電壓調(diào)節(jié)器裝置制造方法
【專利摘要】描述了一種電壓調(diào)節(jié)器裝置（10），所述電壓調(diào)節(jié)器裝置（10）適用于包括至少一個(gè)發(fā)電機(jī)和至少一蓄電池（12）的機(jī)動(dòng)車輛類型的電力系統(tǒng)，所述發(fā)電機(jī)由三相發(fā)電機(jī)構(gòu)成，所述電壓調(diào)節(jié)器裝置（10）包括整流器橋和設(shè)置有第一系列功率元件（20）的升壓電路（16），其特征在于，所述升壓電路（16）包括一個(gè)或多個(gè)電感器（14），為了將相位電壓升高至高于由所述蓄電池（12）所提供的電壓電平，所述升壓電路（16）利用一個(gè)或多個(gè)電感器（14）的定子相位的繞組電感，使得在所述車輛本身的發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)非常低時(shí)，也能夠向所述車輛的電力負(fù)載供應(yīng)電流。
【專利說(shuō)明】電壓調(diào)節(jié)器裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電壓調(diào)節(jié)器裝置，具體地適用于諸如摩托車的機(jī)動(dòng)車輛的電力系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]電壓調(diào)節(jié)器或穩(wěn)壓器為意圖插入在電力發(fā)電機(jī)與一個(gè)或多個(gè)電力負(fù)載之間的裝置。電壓調(diào)節(jié)器或穩(wěn)壓器在預(yù)置時(shí)間段內(nèi)接收具有可變值的輸入電壓，并且獨(dú)立于由電力負(fù)載所汲取的電流強(qiáng)度產(chǎn)生具有預(yù)置、精確且穩(wěn)定值的輸出電壓。
[0003]具體參考摩托車，通常的機(jī)動(dòng)車輛的電力和電子組件通常能夠汲取不是特別高的最大電壓，并且也會(huì)被電壓振蕩嚴(yán)重?fù)p壞。反之亦然，電壓降低可伴隨有用于車輛的正常運(yùn)行的電力供應(yīng)不足。因此，在機(jī)動(dòng)車輛上使用電壓調(diào)節(jié)器允許在不引起故障的前提下將電壓維持在車輛的電力或電子組件其本身可以接受的范圍內(nèi)。
[0004]用于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)分流電壓調(diào)節(jié)器提供了使用二極管橋以將由車輛的吸熱型發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的三相電壓發(fā)生器所提供的信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電壓，從而能夠?qū)Υ嬖谟谲囕v本身上的蓄電池(電池)再充電。這樣的電壓調(diào)節(jié)器通過(guò)在以下圖1中所示的原理方案來(lái)表示。
[0005]在圖2中，由車輛電壓發(fā)生器所產(chǎn)生的三個(gè)正弦波在時(shí)間上的變化是示意性的。所產(chǎn)生的這些正弦波相互偏移120°。通過(guò)使用三相二極管橋使這些正弦信號(hào)完全為正，因此，為每個(gè)相位獲得的信號(hào)趨勢(shì)如在圖3中示出的。因?yàn)槎O管橋充當(dāng)包絡(luò)檢波器，故所獲得的輸出(exiting)波形是在圖4中所表示的波形。
[0006]貫穿半波的整個(gè)持續(xù)時(shí)間，電壓發(fā)生器借助于三個(gè)另外的功率元件進(jìn)行調(diào)節(jié)的管理，例如，該三個(gè)另外的功率元件諸如晶閘管或SCR (“可控硅整流器”)，并且在達(dá)到電池最大電壓后被啟用并且提供至地的短路。這樣，沒有另外的能量供應(yīng)至電池，電池本身的電壓不會(huì)進(jìn)一步提升。
[0007]已知類型的電壓發(fā)生器的主要缺點(diǎn)涉及由于低效率導(dǎo)致的電壓發(fā)生器的所有三個(gè)操作階段，即:
[0008]I)在向電池供電的供電階段期間，其中由于在橋的二極管上發(fā)生電壓損耗，故存在在70%與80%范圍之間的產(chǎn)率，其中二極管利用發(fā)生器所提供的全部電流來(lái)運(yùn)行；
[0009]2)在調(diào)節(jié)階段期間，因?yàn)橛砂l(fā)生器所提供的整個(gè)電流流過(guò)控制晶閘管，故發(fā)生機(jī)械功率損耗。該機(jī)械功率損耗以熱的形式在內(nèi)部被浪費(fèi)；
[0010]3)在點(diǎn)火階段期間，因?yàn)檎髌鳂虻亩O管處在反轉(zhuǎn)偏置的狀態(tài)下，因此阻止了它們導(dǎo)電，故發(fā)生器電壓未超過(guò)電池電壓電平并且不可能向電池本身提供能量。
[0011]最初的兩個(gè)方面的結(jié)果是在機(jī)動(dòng)車輛上安裝的電能生成系統(tǒng)與實(shí)際需要相比必須是大型的，以解決在電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的損耗，伴隨著增加了燃料消耗和污染物排放的結(jié)果。此外，已知類型的電壓調(diào)節(jié)器裝置需要合適的散熱設(shè)備，例如，諸如在圖5中所示的散熱設(shè)備。
[0012]相反，此后者的方面限制了制造具有較低最小狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性、以及在沒有電池的情況下借助于使用腳踏起動(dòng)器起動(dòng)電噴供應(yīng)的車輛的可能性。此后者的問(wèn)題具體涉及摩托車和機(jī)動(dòng)腳踏兩用車。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此，本發(fā)明的目的是制造一種具體適用于機(jī)動(dòng)車輛的電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器裝置，其能夠以極其簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且特別實(shí)用的方式解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。
[0014]詳細(xì)地，本發(fā)明的目的是制造一種能夠向電池傳送從發(fā)電機(jī)(發(fā)生器)獲得的幾乎全部能量的電壓調(diào)節(jié)器裝置。
[0015]本發(fā)明的另一目的是制造一種避免在整流器橋的二極管上消耗能量，因此減小在功率元件上的電壓損耗的電壓調(diào)節(jié)器裝置。
[0016]本發(fā)明的另一目的是制造一種不需要特別復(fù)雜并且龐大的散熱系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)
器裝置。
[0017]通過(guò)制造如在權(quán)利要求1中闡述的具體適用于機(jī)動(dòng)車輛的電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]參考示意性附圖，通過(guò)以非限制性示例給出的以下描述來(lái)強(qiáng)調(diào)根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置的另外的特性和優(yōu)勢(shì)，附圖中:
[0019]圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造的電壓調(diào)節(jié)器裝置的原理方案；
[0020]圖2是示出了通過(guò)普通的機(jī)動(dòng)車輛的電壓發(fā)生器所產(chǎn)生的三個(gè)正弦信號(hào)在時(shí)間上的變化的示圖；
[0021]圖3是示出了圖2的信號(hào)被三相二極管橋整流之后的示圖；
[0022]圖4是示出了來(lái)自圖1的電壓調(diào)節(jié)器裝置的輸出電壓的波形的示圖；
[0023]圖5示出了適用于如在圖1中所示的電壓調(diào)節(jié)器裝置的散熱元件；
[0024]圖6示出了適用于根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器的升壓電路、O電壓提升電路；
[0025]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置的整個(gè)電路；以及
[0026]圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置運(yùn)行的框圖方案。
【具體實(shí)施方式】
[0027]具體參考圖6至圖8，顯示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置，該電壓調(diào)節(jié)器裝置具體適用于機(jī)動(dòng)車輛，尤其是摩托車的電力系統(tǒng)，并且通常使用參考標(biāo)號(hào)10來(lái)表示。詳細(xì)地，機(jī)動(dòng)車輛的電力系統(tǒng)是這樣的類型，其包括至少一個(gè)發(fā)電機(jī)(未示出)、通常的三相發(fā)電機(jī)(交流發(fā)電機(jī))以及至少一個(gè)蓄電池12，例如，諸如普通的12伏電池。
[0028]為了使蓄電池12再充電系統(tǒng)最優(yōu)化至車輛的最小旋轉(zhuǎn)狀態(tài)(regime)，需要向電池12本身傳送從發(fā)電機(jī)獲得的幾乎全部的能量。這是通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置10中利用一個(gè)或多個(gè)電感器14的定子相位的繞組電感以實(shí)施升壓電路16或電壓提升裝置來(lái)獲得的，根據(jù)在圖6中所示的原理方案，該升壓電路16或電壓提升裝置允許將相位電壓提升至高于由蓄電池12所提供的電壓電平，使得能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)具有非常低的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)向車輛的電力負(fù)載供應(yīng)電流。[0029]基本上，在整流器橋的下部的開關(guān)關(guān)閉期間，能量被存儲(chǔ)在電感器14中。此能量作為額外電壓返回至開關(guān)的打開，該額外電壓允許觸發(fā)存在于整流器橋上部中的三個(gè)二極管18，因此允許向蓄電池12供應(yīng)能量。
[0030]升壓電路16必須使用在整流器橋的下部上、以關(guān)閉和打開兩種方式在任意時(shí)間均可控的功率元件20，以及被布置在整流器橋上部中的上述二極管18來(lái)制造。根據(jù)本發(fā)明，這樣的功率元件20由第一系列的三個(gè)MOSFET型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成，其中，根據(jù)在圖6中所示的原理方案，可以使用各自的續(xù)流二極管22作為整流器元件和通道關(guān)閉來(lái)執(zhí)行調(diào)節(jié)和提升電壓的功能(升壓)。為了在運(yùn)行期間使電壓調(diào)節(jié)器裝置10的產(chǎn)率最優(yōu)化，引入了通過(guò)減少在功率元件上的電壓損耗以避免在整流器橋的二極管18上消耗能量的措施。根據(jù)在圖7中所示的原理方案，該措施提供了在整流器橋的上部中還設(shè)置第二系列功率元件24，其中第二系列功率元件24由三個(gè)MOSFET型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。在這樣的MOSFET型場(chǎng)效應(yīng)晶體管24之中，可以在升壓階段期間使用續(xù)流二極管26作為整流器元件。相反，在升壓階段結(jié)束時(shí)該續(xù)流二極管26被旁路。
[0031]基本上，當(dāng)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)值(在該值之外，升壓方法不再起作用)時(shí)，使用由三相發(fā)電機(jī)所生成的三個(gè)半波以同步方式驅(qū)動(dòng)整流器橋的第一 MOSFET系列20和第二MOSFET 系列 24。
[0032]當(dāng)相關(guān)的續(xù)流二極管22、26變?yōu)橹苯訉?dǎo)電時(shí)，立即使用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)M0SFET20、24。
[0033]如此，通過(guò)具有非常低的阻抗的元件替代傳統(tǒng)的二極管，該元件大幅地減少了在整流器橋上的能量消耗，因此增加了電壓調(diào)節(jié)器裝置10的產(chǎn)率。使用此驅(qū)動(dòng)類型，可以實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)率可超過(guò)95%，這允許在保持由蓄電池12供應(yīng)的能量恒定的同時(shí)，與根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)制造的電壓調(diào)節(jié)器相比更加大幅地降低了冷卻系統(tǒng)的使用。
[0034]為了能夠?qū)嵤┥厦婷枋龅乃泄δ?，根?jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置10被設(shè)置有為每個(gè)M0SFET20、24產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)的微處理器28，以及用于驅(qū)動(dòng)整流器橋的上部和下部的特定接口驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)續(xù)流二極管22、26接近直接導(dǎo)電時(shí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)M0SFET20、24的算法被表示在圖8中。此算法被提供用于同步驅(qū)動(dòng)每個(gè)M0SFET20、24，其中整流器橋的發(fā)電機(jī)被實(shí)施為如下:
[0035]如果電壓調(diào)節(jié)器裝置10中的電壓部分(phase) Vfase n大于或等于電池12的正電位Vbatt,則斷開第一系列的M0SFET20，使得不短路電池12，并且接通作為M0SFET24的第二系列功率元件24，從而使得電流可以通過(guò)低阻抗路徑而從發(fā)電機(jī)流向電池12但不通過(guò)續(xù)流二極管26。相似地，如果電壓調(diào)節(jié)器裝置10中的電壓部分Vfase n低于或等于電池12的負(fù)電位Gbatt,則斷開第二系列M0SFET24，使得不短路電池12，并且接通作為M0SFET20的第一系列M0SFET20，從而使得電流可以通過(guò)低阻抗路徑而從發(fā)電機(jī)流向電池12但不通過(guò)續(xù)流二極管22。
[0036]如此，已示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器裝置實(shí)現(xiàn)了上面闡述的目的。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的由此設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器裝置允許任意的多個(gè)變形和變化，所有的變形和變化均落在相同發(fā)明概念的保護(hù)范圍內(nèi)；此外，所有的細(xì)節(jié)可以通過(guò)技術(shù)等效元件替換。在實(shí)踐中，根據(jù)技術(shù)需要所使用的材料以及形狀和尺寸將能夠是任何材料以及形狀和尺寸。 [0038] 因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍通過(guò)所附權(quán)利要求來(lái)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，所述電壓調(diào)節(jié)器裝置適用于包括至少一個(gè)發(fā)電機(jī)和至少一蓄電池(12)的機(jī)動(dòng)車輛類型的電力系統(tǒng)，所述發(fā)電機(jī)由三相發(fā)電機(jī)構(gòu)成，所述電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)包括整流器橋和設(shè)置有第一系列功率元件(20)的升壓電路(16)，其特征在于，所述升壓電路(16)包括一個(gè)或多個(gè)電感器(14)，所述一個(gè)或多個(gè)電感器的定子相位的繞組電感被用于將相位電壓升高至高于由所述蓄電池(12)所提供的電壓電平，使得在所述車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)非常低時(shí)，也能夠向所述車輛的電力負(fù)載供應(yīng)電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，所述第一系列功率元件(20)由三個(gè)MOSFET型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成，其中，能夠利用作為整流器元件的各自的續(xù)流二極管(22)以及通道關(guān)閉來(lái)執(zhí)行調(diào)節(jié)和升高電壓的功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，在所述整流器橋的上部中存在三個(gè)二極管(19)，所述整流器橋的下部中的開關(guān)關(guān)閉時(shí)存儲(chǔ)在所述電感器(14)中的能量作為額外電壓進(jìn)一步在所述開關(guān)打開時(shí)被返回，所述額外電壓允許觸發(fā)所述三個(gè)二極管(18)以將電流供應(yīng)給所述蓄電池(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，在所述整流器橋的所述上部中存在第二系列功率元件(24)，所述第二系列功率元件由三個(gè)MOSFET型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成，其中能夠在升高電壓階段期間使用各自的續(xù)流二極管(26)作為整流器元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，所述電壓調(diào)節(jié)器裝置配備有為每個(gè)系列的功率元件(20 ;24)產(chǎn)生所需要的驅(qū)動(dòng)的微處理器(28)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，所述電壓調(diào)節(jié)器裝置配備有專用于驅(qū)動(dòng)所述整流器橋的所述上部和所述下部的接口驅(qū)動(dòng)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)，其特征在于，當(dāng)相關(guān)續(xù)流二極管(22 ;26)進(jìn)入直接導(dǎo)通時(shí)，立即由所述微處理器(28)通過(guò)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)系列的功率元件(20 ;24)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)方法包括以下階段: -如果在所述電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)中的電壓部分(Vfase n)大于或等于所述蓄電池(12)的正電位(Vbatt),則斷開第一系列功率元件(20)，使得所述蓄電池(12)不短路，并且接通第二系列功率元件(24)，使得電流能夠通過(guò)如所述第二系列功率元件(24)的低阻抗路徑并且不通過(guò)所述續(xù)流二極管(26)而從所述三相發(fā)電機(jī)流向所述蓄電池(12)； -如果在所述電壓調(diào)節(jié)器裝置(10)中的所述電壓部分(Vfase n)低于或等于所述蓄電池(12)的負(fù)電位(Gbatt),則斷開所述第二系列功率元件(24)，使得所述蓄電池(12)不短路，并且接通所述第一系列功率元件(20)，使得所述電流能夠通過(guò)如所述第一系列功率元件(20)的低阻抗路徑并且不通過(guò)所述續(xù)流二極管(22)而從所述三相發(fā)電機(jī)流向所述蓄電池(12)。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK103717438SQ201280035373
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月26日
【發(fā)明者】安德烈亞·貝洛米尼, 讓保羅·米拉尼 申請(qǐng)人:比亞喬公司