CN104137371B - 用于保护车辆的电流回路的设备和方法以及电流回路 - Google Patents

Abstract

一种用于保护用于车辆的电池(124)的具有工作电流方向的电流回路(102)的设备(100)，其具有：用于提供控制信号(108)的控制装置(104)，该控制信号代表经过电流回路(102)的通过电流(115)的方向；和开关元件(106)，其构造用于依赖于控制信号(108)地中断电流回路(102)，以便保护电流回路(102)。

Description

用于保护车辆的电流回路的设备和方法以及电流回路

技术领域

本发明涉及一种用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的设备，还涉及一种相应的方法以及涉及一种用于车辆的电流回路。

背景技术

在机动车中，利用熔断保险器件来保护用电器，以便在出现故障时能够切断过高电流。为了防止被错误的触发，在这里，保险器件针对高于额定电流的电流而设计。当然，这仅是在额定电流明显低于最大的电池电流时才是可行的。

发明内容

在该背景下，本发明提出了一种经改进的用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的设备、一种经改进的用于车辆的电流回路以及一种经改进的用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的方法。在下文中，对有利的设计方案进行描述。

车辆的电流回路可以借助主动式保险器件进行保护。这种主动式保险器件的优点在于，它能够非常快速地并且在电流回路内部稍微出现错误负载时就已经可以进行触发。

如果将机动车电池(KFZ-Batterie)接入电流回路中，那么可以利用相应的主动式保险器件进行机动车电池保护以防短路。与当额定电流处于机动车电池的最大电池电流的数量级时才被相对较晚地触发的熔丝保险器件相比不同的是，主动式保险器件可以已经提早地被触发。通过提早触发可以防止机动车电池的电池电压崩溃。电池电压的崩溃在最坏的情况下会导致控制仪器停止运转，并且因此应当避免。

通过主动式保险器件也可以安全地切断用电器，主动式保险器件自身可以生成在电池额定电流的数量级之内的电流。一旦出现短路，就已经可以切断短路电流。因此可以避免形成反向电流。由此确保例如车辆的安全工作。

用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的设备具有如下特征：

用于提供控制信号的控制装置，控制信号代表经过电流回路的通过电流(Stromfluss)的方向；并且

开关元件，其构造用于依赖于控制信号地中断电流回路，以便保护电流回路。

车辆指的是机动车。车辆可以具有内燃机、混合驱动器或电力驱动器。电池可以是车载电池或驱动用电池。电池可以是低压电池或高压电池。电池可以替代地认为是蓄能器。电流回路可以包括数个的能传导的连接线路和电气或电子元器件。例如，电流回路可以包括用电器或发电机。通过电流可以被称为流动经过电流回路或经过电流回路的至少一个线路区段的电流。控制装置可以包括测量装置或用于检测通过电流的方向的传感器装置。例如，控制装置可以构造用于感应式地检测通过电流的方向。为此，控制装置可以包括是电流回路的部件的或与电流回路联接的线圈。控制信号可以是电信号。例如，控制信号可以是控制电流或控制电压。控制装置可以包括电路，例如用于提供控制信号的放大器电路。控制装置可以构造用于依赖于电流回路的方向地调整控制信号的值或大小。控制装置可以构造用于将控制信号发给开关元件。开关元件可以具有接合到电流回路的线路中的开关的功能性。电气的、电子的或机电的构件可以作为开关元件来使用。在开关元件导通的状态下，通过电流可以运行穿过开关元件进而经过电流回路。在开关元件不导通的状态下，可以截止通过电流穿过开关元件进而使电流回路中断。控制信号可以构造用于使开关元件置于导通或不导通的状态下。开关元件可以构造用于在不存在或由控制装置非主动地发出控制信号的情况下(例如当电流传感器无效时或在开关回路的调试过程期间)，能够至少受限制性地使通过电流经过开关元件进而经过电流回路。也可以设置多个能够由控制装置分别借助控制信号驱控的开关元件。控制装置能够与一个开关元件或若干个开关元件组合地表示用于电流回路的或用于至少一个接入到电流回路中的元件(例如电池或电路元件)的主动式保险器件。主动式保险器件可以附加于或备选于过电流保险器件(例如熔断保险器件)地使用。工作电流方向可以表示在电流回路正常工作时流动经过电流回路的电流的电流方向。当由控制装置检测的电流方向偏离工作电流方向时，通过主动式保险器件可以中断电流回路。这样的偏离可以例如由于短路或在电流回路内部的损坏而发生。

例如，控制装置可以构造用于当通过电流的方向相应于电流回路的工作电流方向时提供第一控制信号，并且当通过电流的方向相反于工作电流方向时提供第二控制信号。在此，开关元件可以构造用于响应于第二控制信号地中断电流回路，响应于第一控制信号地，开关元件可以构造用于开启电流回路。例如，响应于第一控制信号地，开关元件可以构造用于降低穿过该开关元件的电连接的内阻。第一和第二控制信号可以在控制信号的值或大小上不同。例如，第一控制信号可以代表第一电压，并且第二控制信号可以代表不同于第一电压的第二电压。

因此，该控制装置可以构造用于提供控制信号作为用于开关元件的控制电压。控制电压例如适用于驱控形式为晶体管的控制元件。

工作电流方向可以相应于用于给电池充电的充电电流方向。为此，电流回路可以具有电池、和用于提供用以给电池充电的充电电流或充电电压的发生器、以及将电池与发生器连接起来的线路。在电流回路工作时，充电电流方向可以通过由发生器生成的充电电流预先给定。如果在电流回路上发生短路或发生器例如损坏，那么由于电池提供电池电压，在电流回路内部的电流方向会进行换向。这样的相反于工作电流方向的电流方向可以利用控制装置进行探测并且通过开关元件导致电流回路的中断。通过能够非常迅速地探测出电流方向的换向的方式，可以有效地避免对电池的损害。

根据实施方式，开关元件可以包括至少一个晶体管。控制装置可以构造用于将控制信号提供给该至少一个晶体管的控制输入端。如果开关元件具有两个和数个晶体管，那么这些晶体管可以以并联的方式布置。其中至少两个晶体管也可以串联在不同的位置上地布置在电流回路中。如果开关元件具有多个的晶体管，那么控制装置可以构造用于将用以驱控多个晶体管的控制信号提供给所述多个晶体管。把晶体管当作开关元件，这是因为它能实现低成本、具有低功率损耗并且不易受干扰。

例如，晶体管可以是场效应晶体管。尤其可以是金属氧化物半导体场效应晶体管。在此，二极管可以以关于工作电流方向导通的方式接在场效应晶体管的源极端口与漏极端口之间。该二极管可以是场效应晶体管的所谓的体二极管(Bodydiode)。通过控制信号可以控制在源极端口与漏极端口之间的场效应晶体管的内阻，进而控制穿过场效应晶体管的通过电流。场效应晶体管可以设计为通常截止的晶体管。当控制信号代表小于临界电压(即所谓的门限电压，Threshold-Spannung)的控制电压时，可以截止场效应晶体管进而中断电流回路。如果在场效应晶体管上没有施加控制信号，那么通过电流可以沿工作电流方向运行经过场效应晶体管的二极管。

根据实施方式，设备包括过电流保护装置，其构造用于依赖于通过电流的大小地中断电流回路。过电流保护装置可以串联于控制装置和开关元件地布置在电流回路中。当通过电流达到或超过预先规定的最大值时，通过过电流保护装置可以中断电流回路。在此，可以不依赖于通过电流的方向地触发过电流保护装置。例如，过电流保护装置可以是熔断保险器件。备选地，可以是合适的机电构件。过电流保护装置可以例如在电池极性颠倒的情况下起作用。

在此，该设备可以具有另外的控制装置，其构造用于提供另外的控制信号。该另外的控制信号可以代表电池电压的极性。开关元件可以构造成使得能够依赖于该另外的控制信号地使通过电流穿过开关元件。该另外的控制信号可以与控制装置的控制信号组合，例如叠加。以该方式，开关元件不仅可以通过控制装置驱控，而且也可以通过另外的控制装置驱控，并且切换到导通的状态下。通过在电池极性颠倒的情况下将开关元件切换成能传导的，可以避免对该开关元件的损害。

用于车辆的电流回路具有如下特征：

用于接连电池的第一触点的第一端口和用于接连电池的第二触点的第二端口；

用于电池充电的充电装置，其中，用于电池充电的充电电流方向相应于电流回路的工作电流方向；并且

用于保护电流回路的根据上文所述的设备。

电池的触点可以是电池的正极和负极。充电装置可以通过电流回路的线路与第一端口和第二端口连接。充电装置可以是发生器，例如车辆的发电机。

电流回路可以包括电池，该电池接在第一端口与第二端口之间。通过该电池可以闭合之前是断开的电流回路。经由与该电池连接的另外的电流回路，可以把来自电池的电能提供给车辆的一个或多个用电器。充电装置和电池可以通过电流回路电路连接，使得在电流回路的正常工作下通过充电装置给电池充电。在此，充电电流沿工作电流方向流动经过电流回路。

用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的方法包括如下步骤：

检测经过电流回路的通过电流的方向；提供控制信号，该控制信号代表该通过电流的方向；以及

依赖于控制信号地中断或闭合电流回路，以便保护该电流回路。

该方法的步骤可以被合适的装置，例如用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的设备，使用。例如，该设备可以是电子仪器，其生成并处理传感器信号，并且依赖于该传感器信号地生成控制信号并且用于执行开关功能。设备可以具有一个或多个合适的接口。这些接口可以是集成电路的部件或可以至少部分地由单独的元器件构成。

附图说明

借助附图示例性地对本发明进行详细说明。其中：

图1示出根据本发明实施例的用于保护电流回路的设备的示意性图示；

图2和图3示出根据本发明实施例的开关回路的图示；

图4和图5示出根据本发明另一实施例的开关回路的图示；

图6示出根据本发明实施例的用于保护电流回路的方法流程图。

在本发明优选实施例的下述描述中，对在不同的附图中示出的且作用类似的元件使用相同或类似的附图标记，其中，省略了这些元件的重复性描述。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的用于保护电流回路102的设备100的示意性图示。设备100具有控制装置104和开关元件106。控制装置104构造用于生成控制信号108并且经由电气线路提供给开关元件106的控制输入端。设备100根据该实施例与电流回路102的第一线路110联接或布置在该第一线路110中。

控制装置104构造用于检测经过电流回路的第一线路110的通过电流115的方向。此外，该控制装置104还构造用于依赖电流回路115的被检测到的方向地生成控制信号108。以该方式，通过控制信号108或通过控制信号的值指明通过电流115的方向。

开关元件106构造用于依赖于控制信号108地中断或能够使通过电流115经过第一线路110。为此，可以将开关元件106布置在第一线路110中，从而，当开关元件106处于导通的状态下时，通过电流115运行经过开关元件106。如果开关元件处于截止的状态下，那么不会有通过电流115经过开关元件106，进而不会经过第一线路110。借助控制信号108，开关元件106可以从截止的状态转换到导通的状态，并且反之亦然。如果在开关元件106的控制输入端上没有施加控制装置主动提供的控制信号108，那么开关元件106处于受限制地导通的状态下。在受限制地导通的状态下，通过电流115能够经过开关元件106，进而能够通过第一线路110，但是在受限制地导通的状态下的开关元件106具有比在导通的状态下更大的相对于通过电流115的内阻，开关元件106可以通过相应的控制信号108置于导通的状态下。

在对设备100和电流回路102调试时，开关元件106会处于受限制地导通的状态下。在电流回路102的使通过电流115沿工作电流方向运行的正常工作模式下，开关元件106会处于导通的状态下。在电流回路102内部发生故障时，由于故障，通过电流115相反于工作电流方向地运行，开关元件会置于截止的状态下。

电流回路102除了第一线路110之外还具有发生器120、第二线路122和蓄能器124，例如形式为电池或蓄电池的电化学蓄能器。例如，蓄能器124可以是机动车电池，并且发生器120可以是充电装置，例如形式为车辆的发电机。第一线路110、发生器120、第二线路122和蓄能器124以串联的方式彼此连接并且形成闭合的电流回路。在正常工作模式下，发生器120构造用于生成用于给蓄能器124充电的在工作电流方向上的通过电流115。替选于发生器120地，电流回路也可以具有用电器。

图2示出了根据本发明实施例的形式为开关回路102的电路。开关回路102可以是借助图1所示的具有电池124和发生器120的开关回路102。开关回路102具有用于保护电流回路102的设备。

用于保护电流回路102的设备具有带电流传感器204和放大器装置205的控制装置和形式为具有体二极管206的晶体管106的开关装置。根据该实施例，晶体管实施为通常截止的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。电流传感器204构造用于检测在电流回路102内部的通过电流115的方向并且将与该方向相应的方向信号发给放大器装置205。根据该实施例实施为栅极驱动器的放大器装置205构造用于放大方向信号并且将方向信号作为控制信号108发给晶体管106的栅极端口。晶体管106的体二极管206的阳极与晶体管106的源极端口连接，而体二极管206的阴极与晶体管106的漏极端口连接。晶体管106的源极端口与电池124的触点连接。晶体管106的漏极端口经由电流传感器204与发生器120的端口连接。

电流传感器204可以具有电感器，电感器可以是电流回路102的部件或可以感应式地与电流回路102的线路联接。通过电感器生成的或由电感器检测的磁场可以被电流传感器204利用，以便检测经过电流回路的通过电流115。电流传感器204可以具有用于发出依赖于磁场的方向信号的放大器。

在电流回路115的在电流回路102正常工作期间存在的并且也被称为工作电流方向或正向电流的第一方向的情况下，提供控制信号108，从而让晶体管106导通。在电流回路115的例如短路时存在的并且也被称为负向电流的相反于第一方向的第二方向的情况下，提供控制信号108，从而使晶体管106和体二极管206截止。

根据该实施例，肖特基二极管230与发生器120并联。肖特基二极管230的阳极与发生器120的第一端口连接，而肖特基二极管230的阴极与发生器120的第二端口连接。电容器232与电池124并联。电容器232可以是中间回路电容器。发生器120的第一端口经由电流传感器204和晶体管106与电池124的第一触点连接。发生器120的第二端口经由电感器234与电池124的第二触点连接。

根据实施例，开关元件106作为电流回路102的主动式保险器件与发生器120串联地接连。开关元件106根据该实施例是MOSFET 106，或者是多个并联的MOSFET。为此，MOSFET 106的体二极管206示出在工作电流方向上，也就是电流回路102正常工作期间正常的通过电流115的方向。为了减少损耗，当电流在工作电流方向上时，也就是在正向电流时MOSFET 106接通，由此电流完全地流动经过MOSFET 106。在负向电流时，MOSFET 106切断并且二极管206也截止。就此而言，正向电流是在电流回路102正常工作期间流动的、适合于给电池124充电的通过电流115。在正常工作下，发生器102作为用于电池124的充电装置来使用。就此而言，反向电流是具有相反于正向电流的方向的通过电流115。反向电流例如可以在发生短路时流动。

为了驱控MOSFET 106应用了电流传感器信号，其发出即时的电流值。所获取的关于电流的信息直接或间接地转变成形式为用于MOSFET 106的控制信号108的栅极驱控信号。因此能够在短路电流超过临界值之前切断该短路电流。

因此，根据该实施例把由电流传感器204和MOSFET 106的组合使用于切断高电流。

图3示出了根据本发明另一实施例的形式为开关回路102的电路。该开关回路102可以是借助图2示出的开关回路102，不同之处在于，晶体管106布置在电流回路102的另一位置上。根据图3所示的实施例，晶体管106的源极端口经由电感器134与发生器120的第二端口连接，而晶体管106的漏极端口与电池124的第二端口连接。

图4示出了根据本发明另一实施例的形式为开关回路102的电路。该开关回路102可以是借助图2示出的开关回路102，不同之处在于，用于保护电流回路102的设备附加地具有过电流保护装置440并且可选地附加具有另一控制装置442。

过电流保护装置440可以布置在电流回路102的合适的位置上。根据该实施例，过电流保护装置440接在电池124的第二触点与用于接连电感器234和电容器232的节点之间。因此，过电流保护装置440能直接经由电气线路与电池124的第二触点导电连接。根据该实施例，过电流保护装置440实施为熔断保险器件。

过电流保护装置440构造成当通过电流115超出预先规定的电流强度，例如电池124的最大电池电流时，过电流保护装置作为保险器件用于中断在电流回路124内部的通过电流115并且特别是经过电池124的通过电流115。例如，当电池124极性颠倒地与电流回路连接时，也就是将电池124的第一触点和第二触点错误对调时，预先规定的电流强度会被超过。如果过电流保护装置440在该情况下没有中断通过电流115，那么电池124的电池电流将流动经过晶体管106的体二极管206和肖特基二极管230。这会导致对电池124的损害并且可能导致对电流回路102的其他元件的损害。

为了避免在电池124发生极性颠倒的情况下对晶体管106的损害，可以可选地设置另外的控制装置442。该另外的控制装置442构造用于将依赖于电池142的错接的另外的控制信号444提供给晶体管106。另外的控制装置442构造用于提供另外的控制信号444，从而当电池142颠倒极性地布置在开关回路102中时，另外的控制信号444使晶体管106置于导通的状态下。根据该实施例，另外的控制装置442实施成作为栅极驱动器起作用的放大器的形式。另外的控制装置442的输入端与电流回路102的设置用于接触电池142的第一触点的线路区段连接。另外的控制装置442的输出端与晶体管106的控制端口连接。

根据图4所示的实施例，因为在例如更换电池142时发生电池142的电池电压极性颠倒的情况下，MOSFET 106的二极管206是导通的，针对该情况设置了附加的熔断保险器件。在此，为了保护MOSFET 106，在电池电压发生极性颠倒的情况下主动接通MOSFET 106是有益的。这明显地减少了通过MOSFET 106的二极管206的电压降，进而也降低了在MOSFET 106上产生的损耗。这可以通过另外的控制装置442(例如呈独立的网络器件(Netzteil)442的形式)来实现，独立的网络器件特别是在极性颠倒的情况下提供形式为另外的控制信号444的用于接通MOSFET 106所必需的电压。独立的网络器件442可以经由电池124的极性颠倒的电池电压来供应能量。

因此，根据该实施例在发生极性颠倒时通过第二网络器件442，或者说第二栅极驱动器442进行对MOSFET 106的驱控。

图5示出了根据本发明另一实施例的形式为开关回路102的电路。该开关回路102可以是借助图4示出的开关回路102，不同之处在于，晶体管106布置在电流回路102的另一位置上。根据图5所示的实施例，晶体管106的源极端口经由电感器134与发生器120的第二端口连接，并且晶体管106的漏极端口经由过电流保护装置440与电池124的第二触点连接。

图6示出了根据本发明实施例的用于保护用于车辆的电池的具有工作电流方向的电流回路的方法流程图。该方法可以例如由借助上述附图示出的用于保护电流回路的设备来实施。在步骤651中，检测经过电流回路的通过电流的方向。与之相应地，在步骤653中，生成并且提供代表通过电流方向的控制信号。在步骤655中，依赖于控制信号地要么中断要么闭合电流回路，以便保护电流回路。

所述的和在附图中示出的实施例仅示例性地被选出。不同的实施例可以完全地或基于单一特征彼此组合。一种实施例也可以通过其他实施例的特征得以补充。此外，可以重复根据本发明的方法步骤以及可以以不同于所述的顺序地实施另一顺序。

附图标记列表

100 设备

102 电流回路

104 控制装置

106 开关元件

108 控制信号

110 第一线路

115 通过电流

120 发电机

122 第二线路

124 蓄能器

204 电流传感器

205 放大器

206 体二极管

230 肖特基二极管

232 电容器

234 电感器

440 过电流保护装置

442 另外的控制装置

444 另外的控制信号

651 检测的步骤

653 提供的步骤

655 中断或闭合的步骤

Claims (8)

1.用于保护用于车辆的电池(124)的具有工作电流方向的电流回路(102)的设备(100)，其包括如下特征：

用于提供控制信号(108)的控制装置(104；204、205)，所述控制信号代表经过所述电流回路(102)的通过电流(115)的方向；和

开关元件(106)，所述开关元件构造用于依赖于所述控制信号(108)地中断所述电流回路(102)，以便保护所述电流回路(102)，其特征在于，所述设备(100)还包括过电流保护装置(440)，所述过电流保护装置构造用于依赖于所述通过电流(115)的大小地中断所述电流回路(102)，其中，所述过电流保护装置(440)与所述控制装置(104；204、205)和所述开关元件(106)串联地布置在所述电流回路(102)中，并且所述设备(100)具有另外的控制装置(442)，所述另外的控制装置构造用于提供另外的控制信号(444)，所述另外的控制信号代表所述电池(124)电压的极性，并且所述开关元件(106)构造成使得能够依赖于所述另外的控制信号(444)地使所述通过电流(115)流过所述开关元件(106)，其中，在确定所述电池(142)极性颠倒的情况下，为了避免对所述开关元件(106)的损害，所述另外的控制信号(444)使所述开关元件(106)置于导通的状态下。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述控制装置(104；204、205)构造用于当所述通过电流(115)的方向相应于所述电流回路(102)的工作电流方向时提供第一控制信号(108)，并且当所述通过电流(115)的方向相反于所述工作电流方向时提供第二控制信号(108)，并且所述开关元件(106)构造用于响应于所述第二控制信号(108)地中断所述电流回路(102)。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述工作电流方向相应于用于给所述电池(124)充电的充电电流方向。

4.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述开关元件(106)包括至少一个晶体管，并且所述控制装置(104；204、205)构造用于将所述控制信号(108)提供给所述至少一个晶体管的控制输入端。

5.根据权利要求4所述的设备(100)，其特征在于，所述晶体管是场效应晶体管，其中，二极管(206)以关于所述工作电流方向导通的方式接在所述场效应晶体管的源极端口与漏极端口之间。

6.用于车辆的电流回路(102)，其包括如下特征：

用于接连电池(124)的第一端口的第一端口和用于接连所述电池(124)的第二端口的第二端口；

用于给所述电池(124)充电的充电装置(120)，其中，所述充电装置(120)接在所述第一端口与所述第二端口之间，并且用于给所述电池(124)充电的充电电流方向相应于所述电流回路(102)的工作电流方向；和

用于保护所述电流回路(102)的根据上述权利要求中任一项所述的设备(100)。

7.根据权利要求6所述的电流回路，所述电流回路具有接在所述第一端口与所述第二端口之间的所述电池(124)。

8.用于保护用于车辆的电池(124)的具有工作电流方向的电流回路(102)的方法，其包括如下步骤：

检测(651)经过所述电流回路(102)的通过电流(115)的方向；

提供(653)控制信号(108)，所述控制信号代表所述通过电流(115)的方向；以及

依赖于所述控制信号(108)地中断或闭合(655)所述电流回路(102)，以便保护所述电流回路(102)，其特征在于，所述方法包括如下另外的步骤：

提供另外的控制信号(444)给所述开关元件(106)，其中，所述另外的控制信号(444)代表所述电池(124)电压的极性；

当在所述电流回路(102)中电池(142)极性颠倒时，将所述开关元件(106)切换到导通的状态下。