CN1290418A - 具有电荷状态控制的高级电池控制器 - Google Patents

Abstract

电池供电的设备设有监测电池所提供的电压的控制器。如果在该设备待用时电池电压降到低于预定值,则控制器把该设备的不必要的负载与电池断开,以保存电池中剩余的电荷。在机动车辆使用时,可把控制器与安全系统相连,使得在待用期间不能点火,除非接收到适当的重新启动信号。

Description

具有电荷状态控制的高级电池控制器

技术领域

本发明涉及诸如机动车辆中等电池供电的电气系统；尤其涉及在电气系统处于待用(inactive)状态时监测和维持电池的电荷(charge)的控制系统。

背景技术

汽车和其它内燃机提供动力的车辆通常利用电动机来启动内燃机。为此，电动机耦合到启动电路，该启动电路一般接收来自车上的蓄电池的电力。启动电路选择性地把来自电池的电能耦合到启动电动机，该启动电动机进行操作使发动机循环，以发起持续的操作。在普通的车辆应用中，电池还把电能提供给诸如发动机控制电子设备、灯和车辆附件等各种消耗电力的器件。

这些应用的传统电池(通常叫做启动、照明和点火(SLI)电池)是多单元的酸性铅蓄电池。即，由涂有活性材料并排列成堆的铅板来构成电池。把这些堆插入电气互连且充满clilute酸性电解液的电池箱分隔的小室(cell compartment)。这种结构的SLI电池足以提供发动机启动所需的相对高的功率需要以及在汽车操作和非操作期间提供维持电气附件所需的相对低的功率需要。然而，由于SLI电池需要执行表面上完全不同的功能，持续时间短的高功率输出和持续时间长的低功率输出，所以不可能为执行这些任务中的任一个而优化电池设计。与其它电池结构相比，这些电池的附加缺点是由于铅板和液体电解液的重量使得能量比率(千瓦时／克，kWh／g)相对低。

建议车辆使用包括两个电池的电池系统。通过把该系统中的第一电池(启动电池)专门设计成用于短持续时间的高功率输出来把它优化到启动发动机。把该系统中的第二电池(备用电池)优化成操作和维持诸如车辆附件等的非启动电气负载。这种系统的一个优点是，可使启动电池较小且较轻，但仍能在短的时间周期内提供高功率输出。此外，可使备用电池较小且较轻，但仍能满足汽车附件的相对低的功率需求。总的来说，两个电池所需的空间和重量可小于单个传统的SLI电池。

两个电池的系统的限制在于维持两个电池的电荷。通常，车辆包括响应于SLI电池和车辆电气负载的充电需求调节交流发电机的输出的电压／电流调节装置。在双电池系统中，每个电池类型以不同的速率输出功率和接受充电。例如，启动电池以非常高的速率放出功率，同样以高的速率接受充电。相反，备用电池以较低的速率放出功率，并以较低的速率接受充电。此外，通常，每个电池将处于不同的电荷状态，因而需要不同电荷维持。通过在车辆的待用、启动和操作期间选择性地耦合电池或去耦合，也可获得附加的优点。然而，需要小心地管理，从而不破坏车辆的电气系统或双电池。

电池供电设备碰到的另一个问题是在待用期间电池的漏电。例如，机动车辆可停放几星期或几个月。在此状态下，漏电流或仍接通的附属设备所抽取的电流可能使电池漏电到剩余的电荷不足以启动发动机的地步。因而，想要提供了一种控制机构，该机构通过断开不必要的负载与电池的连接来响应于待用阶段。

发明内容

本电池系统尤其适用于具有用于启动发动机的电动机、由发动机驱动而发电的交流发电机以及附属的电气负载的车辆中。电池系统具有用于选择性地对电动机供电以启动发动机的第一电池以及操作和维持附属的电气负载的第二电池。为了把第一电池的电荷维持在一预定的水平，电荷维持装置把第一电池连到第二电池。控制器监测第一电池的电压电平，以检测电池电荷水平何时降低到需要再充电的水平。此时，控制器操作电荷维持装置，以从第二电池对第一电池进行再充电。

在此电池系统的较佳实施例中，设有充电开关，此开关选择性地把第一电池连到交流发电机。控制器响应于第二电池两端的电压来接通充电开关。

附图概述

图1是示出把本发明装入机动车辆的双电池电气系统的方框图；以及

图2是图1所示电荷维持装置的电路的示意方框图。

本发明的较佳实施方式

就适用于在基于双电池的车辆电气系统中所使用的较佳实施例来描述本发明。该系统中的电池为各种车辆操作功能提供电能并接收来自车辆电气系统的充电。应理解，本发明的范围不限于车辆的应用或双电池系统。例如，本发明可应用于单电池系统。

在本发明的各较佳实施例中，为电池电荷管理和增强的系统性能利用电池控制电子设备、车辆控制电子设备及其这些电子控制装置的组合。例如，该系统可适用于自动地确定系统中电池的电荷状态并适当地耦合其电荷足以操作必要的车辆电气负载并为启动提供能量的一个或多个电池。此外，较佳的电荷管理策略减少了对一个或多个系统电池过充电的可能性，还把每个电池保持在准备电荷状态。当在车辆待用期间电池电压降到低于规定值时，控制系统还把不必要的负载与电池断开。从以下对较佳实施例的详细描述，将理解本发明的这些和其它优点及特征。

参考图1，车辆电气系统10包括电池子系统，该电池子系统具有为给发动机启动电动机22提供电能而通过启动器继电器触点24耦合到电动机22的启动电池14。如本领域内众所周知，启动电动机22机械耦合到车辆的发动机(未示出)来启动发动机。启动电池14最好是高速率电池，诸如在1997年6月6日提交的名为“模块化电气蓄电池”的共同转让的08／870，803号美国专利申请中所述的电池，这里引用该申请的内容作为参考。

备用电池20(它最好是具有高的备用容量的吸收式玻璃垫(AGM)型结构)适用于在延长的时间周期内提供相对低速率的放电。备用电池20对必要的车辆电气负载15供电。

电气系统10还包括耦合到启动电池14和备用电池20的系统控制器18。控制器18是具有内部存储器和输入／输出端口的微型计算机，它执行控制程序来进行这里所述的功能。控制器18控制启动电池14和备用电池20与电气系统10尤其是必要的车辆负载15和其它车辆负载30的连接，以在正常车辆操作和待用期间选择性地提供电能。必要的车辆负载15可包括诸如车辆发动机／动力传动系(power train)控制器、安全系统控制器等即使在车辆不操作时也需要功率的装置。不必要的车辆负载30可包括诸如内部灯、娱乐系统、便利部件等在待用期间不需要供电的附件。

交流发电机21也连到电气系统10。交流发电机以与本领域内众所周知的方式被发动机机械驱动，并在控制器18的监控下在车辆操作期间产生对启动电池14和备用电池20充电的电能。交流发电机21依据控制器18的操作还在正常操作期间给车辆负载15和30以及点火系统32提供电能。如本领域内所公知的，响应于控制器18或发电机／动力传动系控制器(未示出)通过励磁电压调节或其它适当的手段来控制交流发电机21的输出。

由继电器16的触点形成的充电开关直接耦合启动电池14和备用电池20。电荷维持装置12(也叫做“电荷泵”)也与继电器触点并联。电荷维持装置12在控制器18的控制下把来自备用电池20的能量耦合到启动电池14，以维持启动电池的电荷状态。例如，在车辆不使用或启动电池需要附加电荷的操作期间，可把能量引向启动电池14。由于可使用从备用电池20抽取的相对小的功率把启动电池14维持在基本上充满的电荷状态，而不会对备用电池20的电荷状态产生不利影响，所以可克服启动电池14的自放电特性。

图2示出电荷维持装置12的一个较佳实施例，该装置12具有把来自备用电池20的毫安电流脉冲提供给启动电池14的电路200。电路200包括操作地耦合形成脉冲发生器的NAND门202、212和214，具体来说，备用电池20通过被来自控制器18的使能信号(EN)操作的晶体管开关238耦合到NAND门202的第一输入。第二输入由电阻器204耦合到NAND门202的输出。电阻器208与二极管206的串联组合与电阻器204并联耦合，电容器210把第二输入耦合到电路接地。这些元件连接形成方波振荡器。即，当开关236闭合时，NAND门202产生周期性的脉冲串。对于电路200的操作而言，脉冲串的精确频率不重要，但最好把它设定在约5-30千赫(kHz)。

此脉冲串经过NAND门212和214的缓冲和放大，并经由电阻器网络(包括电阻器216和218)耦合到晶体管220的栅极。在较佳实施例中，晶体管220是一场效应晶体管(FET)，但应理解，可使用任何适当的开关器件，而不背离本发明的正当范围。施加脉冲串交替地导通和断开晶体管220。

当晶体管220导通时，电流从备用电池20的正端28流过电感器226、晶体管220和电阻器224。这使得在电感器226的两端建立起电压。在晶体管220的非导通状态下，在电感器226两端建立起来的电压通过限流电阻器234放电而进入启动电池14，从而提供电荷维持电流。二极管228防止了反向电流流动，电阻器230和齐纳二极管236提供了保护晶体管不受过电压损害的电压倾卸路径。齐纳二极管236最好具有15-16伏的反向击穿电平，从而把电感器226两端的电压箝位在该电平。在本发明的共同发明人于1997年9月17日申请的名为“电池电荷维持系统和方法”的共同转让的08／932，950号美国专利申请中较详细地描述了电荷维持装置12的结构和操作，这里引用其内容作为参考。

当交流发电机不发电时，控制器18用来断开和闭合开关238，以启动和停用电荷维持电路200，从而把启动电池保持在给定的电荷水平。然而，可使电路200连续操作，而不会对启动电池14或备用电池20造成不利影响。但是，为了使系统的备用容量最大，如以下所述，在启动电池14的电压落到低于预定阈值时启动电路200的较佳实施例。例如，控制器18检测启动电池14的电压，并在它落到低于近似12．75伏时闭合开关238来启动电荷维持装置12。

一旦被启动，控制器18开动计时器，并根据启动电池14的容量和电路200给启动电池14提供充电电流的能力使电荷维持装置12操作6到24小时。在此施加周期结束时，断开开关238而停用电荷维持装置12。控制器18还可适用于检测启动电池的电压何时超过停用电荷维持装置12的阈值，或者控制器可响应于各种操作条件(例如，诸如极端寒冷环境等环境条件)连续地启动装置12。

再参考图1，在对电池14和20进行适当的充电时机动车辆正常启动期间，充电继电器16未被通电，从而当启动器继电器触点24闭合时，仅由启动电池14对启动器电动机22供电。此时，控制器18经由分别至电池的正端的导体23和25所提供的连接来监测每个电池14和20两端的电压。如果控制器18检测到来自备用电池20的电压低于启动期间的给定电平，则控制器对充电继电器16通电，从而启动电池14将连接到给汽车负载15以外的负载供电。在此正常情况下，由备用电池20给其它汽车负载15供电。

一旦发动机启动，如果提供给汽车负载15的电压(即，端子28处的电压)为13．6伏或更大，则控制器18对充电继电器16供电，从而由来自交流发电机21的电压给启动电池14充电。然而，当提供给汽车负载15的电压降到13．1伏或更小时，不对充电继电器16通电，从而其触点断开而终结启动电池14的充电。

控制器18还保护电池在机动车辆待用期间不会过漏电。为此，通过第一MOSFET晶体管34把不必要的附属车辆负载30连到备用电池20的正端28，通过第二MOSFET晶体管36把点火电路32耦合到该正端28。第一和第二MOSFET晶体管34与36的栅极连到控制器18的不同输出并由这些输出来操作，从而起到控制对附属车辆负载30和点火电路32的供电的电源开关的作用。

当驾驶员停放机动车辆时，控制器18检测到点火开关40已被断开并通过启动内部定时器作出响应。在经过预定时间周期后(例如，两分钟)，控制器18开始周期性地测量备用电池20所提供的电压。如果该电压降到12．2伏以下，则控制器18断开第一MOSFET晶体管34，从而断开加到不必要附属负载30的电力。这停止了诸如仪表板时钟等负载的进一步功耗，否则这将使备用电池进一步漏电。此断开保存了剩余的电池电荷。

在离开车辆时，驾驶员可按下在无键输入系统中所使用的这种类型的键板(fob)42的一个按钮。此动作使键板42向车辆中的接收机26发送一射频(RF)信号44，以指示应装备车辆的安全系统。与之响应，RF接收机26把一安全系统装备信号发送到控制器18，控制器18通过断开第二MOSFET晶体管36来作响应，从而断开把电力加到点火电路32。即使盗车贼能操作点火开关40，此动作也防止了盗车贼启动汽车。

在返回车辆时，驾驶员按下键fob42的另一个按钮，发送指示应解除装备安全系统的射频(RF)信号。由接收机26把此第二RF信号的接收传送到控制器18，控制器18通过接通第一和第二MOSFET晶体管34和36作响应，从而给不必要的附属负载30和点火电路32供电。最好，这些负载和电路对控制器18内的定时器所确定的预定时间间隔(例如，两到五分钟)保持启动。如果经过此时间周期而不启动发动机，则断开第一和第二MOSFET晶体管34和36，直到驾驶员再次启动键板。作为后备，可在汽车中的熔丝盒或其它地方设置手动开关，以使控制器18在键板丢失或不能操作的情况下重新启动汽车电路。

参考特定电压电平和时间周期描述了本发明。熟练技术人员将理解，这些值是本发明所应用的特定电池供电电路的功能，决不是可利用的唯一电压电平和时间周期。

Claims (17)

1．在具有用于启动发动机的电动机、被发动机驱动以发电的交流发电机及附属的电气负载的车辆中，一种电池系统包括：

第一电池，用于选择性地对电动机供电来启动发动机，且具有第一电荷水平；

第二电池，用于操作和维持附属的电气负载，且具有第二电荷水平；

把第一电池连到第二电池的电荷维持装置，用于把第一电池的电荷维持在预定的水平；以及

耦合到第一电池的控制器，用于监测第一电荷水平，并响应于第一电荷水平操作电荷维持装置。

2．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于第二电池具有吸收式玻璃垫型结构。

3．如权利要求2所述的电池系统，其特征在于第二电池具有相对高的备用容量，且适用于在延长的时间周期提供相对低速率的放电。

4．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于当第一电池需要充电同时交流发电机不发电时，控制器启动电荷维持装置。

5．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于还包括把第一电池连到交流发电机且被连到控制器的充电开关，其中控制器响应于第二电池两端的电压操作充电开关。

6．如权利要求5所述的电池系统，其特征在于控制器响应于第二电池两端的电压大于第一阈值而闭合充电开关，并响应于第二电池两端的电压小于第二阈值而断开充电开关。

7．如权利要求6所述的电池系统，其特征在于第二阈值小于第一阈值。

8．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于还包括把附属的电气负载连到第一电池和第二电池之一且被连到控制器的电源开关，其中控制器响应于第二电池两端的电压来操作电源开关。

9．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于还包括把附属的电气负载连到第一电池且被连到控制器的电源开关，其中当第二电池两端的电压低于给定阈值时，控制器操作电源组件来断开附属的电气负载。

10．如权利要求1所述的电池系统，其特征在于电荷维持装置通过施加一系列电流脉冲对第一电池再充电来响应于来自控制器的控制信号。

11．在具有用于启动发动机的电动机、被发动机驱动以发电的交流发电机及附属的电气负载的车辆中，一种电池系统包括：

第一电池，用于选择性地对电动机供电来启动发动机，且具有第一电压水平和一充电电平；

第二电池，用于操作和维持附属的电气负载，且具有第二电压水平；

把第一电池连接到交流发电机的充电开关；

把第一电池连到第二电池的电荷维持装置，以响应于一控制信号把第一电池的电荷水平维持在预定的量值；以及

耦合到第一电池和第二电池的控制器，用于监测第一电压水平和第二电压水平，并响应于第一电压水平和第二电压水平操作充电开关和电荷维持装置。

12．如权利要求11所述的电池系统，其特征在于在第一电池需要充电同时交流发电机不发电时，控制器产生控制信号，从而启动电荷维持装置。

13．如权利要求11所述的电池系统，其特征在于控制器响应于第二电荷水平大于第一阈值而闭合充电开关，并响应于第二电荷水平小于第二阈值而断开充电开关。

14．如权利要求13所述的电池系统，其特征在于第二阈值小于第一阈值。

15．如权利要求11所述的电池系统，其特征在于还包括把附属的电气负载连到第一电池且被连到控制器的电源开关，其中控制器响应于第二电荷水平来操作电源开关。

16．如权利要求11所述的电池系统，其特征在于还包括把附属的电气负载连到第一电池且被连到控制器的电源开关，其中当第二电荷水平低于给定阈值时，控制器操作电源组件来断开附属的电气负载。

17．如权利要求11所述的电池系统，其特征在于还包括电荷维持装置通过施加一系列电流脉冲对第一电池再充电来响应于来自控制器的控制信号。