РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE GENERATOR VOLTAGE REGULATOR

Изобретение относится к системам регулирования напряжения автомобильных электрических генераторов.
Для поддержания напряжения генератора при широких пределах изменения частот вращения двигателя внутреннего сгорания и нагрузки в бортовой сети используются автоматические регуляторы напряжения генератора. Такие регуляторы обычно двухпозиционного действия с высокой частотой изменения состояния ключа управления в цепи обмотки возбуждения генератора. Колебания тока обмотки возбуждения вокруг выбранной точки среднего тока обмотки возбуждения на кривой намагничивания (см. фиг. 1) вызывают такие же колебания выходного напряжения генератора.
В позициях, когда ток возбуждения стремится к Jв min (см. Фиг. 1), напряжение генератора имеет минимальное значение и тогда аккумулятор принимает долевое (не полное) участие в питании с генератором нагрузок бортовой сети. В позициях, когда ток Jв выше среднего тока (см. Фиг. 1) возросшее напряжение генератора переводит аккумулятор в категорию потребителя. Такой режим обмена части энергии аккумулятора наступает по окончании процесса компенсации потерь от пусковых работ через несколько минут после запуска двигателя. Это переменная составляющая тока аккумулятора с изменением направления тока через аккумулятор. Такой режим наблюдается в двухпозиционной системе автоматического регулирования напряжения бортовой сети. Частота этого переменного тока определяется частотой переключения ключа управления.
Известен аналог - система стабилизации напряжения автомобильного генератора - US 5929619, 22.04.1999, включающая эталонный счетчик, цифровой эталонный генератор, связанный с эталонным генератором, компаратор, связанный с цифровым эталонным генератором, схему управления откликом нагрузки, соединенную с выходом компаратора, схему памяти с цифровой шириной импульса, соединенную с выход управления ответом нагрузки и схема цифрового таймера ширины импульса, соединенная с выходом памяти ширины импульса и со схемой управления реакцией нагрузки, причем схема цифрового таймера ширины импульса и схема памяти ширины цифрового импульса имеют большее цифровое разрешение, чем цифровое задание генератор.
Недостатком аналога является высокая частота смены зарядного и разрядного тока, равная 75 Гц, в аккумуляторе при работе системы. В этом случае аккумулятор не защищен от режима, в котором аккумулятор может находиться длительное время в состоянии разрядки. Такой режим описан ниже на стр. 9.
Известен регулятор напряжения генератора транспортного средства - RU 2001501, 15.10.1993, принятый в качестве прототипа устройства, содержащий электронный ключ и стабилитрон, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные импульсный генератор резонансной частоты и ждущий мультивибратор с регулируемой длительностью импульсов, причем выход мультивибратора соединен с управляющим входом электронного ключа, а регулирующий вход - с выходом стабилитрона.
Недостатком прототипа является отсутствие защиты от режимов, при которых происходит разрядка аккумулятора без последующего восполнения заряда в течении длительного периода времени, отсутствие режима десульфатации пластин аккумулятора, подвергшегося сульфатации из-за таких режимов работы. Это может быть следствием неисправности, неправильной настройки или неоптимальной схемы системы электропитания автомобиля. Например, может осуществляться режим питания, при котором катушки зажигания инжекторного двигателя внутреннего сгорания питаются длительное время только от аккумулятора, без зарядки в это время аккумулятора генератором. Этот пример описан на стр. 9. Под сульфатацией имеется ввиду процесс, во время которого на поверхности аккумуляторных электродов появляется сернокислый свинец, постепенно покрывающий всю поверхность пластин. Такой процесс выводит из строя аккумуляторную батарею. Такие режимы являются отклонением от корректного режима работы аккумулятора.
Технической задачей изобретения является исключение вышеописанных недостатков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении защиты от режимов питания аккумулятора в системе электропитания автомобиля с инжекторным двигателем внутреннего сгорания, при которых происходит разрядка аккумулятора без последующего восполнения заряда в течении длительного периода времени и в обеспечении десульфатации пластин аккумулятора, подвергшегося некорректным режимам работы, при сохранении простого схемного решения, исключающего необходимость применения микроконтроллеров.
Технический результат достигается в регуляторе напряжения генератора транспортного средства, содержащем стабилитрон и мультивибратор, стабилитрон подключен между выводом генератора и минусовым контактом через первый резистор, входом к выводу генератора, первый транзистор мультивибратора эмиттером связан через второй резистор с выводом генератора, а базой с выводом стабилитрона, второй транзистор эмиттером связан через второй резистор с выводом генератора, а базой с потенциометром, потенциометр через третий резистор связан с выводом генератора, а через четвертый резистор с минусовым контактом, третий транзистор коллектором связан через пятый резистор с выводом генератора, базой с коллектором первого транзистора, а эмиттером с минусовым контактом, четвертый транзистор коллектором связан через шестой резистор с выводом генератора, базой с коллектором второго транзистора, а эмиттером с минусовым контактом, коллектор третьего транзистора связан с коллектором второго транзистора через первый конденсатор, коллектор первого транзистора связан с коллектором четвертого транзистора через второй конденсатор, коллектор четвертого транзистора связан через седьмой резистор с затвором ключевого транзистора, обмотка возбуждения генератора одним полюсом связана с выводом генератора, вторым полюсом связана со стоком ключевого транзистора, исток ключевого транзистора связан с минусовым контактом, затвор ключевого транзистора связан с минусовым контактом через восьмой резистор, полюса обмотки возбуждения генератора связаны между собой через диод, первый и второй конденсаторы выбраны с учетом обеспечения частоты колебаний мультивибратора 16…20 Гц.
Первый и второй конденсаторы могут иметь емкости равные 2 мкФ каждый.
На Фиг. 1. изображена кривая намагничивания и график тока в обмотке возбуждения генератора транспортного средства.
На фиг. 2 изображена схема регулятора напряжения генератора транспортного средства.
На фиг. 3 изображена схема электропитания транспортного средства.
На фиг. 4 изображен график установившегося тока в цепи аккумулятора, снятый осциллографом.
На фиг. 5 изображены графики нарастания токов во время переходных процессов.
На фиг. 6 график из книги "Электротехнические устройства радиосистем" Иванов-Цыганов А.И., 1973 г. стр. 371 рис. 14.2.
Регулятор напряжения генератора транспортного средства содержит стабилитрон 1 и мультивибратор 2, как показано на фиг. 2, стабилитрон 1 подключен между выводом генератора 3 и минусовым контактом 4 через первый резистор 5, входом к выводу генератора 3, первый транзистор 6 мультивибратора 2 эмиттером связан через второй резистор 7 с выводом генератора 3, а базой с выводом стабилитрона 1, второй транзистор 8 эмиттером связан через второй резистор 7 с выводом генератора 3, а базой с потенциометром 9, потенциометр 9 через третий резистор 10 связан с выводом генератора 3, а через четвертый резистор 11 с минусовым контактом 4, третий транзистор 12 коллектором связан через пятый резистор 13 с выводом генератора 3, базой с коллектором первого транзистора 6, а эмиттером с минусовым контактом 4, четвертый транзистор 14 коллектором связан через шестой резистор 15 с выводом генератора 3, базой с коллектором второго транзистора 8, а эмиттером с минусовым контактом 4, коллектор третьего транзистора 12 связан с коллектором второго транзистора 8 через первый конденсатор 16, коллектор первого транзистора 6 связан с коллектором четвертого транзистора 14 через второй конденсатор 17, коллектор четвертого транзистора 14 связан через седьмой резистор 18 с затвором ключевого транзистора 19, обмотка возбуждения 20 генератора одним полюсом связана с выводом генератора 3, вторым полюсом связана со стоком ключевого транзистора 19, исток ключевого транзистора 19 связан с минусовым контактом 4, затвор ключевого транзистора 19 связан с минусовым контактом 4 через восьмой резистор 21, полюса обмотки возбуждения 20 генератора связаны между собой через диод 22, первый 16 и второй 17 конденсаторы выбраны с учетом обеспечения частоты колебаний мультивибратора 16…20 Гц.
Заявленный технический результат достигается только в пределах указанного диапазона. При повышении частоты выше 20 Гц проявляются инерционные свойства аккумулятора. Это выражается в том, что электрохимические процессы в аккумуляторе не успевают разворачиваться. Ток зарядки должен смениться на ток разрядки. Так как этого не происходит, то не происходит зарядки аккумулятора. И невозможно осуществление процессов, заложенных данным техническим решением. За пределом диапазона менее 16 Гц увеличиваются размахи изменений тока обмотки возбуждения. При дальнейшем снижении частоты увеличиваются токи, циркулирующие в цепи аккумулятора как в зарядном, так и в разрядном циклах переменной составляющей тока аккумулятора и излишне нагружают аккумулятор. Поэтому диапазон 16…20 Гц дает возможность нейтрализовать последствия неучастия генератора в питании катушек зажигания и избежать некорректной эксплуатации аккумулятора.
Рассмотрим пример реализации регулятора напряжения генератора транспортного средства. На фиг. 2 показан регулятор 23 напряжения генератора 24 транспортного средства в составе электросистемы транспортного средства. На схеме представлены катушка зажигания 25 двигателя внутреннего сгорания, аккумулятор 26, контроллер 27 управления катушкой зажигания 25, замок зажигания 28, вывод от дополнительных диодов 29, вывод от силовых диодов 30, бортовая сеть 31.
Пороговую схему образуют стабилитрон 1 (фиг. 2), резисторы 7, 9, 10, 11, транзисторы 6, 8. Транзисторы 6, 8 включены по дифференциальной схеме, чтобы различать сигналы "выше" и "ниже" уровня. Левое плечо мультивибратора 2 образуют транзистор 12 с коллекторной нагрузкой -резистором 13. Правое плечо мультивибратора образуют транзистор 14 с коллекторной нагрузкой - резистором 15. Конденсаторы 16, 17 - это емкости для взаимных коллекторно-базовых связей плеч мультивибратора 2, задающие период переключения 50 мс или 16…20 Гц. Конденсаторы 16, 17 имеют емкости равные 2 мкФ каждый.
Рассмотрим работу регулятора напряжения генератора транспортного средства. С коллектора правого плеча мультивибратора 2 через резистор 18 сигнал управления подается на затвор ключевого транзистора 19 полевой структуры JRL1404. Нагрузкой ключа служит обмотка возбуждения 20 генератора 24. Диод 22 служит для защиты ключевого транзистора 19 от ЭДС самоиндукции при закрытии ключевого транзистора 19. Другое назначение диода 22 - открываясь от ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения 20 позволяет току обмотки возбуждения 20 продолжаться за счет накопленной энергии магнитного поля по спадающей ветви, чтобы потом, при открытии ключевого транзистора 19, нарастать в новом цикле не от нуля, а от точки Jв min, как показано на фиг. 1.
Теперь рассмотрим процесс возбуждения генератора 24 при пуске двигателя автомобиля. На вывод 3 регулятора 23 от дополнительных диодов поступает ток контрольной лампы генератора 24. Эта лампа на щитке приборов отражает, что генератор 24 еще не приступил к работе. Этот малый ток контрольной лампы генератора вызывает небольшое напряжение на вывод 3 регулятора 23, достаточное для открытия транзистора 6, а, следовательно, и транзистора 12. На эмиттерном резисторе 7 пары транзисторов 6 и 8 откладывается напряжение, затрудняющее открытие транзистора 8, поскольку напряжение относительно вывода 3 "плюс" и центрального бегунка потенциометра 9 (Ud) еще мало. Следовательно, транзистор 8 еще закрыт и закрыт также транзистор 14. С коллектора транзистора 14 через резистор 18 сигнал поступает на затвор ключевого транзистора 19, а в обмотку возбуждения 20 поступает пока слабый ток. Но генератор 24, уже вращаемый двигателем внутреннего сгорания автомобиля, является электромашинным усилителем, и на вывод 3 "плюс" регулятора 23 поступает напряжение уже большее, чем это было вначале от тока контрольной лампы генератора 24. Ток обмотки возбуждения 20 увеличивается и напряжение генератора 24 вырастает. При достижении напряжения генератора 24 близкого к номинальному, на которое настроен регулятор 23, в схеме устанавливается автоколебательный режим работы регулятора 23. Происходит так называемый захват рабочей точки тока обмотки возбуждения 20. Напряжение Ud становится равным напряжению Uon (см. фиг. 2), а токи транзисторов 6 и 8 становятся равными друг другу и ширина импульса управления ключевым транзистором 19 равна ширине паузы, 25 мс.
В результате сброса нагрузки или повышении числа оборотов двигателя в минуту напряжение бортовой сети вырастает. Вследствие этого вырастает напряжение Ud, а напряжение Uon останется прежним, поскольку оно стабилизировано стабилитроном 1 и поэтому называется опорным. Рассмотрим одно из состояний, которое для мультивибратора является устойчивым. Транзистор 12 открыт, транзистор 14 закрыт, ключ управления 19 закрыт. Тогда ток транзистора 8 станет несколько большим, чем ток транзистора 6. Напряжение на конденсаторе 17 получено ранее, когда транзистор 14 был открыт, а транзистор 12 закрыт по цепи: вывод 3 "+" регулятора - резистор 13 - переход база-эмиттер транзистора 14 - минусовой контакт 4. А сейчас это напряжение держит транзистор 14 закрытым, так как к базе приложен "минус", к эмиттеру "плюс". Помимо этой работы по удержанию транзистора 14 закрытым происходит перезарядка конденсатора 16 по цепи: минусовой контакт 4 - переход эмиттер-коллектор транзистора 12 (он открыт) - эмиттер-коллектор транзистора 8 - резистор 7 - вывод 3"+". Так как ток транзистора 8 уже увеличен, то этот процесс несколько ускорен и раньше наступит момент, когда запирающее напряжение на базе- эмиттере транзистора 14 приблизится к нулю. Транзистор 14 откроется, произойдет скачок напряжения в сторону уменьшения с коллектора транзистора 14 через конденсатор 17 на базу транзистора 12 как его запирающее. На коллекторе транзистора 12 резко увеличится напряжение и его скачок через конденсатор 16 передается на базу транзистора 14. Транзистор 14 переходит в режим насыщения. Мультивибратор перешел в другое устойчивое состояние несколько раньше за счет увеличения тока транзистора 8. То есть рабочая точка возбуждения передвинется вниз по кривой намагничивания, как показано на фиг. 1.
Аналогично процессы происходят и при увеличении нагрузки или уменьшении числа оборотов двигателя. В этом случае Ud<Uoп и транзистор 6 осуществляет аналогичные воздействия на конденсатор 17 при запертом транзисторе 12. Рабочая точка тока обмотки возбуждения перемещается вверх по кривой намагничивания, как показано на фиг. 1.
Сравним работу устройства с работой аналогов. Для этого рассмотрим опыты, которые были проведены для оценки работы устройства-аналога в системе электропитания, имеющей неоптимальные параметры с описанными в седьмом абзаце описания недостатками. Опыты проводились на автомобиле ВА3-2104 с инжекторным двигателем 21067. Использовался осциллограф модели С1-96. График переменной составляющей тока аккумулятора в системе электропитания инжекторного двигателя представлен на фиг. 4. Он получен осциллографом. Осциллограф в режиме малых уровней сигнала (mV) получает сигнал от шунта амперметра 50А 75mV. Шунт амперметра при этом установлен в минусовой провод соединения аккумулятора 26 с корпусом автомобиля. Такой шунт выдерживает пусковой ток стартера. После запуска двигателя и окончания зарядки аккумулятора на экране осциллографа получена осциллограмма переменной составляющей тока аккумулятора 26 автомобиля с инжекторным двигателем. На фиг. 4 видны области отрицательного тока 32 (разрядный полупериод), то есть разрядного тока, и область 33 (зарядный полупериод) выше нулевой линии, то есть зарядного тока аккумулятора 26. Также видны скачки 34 тока во время питания катушек зажигания двигателя внутреннего сгорания. Они в данном примере приводят к разряду аккумулятора 26. Соотношение расстояния между скачками тока 34 к ширине скачков 34 ориентировочно равно 30. Их частота определяется числом зубьев на колесе датчика положения коленчатого вала. Обычно на данном колесе 60 равномерных по окружности секторов с зубьями, два зуба из которых отсутствуют. Соотношение полного числа зубьев к двум, отсутствующим зубьям на колесе 60/2, то есть тоже 30. На фиг. 4 видны также скачки тока 35 от работы выпрямительных диодов генератора. При большом увеличении они видны более четко.
Во время скачков 34 тока при питании катушки зажигания 25 генератор 24 не принимает участие в питании катушки зажигания 25. Это было подтверждено дополнительным опытом, результаты которого представлены на фиг. 5. Была проведена оценка роста тока в паре генератор 24 - катушка зажигания 25, которая иллюстрируется графиком 36 (фиг. 5). Он получен с учетом того, что постоянная времени цепи зависит от суммы индуктивности катушки зажигания и индуктивности фазных обмоток генератора: L заж. + L ген., где L заж - индуктивность катушки зажигания, которая из-за конструктивных требований по набору магнитной энергии за очень короткое время мала и стала сравнимой с индуктивностью фазных обмоток генератора L ген. При рассмотрении графика переходных процессов в паре аккумулятор -катушка зажигания - график 37 (фиг. 5) постоянная времени этой цепи только с учетом индуктивности катушки зажигания L заж. То есть без L ген., как это происходит в паре для кривой 36. Следовательно кривая 37 идет круче и процесс роста тока в этом случае идет быстрее. В таком режиме в системе электропитания исключается из работы генератор 24 при питании катушек зажигания 25. При этом генератор 24 питает свободно другие нагрузки 31. Однако если аккумулятор 26 отключить при работающем двигателе, то генератор 24 будет питать и систему зажигания (катушки) тоже. До появления систем с электронным управлением зажигания проблемы из-за переменной составляющей тока аккумулятора не ощущались.
Предлагаемое изобретение направлено на защиту от таких режимов путем понижения частоты изменения состояния заряд/разряд аккумулятора 26 до частоты 16-20 Гц. После установки регулятора напряжения по данному изобретению на указанный автомобиль разрядный и зарядный полупериоды 32, 33 стали длиннее. В этом случае в разрядном полупериоде 34 цикла вошли несколько скачков 34 тока при питании катушки зажигания 25 вместе с током долевого участия в питании других нагрузок. Теперь за это время проходят разрядные электрохимические процессы в аккумуляторе 26. В зарядном полупериоде 33 компенсируется разряд аккумулятора 26, произошедший за разрядный полупериод 32. Скачки 34 тока при питании катушки зажигания 25 во время зарядного полупериода уже не меняют направление тока с заряда на разряд, как до этого, а только дают малые паузы в зарядном токе, так как они находятся далеко относительно среднего значения тока (линия нуля).
До установки регулятора напряжения 23 генератора 24, выполненного согласно данного изобретения, аккумулятор 26 в системе электропитания испытуемого автомобиля (указан ранее) имел ненулевой объем сульфатации и заниженную емкость. После установки регулятора напряжения согласно данного изобретения взамен штатного регулятора напряжения (при этом никаких других изменений устройства автомобиля не производили) через месяц измерение емкости показали увеличение емкости аккумулятора 26. Это осуществлено за счет десульфатации пластин аккумулятора. Десульфатация пластин аккумулятора 26 происходит за счет более длительного времени воздействия на аккумулятор 26 как током зарядки, так и током разрядки. Измерение проводилось путем разряда на один и тот же разрядный резистор и затем заряд от источника зарядного тока. Последующие контрольные измерения также показывали повышение емкости. Автомобиль эксплуатировался несколько раз в неделю с пробегом 1 тыс.километров в месяц. После установки нового аккумулятора на автомобиль с регулятором напряжения согласно изобретения по истечении шести месяцев не зафиксировано изменение емкости аккумулятора, которую можно было бы зафиксировать прибором.
Дополнительным эффектом использования регулятора напряжения с мультивибратором с периодом 50 мс является стабильность напряжения бортовой сети, которая косвенно доказывает корректность сделанных выводов о корректном режиме работы аккумулятора. Для анализа рассмотрим разрядные характеристики химических источников, а именно свинцовых кислотных аккумуляторов. На графике из книги "Электротехнические устройства радиосистем" Иванов-Цыганов А.И., 1973 г. стр. 371 рис. 14.2 (см. фиг. 6) приведена пологая разрядная кривая 38 (6) для одного элемента (для батареи из шести элементов на шкале напряжения (Ub) оно умножается на шесть). По оси X отражено процентное отношение емкости, потерянной (при разряде) к номинальной. Зарядная кривая аналогична разрядной, только наклон ее обратный и уровень напряжения должен быть немного выше (достаточно на 10-15%), чтобы обеспечить заряд. Поэтому и выбран порог настройки регулятора 14.2 V. В условиях работы аккумулятора 26 с регулятором напряжения 23 с мультивибратором, полупериод заряда которого выбран длительностью 25 мс, процесс работы аккумулятора 26 становится корректным, то есть с выполнением электрохимических реакций в материале пластин. Тогда, для процесса роста напряжения можно выбрать фрагмент кривой роста (полученной из кривой 38 (6) на фиг. 6, с учетом того, что это заряд, а не разряд). Поскольку рост емкости за полупериод заряда чрезвычайно мал по сравнению с емкостью аккумулятора 26, то и рост напряжения также чрезвычайно мал. При переходе к разрядному полупериоду длительностью 25 мс идет падение напряжения с адекватным выполнением электрохимических реакций по фрагменту разрядной кривой 38 (6) на фиг. 6 с начальным напряжением, переданным от предыдущего зарядного полупериода.
Таким образом, полученная кривая напряжения на аккумуляторе 26 (то есть напряжения бортовой сети автомобиля) - это результат последовательного соединения фрагментов кривой заряда и кривой разряда, которая дает практически прямую линию стабильного напряжения.
При работе генератора 24 с регулятором прототипа в режиме переменной составляющей тока аккумулятора 26 (когда закончился подзаряд аккумулятора после пуска двигателя) нет возможности использовать разрядные и зарядные кривые, так как нет выполнения электрохимических реакций в материале пластин аккумулятора 26 из-за малого времени периода (высокой частоты регулятора прототипа).