在具有燃烧发动机的车辆中用于向箱供电的车载AC发电机的制作方法

在具有燃烧发动机的车辆中用于向箱供电的车载ac发电机
技术领域
[0001]
本发明总体上涉及在内燃发动机车辆中生成ac电力以供ac配件使用，并且更具体地，涉及一种用于在车辆驻车时满足增加的ac电力需求的可重新配置的dc电气系统。


背景技术：

[0002]
由内燃发动机驱动的汽车、卡车和其他机动车辆通常已采用基于约12伏的dc电压的电气系统。dc电力来自蓄电池(标称12v)和交流发电机。交流发电机由发动机驱动并且由电压调节器控制，该电压调节器改变交流发电机的输出以对电池再充电并且在连接到各种dc负载(例如，起动电动机)的dc总线上保持期望的电压。如本文所使用的标称电压是指电压分类。实际电压可能与标称值不同。例如，12v电池的开路休眠电压可为约12.7v，并且出于充电目的，12v调节器的输出可高达约14.5v。两个标称提供12v的电池可各自串联连接以提供高dc电压。高dc电压在本文中被称为具有标称24伏，但是电池的开路电压和给串联连接的电池充电的交流发电机的目标电压更高。
[0003]
具体地，在需要大量电力的路程中(在驾驶期间以及在驻车时)可能会使用皮卡车。一些大的电气负载包括电动助力转向(epas)致动器和电动制动助力器(ebb)。另外，卡车通常配备有附加装备诸如扫雪机，具有非常高的dc电力要求。供应dc电力的交流发电机和电池必须足够大以满足需求。为了利用现有的(即，批量生产的)交流发电机产品并且充分利用发动机舱中的可用空间，可使用两个或更多个并联连接的单独的交流发电机(这避免了使用特别大的交流发电机并且允许将单独的交流发电机布置在发动机的相对侧上)。有时，也使用两个或更多个并联连接的电池，以在发动机不运转时提供更大的容量以及在发动机运转时(尤其是柴油发动机)处理功率瞬变(例如，激增或下降)。
[0004]
为了促进便携式电子装置的使用，车辆通常包括呈插口形式的一个或多个电力连接点，所述便携式装置可插入到所述插口中以接收电力。当首次引入时，电力连接点被设计为供应与如固定车辆负载使用的相同的12vdc。最近，已将dc/ac逆变器引入到车辆中，以用于向被配置为接受(如建筑物中所使用的)标准壁式插座的电力连接点供应110v 60周ac。因此，可被供电的便携式装置包括ac负载，诸如膝上型电脑、娱乐装置、电池充电器和电动工具。ac电源插座可位于乘客舱、货舱或卡车货厢中。该特征有时被称为向箱供电(power-to-the-box，pttb)。
[0005]
对于工作卡车、应急车辆和其他重型车辆，期望ac逆变器具有2kw的稳态输出容量和高达4kw的浪涌容量。为了获得这种水平的输出功率以及合理的效率，优选利用高于标准dc总线提供的12v的逆变器输入电压。因此，已使用在标称24vdc下操作的单独的dc总线，其中辅助24v电池和辅助24v交流发电机连接到该单独的总线以专门为dc/ac逆变器供电。然而，仅为ac电源插座提供备用的电池和交流发电机会导致大量的制造成本。另外，另一交流发电机的包装空间可能不可用或难以提供。


技术实现要素：

[0006]
在本发明的一个方面，一种车辆设备包括动力传动系统，所述动力传动系统具有驻车/怠速状态。第一电池在相应的正端子和负端子之间提供标称dc电压，其中所述正端子与第一总线段连接。第二电池在相应的正端子和负端子之间提供标称dc电压，其中所述正端子与第二总线段连接。ac逆变器具有驻车/怠速模式，当向所述ac逆变器的输入端供应大于所述标称dc电压的高dc电压时，所述驻车/怠速模式在出口处生成ac电力。开关模块将所述第一总线段和所述第二总线段可选择地互连，其中所述开关模块具有标称状态，在所述标称状态中，每个电池的所述相应的负端子连接到电路接地，并且其中所述开关模块具有双电压状态，在所述双电压状态中，所述第二电池的所述负端子连接到所述第一电池的所述正端子。由所述动力传动系统驱动的第一交流发电机向所述第二总线段提供经调节的电压。所述经调节的电压在所述开关模块处于所述标称状态时对应于所述标称dc电压并且在所述开关模块处于所述双电压状态时对应于所述高dc电压。
附图说明
[0007]
图1是示出了现有技术的电气系统的框图。
[0008]
图2根据一个优选实施例的电气系统的示意性框图，其中开关模块处于标称状态。
[0009]
图3是图2的电气系统的示意性框图，其中开关模块处于双电压模式以用于向ac逆变器供应电力。
[0010]
图4是电气系统的另一实施例的示意性框图，其中开关模块处于双电压状态。
[0011]
图5是本发明的电气系统的另一实施例的示意性框图，其中12vdc负载组被单独连接到高压总线段和低压总线段以便提供负载平衡。
具体实施方式
[0012]
图1示出了车辆电气系统的某些元件，其中12v总线10由连接在总线10和电路接地12之间的至少一个12v电池11供电。为了增加存储容量以及出于其他原因，也可将一个或多个任选的电池13连接在总线10和电路接地12之间。例如，一些柴油发动机可利用两个或更多个电池以便获得可靠的发动机起动。
[0013]
也将一对12v交流发电机14和15连接在总线10和接地12之间。获得了增强的电力供应能力，这在具有各种dc负载的工作卡车(work truck)中特别有用。dc负载包括所有类型的车辆共有的传统低功率负载16(诸如电子控制器、气候控制部件、音频部件、照明设备和其他配件)，以及高功率负载(包括epas系统17和扫雪机致动器18)。
[0014]
即使包含并行操作的多个电池和多个交流发电机的电气系统提供了增强的容量，先前也有必要进一步复制部件以便操作高功率ac逆变器20。具体地，各自额定为标称24v的电池21和交流发电机22连接到单独的总线23。可在必要时激活单独的24v系统，以用于使ac电源插座通电。
[0015]
图2示出了用于提供足够的容量来操作高功率(例如，2kw至4kw)ac逆变器而无需图1所示架构的附加交流发电机的改进的系统。图2的布置可以为在正常驾驶循环期间操作的所有12v负载供电，然后在车辆驻车和怠速时重新配置为支持ac电力生成和某些dc负载的继续操作。这满足了用户的需求，因为通常仅在车辆驻车时才使用高功率ac电力(例如，
电动工具)。
[0016]
第一总线段30从电池31和交流发电机32连续地接收12v的标称电压。一组常规dc负载33连接到总线30。第二总线段35经由开关模块36与第一总线段30可选择地互连。可使用包括mosfet、igbt或机械继电器的众所周知的装置来实现开关模块36，以提供双刀双掷开关37和38。开关38的输入端连接到第一总线段30。开关37的输入端连接到第二电池40的负端子，该第二电池提供标称12v电压并且其正端子连接到第二总线段35。图2示出了配置为处于标称状态的开关模块36，其中开关38的输入端连接到输出端，该输出端直接连接到第二总线段35。在标称状态下，开关37的输入端连接到开关37的输出端，该输出端连结到电路接地41。因此，总线段30和35直接连接，而电池31和40以及交流发电机32和42从总线段30/35到电路接地41并联放置。
[0017]
在该实施例中，交流发电机42可在作为12v交流发电机或24v交流发电机操作之间切换。在图2的标称状态下，该交流发电机作为12v交流发电机操作。交流发电机42被设计成能够在向其转子的磁场线圈供应了对应的电流时支持24v操作(将与如下所述的操作ac逆变器结合使用)。在开关模块36的标称状态下，使用到场线圈的较低电流将交流发电机42调节到标称12伏(这导致与图1的12v部分等效的标称12v操作)。调节器43连接到交流发电机42，以用于响应于来自控制器44的控制信号控制场电流。由控制器44基于来自人机界面(hmi)45和动力传动系统控制模块(pcm)46的输入信号来命令12伏操作或24伏操作。
[0018]
hmi 45可包括选择按钮或菜单，以供用户生成打开命令或关闭命令以可选择地激活ac逆变器46(即，向箱供电或pttb单元)。动力传动系统控制模块46耦合到内燃发动机47和变速器控制器48，如本领域所公知的。仅在动力传动系统处于驻车和怠速状态时(如由pcm 46与发动机47和变速器48交换的命令和控制数据所确定)，控制器44才允许ac逆变器46在高功率模式下操作。除非车辆处于驻车/怠速状态并且用户已请求了高功率ac逆变器操作，否则开关模块由控制器44置于图2的标称状态。另外，控制器44将调节器43配置为12伏模式，使得交流发电机42中的场电流以在第二总线段35上提供标称12v的方式进行调节(同时还命令ac逆变器46处于关闭状态)。
[0019]
当动力传动系统处于驻车/怠速状态时，用户可操纵hmi 45来发起ac逆变器的接通，以用于向出口电力连接点(诸如卡车货厢中的向箱供电单元)提供ac电力。因此，控制器44将开关模块36重新配置为图3所示的双电压状态。在双电压状态下，开关38的输入端连接到其第二输出端，该第二输出端直接连接到开关37的第二输出端。由于开关37的输入端与电池40的负端子连接，因此电池31的正端子与电池40的负端子互连。电池40和31串联连接在总线段35和电路接地41之间，使得总线段35接收标称24v功率水平。ac逆变器46可由控制器44接通，使得该ac逆变器基于24v输入有效地生成ac电力。另外，控制器44命令调节器43以全24v模式调节交流发电机42。
[0020]
当处于双电压状态时(例如，在驻车和以1600rpm怠速时)，双电压交流发电机42处理ac逆变器46的功率，而标准12v交流发电机32处理正常12v负载(例如，空调、加热座椅等)的功率。如果需要，可断开在驻车时不需要的某些dc负载，以避免不必要的功率耗用。
[0021]
在标称状态和双电压状态之间切换时，优选遵循过渡序列，这使得不期望的电压瞬变的发生和影响最小化。当做出改变电气系统的状态的决定时，控制器44首先经由各种车辆多路复用网络(例如，can和lin)发布信号，以关闭不需要的电子器件/控制模块并且停
用过渡期间不需要的其他负载。然后，交流发电机的场电流减小(例如，减小到零)，使得在交流发电机中生成减小的功率。然后，可切换开关模块36的状态，接着恢复交流发电机的场电流以达到目标(即，经调节的)电压，然后激活或停用ac逆变器。
[0022]
图4示出了可进一步提高供电能力而无需进一步增加所使用的交流发电机的数量的本发明的替代性实施例。第一总线段50和第二总线段51使用开关模块55可选择地互连。第一总线50通过电池52耦合到电路接地53(使第一总线段50成为12伏总线)。正常的dc负载56由总线50供电。
[0023]
第二总线段51连接到标称电压为12v的电池54的正端子。电池54的负端子连接到开关模块55中的成组的双刀双掷开关中的一个的输入端。图4示出了处于双电压状态的开关模块55，该双电压状态将电池54的负端子与第一总线段50连接，使得第二总线段51变为24伏总线。在标称状态中(未示出)，开关模块55将电池54的负端子连接到电路接地53并且将总线段50和51直接连接在一起。
[0024]
ac逆变器57耦合到第二总线段51并且由控制器60控制。控制器60还控制一对交流发电机61和62，该对交流发电机的输出端连接到第二总线段51。交流发电机61和62两者同时以12v模式或24v模式操作，这取决于第二总线段51是以12v还是24v操作。在该配置中，交流发电机61和62两者支持向ac逆变器57的功率传递。电池52和54两者的再充电以及向负载56的功率传递也通过来自交流发电机61和62的功率传递进行处理。
[0025]
由于图4中的交流发电机61和62仅通过电池54的再充电电流同时向电池52和54(串联)以及向负载56传递功率，因此由ac逆变器57耗用的功率与负载56相比之间的负载不平衡可能会导致电池52和54之间的荷电状态不相等。为了改善电荷平衡，可使用如图5所示的实施例。第一总线段70和第二总线段71使用开关模块72可选择地互连。第一总线70通过电池73耦合到电路接地74(使第一总线段70成为12伏总线)。第一组dc负载75由总线70供电。
[0026]
第二总线段71连接到标称电压为12v的电池76的正端子。电池76的负端子连接到开关78(该开关为开关模块72中的成组的双刀双掷开关中的一个)的输入端。图5示出了双电压状态，该双电压状态将电池76的负端子与第一总线段70连接(使得第二总线段71变为24伏总线)。在标称状态(未示出)中，开关78将电池76的负端子连接到电路接地74。在该实施例中，当处于标称状态时，总线段70和71是隔离的。
[0027]
第二组dc负载80在第二总线段71和开关模块72中的开关79的输入端之间。开关79在标称状态下将负载80的低压侧连接到电路接地74并且在双电压状态下将该低压侧连接到电池73的正端子(即，连接到第一总线段70)。在双电压状态下，负载80提供从交流发电机83/84到第一总线段70的交流电路径(例如，以用于给电池73充电)。为了改善负载平衡，负载80可以是可通过控制器81调整，如下所述。
[0028]
ac逆变器82耦合到第二总线段71并且由控制器81控制。控制器81还控制一对交流发电机83和84，该对交流发电机的输出端连接到第二总线段71。交流发电机83和84两者同时以12v模式或24v模式操作，这取决于第二总线段71是以12v还是24v操作。控制器81还连接到指示器85(诸如外部信号灯)，该指示器可根据pttb单元是否激活而被点亮。稳定的点亮可用于指示正常操作，而闪烁的点亮可用于指示发生了故障。
[0029]
通过将dc负载分成组75和80，可将电池73和76的荷电状态保持得更接近相等。优
选地选择包括在平衡负载80内的特定dc负载，以便1)增加负载组80和75的功率耗用近似相等的可能性，以及2)使额外的布线成本最小化。平衡功率耗用有助于使第一总线段70上的中点电压保持接近第二总线段71上电压的一半。关于布线，有必要去除每个平衡负载80与通常提供电路接地的车辆金属板的直接连接，使得负载80的低压侧可以被可选择地连接到电路接地(对于标称状态)或连接到电池73和76之间的总线段70上的中点电压(对于双电压状态)。为了减少增加的布线，可选择相对大的负载，使得更少的部件需要额外的布线。大负载可包括电热塞、柴油机尾气处理液加热器、玻璃窗加热器和挡风玻璃雨刮器驻车加热器。
[0030]
另外，被选择为包括在平衡负载80中的特定负载可优选地包括能够以可变输入功率操作的负载。这允许对负载80两端的电压降进行实时调整，从而能够调节第一总线段70上的电压。与加热车辆的一部分(再一次使用电热塞、柴油机尾气处理液加热器、玻璃窗加热器和挡风玻璃雨刮器驻车加热器)相关联的负载是优选的，因为可以使用脉冲宽度调制(pwm)来限制传递到这些负载的功率。可向上调整或向下调整pwm占空比，以增大或减小中点电压。在图5中，控制器81被连接以监测总线段70和71上的电压，以便将总线70上的中点电压与总线段71上电压的一半进行比较。
[0031]
当发起双电压状态时，第二组负载80初始被设置为降低的功率消耗(例如，使用80％的pwm占空比)。控制器81检查中点电压是否在目标电压的预定偏移内(该中点电压被定义为高压总线上的所测量的电压的一半)。如果是，则不需要进一步的调整。如果中点电压小于目标电压(在偏移的情况下)，则pwm占空比增大预定步长(例如，1％)。提高pwm占空比会略微提高电池73的充电电压。预定偏移和步长被优选地选择成在控制回路中提供滞后。
[0032]
如果中点电压大于目标电压(在偏移的情况下)，则pwm占空比减小预定步长。降低占空比会略微降低电池73的充电电压。因此，在接合了pttb单元时，可优化电池73和76的荷电状态。
[0033]
根据实施例，本发明的特征还在于控制器，所述控制器耦合到所述总线段和所述第二多个dc负载，其中所述控制器监测所述第一总线段上的第一电压和所述第二总线段上的第二电压；其中所述控制器在所述双电压状态期间调整所述第二多个dc负载的总功率消耗，以将所述第一电压维持在所述第二电压的大致一半。
[0034]
根据实施例，所述第二多个dc负载由用于加热所述车辆的一部分的至少一个负载组成。
[0035]
根据实施例，所述第二多个dc负载由适配成具有进行了脉宽调制以便调整所述第二多个dc负载的总功率消耗的输入功率的至少一个负载组成。
[0036]
根据实施例，本发明的特征还在于控制器，所述控制器耦合到所述ac逆变器、开关模块和第一交流发电机；其中所述控制器接收指示所述动力传动系统是否处于所述驻车/怠速状态以及用户是否请求致动所述ac逆变器的信号；其中当所述控制器检测到所述驻车/怠速状态并且所述用户已请求致动所述ac逆变器时，则所述控制器：1)将所述开关模块从所述标称状态驱动到所述双电压状态；2)将所述经调节的电压从所述标称12v更改为所述24v；以及3)致动所述ac逆变器。
[0037]
根据实施例，所述控制器耦合到外部照明元件，并且当所述控制器致动所述ac逆变器时，所述控制器也致动所述外部照明元件。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除