阅读说明：本技术 一种车载发电机智能电压调节器及其控制方法 (Intelligent voltage regulator of vehicle-mounted generator and control method thereof ) 是由 王玉海 李连强 郑旭光 王松 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：一种车载发电机智能电压调节器,包括电源模块、电流传感器信号采样模块、发电机电压采样模块、通讯模块、温度采样模块、MOSFET驱动模块、MOSFET模块、MCU模块、晶振模块。电流传感器信号采样模块采集外部电流传感器的信号值。MCU模块为智能电压调节器策略执行的物理器件,接收发电机电压采样模块、电流传感器信号采样模块、通讯模块、温度采样模块信号,执行策略运算,输出控制信号至MOSFET驱动模块,驱动MOSFET模块执行开关操作或高频脉宽调制输出操作。本发明功能完备、匹配灵活度高、保护功能全面。(The utility model provides a vehicle generator intelligence voltage regulator, includes power module, current sensor signal sampling module, generator voltage sampling module, communication module, temperature sampling module, MOSFET drive module, MOSFET module, MCU module, crystal oscillator module. The current sensor signal sampling module collects the signal value of an external current sensor. The MCU module is a physical device executed by the intelligent voltage regulator strategy, receives signals of the generator voltage sampling module, the current sensor signal sampling module, the communication module and the temperature sampling module, executes strategy operation, outputs a control signal to the MOSFET driving module, and drives the MOSFET module to execute switch operation or high-frequency pulse width modulation output operation. The invention has complete functions, high matching flexibility and comprehensive protection functions.)

一种车载发电机智能电压调节器及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及一种车载发电机智能电压调节器及其控制方法。

背景技术

汽车发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向整车用电设备供电，同时向蓄电池充电。电压调节器是稳定发电机工作的重要部件，汽车在正常行驶过程中，发动机转速变化范围很大，从最低转800转/分至最高约6000转/分，汽车发电机转子通过皮带传动与发电机相连，转速随发动机转速变化而变化，从而发电机输出电压随发动机转速变化而波动，汽车用电会因电压过高或过低而损坏或工作异常。

随着科技的进步及集成电路技术的发展，电压调节器的发展大致经过触点式电压调节器、分立元件式电压调节器、集成电路电压调节器、混合集成电路电压调节器等，结构及集成化程度不同，其调节原理基本相同，均是通过控制发电机的励磁电路接通、断开或改变励磁电流的大小来控制发电机的输出电压。

汽车节能化是汽车发展的重要方面，发电机节能是汽车节能的一个重要课题，受限于车载发电机及整车电器匹配特性，传统的电压调节器在汽车蓄电池饱和或者不需要供电的状态下依旧保持电压调节功能，增加发动机的机械损耗，同时电池组存在过充电问题。整流器是汽车发电机的重要性组成部分，其将发电机交流电经半导体的反向截止作用，通过桥式半导体阵列将交流转化为直流，受半导体元器件特性影响，电流较大时其发热量较大，当温度超出一定值时效率下降甚至损坏元器件。针对于匹配锂电池组的整车，一般使用汽车发电机作为锂电池的充电电源，受限于锂电池的自身性能，为保证锂电池在温度过高或过低、电量较高或较低时实时充放电电流在允许范围内，需要对锂电池组的充放电电流进行限制，以保证锂电池组的安全。

目前常用的车载发电机电压调节器，一般为晶体管式电压调节器，内部由采样电路、比较电路、开关电路等组成，其内部采样电流采集发电机输出电压值，通过采样分压值施加到稳压管的负极端；当采样电压较低时，稳压管保持高阻状态，其后端被控功率管保持导通，蓄电池电压通过导通的功率管为励磁线圈供电，此时发电机内部磁场增加，发动机输出功率增加；当采样电压较高时，稳压管反向击穿，此时后端被控功率管截止，此时发电机内部励磁线圈电路截止，发电机内部无磁场，发电机输出功率降为零。

以上常规的车载发电机电压调节器，仅使用发电机输出端电压为输入电压，通过内部分压电路分压值与稳压管反向击穿电压进行比较作为发电机励磁电流通断的控制信号来源，其目标稳压值由分压电路及稳压二极管型号确定，无法根据外部其他信号如输出电路或限制输出电流进行调节，定型后无法调节调压值，同时各器件在不同温度下特性有所差异，实际稳压值与设定稳压值有一定的误差。常规车载发电机电压调节器功能单一、调压值固化、无限流功能、无主动电流调节功能、无温度保护功能等。

发明内容

针对现有技术中车载发电机电压调节器功能单一、调压值固化、无限流功能、无主动电流调节功能、无温度保护功能等，本发明提供了一种功能完备、匹配灵活度高、保护功能全面、可匹配锂电池电源的车载发电机智能电压调节器及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种车载发电机智能电压调节器，包括电源模块、电流传感器信号采样模块、发电机电压采样模块、通讯模块、温度采样模块、MOSFET驱动模块、MOSFET模块、MCU模块、晶振模块，上述模块为优选布置在同一印刷电路板上。

所述电流传感器信号采样模块采集外部电流传感器的信号值。

所述MCU模块为所述智能电压调节器策略执行的物理器件，接收所述发电机电压采样模块、所述电流传感器信号采样模块、所述通讯模块、所述温度采样模块信号，执行策略运算，输出控制信号至所述MOSFET驱动模块，驱动所述MOSFET模块执行开关操作或高频脉宽调制输出操作。

进一步地，所述发电机电压采样模块采集智能电压调节器端的发电机输出电压值。

进一步地，所述通讯模块包括所述智能电压调节器与外部其他总成之间通讯，如锂电池电池管理系统、整车控制器等。

进一步地，所述通讯模块使用CAN通讯，也可为RS232、RS485等其他通讯总线方式；交互的信息包括但不局限于锂电池实时允许充放电电流、锂电池实时充放电电压、锂电池温度、锂电池核电荷数、整车负载电流、发电机电流限值、发电机电压限值等。

进一步地，所述MOSFET模块通过开关操作，控制电源供电端经所述MOSFE模块到所述智能电压调节器输出端的断开与接通，所述MOSFET模块高频脉宽调制，控制电源供电端经所述MOSFET模块到所述智能电压调节器输出端电流的调节。

进一步地，本发明还包括电流传感器、锂电池组、电池管理系统、发电机定子线圈、发电机转子线圈、温度传感器、整流器和整车用电负载。

进一步地，MOSFET模块的输出端与发电机转子线圈的一端相连。发电机定子线圈与整流器相连。

进一步地，所述电源模块将所述智能电压调节器外部供电电压转化为内部芯片的供电电压，同时为外部电流传感器供电。所述智能电压调节器通过型号适配匹配常规车型或匹配锂电池组的整车。

进一步地，本发明还包括组合钥匙开关，所述电源模块接收组合钥匙开关ON挡信号或其关联信号。

进一步地，所述温度采样模块采集包括但不局限于整流器、电压调节器的当前温度值。

一种车载发电机智能电压调节器控制方法，当应用于常规车型时，具体包括如下步骤：

S101:智能电压调节器当接收到组合钥匙开关ON挡电信号或关联信号时，执行自检操作，并经内部各采样模块采集包括但不局限于发电机电压、电流传感器电流值、整流器及电压调节器温度、MOSFET温度等，还包括但不局限于来自通讯模块的外部限压或限流值、发电机转速等。

S102：智能电压调节器通过发动机转速、发电机电压、电流传感器电流值等判断发电机工作状态。

S103：智能电压调节器通过执行MOSFET模块开关操作或高频脉宽调制，控制发电机转子励磁电流的大小。

S104：智能电压调节器实时进行整流器、MOSFET模块等当前温度值与设定温度值比较，当采样温度超出设定温度时，关闭MOSFET模块，发电机处于停机保护模式。

进一步地，在S102中，当发动机转速小于设定阈值时，认为发动机未启动，智能电压调节器处于待机模式。

进一步地，在S102中，当发动机转速大于设定阈值，闭合MOSFET模块，若电流传感器电流值为零且发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，则认为发电机故障，通过通讯模块上报故障故障信息；若电流传感器电流值不为零、发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，进入到调压模式。

进一步地，在S103中，实时比较发电机电压与设定电压或来自通讯模块的外部限压值，同时比较发电机实时输出电流与设定输出电流或来自通讯模块的外部限流值；若当前值超出设定值，则关闭MOSFET，处于卸荷状态。

一种车载发电机智能电压调节器控制方法，当应用于匹配锂电池组的车型时，具体包括如下步骤：

S201：智能电压调节器当接收到组合钥匙开关ON挡电信号或关联信号时，执行自检操作，并经内部各采样模块采集包括但不局限于发电机电压、电流传感器电流值、整流器及电压调节器温度、MOSFET温度等，还包括但不局限于来自通讯模块的锂电池组单体电压、锂电池组温度、锂电池组核电荷数、锂电池组允许充电电流、锂电池组允许放电电流、锂电池组实时电流等。

S202:智能电压调节器通过发动机转速、发电机电压、电流传感器电流值等判断发电机工作状态。

S203：智能电压调节器根据包括但不局限于发电机电压、发电机电流、锂电池温度、锂电池荷电状态、锂电池允许充放电电流等获得发电机的发电电流限制。

S204：智能电压调节器实时比较发电机电流值及发电机目标发电电流值，通过执行MOSFET模块开关操作或高频脉宽调制，控制发电机转子励磁电流的大小。

S205：智能电压调节器实时进行整流器、MOSFET模块等当前温度值与设定温度值比较，当采样温度超出设定温度时，关闭MOSFET模块，发电机处于停机保护模式。

进一步地，在S202中，当发动机转速小于设定阈值时，认为发动机未启动，智能电压调节器处于待机模式。

进一步地，在S202中，当发动机转速大于设定阈值，闭合MOSFET模块，若电流传感器电流值为零且发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，则认为发电机故障，通过通讯模块上报故障故障信息；若电流传感器电流值不为零、发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，进入到调压模式。

进一步地，在S203中，智能电压调节器根据发电机输出电流和锂电池实时电流，获得整车负载电流；即当锂电池组为充电状态时，发电机输出电流减去锂电池充电电流，当锂电池为发电状态时，发电机输出电路加上锂电池放电电流。

进一步地，在S203中，当锂电池组电池管理系统实时上报锂电池组允许充电电流及允许放电电流，智能电压调节器直接使用锂电池组的允许充电电流及允许放电电流作为励磁电流调节限值；当锂电池组电池管理系统未上报锂电池组允许充电电流及允许放电电流时，智能电压调节器根据锂电池核电荷数和锂电池温度获得锂电池的实时允许充电电流及实时允许放电电流。

进一步地，在S203中，通过整车负载电流及锂电池组允许充放电电流获得发电机发电电流值范围值；发电机最大发电值为整车负载电流值与锂电池组允许充电电流值之和；当整车负载电流与锂电池组允许放电电流之差大于零时，发电机最小发电值为该差值，当差值小于等于零时，发电机最小发电电流值零。

进一步地，在S203中，当锂电池组核电状态较高时，发电机目标发电电流值靠近发电机最小发电电流值取值；当锂电池组核电状态较低时，发电机目标发电电流值靠近发电机最大发电电流值取值；优选使用横坐标为锂电池组的核电状态，纵坐标为发电机发电电流取值系数的可标定的MAP查表获得。

进一步地，在S204中，当发电机电流值大于发电机目标发电电流值，智能电压调节器关闭MOSFET模块，发电机转子线圈无励磁电流，发电机输出功率下降，发电机电流值减小；当发电机电流值小于发电机目标发电电流值，智能电压调节器开启MOSFET模块，发电机转子线圈励磁电流增大，发电机输出功率上升，发电机电流值增大。

进一步地，在S204中，当发电机目标发电电流为零时，关闭MOSFET模块，发电机空转，处于卸荷状态。

本发明的有益效果为：

1.智能电压调节器可应用于常规铅酸电池的整车，基于设定电压限值、外部电流限值、外部电压限值，以发电机实际输出电压、输出电流为反馈，闭环操作进行限压或限流操作；

2.当匹配常规车型时，智能电压调节器根据发电机实际输出电压与设定电压限值或外部电压限值比较，执行发电机励磁电流的通断或限流控制，设定电压可调可标定，同时外部电压限制可根据整车其他策略单元策略执行修正，提高了电压调节的灵活性；

3.当应用于匹配锂电池组的整车时，根据锂电池组的允许充放电电流及核电状态保持的需求，基于发电机发电电流与发电机目标电流比较，执行发电机励磁电流的通断或限流控制，既保证锂电池组安全，同时达到整车电能的最大化利用；

4.使用可标定的MAP进行发电机发电电流取值系数进行控制，可通过锂电池不同核电状态下发电机发电强度控制，使锂电池组维持在一定的荷电状态范围内，保证锂电池组性能及寿命最优化；

5.智能电压调节器还实时采集发电机整流器、内部MOSFET模块温度等，当部件温度超出设定阈值温度时主动降功率，从而保护负载、降低部件温度。

附图说明

图1为一种车载发电机智能电压调节器结构原理图；

图2为一种车载发电机智能电压调节器的匹配原理图。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案作进一步具体描述：

如图1和图2所示，一种车载发电机智能电压调节器,包括电源模块、电流传感器信号采样模块、发电机电压采样模块、通讯模块、温度采样模块、MOSFET驱动模块、MOSFET模块、MCU模块、晶振模块、智能电压调节器、电流传感器、锂电池组、电池管理系统、发电机定子线圈、发电机转子线圈、温度传感器、整流器、组合钥匙开关和整车用电负载。

电源模块的ON挡信号引脚与组合钥匙开关的ON挡输出连接，当开关闭合后，智能电压调节器上电并自检；电源模块的供电引脚在近锂电池组端与锂电池组正极输出端相连；电源模块的传感器供电引脚与电流传感器的供电引脚相连。

电源模块将智能电压调节器外部供电电压转化为内部芯片的供电电压，同时为外部电流传感器供电；所述电源模块接收整车组合钥匙开关ON挡信号或其关联信号。

电流传感器布置在近整流器端，与整流器的输出端相连；电流传感器的信号输出值与智能电压调节器的电流传感器采样模块相连；整车负载布置在所述电流传感器与所述锂电池组之间。

电流传感器信号采样模块采集外部电流传感器的信号值；电流传感器采集发电机端输出电流；针对于匹配无电池管理系统或无电流传感器的车载蓄电池系统，还包括但不局限于采集车载蓄电池系统的接线端电流。

发电机电压采样模块的采样线与近整流器端与整流器的输出端相连。发电机电压采样模块采集近智能电压调节器端的发电机输出电压值。

发电机电压采样模块采集近智能电压调节器端的发电机输出电压值。

通讯模块包括智能电压调节器与外部其他总成之间通讯，包括但不局限于锂电池电池管理系统、整车控制器等。通讯模块优选使用CAN通讯，也可为RS232、RS485等其他通讯总线方式；交互的信息包括但不局限于锂电池实时允许充放电电流、锂电池实时充放电电压、锂电池温度、锂电池核电荷数、整车负载电流、发电机电流限值、发电机电压限值等。

温度采样模块采集包括但不局限于整流器、电压调节器的当前温度值。

MOSFET模块的输出端与发电机转子线圈的一端相连。

MOSFET驱动模块可驱动MOSFET模块执行开关操作，MOSFET模块通过开关操作，控制电源供电端经MOSFE模块到智能电压调节器输出端的断开与接通，MOSFET模块高频脉宽调制，控制电源供电端经MOSFET模块到所述智能电压调节器输出端电流的调节。

MCU模块为智能电压调节器策略执行的物理器件，接收发电机电压采样模块、电流传感器信号采样模块、通讯模块、温度采样模块信号，执行策略运算，输出控制信号至MOSFET驱动模块，驱动MOSFET模块执行开关操作或高频脉宽调制输出操作。智能电压调节器通过型号适配匹配常规车型或匹配锂电池组的整车。智能电压调节器实时进行整流器、MOSFET模块等当前温度值与设定温度值比较，当采样温度超出设定温度时，关闭MOSFET模块。

发电机定子线圈与整流器相连，与常规车载交流发电机连接方式相同。

电池管理系统为锂电池组的电池管理系统，实现锂电池组单体电压、模组温度、输出电流监控，及锂电池组核电状态、允许充放电电流估算等功能，其通过内部的通讯模块与智能电压调节器的通讯模块通过CAN总线相连，实现状态信息的上报。

一种车载发电机智能电压调节器控制方法，当应用于常规车型时，具体步骤如下：

S101:智能电压调节器当接收到组合钥匙开关ON挡电信号或关联信号时，执行自检操作，并经内部各采样模块采集包括但不局限于发电机电压、电流传感器电流值、整流器及电压调节器温度、MOSFET温度等，还包括但不局限于来自通讯模块的外部限压或限流值、发电机转速等。

S102：智能电压调节器通过发动机转速、发电机电压、电流传感器电流值等判断发电机工作状态。

当发动机转速小于设定阈值时，认为发动机未启动，智能电压调节器处于待机模式。

当发动机转速大于设定阈值，闭合MOSFET模块，若电流传感器电流值为零且发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，则认为发电机故障，通过通讯模块上报故障故障信息；若电流传感器电流值不为零、发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，进入到调压模式。

S103：智能电压调节器通过执行MOSFET模块开关操作或高频脉宽调制，控制发电机转子励磁电流的大小。

智能电压调节器实时比较发电机电压与设定电压或来自通讯模块的外部限压值，同时比较发电机实时输出电流与设定输出电流或来自通讯模块的外部限流值；若当前值超出设定值，则关闭MOSFET，处于卸荷状态。

S104：智能电压调节器实时进行整流器、MOSFET模块等当前温度值与设定温度值比较，当采样温度超出设定温度时，关闭MOSFET模块，发电机处于停机保护模式。

一种车载发电机智能电压调节器控制方法，当应用于匹配锂电池组的车型时，具体操作步骤如下：

S201：智能电压调节器当接收到组合钥匙开关ON挡电信号或关联信号时，执行自检操作，并经内部各采样模块采集包括但不局限于发电机电压、电流传感器电流值、整流器及电压调节器温度、MOSFET温度等，还包括但不局限于来自通讯模块的锂电池组单体电压、锂电池组温度、锂电池组核电荷数、锂电池组允许充电电流、锂电池组允许放电电流、锂电池组实时电流等。

S202:智能电压调节器通过发动机转速、发电机电压、电流传感器电流值等判断发电机工作状态。

当发动机转速小于设定阈值时，认为发动机未启动，智能电压调节器处于待机模式。

当发动机转速大于设定阈值，闭合MOSFET模块，若电流传感器电流值为零且发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，则认为发电机故障，通过通讯模块上报故障故障信息；若电流传感器电流值不为零、发电机电压低于设定限压值或来自通讯模块的外部限压值，进入到调压模式。

S203：智能电压调节器根据包括但不局限于发电机电压、发电机电流、锂电池温度、锂电池荷电状态、锂电池允许充放电电流等获得发电机的发电电流限制。

智能电压调节器根据发电机输出电流和锂电池实时电流，获得整车负载电流；即当锂电池组为充电状态时，发电机输出电流减去锂电池充电电流，当锂电池为发电状态时，发电机输出电路加上锂电池放电电流。

当锂电池组电池管理系统实时上报锂电池组允许充电电流及允许放电电流，智能电压调节器直接使用锂电池组的允许充电电流及允许放电电流作为励磁电流调节限值；当锂电池组电池管理系统未上报锂电池组允许充电电流及允许放电电流时，智能电压调节器根据锂电池核电荷数和锂电池温度获得锂电池的实时允许充电电流及实时允许放电电流。

通过整车负载电流及锂电池组允许充放电电流获得发电机发电电流值范围值；发电机最大发电值为整车负载电流值与锂电池组允许充电电流值之和；当整车负载电流与锂电池组允许放电电流之差大于零时，发电机最小发电值为该差值，当差值小于等于零时，发电机最小发电电流值零。

当锂电池组核电状态较高时，发电机目标发电电流值靠近发电机最小发电电流值取值；当锂电池组核电状态较低时，发电机目标发电电流值靠近发电机最大发电电流值取值；优选使用横坐标为锂电池组的核电状态，纵坐标为发电机发电电流取值系数的可标定的MAP查表获得。

S204：智能电压调节器实时比较发电机电流值及发电机目标发电电流值，通过执行MOSFET模块开关操作或高频脉宽调制，控制发电机转子励磁电流的大小。

当发电机电流值大于发电机目标发电电流值，智能电压调节器关闭MOSFET模块，发电机转子线圈无励磁电流，发电机输出功率下降，发电机电流值减小；当发电机电流值小于发电机目标发电电流值，智能电压调节器开启MOSFET模块，发电机转子线圈励磁电流增大，发电机输出功率上升，发电机电流值增大。

当发电机目标发电电流为零时，关闭MOSFET模块，发电机空转，处于卸荷状态。

S205：智能电压调节器实时进行整流器、MOSFET模块等当前温度值与设定温度值比较，当采样温度超出设定温度时，关闭MOSFET模块，发电机处于停机保护模式。

上述实施例只是对本发明技术方案的举例说明或解释，而不应理解为对本发明技术方案的限制，显然，本领域的技术人员可对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些修改和变型在内。