根据本发明的系统的电子设备(如电机)。
【背景技术】
[0002]在车辆中，某些耗功率多的电子设备的致动可导致车辆的车载网络上的电压下降，该电压下降对于连接到车辆的车载网络的其它电子设备的运行可能是有害的。例如对于其致动功率包括在800W-2.2kW之间的电子设备存在该问题。
[0003]例如，在对起动器通电以保证车辆的热力发动机的起动时，产生接近起动器的短路电流水平的显著的冲击电流，即约为1000安培的电流。该电流强度随后随着对应于电机的转子的、起动器的电枢的加速而降低。
[0004]对应于该初始电流峰值，电池的端电压显著压降。其它较不显著的电压下降随后发生于起动阶段，并对应于热力发动机连续通过上止点。
[0005]被称为“增强的”的、适用于热机的自动停止/重新起动系统(被称为“停止/起动”或者按英语术语为“Stop&Go “的系统)的起动器的开发，现在将新的限制施加给汽车供应商，该新的限制是关于遵守在对起动器供电时的冲击电流下的电池的最小电压阈值。因此，在他们的规格说明书中，汽车制造商通常将第一电压阈值限定在7-9伏之间，电池电压不应低于此阈值。对于后续的对应于热机上止点的电压下降，电池电压应该维持在高于8-9伏之间的第二电压阈值。在热机起动期间，机动车辆的车载网络的电压因此维持在一个足够的值以保证所预期的、机动车设备的运行。
[0006]为了增加用户舒适度，增强的起动器较传统的起动器通常具有更高的功率以达到快速起动。这在供电时引起更高的冲击电流并因此引起电池电压的、将超出通常值的第一个下降，而且面对高需求时就这样。
[0007]此电压下降的问题在装备有“停止/起动”系统的机动车辆的情况下变得更加显著。由于传统的机动车辆的从其初始起动起的高重新起动频率，机动车乘驾者可能会经受不适，并且，此外，某些设备的安全性，如动力转向，可能会受到影响。
[0008]电力驱动增压压缩器构成在其致动时可能导致车辆的车载电气网络上的电压下降的电子设备的另一个例子。
[0009]在现有技术中，已提出限制电子设备的冲击电流以便限制车载电气网络上的电压下降。通常，通过位于车载电气网络的能量源与电子设备之间的电阻实现电流的限制，以限制由设备的致动引起的电压下降。优选的是电流限制考虑在网络的电池与电子设备之间的所有的电阻，以最好地设定用于限制电子设备的致动的持续时间的电阻值。特别地，考虑电子设备的内电阻(例如对于起动器是6πιΩ)、连接电池和电子设备的线缆的内电阻(例如2mΩ )、以及为车载网络供电的电池的内电阻(例如对于铅电池是4ι?Ω )。
[0010]在网络的参数变化时，例如在线缆由于其磨损或其替换引起电阻的变化时，或在电池由于其用其它型号替换而引起电池内电阻的变化时，一些电流限制器可通过在限制过程中调节所使用的电阻来消除这些改变。人们尤其熟知以
【申请人】的名义公开的法国专利申请FR3008560。
[0011]然而，动态限制器可能不足以消除这些参数变化。这尤其是在用锂/离子(Li/1n)电池替换铅电池时的情况下。Li/1n电池的内电阻比铅电池的内电阻小得多。例如，在环境温度下，铅电池具有的内电阻包括在大约4-10m Ω之间，而Li/1n电池的内电阻包括在大约
1-4m Ω之间。Li /1n电池的内电阻相比较而言是如此小以至于由电子设备的致动造成的电压下降比对于铅电池的小很多，从而使得冲击电流受到较小的限制。冲击电流因此可达到高的值，例如包括在1000-1600A之间，可能损坏电子设备。
[0012]因此寻求一种改善车载电气网络的参数变化的控制的电流限制系统或电流限制方法，参数变化如在用Li/1n电池替换铅电池后为车载网络供电的电池的内电阻变化。
【发明内容】
[0013]为此，本发明涉及一种用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统，在致动连接到所述网络的所述车辆的电子设备时，所述稳定系统限制为所述网络供电的电压源的电压变化，所述系统包括:
[0014]-在所述电压源和所述设备之间流通的电流的第一限制单元，所述单元被构造为根据所述电压源的电压变化限制在所述电压源和所述设备之间流通的电流；
[0015]-在所述电压源和所述设备之间流通的电流的第二限制单元，所述单元被构造为将在所述电压源和所述设备之间流通的电流限制在电流阈值。
[0016]特别地，所述电子设备为电机。致动因此尤其对应于旋转所述电机，特别是在车辆或车辆的热机的起动时。更特别地，电机驱动用于车辆的热机的增压系统的、机动车辆增压压缩器，和/或电机被包括在实现车辆的热机的起动的起动器中。
[0017]在电池内电阻明显减小时，例如在环境温度下以大约为4的比例、或在环境温度下以包括在2-10之间的比例，电压源与设备之间的电阻也被减小。第一限制单元的动态变化受到该内电阻的减小的影响。电流的第二限制单元能够避免第一单元的动态变化导致车载网络中的电流过高。由于电流的第二限制单元，在电压源与电子设备之间流通的电流保持被限制在最大强度。因此，稳定系统可遵守车载网络及与其相连接的设备的电流的约束条件。更一般性地，由于第二限制单元，系统可控制在电压源和电子设备之间的所有的电阻变化。
[0018]特别地，对于给定的电子设备电流阈值保持固定不变。换言之，对于给定的电子设备、特别地对于被激活的电子设备，电流阈值不变化。例如，电流阈值采用包括在800-1000A之间的值，尤其对于起动器。然而，电流阈值可根据电子设备的磨损状态变化。电流阈值对应于电流强度阈值。
[0019]根据一种实施方式，电流阈值是所述由电子设备所承受的最大功率、或最大电流的函数。尤其是，电流阈值是由电子设备的电机电刷或线圈所承受的最大功率、或最大电流的函数，特别地在电子设备是起动器或增压压缩器时。
[0020]根据一种实施方式，第一限制单元被构造为以将在电压源和电子设备之间流通的电流控制在第一基准强度，所述第一基准强度为所述电压变化的函数。
[0021]特别地，所述第一基准强度由电压回路生成。
[0022]根据该实施方式的一种变型，第一限制单元被构造为以在第一基准强度在绝对值上小于电流阈值时将在电压源和电子设备之间流通的电流控制在该第一基准强度;且第二限制单元被构造以在该第一基准强度在绝对值上大于电流阈值时将电压源和电子设备之间流通的电流控制在电流阈值。
[0023]根据一种实施方式，第二限制单元被构造为通过将第二基准强度施加到第一限制单元以限制在所述电压源和所述设备之间流通的电流。尤其是，该基准强度为电流阈值的函数，在电压源与设备之间流通的电流被限制在该电流阈值。特别地，该基准强度等于电流阈值。
[0024]根据一种实施方式，第一单元包括根据所述电压变化的可变电阻，所述可变电阻器与所述电压源和所述设备相串联连接。
[0025]根据前述实施方式的一种变型，所述可变电阻由电流回路根据第一基准强度或第二基准强度被控制。
[0026]特别地，在第一基准强度在绝对值上大于电流阈值时，第二限制单元输出第二基准强度至所述可变电阻。
[0027]根据前述实施方式的一种变型，所述可变电阻包括一个或多个并联的功率开关，该功率开关被构造为以线性模式运行以实现所述可变电阻。
[0028]更具体地，所述开关是晶体管，尤其是场效应晶体管。所述晶体管可以是MOSFET(英文术语为“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”，即“金属氧化物半导体场效应晶体管”)类型。
[0029]本发明还涉及一种用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定方法，在致动连接到所述网络的所述车辆的电子设备时，所述稳定系统限制为所述网络供电的电压源的电压变化，所述方法包括:
[0030]-根据所述电压源相对于基准电压的电压变化限制在所述电压源和所述设备之间流通的电流；
[0031]-将在所述电压源和所述设备之间流通的电流限制在电流阈值。
[0032]所述方法可包括与根据本发明的系统相关联的前述特征中的任何一个特征。
[0033]本发明还涉及用于被嵌装在机动车辆中的电机，该电机包括根据本发明的用于稳定车载电气网络的电源电压的集成的稳定系统。换言之，根据本发明的系统被集成在电机中。
[0034]所述电机尤其被包括在热力发动机的起动器中或热力发动机的增压压缩器中。
【附图说明】
[0035]在接下来的结合附图的描述中给出本发明的详细说明。需要注意的是，这些附图没有其他目的而仅在于说明描述文本，且不以任何方式构成对本发明范围的限制。
[0036]图1a和Ib分别表示，机动车辆的起动器在起动时，为机动车辆的车载电气网络供电的电池的电压下降以及相应的电流强度峰值，其中包括没有稳定系统(实线)和带有根据本发明的稳定系统(虚线)两种情况；
[0037]图2是根据本发明的用于稳定机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统的实施方式的简化原理图；
[0038]图3是根据本发明的用于机动车辆的车载电气网络的电源电压的稳定系统的实施例。
【具体实施方式】
[0039]图1a用实线示出，在没有稳定系统的情况下，为连接有起动器的机动车辆的车载电气网络供电的电池的端电压Ubat在热机起动时随时间的演变。
[0040]自对应于电池标准电荷的约为12伏的额定值Uo(假定为正)产生一个显著的电池电压变化仏-他，在热机起动的状态下，直至电池恢复至其额定电压Uo。
[0041]最小电压仏可能会大大低于约为7至9伏的基准电压Uref，此基准电压Uref被汽车制造商固定为不可被超越的阈值。
[0042 ]与最小电压仏对应的是由电池输出的电流I bat强度峰值Im，如图1 b所示(实线)。
[0043]通过在整个电池电压1^*趋于变得低于基准电压Uref的时间间隔Δ T内进行干预，根据本发明的稳定系统的第一电流限制单元能够将电池电压Ubat维持在该基准电压Urrf，如图1a以虚线清楚地示出。
[0044]在同样的间隔ΔT上，输出电流Ibat强度峰值的幅值被减小并达到限值U，如图1b中以虚线清楚地示出。
[0045]图2示意性地示出包括根据本发明的稳定系统I的实施例的车载网络2。电池3供电给该连接有电起动器4的网络2 (接地端连接至电池3的负极)，该电起动器4能够在机动车辆的热力发动机起动时与其机械耦合。各种其它电气负载5通常会连接至网络2。正是这些电气负载5可能会由于在起动时电池3的电压下降而使其运行受到干扰。
[0046]在稳定系统I中，第一单元100根据电池3的电压变化来限制在电池3和起动器4之间流通的电流，特别是在致动起动器4时。第二单元200将在电池3和起动器4之间流通的电流限制在电流阈值Imax，特别是在致动起动器4时。尤其是，该阈值Imax是起动器4可承受的最大电流。第二限制单元200通过将基准强度施加在第一限制单元100来限制在电池3和起动器4之间流通的电流，而不论电池3的电压变化。该基准强度尤其是电流阈值Imax的函数，期望将在电池3和起动器4之间流通的电流限制在该电流阈值Imax。更具体地，所述基准强度等于电流阈值Imax。
[0047]图3示出稳定系统I的实施例，其中，第二限制单元200被嵌套在第一限制单元100中。
[0048]稳定系统I的第一限制单元是例如线性调节器100，其被设计为通过限制起动器4的冲击电流Idem以将电池电压Ubat维持在至少基准电压Uref，以稳定起动阶段的电池电压Ubat。该线性调节器100包含并联的MOSFET类型的晶体管，这些并联的MOSFET类型的晶体管形成与起动器4串联的可变电阻6。只要电池电压Ubat保持高于基准电压Uref，晶体管被闭合(以饱和模式)且可变电阻6等同于一个具有低值RDs—QN(约为ΙπιΩ)的简单电阻。
[0049]如果电池电压Ubat下跌至低于基准电压Uref (负电压变化)，稳定系统I的第一电流限制单元100被激活且晶体管开始作为可变电阻以线性模式运行以限制起动器4的电流
Idemo
[0050]在该阶段中，晶体管受两个调节回路7、8控制，即主电流回路7和电压回路8。
[0051]—方面，主电流回路7根据第一基准强度IrrflS之后将描述的第二基准强度1^￡2来控制在起动器4中流通的电流。
[0052]另一方面，电压回路8负责提供用以维持电池电压Ubat高于基准电压Uref的必要的第一基准强度Irrfl，电池电压Uba^是网络2的电压。
[0053]考虑到以线性模式工作的晶体管的散热，有必要运用多个并联的晶体管。
[0054]实际上，如已经指出的，热机的起动需要约为1000A的电流强度Idem，而目前尚没有功率晶体管能够以线性模式在几伏下支持这样的电流强度，即几千瓦的功率。
[0055]遗憾的是，尽管处理了针对晶体管的某个确定的特性的匹配，例如互导gm，但其它参数的离差(例如阈值电压Vth)以及机械装配误差通常会导致不平衡的组合件。
[0056]如果多个MOSFET类型的晶体管并联连接而没有栅电阻，则栅-源电压对于每一个晶体管都是一样的。在这些情况下，对于所有的晶体管6阈值电压Vth不是一样的，在最坏的情况下，在晶体管6之间的电流分配有可能存在很大的差异。
[0057]即使使用新一代的MOSFET晶体管，其承受由其高互导引起的强电流，也会引发该问题。对于控制每一个晶体管6的相同的栅-源电压，晶体管中的电流可能很不相同，因此，散热可能会很不相同。
[0058]稳定系统I因此包含有主电流回路7，其由多个次级电流回路9形成，以分别控制晶体管6。以这种方式，晶体管的散热得以平衡。
[0059]每一个次级电流回路9使用与接地端连接的分流器10，以测量每一个晶体管中的源电流(在MOSFET情况下，为如所示的N-沟道;在漏极情况下，为P-沟道)，并通过运算放大器11比较所测量的源电流与基准强度Irefl、Iref2，该源电流代表着起动器4中流通的电流Idem的相同的部分。
[0060]该运算放大器11在输出端生成栅-源电压，该栅-源电压以线性模式控制晶体管的阻抗，以控制具有所需要的基准强度Irrfl、Irrf2的部分的源电流。
[0061]因每一个晶体管具有负反馈，相同的基准强度Ire3fl、Ire3f2，或更确切地代表该基准强度Irefl、Iref2的电压，能够施加于所有的控制这些晶体管的运算放大器11，而不论并联的晶体管的数量。
[0062]代表第一基准强度Ire3fl的电压通过电压回路8生成。为此，电压回路8使用根据电池3相对于基准电压Uref的电压差Uref-Ubat的另一个运算放大器12，网络2的电压Ubat施加于反相输入端，而基准电压Uref施加于正相输入端。
[0063]在图3中示出的第一电流限制单元100的使用，因以线性非切换的模式工作，具有避免电磁兼容性问题的优点。而且，由于电压回路以及电流回路7、8、9的控制装置是基于放大运算器11、12而模拟的，不需要使用复杂的微控制器。
[0064]接下来将更具体地描述第二电流限制单元200。
[0065]对于在电池3和起动器4之间给定的电阻，稳定系统1、特别是第一电流限制单元100可被确定参数。第一基准强度IreflS后被输出至可变电阻6。然而，在用另外类型的电池替换电池时，尤其在用Li/1n电池代替铅电池时，电池内阻的减小导致在电池3和起动器4之间的电阻的减小。为了避免起动器4中的过高的电流的流通，第二单元200控制在电池3和起动器4之间流通的电流以使其小于由起动器4、尤其由起动器4的电刷可承受的最大电流圖 ^[直 imax ο
[0066]在图3中所示的实施例中，当第一基准强度^出大于或等于阈值imax时，第二单元200输出代替第一基准强度第二基准强度Irrf2。该第二基准强度Irrf2等于由起动器4、尤其由起动器4的电刷可承受的最大电流阈值imax。因此，起动器4中流通的电流保持被限制在对于起动器4无害的电流。
[0067]图3中所示的实施例具有结构紧凑的优点且能够以简单的方式将第二电流限制单元200集成在第一单元100中。
[0068]另外可设置即使在第一限制单元100不运行时而使第二电流限制单元200保持激活。因此，电子起动器4始终免受过高的电流。
[0069]不言而喻，本发明不限定于上述几个实施例。
[0070]尤其是，所提及的功率晶体管的类型不是受限的，其它可执行如MOSFET—样的功能的半导体元件的使用不脱离本发明的范围。
[0071]使用集成运算放大器11也不是实现电流回路7、9或电压回路8的模拟控制装置的唯一的可能;本领域技术人员可以通过分立的或混合的现有元件以更低的成本是实现这些相同的功能。更一般地，系统I以及电流限制单元100、200可以与图2和3中所示的方式不同的方式实现。
[0072]在所描述的实施例中，调节系统I位于起动器4和接地端之间。然而，系统I可位于电池3和起动器4之间而不改变前面所描述的运行。更特别地，系统I可位于在起动器4和与电池3共用的支路端部之间的起动器4的支路上。
[0073]可以用电力驱动增压压缩器代替起动器4以相似的方式描述实施例，特别是在起动车辆的热机时瞬时激活增压器的应用中。
[0074]本发明涵盖在以下权利要求的目的的限度内的所有可能的实施变型。
【主权项】
1.一种用于稳定机动车辆的车载电气网络(2)的电源电压的稳定系统(I)，在致动连接到所述网络(2)的所述车辆的电子设备(4)时，所述稳定系统(I)限制为所述网络(2)供电的电压源(3)的电压变化，所述系统包括: -在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流的第一限制单元(100)，所述单元(100)被构造为根据所述电压源(3)的电压变化来限制在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流； -在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流的第二限制单元(200)，所述单元(200)被构造为将所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流限制在电流阈值(Imax)。2.根据权利要求1所述的稳定系统(I)，其中，所述电流阈值(Imax)是所述电子设备(4)所承受的最大功率、或最大电流的函数。3.根据权利要求1或2所述的稳定系统(I)，其中，第一限制单元(100)被构造为将所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流控制在第一基准强度(Irrfl)上，所述第一基准强度(Irrfl)是所述电压变化的函数。4.根据权利要求3所述的稳定系统(I)，其中，第一限制单元(100)被构造为当第一基准强度(I—)在绝对值上小于电流阈值(I.)时将所述电压源⑶和所述设备⑷之间流通的电流控制在该第一基准强度(Irrfl);第二限制单元(200)被构造为当该第一基准强度(Irrf1)在绝对值上大于电流阈值(I.)时将所述电压源⑶和所述设备⑷之间流通的电流控制在电流阈值(I.)。5.根据前述权利要求中任意一项所述的稳定系统(I)，其中，第二限制单元(200)被构造为通过将第二基准强度(Irrf2)施加到第一限制单元(100)来限制在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流。6.根据前述权利要求中任意一项所述的稳定系统(I)，其中，所述第一单元(100)包括根据所述电压变化的可变电阻(6)，所述可变电阻(6)与所述电压源(3)和所述设备(4)串联连接。7.根据前一权利要求和权利要求3或4和权利要求5所述的稳定系统(I)，其中，所述可变电阻(6)由主电流回路⑴根据第一基准强度(Irrfl)或第二基准强度(Irrf2)被控制。8.根据前一权利要求所述的系统，其中，在所述第一基准强度(Irrf1)在绝对值上大于电流阈值(Imax)时，所述第二限制单元(200)输出所述第二基准强度(Iref2)至所述可变电阻(6)ο9.根据权利要求6到8中任意一项所述的稳定系统(I)，其中，所述可变电阻(6)包括一个或多个并联的功率开关，其被构造为以线性模式运行以实现所述可变电阻。10.—种用于稳定机动车辆的车载电气网络(2)的电源电压的稳定方法，在致动连接到所述网络(2)的所述车辆的电子设备(4)时，所述稳定方法限制为所述网络(2)供电的电压源(3)的电压变化，所述方法包括: -根据所述电压源(3)的电压变化来限制在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流； -将在所述电压源(3)和所述设备(4)之间流通的电流限制在电流阈值(I.)。11.一种用于被嵌接在机动车辆中的电机，包括根据权利要求1至9中任意一项所述的用于稳定车载电气网络(2)的电源电压(Ubat)的集成的稳定系统(I)。
【文档编号】G05F1/565GK105892547SQ201610206347
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】G·基亚波里, P·鲍德森, M·切明, P·德拉鲁, P·勒莫伊格尼, Y·金
【申请人】法雷奥电机设备公司