用于内燃机的电池充电和隔离系统.pdf

一种用于控制内燃机的控制系统，该内燃机具有用于电起动操作的电池和用于手动起动操作的机械起动器。该控制系统包括被配置成产生用于提供火花的高压输出的变压器以及具有用于接收高压输出和并产生低压电源的输入端的功率调节电路。电池充电电路包括用于接收低压电源的开关元件，并且电池充电电路可操作地将低压电源耦合到电池以为电池充电。电池充电电路包括可操作地与开关元件耦合的分离电路，由此如果电池的电压等级降低到预定阈值以下，则分离电路关断晶体管以将电池从低压电源电分离并且中止电起动操作。所述机械起动器被配置成在电池充电不足而不能驱动电动机以起动内燃机的情况下起动内燃机。

1、  一种用于内燃机的控制系统，所述内燃机具有用于电起动操作的电池和用于手动起动操作的机械起动器，该控制系统包括：
变压器，该变压器被配置成产生用于提供火花的高压输出；
具有输入端的功率调节电路，该功率调节电路用于接收所述高压输出并产生低压电源；以及
具有开关元件的电池充电电路，该电池充电电路用于接收所述低压电源并且可操作地将所述低压电源耦合至所述电池以为所述电池充电，所述电池充电电路包括可操作地与所述开关元件耦合的分离电路，其中如果所述电池的电压等级降低到预定阈值以下，则所述分离电路关断所述开关元件以将所述电池从所述低压电源电分离并且中止电池充电操作；
其中如果所述电池充电不足而不能驱动电动机以起动所述内燃机，则所述机械起动器被配置成起动所述内燃机。

2、  根据权利要求1所述的控制系统，其中所述电池充电电路包括阻塞二极管，该阻塞二极管可操作地耦合在所述开关元件的输出端与所述电池之间以阻止反向电流从所述电池流向所述开关元件。

3、  根据权利要求1所述的控制系统，该控制系统还包括与所述电池互通的起动电动机。

4、  根据权利要求3所述的控制系统，其中所述起动电动机与地之间的短路使所述电池的电压等级降低到所述分离电路的预定阈值以下并且关断所述开关元件以可操作地将所述电池和所述起动电动机从所述低压电源分离。

5、  根据权利要求1所述的控制系统，其中所述分离电路是齐纳二极管。

6、  根据权利要求5所述的控制系统，其中所述电池充电电路包括偏压电阻，该偏压电阻具有与所述低压电源耦合的第一端以及与所述开关元件的控制端和所述齐纳二极管的阴极耦合的第二端。

7、  根据权利要求6所述的控制系统，其中所述偏压电阻提供足够的电压以使所述齐纳二极管保持在击穿模式下。

8、  根据权利要求5所述的控制系统，其中所述齐纳二极管的阈值是12伏特。

9、  根据权利要求5所述的控制系统，其中所述齐纳二极管的阈值在9伏特与12伏特之间。

10、  根据权利要求5所述的控制系统，其中所述齐纳二极管的阈值低于最大电池电压在1伏特与5伏特之间。

11、  一种用于内燃机的控制系统，所述内燃机具有由电池供电的电起动电动机和用于手动起动操作的机械起动器，该控制系统包括：
点火电路，该点火电路被配置成产生用于提供火花的高压输出；
功率调整电路，该功率调整电路被配置成将所述高压输出转换为低压电源；
具有输入端的电压调节电路，该电压调节电路用于接收所述低压电源并提供经调节的部件电源电压；
电子控制单元，该电子控制单元用于接收所述经调节的部件电源电压并控制所述内燃机的运行；
具有电子开关元件的电池充电电路，该电池充电电路用于接收所述低压电源，并且该电子开关元件可操作地将所述电池耦合至所述低压电源以为所述电池充电；
所述电池充电电路包括可操作地耦合至电子开关元件的基极的分离电路，其中如果所述电池的电压等级降低到预定阈值以下，则所述分离电路关断所述电子开关元件以将所述电池从所述低压电源电分离并且中止电池充电操作；以及
其中如果所述电池充电不足而不能驱动电动机以起动所述内燃机，则所述机械起动器被配置成起动所述内燃机。

12、  根据权利要求11所述的控制系统，其中所述分离电路是齐纳二极管。

13、  根据权利要求11所述的控制系统，其中所述电池充电电路包括阻塞二极管，该阻塞二极管可操作地耦合在所述电子开关元件的输出端与所述电池之间以阻止反向电流从所述电池流向所述电子开关元件。

14、  根据权利要求11所述的控制系统，其中所述起动电动机与地之间的短路使所述电池的电压等级降低到所述分离电路的预定阈值以下并且关断所述电子开关元件以可操作地将所述电池和所述起动电动机从所述低压电源分离。

15、  根据权利要求12所述的控制系统，其中所述电池充电电路包括偏压电阻，该偏压电阻具有与所述低压电源耦合的第一端以及与所述电子开关元件的栅极和所述齐纳二极管的阴极耦合的第二端。

16、  根据权利要求15所述的控制系统，其中所述偏压电阻提供足够的电压以将所述齐纳二极管保持在击穿模式下。

17、  根据权利要求12所述的控制系统，其中所述齐纳二极管的阈值在9伏特与12伏特之间。

18、  一种用于与内燃机的功率调整电路一起使用的电池隔离电路，所述内燃机具有由电池供电的电起动电动机和用于手动起动操作的机械起动器，该电池隔离电路包括：
晶体管，该晶体管用于从所述功率调整电路接收低压电源并且在所述晶体管开启时可操作地将所述低压电源耦合到所述电池以为所述电池充电；
分离电路，该分离电路可操作地与所述晶体管的基极以及所述低压电源耦合，其中如果所述电池的电压等级降低到所述分离电路的预定阈值以下，则所述分离电路关断所述晶体管以将所述电池从所述低压电源电分离；以及
其中如果所述电池充电不足，则所述机械起动器被配置成起动所述内燃机。

19、  根据权利要求18所述的电池隔离电路，其中所述分离电路是齐纳二极管。

20、  根据权利要求19所述的电池隔离电路，其中所述起动电动机与地之间的短路使所述电池的电压等级降低到所述齐纳二极管的预定阈值以下，由此反向偏压所述齐纳二极管并关断所述晶体管以可操作地将所述电池和所述起动电动机从所述低压电源分离。

21、  根据权利要求19所述的电池隔离电路，该电池隔离电路还包括偏压电阻，该偏压电阻具有与所述低压电源耦合的第一端以及与所述晶体管的栅极和所述齐纳二极管的阴极耦合的第二端。

22、  根据权利要求21所述的电池隔离电路，其中所述偏压电阻提供足够的电压以将所述齐纳二极管保持在击穿模式下。

23、  根据权利要求18所述的电池隔离电路，该电池隔离电路还包括阻塞二极管，该阻塞二极管可操作地耦合在所述晶体管的输出端与所述电池之间以阻止反向电流从所述电池流向所述晶体管。

用于内燃机的电池充电和隔离系统
背景技术
本公开涉及电池充电和隔离系统。特别地，本公开涉及用于给除草机及园艺设备提供动力的小型内燃机的电池充电和隔离电路，该内燃机具有起动电动机、电池和控制电路。
一些内燃机诸如用于给除草机及园艺设备提供动力的小型二冲程内燃机可以通过使用起动电动机和电池来电起动，或可以通过使用如反冲(recoil)机械装置的机械装置来起动。一些内燃机可以包括两种起动系统。一些复杂的内燃机具有一般由控制电路控制的燃料注入系统。内燃机的旋转转动磁部件，该磁部件给火花塞提供高压信号。典型地，该高压信号被降低并且被过滤来为电路提供经调节的电源电压。
然而，如果典型地由于燃料注入系统的故障，致使控制电路故障或经调节的电源电压被中断或以别的方式被降低，发电机将不再运行。为起动电动机供电的电池具有有限的寿命并且最终必须被替换。由于使用该设备的苛刻的环境，所以这些电池有时会趋于失效。在已知的系统中，即使该系统的其它部件还可能在正常工作，但是如果电池故障，这种故障一般会中断、短路或以别的方式降低经调节的电源电压，从而引起发动机故障。这就需要有效地从内燃机系统的其它电气部件移去或隔离耗尽的或短路的电池，以使内燃机仍然可以被机械地起动。
发明内容
根据本发明的第一个特点是提供一种用于内燃机的控制系统，该内燃机具有用来电起动操作的电池和用来手动起动操作的机械起动器，该控制系统包括变压器，被配置成产生用于提供火花(spark)的高电压输出；具有输入端的功率调节电路，该功率调节电路适用于接收高压输出并产生低压电源；以及具有开关元件的电池充电电路，该电池充电电路适用于接收低压电源并且可操作地将低压电源与电池连接以给电池充电，该电池充电电路包括可操作地连接到开关元件的分离电路，其中如果电池的电压等级降低到预定阈值以下，则分离电路关断晶体管以将电池从低压电源进行电分离，并且停止电池充电操作，其中如果电池充电不足而不能驱动电动机来起动内燃机，则机械起动器被配置成起动内燃机。
电池充电单元可以包括可操作地连接在开关元件的输出端和电池之间的阻塞二极管，用于阻止从电池流向开关元件的反向电流。
起动电动机可以与电池通信，其中起动电动机与地之间的短路将引起电池的电压等级降低到分离电路的预定阈值以下，并且关断开关元件来可操作地将电池和起动电动机从低压电源分离。
该分离电路可以是齐纳二极管。电池充电电路可以包括偏压电阻，该偏压电阻具有与低压电源连接的第一端，以及与开关元件的控制端和齐纳二极管的阴极连接的第二端，该偏压电阻提供足够将齐纳二极管维持在击穿模式的电压。优选地齐纳二极管的临界值低于最大电池电压，在约1伏特到约5伏特之间。对于一般的应用，它的临界值可以为例如约9伏特到约12伏特之间或约12伏特。
本发明的还一个特点在于用于内燃机的控制系统，该内燃机具有由电池供电的电起动电动机和用于手动起动操作的机械起动器，该控制系统包括点火电路，被配置成产生用于提供火花的高压输出；功率调整电路，该功率调整电路被配置成将高压输出转化为低压电源；具有输入端的电压调节电路，该电压调节电路适用于接收低压电源并提供经调节的部件电源电压；电子控制单元，该电子控制单元适用于接收经调节的部件电源电压并控制内燃机的运行；具有电开关元件的电池充电电路，该电池充电电路用于接收低压电源并可操作地将低压电源与电池连接以给电池充电，该电池充电电路包括可操作地与电开关元件的基极连接的分离电路，其中如果电池的电压等级降低到预定的值以下，则分离电路关断电开关元件，以将电池从低压电源电分离，并且停止电池的充电操作，并且其中如果电池充电不足而不能够驱动电动机来起动内燃机，则机械起动器被配置成起动内燃机。
本发明的再一个特点在于电池隔离电路，该电池隔离电路用来结合用于内燃机的功率调整电路而使用，该内燃机具有由电池供电的电起动电动机和用于手动起动操作的机械起动器，电池隔离电路包括晶体管，该晶体管适用于从功率调整电路接收低压电源，并且当晶体管打开时，将低压电源可操作地与电池连接以为电池充电；分离电路，该分离电路可操作地连接到晶体管的基极和低压电源，其中如果电池的电压等级降低到预定阈值以下，则分离电路关断晶体管，以将电池从低压电源电分离，并且其中如果电池充电不足，则机械起动器被配置成起动内燃机。
附图说明
仅通过实例的方式，参考下面的附图本发明的实施方式将被描述，其中：
图1是内燃机系统的框图；
图2是根据特定的实施方式的电池充电/隔离电路的示意图；
图3是根据特定的实施方式的电起动电路的示意图；
图4是根据特定的实施方式的点火电路的示意图；
图5是根据特定的实施方式的电能产生电路和电压调节电路的示意图；
图6是根据特定的实施方式的电子控制单元和燃料注入电路的示意图。
具体实施方式
参考附图本发明被描述，其中附图中的相同元件通过相同的数字表示。本发明的各种元件的关系和功能将通过下面的描述来更好的理解。定义的每个特点将和任意其它的特点或多个特点结合，除非明确地指出有相反的情况。
图1是包括各种电子电路和部件的内燃机系统100的框图。内燃机104例如可以是二冲程汽油内燃机。内燃机104可以用于除草机及园艺设备和户外工具，例如打边机或修剪机、绿篱修剪机、落叶吹风机(1eaf blower)、链锯和其它小型户外类型的工具。任意适合的内燃机可以被使用。
内燃机系统100包括用于起动内燃机104的起动电动机110、用于给起动电动机110供电的起动电动机电池116以及用于控制起动电动机的电起动电路120。点火电路130通过高压变压器138的高压变压器线圈136提供高压输出来为火花塞提供火花。在一个特定的实施方式中，高压变压器线圈136被感应耦合电能产生电路150的电能产生线圈144，该电能产生线圈144可以降低高压输出并且将高压输出整流以产生大约18伏特等级的降低的整流电源电压148。18伏特电源电压或电源电压148可以具有尖峰或类似脉冲的波形，因为它来自变压器线圈，该变压器线圈具有通过旋转的磁部件感应的电流。
在示出的实施方式中，电压调节器电路160接收电源电压148，并且进一步调节和过滤信号来提供12伏特部件电源电压或部件电压152，部件电源电压或部件电压152为内燃机系统100的各个电子部件供电。例如，电压调节器电路160提供部件电压152给电子控制单元170，然后该电子控制单元170控制燃料注入系统180。电源电压148也被提供给电池/充电隔离电路186，该电池/充电隔离电路186为起动电动机电池116连续地充电(tricklecharge)。当然，电能产生电路150可以被配置来提供任意适当的电压等级，只要该等级等于或大于能执行连续地充电的起动电动机电池116的额定电压。
示出的实施方式的内燃机104是具有双模起动机械装置的传统汽油内燃机。在这点上，内燃机104具有传统的反冲起动器192，该反冲起动器192被配置来在用户拉动或转动曲柄的时候，旋转内燃机的飞轮(flywheel)以便于起动内燃机104。除了反冲起动器192，内燃机104还包括电子起动电动机110，用于起动内燃机。因此用户可以使用反冲起动器192手动地起动内燃机104，或者使用起动电动机110电起动内燃机104。
因为上述的电路都连接到适用于户外使用或在复杂的环境中使用的内燃机104，所以这些部件都可能经历苛刻的条件。这些苛刻的条件可以包括温度高、降水和湿度大、振动和摇动地厉害，以及其它的可以损坏部件或电路的条件。这些苛刻的条件还可能损坏起动电动机电池116或可能引起内燃机系统100中的某处短路或断路。
尽管十分苛刻的条件可能损坏一个或多个关键的部件，以至于内燃机104将停止工作，该关键的部件既不是起动电动机电池116也不是起动电动机110。就是说，起动电动机电池116或起动电动机110的故障不能中止内燃机104，这是由于第二系统，即手动反冲起动器192可以被用来起动内燃机。此外，一旦内燃机104被起动，电能产生电路150就产生为电子部件提供电能的必须的电。除了由于误用或苛刻的条件造成电池可能损坏之外，在一些情况下，电池116可能被耗尽或以别的方式失效，如此电池的使用寿命有限。例如，当电池116到达它的使用寿命的终点时，它就不能再吸纳或保存电荷了。
相反地，电子控制单元170和燃料注入系统180是关键的部件，并且如果这些部件不能使用或以其它的方式被损坏，那么内燃机104将不能运行。例如，如果电子控制单元170或燃料注入系统180不能从依靠电能产生电路150产生的电源电压148的电压调节电路160接收适当的电压等级，那么它们将不能使用。
因为起动电动机电池116由电源电压148连续地充电，并且电子控制单元170基于电源电压148(通过电压调节电路160)间接地接收电能，所以短路或电池故障会导致18伏特电源电压148的失效或中断，从而使内燃机104不能工作。因此，电池充电/隔离电路186被配置成将起动电动机电池116从电能产生电路150以及电压调节电路160和/或电池将被耗尽或短路或以其它的方式干扰电源电压148的系统的其它部件隔离。
图2是电池充电和隔离电路186的示意图。电池充电和隔离电路186被配置成从电能产生电路150接收电源电压148，并且适用于阻止电源电压148的任何中断、减少和/或降低。这保证了电子控制单元170能从电压调节电路160接收到适当的12伏特调节的电源电压152。这是非常重要的，因为如果电子控制单元170由于不合适的电源电压等级而不能适当地工作，那么内燃机将停止运行。
如12伏特可再充电电池的起动电动机电池116的正极端通过电起动电路120连接到起动电动机110，以为起动电动机110提供电能，同时，电池的负极端210接地。根据起动电动机的操作特性和各种电路的部件的额定电压，任意合适的电池和/或电压范围可以被使用。
在示出的实施方式中，电源电压148被连接到MOS晶体管216的源极端。MOS晶体管216可以是P通道增强型垂直DMOS FET，如由Zetex半导体公司制造的编号ZVP3306A的晶体管。任意适合的开关元件或晶体管都可以使用。电池202的正极端通过阻塞二极管220被可操作地连接到MOS晶体管216的漏极端。阻塞二极管220可以阻止电流从电池流向MOS晶体管216。如470欧姆电阻的偏压电阻224连接MOS晶体管216的源极端和栅极端。晶体管216的栅极端还通过齐纳二极管230连接到地。电池116可以经过MOS晶体管216由电源电压148连续地充电。
如果电池电压降低到齐纳击穿阈值以下(在示出的实施方式中约为12伏特)，或如果电池116或起动电动机110短接到地，那么在齐纳二极管230的阴极的电压等级将降低到齐纳阈值等级以下。发生这种现象的原因是MOS晶体管216的源极端将通过导通的MOS晶体管216拉低电池的电势。在一个实施方式中，齐纳二极管230的阈值约是12伏特。在另一个实施方式中，齐纳二极管230的阈值在约9伏特到约12伏特之间。基于电池116的额定电压，任何合适的齐纳阈值都可以被使用。例如，可以选择齐纳二极管230的阈值稍微低于电池额定电压，例如低于最大电池电压约1伏特到约5伏特之间。
MOS晶体管216的栅极电压被齐纳二极管230固定在它的击穿电压。如果在MOS晶体管216的源极的电源电压148下降的足够大，以致于装置的Vgs不足以保证该装置的开通，那么MOS晶体管216将关断。在这种情况下，电池116将从电源电压148分离，从而保护电压调节电路160、电子控制单元170和燃料注入系统180。
一旦MOS晶体管216关断，随后电源电压148将升高到满压。然而，这将再次打开MOS晶体管216。因此，MOS晶体管216将周期的打开或关断。根据电路中的固有RC时间常数和电池116的电池充电特性，该波形的占空周期(duty cycle)大约是20毫秒。在充电过程中，MOS晶体管216的周期性可能感生电源电压148中的波纹(ripple)和尖峰(spark)，但这些波纹不能反过来影响电压调节电路160，该电压调节电路160继续为电子控制单元170提供部件电压152.
在MOS晶体管216的“打开”周期，电池116可以被连续地充电。当然，如果电池116有严重的故障，或如果起动电动机110短接到地，则MOS晶体管216将保持关断，以阻止电源电压148的干扰。因此，内燃机系统100的各个部件可以正常地工作，包括电子控制单元170和燃料注入系统180，即使电池116或电子起动能力不能工作。在这种情况下，用户可以使用反冲系统192手动地起动内燃机。
图3是电起动电路120的示意图。电池116的正极端202通过常开继电器开关304被连接到起动电动机110的第一端310，该常开继电器开关304在示出实施方式中是电动机械继电器316的一部分。可以是瞬时接触开关的起动器开关320在“运行”位置被显示为常开，并且指示为“运行位置-打开”。为了电起动内燃机104，用户压下起动器开关320到起动位置。这样为继电器316供电，随后该继电器316闭合常开继电器开关314，使用虚线显示，并且被指示为“内燃机起动位置-短暂闭合”。当继电器开关304闭合，电能被提供给起动电动机110。一旦内燃机104起动，用户可以松开起动器开关320，之后该起动器开关320转换到常开或运行位置。
图4是点火电路130的示意图。随着内燃机104的旋转，它转动磁部件404。该磁部件404在电流充电电枢线圈406附近(或内部)旋转。磁部件404和电流充电电枢线圈406起磁发电机的作用，来为火花塞提供火花，并为系统提供电能。电枢线圈406通过火花点火电容410连接到高压变压器线圈136。高压二极管416、418、420和422为电枢线圈406的输出整流，并且提供约2000伏特到约3000伏特的整流后的输出。
电子控制单元170(ECU 170)(见图1)通过ECU点火前置信号(advancesignal)434经由晶体管430的基极端控制晶体管430。当ECU点火前置信号434触发晶体管430时，点火开关火或SCR 440导通引起火花点火电容410放电，随后火花点火电容410通过高压变压器138的次级线圈448产生用于火花塞的火花。ECU 170和触发盘绕线圈450一起工作，来为点火火花点火电容410提供适当的时限(timing)。点火电路130可以是在商业上可得到的点火电路，如从密苏里州的PCRC公司可得到的CDI(容性放电点火)电路。
图5是电能产生电路150和电压调节电路160的示意图。电能产生线圈144与多个二极管510连接以提供全波整流信号。在示出的实施方式中，电能产生线圈144感应地耦合到点火电路130的高压变压器线圈136。因此，在电能产生电路150和点火电路130之间没有直接的接线或物理的连接。电能产生线圈144可以基于两个线圈136和144之间的缠绕比，将变压器线圈136的高压输出降低约100到200倍。降低并整流过的信号在提供给电源电压148的电压等级。电源电压148也提供给电池充电/隔离电路186和电压调节电路160。存储电容520消除输出波纹，同时齐纳二极管526将电压调节到需要的电源电压148等级。
电压调节电路160从电能产生电路150接收电源电压148，并且为控制内燃机104的各个电子部件和电路提供经调节的电能。例如，电压调节电路160为电子控制单元170提供约12伏特等级的部件电压152，该电子控制单元170控制包括燃料注入系统180在内的许多内燃机104的电子功能元件。在示出的实施方式中，电压调节电路160包括双极晶体管550，该双极晶体管550的基极端556与齐纳二极管560连接。在一个实施方式中，齐纳二极管560具有约13伏特的击穿阈值电压，使得晶体管550在发射极端560的输出约是12伏特，该电压是上面示出的实施方式中的部件电压152。根据系统的配置和各种部件电压的需要，部件电压152的任何适合的电压等级将被使用。
电能产生电路150和电压调节电路160不需要在分离的电路中，并且可以被组合。这种组合的电能产生或功率调节电路可以为内燃机系统100的电路提供适合的电压等级。
图6是电子控制单元170和燃料注入系统180的框图。示出的实施方式中的电子控制单元170包括处理器602和多个传感器，用于提供关于内燃机的状况和环境参数的数据。例如，这种传感器可以包括汽缸温度传感器610、进气口温度传感器612、氧气传感器614、内燃机速度传感器616、活塞位置传感器618和其它传感器。处理器602估算数据并且确定点火前置信号434的时限(见图1和图4)。处理器提供注入信号630来控制何时将燃料注入到内燃机汽缸时。电子控制单元170进一步通过注入信号630控制燃料注入系统180。注入信号630电激活多个相应的注入器螺线管640，该注入器螺线管640提供机械力以通过汽缸喷嘴将燃料注入到汽缸中。
虽然本发明在附图和前面的描述中被详细地说明和描述，但一样被看作是说明性的并在特征方面没限制，可以理解，仅实施例被显示和说明并且不会以任何方式限制本发明的范围。说明性的实施方式不是这里叙述的每个或其它实施方式中唯一的实施方式，因此，本发明还提供包括一个或多个上面描述的说明性实施方式的结合。在不偏离本发明范围的情况下，这里提出的对本发明的改正和变化都可以实现，并且因此只通过附属的权利要求的指示其限制。