激励电流受限发电机的制作方法

本发明通常涉及发电，并且特别地实施例涉及用于激励电流受限发电机的技术和机制。

背景技术：

发电机通常包括在定子线圈中的旋转线圈。可以通过改变流过旋转线圈的激励电流而控制定子线圈的输出电流。一些发电机类型诸如交流发电机通常用于包括内燃机的应用(例如客运汽车)中，从而发电机可以连接至内燃机的传动系统。

发电机可以在苛刻环境条件下经受退化性能，例如寒冷的温度和较低的旋转速度。发动机的快速循环(例如加速和减速)可以导致内燃机周期性地工作在较低发动机速度下。进一步，对于客运汽车的研究努力已经日益聚焦在降低发动机速度以便于改进燃料效率上。因此已经恶化了与在较低发动机速度下操作发电机相关联的问题。在更冷气候中在现代燃料高效汽车中发电机的性能可以进一步恶化。

恶化的发电机性能可以导致发电机超过发电机的最大额定输出，或者可以使得发电机经受来自内燃机的反扭矩。该退化的性能可以随着时间变化而损伤发电机。

技术实现要素：

通常由该公开的实施例实现技术优点，其描述了用于激励电流受限的发电机的技术和机制。

根据一些实施例，提供了一种装置。装置包括被配置用于耦合至发动机控制单元(ecu)的数字接口，被配置用于耦合至交流发电机的激励电流输入端的调节器，激励电流控制了由交流发电机产生的电流，被配置用于感测交流发电机的旋转速度的频率传感器，以及存储了由数字接口所接收的通信传输的限值以及第一持久限值的存储器，调节器被配置用于将激励电流限制为第一持久限值和通信传输的限值的较小者。

在一些实施例中，调节器被进一步配置为周期性地采用从ecu接收的数值更新第一通信传输的限值。在一些实施例中，选择从ecu接收的数值以限制由交流发电机所产生的电流。在一些实施例中，选择从ecu接收的数值以限制在交流发电机中感应生成的反扭矩。在一些实施例中，存储器进一步存储了第二持久限值，以及与第二持久限值相关联的旋转阈值，其中调节器被进一步配置为当交流发电机的旋转速度大于旋转阈值时，将激励电流限制为第二持久限值与通信传输的限值的较小者。在一些实施例中，第一持久限值大于第二持久限值。在一些实施例中，第一持久限值小于第二持久限值。在一些实施例中，调节器被进一步配置为响应于数字接口失去与ecu的连接而将激励电流限制为第一持久限值。在一些实施例中，装置进一步包括交流发电机。在一些实施例中，交流发电机包括在定子线圈中的旋转线圈。

根据一些实施例，提供了一种方法。该方法包括通过数字接口接收对于交流发电机中激励电流的通信传输的限值，响应于通信传输的限值小于持久限值而将激励电流限制于通信传输的限值，以及响应于通信传输的限值大于持久限值而将激励电流限制为持久限值。

在一些实施例中，确定持久限值包括确定交流发电机的旋转速度，以及从一个或多个持久限值选择持久限值，一个或多个持久限值均对应于下限和上限旋转速度阈值，交流发电机的旋转速度在所选择的持久限值的下限和上限旋转速度阈值之间。在一些实施例中，一个或多个持久限值包括第一持久限值和第二持久限值，第一持久限值的上限旋转速度阈值小于第二持久限值的上限旋转速度阈值。在一些实施例中，第一持久限值大于第二持久限值。在一些实施例中，第一持久限值小于第二持久限值。在一些实施例中，方法进一步包括通过数字接口接收已更新的持久限值，以及在存储器中存储已更新的持久限值。

根据一些实施例，提供了一种系统。系统包括发动机控制单元(ecu)，耦合至发动机控制单元的数字接口，耦合至数字接口的交流发电机，交流发电机包括被配置用于存储从数字接口接收的通信传输的限值以及第一持久限值的存储器，激励电流输入端，以及耦合至激励电流输入端的调节器，配置调节器以通过改变激励电流而控制从交流发电机输出的电流，配置调节器以将激励电流限制为第一持久限值和通信传输的限值的较小者。

在一些实施例中，交流发电机进一步包括耦合至交流发电机的输出端的旋转传感器，旋转传感器测量交流发电机的旋转速度。在一些实施例中，进一步配置存储器以存储第二持久限值、与第一旋转阈值相关联的第一持久限值、以及与第二旋转阈值相关联的第二持久限值，交流发电机配置用于当交流发电机的旋转速度小于第一旋转阈值时将激励电流限制为第一持久限值，交流发电机配置用于当交流发电机的旋转速度小于第二旋转阈值时将激励电流限制为第二持久限值。在一些实施例中，配置交流发电机以通过数字接口采用从ecu接收的已更新持久限值而更新存储在存储器中的第一持久限值。

附图说明

为了更完整理解本发明及其附图，现在参照结合附图的以下说明书，其中：

图1示出了汽车系统；

图2a和图2b示出了示例性的电流和扭矩输出曲线；

图3示出了功率控制器的详细示图；

图4示出了激励电流曲线；

图5示出了交流发电机过电流保护方法；

图6示出了输出电流曲线；以及

图7a和图7b示出了用于保护交流发电机的持久限值。

不同附图中对应的数字和符号通常涉及对应的部件，除非另外指示。绘制附图以清楚地示出实施例的相关特征方面并且无需按照比例绘制。

具体实施方式

以下详细讨论本公开的实施例的制作和使用。然而，应该知晓的是，在此所公开的概念可以具体化在广泛各种具体场境中，以及在此所述的具体实施例仅是示意说明性的并且并非用于限制权利要求的范围。进一步，应该理解的是，可以在此做出各种变化、替换和改变而并未脱离如由所附权利要求所限定的本公开的精神和范围。

在此公开了用于激励电流受限发电机的技术和机制。各个实施例包括在发电机中限制了施加至发电机的旋转线圈的激励电流的自保护机制。可以基于发电机的测得旋转速度而限制激励电流。可以选择激励电流限制阈值以限制以安培(a)度量的最大电流输出，和/或以牛顿-米(n-m)度量的反扭矩。可以独立于发动机控制单元(ecu)而应用各种自保护机制，ecu也监控并控制了激励电流或者旋转线圈的电源电压水平。

各个实施例可以实现优点。限制发电机的电流输出可以允许发电机工作在更苛刻的环境条件中，诸如寒冷气候，并未超出发电机的最大输出。确保发电机并未超过最大输出可以避免损坏发电机或者由发电机供电的装置，诸如客运车辆载荷。限制发电机的扭矩产生可以允许发电机工作在较低速度下，诸如客运汽车的低发动机速度，并未损坏发电机或者在汽车发动机中产生不希望的副作用，诸如哼鸣。因此可以改进燃料高效车辆的效率、可靠性、舒适性、和寿命。

图1示出了可以用于汽车或其他客运车辆诸如客车或卡车中的汽车系统100。汽车系统100包括车辆载荷102、电池104、交流发电机106以及ecu108。尽管本讨论展示在客运汽车的场境中，应该知晓的是在此所述的实施例可以适用于具有移动磁体的任何发电机。

车辆载荷102包括操作汽车系统100必需的装置。车辆载荷102的示例可以包括汽车系统100中的点火、火花塞、空调、以及娱乐系统。电池104在汽车系统100的点火期间向车辆载荷102提供初始电荷。电池104可以例如是12伏电池。额外地，电池104用作用于交流发电机106的输出的电缓冲器。

交流发电机106包括旋转线圈110、定子线圈112、整流器二极管114以及功率控制器116。旋转线圈110位于定子线圈112内侧，并且包括旋转的磁场(未示出)。旋转由定子线圈112中旋转线圈110所产生的磁场在定子线圈112的输出端处产生电流。可以存在三个定子线圈112，从而产生的功率是三相交流(ac)功率。整流器二极管114整流所产生的三相ac功率以产生直流(dc)功率。输送dc功率以为车辆载荷102供电并对电池104充电。

功率控制器116包括电压水平输入端118、旋转速度输入端120、激励电流输出端122以及数字输入/输出(i/o)124。功率控制器116耦合至交流发电机106的各个部件以使其可以控制由交流发电机106所产生的电流的量。可以通过改变旋转线圈110的激励电流而实现对所输出电流的控制。功率控制器116可以例如是专用集成电路(asic)或状态机。

电压水平输入端118耦合至整流器二极管114，从而功率控制器116可以测量由交流发电机106输出的dc功率。电压水平输入端118可以允许功率控制器116确定是否已经超过交流发电机106的输出。该保护机制可以允许功率控制器116通过减小旋转线圈110的激励电流而减小产量。

旋转速度输入120耦合至定子线圈112的一个。如上所述，可以存在多个定子线圈112，从而定子线圈112产生三相ac功率。将旋转速度输入120耦合至定子线圈112的一个允许功率控制器116测量三相ac输出的一个的频率。从每个定子线圈112输出的频率对应于交流发电机106的旋转速度。因此，通过测量来自定子线圈112的信号的一个的频率，功率控制器116可以确定交流发电机106的旋转速度(以rpm为单位)。

激励电流输出122耦合至旋转线圈110。如上所述，可以通过改变旋转线圈110的激励电流而控制交流发电机106的输出电流。因此，功率控制器116可以通过激励电流输出122而控制交流发电机106的输出电流。功率控制器116可以响应于来自ecu108的通信(如下所述)或者响应于自保护特征(也如下所述)而限制旋转线圈110的激励电流。

数字i/o124允许交流发电机106与汽车系统100中诸如ecu108之类的其他装置通信。数字i/o124可以能够双向数字通信。该通信系统的示例可以包括局域互联网(lin)。通过数字i/o124的通信可以以时间固定的时间片段而执行，诸如每隔100毫秒(ms)。数字i/o124可以与汽车系统100中其他装置分享，从而功率控制器116可以在时间片段的一部分期间仅与ecu108通信。因此，与ecu108的通信可以具有低吞吐量和高延迟。

ecu108耦合至交流发电机106和汽车系统100的其他装置(未示出)，从而可以控制并监控装置的参数。ecu108通过数字i/o124与交流发电机106通信。因为ecu108能够测量汽车系统100中的许多参数，所以ecu108可以能够比功率控制器116访问更多信息，并且在一些情形中可以能够更精确地控制由交流发电机106产生的输出电流或反扭矩。在一些实施例中，ecu108可以通过将激励电流限值通信传输至功率控制器116而控制交流发电机106的产出。

为了控制交流发电机106的输出，ecu108应该能够支持该功能。如上所述，交流发电机106和ecu108之间的数字i/o124可以是缓慢的，从而ecu无法对诸如速度之类的突然改变的条件做出响应。因此，在ecu108将新激励电流限值通信传输至功率控制器116之前，电流输出和/或反扭矩的简短峰值可以出现在交流发电机106中。进一步，数字i/o124可能故障，从而导致与交流发电机106的通信的临时或持久丢失。在丢失通信的这些时期期间，可以发生对交流发电机106的损伤。在其寿命期间，电流和/或反扭矩的这些简短峰值可以磨损交流发电机106，减小其寿命周期。进一步，这些峰值也可以损害汽车系统100的车载电源网络，诸如车辆载荷102和/或电池104。

图2a和图2b分别示出了对于在不同激励电流下交流发电机的示例性电流和扭矩输出曲线。如图2a中可见，交流发电机的最大额定电流输出约315[a]，如由图2a中虚线所示。交流发电机的输出电流曲线中的每一个随着rpm增大并且最终收敛到最终输出电流。例如，在最低激励电流出，输出电流逐渐地增大直至其在约8000rpm下输出约75[a]。相反地，在最高激励电流出，输出电流急剧增大直至其在约8000rpm下输出约350[a]。在一些实施例中，当被驱动在较低rpm下时交流发电机可以工作在更高激励电流下以便于快速地实现足够的电流输出。在一些实施例中，当被驱动在较高rpm下时交流发电机可以工作在较低激励电流下以便于避免过量电流输出。

如图2b中可见，交流发电机的最大额定扭矩输出约20[n-m]，如由图2b中虚线所示。交流发电机的输出扭矩曲线的每一个在较低rpm下具有峰值，其幅度正比于激励电流。例如，在最低激励电流下，在约3000rpm下输出扭矩峰值在约2[n-m]处。相反地，在最高激励电流处，在约3000rpm下输出扭矩峰值约27[n-m]。在一些实施例中，当被驱动在较低rpm下时交流发电机可以工作在较低激励电流下以便于避免可以损伤交流发电机的扭矩峰值。在一些实施例中，当被驱动在较高rpm下时交流发电机可以工作在较高激励电流下，因为在较高rpm下存在减小的扭矩峰值的风险。

图2a和图2b示出了在电流和扭矩峰值之间的权衡，其可以出现在较高激励电流处，并且实现足够的电流输出。足够的电流输出对于在较低激励电流处实现是困难的。这些峰值可以出现在相对较短时间段期间，从而ecu108无法以定时地方式对峰值做出响应。因此，在一些实施例中，功率控制器116可以独立于ecu108而执行交流发电机106的自保护以避免可以引起损伤的电流和/或扭矩峰值。

图3示出了功率控制器116的详细示图。功率控制器116包括总线302、通信控制器304、电池传感器306、频率传感器308、调节器310、存储器312以及主逻辑单元314。功率控制器116中的装置可以连接或不连接至总线302。

尽管它们示出作为功能组块，应该知晓的是，电池传感器306、频率传感器308以及调节器310可以包括其他部件以将功率控制器116与交流发电机106中部件接口。例如，这些装置可以包括换能器、模数转换器、数模转换器、寄存器、放大电路、支持电路等等。

通信控制器304耦合至数字i/o124，并且将交流发电机106与诸如ecu108之类的外部装置对接。如上所述，数字i/o124可以是双向数字接口，诸如lin。同样地，通信控制器304可以例如是lin控制器。

电池传感器306耦合至电压水平输入端118，从而功率控制器116可以测量电池104的输出电压水平以及来自交流发电机106的dc功率输出。电池传感器306可以例如是模数转换器(adc)。在一些实施例中，adc可以是10位adc。

频率传感器308耦合至旋转速度输入120，从而功率控制器116可以测量来自定子线圈112的一个的输出ac信号的频率。频率传感器308可以例如包括线性振荡器，诸如电阻器-电容器振荡器，其用于检测ac波形的频率。因此可以根据由整流器二极管114所整流的相位的量以及测得的频率确定交流发电机106的旋转速度。通过将ac信号的频率与发动机旋转速度相关联，功率控制器116可以确定交流发电机106的旋转速度，独立于可以经由通信控制器304通信传输的任何发动机速度参数。

调节器310耦合至激励电流输出端122，从而功率控制器116可以改变旋转线圈110的激励电流。通过改变激励电流，调节器310可以因此调节、控制并输出交流发电机106的电流。调节器310可以例如是电压调节器。

存储器312可以是易失性存储器，诸如随机存取存储器(ram)，或非易失性存储器(nvram)，诸如eeprom。在一些实施例中，存储器312包括ram和nvram。nvram可以使用熔丝、电子熔丝(e熔丝)、或一次性可编程(otp)存储器而实施。存储器312用于存储限制参数(有时称作“限值”)。限值是当改变提供至旋转线圈110的激励电流时调节器310应该观测到的最大激励电流数值。存储器312可以包括一个或多个限值，并且所施加的限值可以根据交流发电机106的不同状态而确定。

在一些实施例中，第一类型电流限值(有时称作“通信传输的限值”)可以通过通信控制器304通信传输至功率控制器116并被存储在存储器312中。当确定向旋转线圈110提供电流时可以立即考虑通信传输的限值。通信传输的限值可以存储在存储器312的ram或nvram部分中。

在一些实施例中，当确定向旋转线圈110提供的电流时可以考虑第二类型电流限值(有时称作“持久限值”)。持久限值被存储在存储器312的nvram部分中，从而可以在功率损失或者与ecu108的通信损失之后被保存在功率控制器116中。因此，功率控制器116可以能够从nvram读取持久限值并且在损失或丢失通信时期期间将激励电流限制为持久限值。例如，在车辆点火启动期间可以限制激励电流，在ecu108已经将通信传输的限值发送至功率控制器116之前。持久限值可以预编程在nvram中。在一些实施例中，可以时不时地通过通信控制器304将持久限值通信传输至功率控制器116，并且持久限值可以存储在nvram中。应该知晓，多个持久限值和/或通信传输的限值可以存储在存储器312中。

在一些实施例中，存储在存储器312中的持久限值中的每一个持久限值可以与以rpm度量的发动机旋转速度阈值相关联。调节器310可以根据由频率传感器308确定的旋转速度而选择不同持久限值以应用于激励电流。例如，第一持久限值可以与第一旋转速度阈值相关联，以及第二持久限值可以与比第一旋转速度阈值高的第二旋转速度阈值相关联。当测得旋转速度小于第一旋转速度阈值时调节器310可以应用第一持久限值，并且随后当测得旋转速度小于第二旋转速度阈值时可以应用第二持久限值。每个所应用的不同旋转速度阈值可以包括迟滞。

在一些实施例中，当限制激励电流时调节器310可以考虑持久限值和通信传输的限值。调节器310可以优选持久限值和通信传输限值的较低者，从而不超过持久限值。换言之，如果通信传输的限值低于当前所应用的持久限值，则调节器310可以允许激励电流以降低至通信传输的限值。然而，如果通信传输限值大于持久限值，则调节器310可以不允许激励电流增大超过持久限值。ecu108可以因此应用较低的通信传输限值，这可以允许ecu108执行用于交流发电机106的扭矩管理。然而，ecu108可以不采用更高持久限值而超弛交流发电机106。该保护机制可以保护交流发电机106并当输出电流快速增大时允许更快的保护反应时间。在一些实施例中，如果由电池传感器306测得的电压水平小于调节器310正应用的限值，则可以导通或关断交流发电机106的输出。

主逻辑单元314是用于功率控制器116的主处理流水线。其包括用于执行启动序列、控制调节器310和通信控制器304、以及优化、测试并调试功率控制器116的功能单元和/或电路。主逻辑单元314也可以包括用于与电池传感器306和频率传感器308交互的功能。主逻辑单元314可以基于测得的速度从存储器312选择持久限值，并且可以确定是否将持久或通信传输的限值应用于调节器310。

图4示出了对于在各个发动机速度下交流发电机实施理想输出电流所需的激励电流。理想输出电流可以是接近峰值输出电流的输出电流。如由实线所示，在较低的速度下交流发电机将不会超过峰值输出电流，甚至在最大激励电流下，因为较低的发动机速度无法产生足够功率以超过峰值输出。然而，当发动机速度增大时，对于激励电流的持久限值降低以便于防止交流发电机超过峰值输出。

在一些实施例中，存储器可以包括对应于形成了实线的每个数据点的、针对发动机速度的持久限值。功率控制器可以因此包括对于激励电流的足够的持久限值，从而交流发电机在任何发动机速度下不超过峰值输出电流。例如，假设交流发电机具有类似于图4中所示响应的输出特性，交流发电机存储器可以包括在各个旋转速度阈值(范围从0rpm至约6500rpm)下六个持久限值(范围从约6[a]至约4[a])以确保交流发电机不超过峰值电流输出。

在一些实施例中，存储器可以包括相对较少数量的持久限值。就此而言，功率控制器可以限制激励电流，从而交流发电机在大多数发动机速度下不超过峰值输出电流。例如，图4中虚线示出了其中在存储器中仅包括两个持久限值(plim1和plim2)的实施例。结果，当仅使用两个持久限值时，交流发电机可以对于一些发动机速度(在大约2500rpm和3500rpm之间的小区段)超过或跌落低于峰值电流输出，但是将通常工作在理想输出处或附近。或多或少可以使用持久限值，从而交流发电机的响应特性是理想输出的更接近或更远的近似。

图5示出了交流发电机过电流保护方法500。交流发电机过电流保护方法500可以指示当应用持久或通信传输的限值至由调节器310所产生激励电流时出现在功率控制器116中的操作。

交流发电机过电流保护方法500开始于计算通信传输的限值(步骤502)。通信传输的限值可以从ecu接收。通信传输的限值可以周期性地由ecu更新。接着，计算持久限值(步骤504)。持久限值的计算可以包括根据交流发电机的测得旋转速度选择持久限值。接着，如果持久限值超过通信传输的限值(步骤506)，则持久限值用于限制激励电流(步骤508)。然而，如果持久限值并未超过通信传输的限值(步骤506)，则通信传输的限值用于限制激励电流(步骤510)。一旦选择了持久或通信传输的限值，数值随后传递至调节器(步骤512)。调节器可以随后选择用于旋转线圈的、不超过所选择限值的激励电流。

图6示出了当数个持久输出限值应用于交流发电机时的输出电流曲线。如图所示，第一持久限值plim1适用于小于发动机速度阈值s12的速度。第二持久限值(plim2)适用于大于发动机速度阈值s12的速度。因此，当应用第一(较高)持久限值时输出电流接近目标最大电流输出。在输出电流超过最大电流输出之前，应用第二(较低)持久限值以使得减小输出电流。因此，交流发电机的输出电流可以不超过最大电流输出，避免对交流发电机的损伤。

图7a和图7b分别示出了用于保护交流发电机免受过量电流输出和过量反扭矩的持久限值。图7a示出了两个持久限值的应用，其中在较高发动机速度下应用较低持久限值。因此，图7a示出了对于工作在过电流保护模式下功率控制器的激励电流。

图7b示出了两个持久限值的应用，其中在较高发动机速度下应用较高持久限值。因此，图7b示出了对于工作在过扭矩保护模式下功率控制器的激励电流。如由虚线所示，可以在电流限制和扭矩限制工作模式下均应用迟滞。

尽管已经详细描述了说明书，应该理解的是可以做出各种改变、替换和变更而并未脱离如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围。此外，本公开的范围并非意在限定于在此所述的特定实施例，因为本领域普通技术人员将易于从本公开知晓当前现有或者稍后待研发的工艺、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤可以执行与在此所述对应实施例基本上相同的功能或者实现基本上相同的结果。因此，所附权利要求意在在它们的范围内包括这些工艺、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。