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CN108352239A - 用电器的安全控制 - Google Patents

用电器的安全控制 Download PDF

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CN108352239A CN201680067535.8A CN201680067535A CN108352239A CN 108352239 A CN108352239 A CN 108352239A CN 201680067535 A CN201680067535 A CN 201680067535A CN 108352239 A CN108352239 A CN 108352239A
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Abstract

本发明涉及一种用于控制用电器(105)的控制设备(100)，其中，控制设备(100)包括下列元件：在用电器(105)的第一接口(105.1)与运行电压(145)的第一电位(135)之间的第一电流阀(115)；在用电器(105)的第二接口(105.2)与运行电压(145)的第二电位(140)之间的第二电流阀(120)；处理装置(110)，其设计成用于：当第一电流阀(115)闭合时操作第二电流阀(120)，以便控制流过用电器(105)的电流；以及探测装置(125)，其用于确定经由第一电流阀(115)下降的电压，其中，处理装置(110)设计成用于：如果当第一电流阀(115)逐渐断开时，下降的电压没有升高，那么确定第一接口(105.1)与第一电位(135)之间存在短路。

Description

用电器的安全控制
技术领域
本发明涉及用电器的安全控制。本发明尤其涉及具有诊断功能的用电器控制。
背景技术
机动车包括变速器，其可利用执行器通过电控制装置来控制。执行器例如可以包括机电阀，其直接或利用液压元件作用于变速器。为了保持机动车的安全性，必须如下实施执行器的操控，即，在组件上存在故障时也至少保证达到安全工作状态。
用于电操控用电器(例如执行器)的控制设备通常包括两个电流阀，它们连接在用电器与运行电压之间的不同输入线路内。其中一个电流阀通常保持完全闭合，并且另一个电流阀用于控制流过用电器的电流。为此，第二电流阀可以利用脉宽调制信号(PWM)周期性断开和闭合。如果用电器无法利用第二电流阀切断，例如由于第二电流阀故障或者存在经由第二电流阀的短路，则还可以断开第一电流阀，以便切断用电器。
为了确定经由第一电流阀的短路，可以观察流过用电器的电流，与此同时第二电流阀在第一电流阀断开时闭合。如果仍流过电流，则第一电流阀的断开失效并且存在经由第一电流阀的短路。当然如果不存在短路，则两个电流阀的断开促使用电器切断。在受用电器影响的控制任务持续运行中，这通常是不期望的，因此经由第一电流阀的短路的确定仅在特殊运行状态下可以确定，例如在控制设备高负荷运转时。
发明内容
本发明任务在于说明一种改进的技术，以便可以改进地诊断出经由第一电流阀的短路。本发明利用具有独立权利要求特征的设备和方法解决。从属权利要求说明优选实施方案。
用于控制用电器的控制设备包括：在用电器的第一接口与运行电压的第一电位之间的第一电流阀；在用电器的第二接口与运行电压的第二电位之间的第二电流阀；处理装置，其设计成用于当第一电流阀闭合时操作第二电流阀，以便控制流过用电器的电流；探测装置，其用于确定经由第一电流阀下降的电压。在此，处理装置设计成用于：如果当第一电流阀逐渐(graduell)断开时，下降的电压没有升高，那么确定第一接口与第一电位之间存在短路。
在该控制设备上可行的是，第一电流阀正好以如下程度断开，即，在正确工作时经由第一电流阀下降的电压足够地升高。用电器在此保持接通并且在其上存在的电压仅降低例如最多约1V，其经由第一电流阀下降。流过用电器的电流可以利用第二电流阀控制，例如以预定的占空比利用周期性断开和闭合第二电流阀实施。经由第一电流阀的短路可能存在于用电器区域中、输入线路区域中、电流阀区域中或者电流阀自身中(当其例如被击穿时)。
优选的是，即使在控制持续运行中(其中，用电器充当执行器)也可以确定第一接口与第一电位之间存在短路，即，经由第一电流阀的短路。虽然经由第一电流阀的短路还不会导致用电器的危急状态，但结合第二类故障就会出现危急状态。于是利用第一电流阀紧急切断用电器不再可能，从而涉及潜在故障或休眠故障。
处理装置优选设计成用于：如果下降的电压超过预定的阈值，那么确定第一接口与第二电位之间存在短路。也可以设置用于确定经由第一电流阀下降的电压的探测装置，以便确定通向第二电位的短路。如果下降的电压超过预定的阈值，其视配置而定例如可以在0.1V至1.0V范围内，则这表明过高流动的电流并且可以假设，用电器的第一接口与运行电压的第二电位之间存在短路。在实施方案中，探测装置可以包括比较器，以便如果下降电压超过预定的阈值，则发送信号。该电路也可以用于当逐渐闭合第一电流阀时，确定出经由第一电流阀的足够电压的下降。
两个电流阀与运行电压的极性之间的归属关系可以任意选择。在第一变形方案中，第一电位包括高电位，第二电位包括低电位，其中，可以确定用电器相对于运行电压短路。在此，第一电流阀通常称为高侧开关，第二电流阀称为低侧开关。在一个第二变形方案中，第一电位包括低电位，第二电位包括高电位，其中，可以确定用电器对地的短路。在此情况下，第一电流阀称为低侧开关，第二电流阀称为高侧开关。换而言之，第一电流阀(用于紧急切断)与第二电流阀(用于控制流过用电器的电流)之间的配属关系以及作为高侧开关和低侧开关的布置方式可自由选择。第二电流阀可以无关于此地同样被实施成高侧开关和低侧开关，其中，优选的是，电流阀与用电器的不同接口连接并且不规定这两者作为高侧开关或这两者作为低侧开关。
特别优选的是，第一电流阀包括N通道场效应晶体管并且逐渐闭合包括栅极源极电压的下降。如果在N通道场效应晶体管上栅极源极电压足够高，则源极与漏极之间的区段是低欧姆的，从而闭合第一电流阀。如果栅极源极电压下降，则场效应晶体管接近如下运行点，在该运行点源极与漏极之间的电阻升高。通过影响栅极源极电压可以检查第一电流阀的功能性，而无需完全断开第一电流阀。在另一实施方案中，第一电流阀也可以包括P通道场效应晶体管，其中，逐渐断开包括栅极源极电压的升高。以相应方式也可以应用其它技术的晶体管，例如双极晶体管。
控制用电器的集成电流阀包括：半导体开关，其用于控制在运行电压的电位与用电器的接口之间的电流；比较器，其用于将经由半导体开关下降的电压与预定值进行比较；用于半导体开关的操控设备。在此，操控设备设计成用于：如果比较器在此确定没有足够的电压，那么使导通的半导体开关的控制电压逐渐朝向不导通状态的方向变化并且提供警告信号。集成的电流阀尤其可以和上述控制设备的部件彼此集成并且用于控制用电器，以便结合第二电流阀实现冗余的紧急切断。集成的电流阀优选被实施为集成电路(IC)。利用集成电流阀的帮助可以简化或改进构造危急安全的电路。第二电流阀可以以类似方式与操控电路集成，其中，不需要实施比较器和逐渐变化的控制电压。
用于控制具有两个接口的用电器的方法，其中，第一接口利用第一电流阀与运行电压的第一电位连接，并且第二接口利用第二电流阀与运行电压的第二电位连接，该方法包括：在操作第二电流阀时将第一电流阀逐渐断开的步骤；以及如果经由第一电流阀下降的电压没有升高，那么确定第一接口与第一电位之间存在短路。该方法尤其可以利用上述控制设备执行。
通常优选地，通过周期性断开和闭合来操作第二电流阀。断开和闭合时间尤其可以利用脉宽调节信号控制，其占空比依赖于应当流过用电器的电流地选择。
附图说明
现在结合附图进一步说明本发明，其中：
图1示出用于控制用电器的控制设备的电路图；
图2示出方法流程图，其用于确定图1的控制设备上的短路；
图3示出用于控制用电器的集成电流阀；以及
图4示出在执行图2的方法时图1的控制设备的时间流程图。
具体实施方案
图1示出用于控制用电器105的控制设备100的电路图，用电器105具有第一接口105.1和第二接口105.2。用电器105优选包括具有电感元件L和欧姆元件R的负载，尤其是线圈。在优选实施方案中，用电器105可以包括电操作的液压阀，其尤其用于控制例如在机动车驱动系内的变速器。
控制设备100包括处理装置110、第一电流阀115、第二电流阀120和探测装置125。在变形方案中，设置第一电流阀115和多个用电器105，其第二接口可以利用相应配属的第二电流阀120操控。多达10个或更多用电器105例如可以仅利用一个第一电流阀115来提供保护。接下来，为了更容易理解而假设仅有一个用电器105和一个第二电流阀120。
运行电压145具有第一电位135和第二电位140。在此假设，第一电位135是高电位，第二电位140是低电位。第一电流阀115连接在第一电位135与用电器105的第一接口105.1之间，与此同时，第二电流阀120连接在用电器105的第二接口105.2与第二电位140之间。可选地还可以在第一电位135与第一电流阀115之间设置反极性保护装置150。替代地，也可以在第二电流阀120与第二电位140之间布置反极性保护装置150。
第一电流阀115可以直接通过处理装置110控制。第二电流阀120可以以相同方式控制，或者利用脉宽调制装置155，其尤其可通过处理装置110控制。通过选择适合的脉宽调制装置155的占空比可以如下接通或关断第二电流阀120，即，在第一电流阀115闭合时获得流过用电器105的预定的电流。
可选地可以设置串联电阻(分流器)160，其位于流过用电器105的通过电流中。串联电阻160的位置在此可以自由选择；在实施方案中，串联电阻160位于用电器105的第二接口105.2与第二电流阀120之间。为了进行保护以防过电压，还可以设置二极管165作为续流二极管，其平行于用电器105地逆向于从第一电位135到第二电位140的电流方向接入。可以探测经由串联电阻160下降的电流，以便确定流过用电器105的电流。脉宽调制装置155可以依赖于该电流地受控制。
在用电器105运行中，闭合第一电流阀115并且操作第二电流阀120，使得流过用电器105的电流对应于预定值。为此，第二电流阀120尤其可以以预定的占空比进行断开和闭合，从而在用电器105上出现预定电压。当电器105包括电感或电容负载时，这种操控特别好地适用。
如果用电器105不利用第二电流阀120切断，则断开第一电流阀115。在控制设备100上可以安装附加的安全功能。尤其可以确定，利用探测装置125探测到的经由第一电流阀115的电压降是否超过预定的阈值。这可以如下地触发，即，用电器105的第一接口105.1或第二接口105.2与运行电压145的第二电位140短路。
建议，作为附加安全措施，检查第一电流阀115的功能性，具体而言，在操作第二电流阀120时，逐渐断开第一电流阀115，直至经由第一电流阀115下降的电压达到预定的阈值(在实施方案中的前面描述的阈值)。逐渐断开优选缓慢地实施，而且可选地无级(模拟式)地或以离散步骤(数字式)实施。在另一实施方案中，如果已知例如为此所需的控制电压，第一电流阀115也可以直接部分断开。如果在此通过下降的电压没有达到阈值，则第一电流阀115的断开不会影响流过用电器105的电流并且可以确定在用电器105的第一接口105.1与运行电压145的第一电位135之间存在短路。此操作方式可以与第一电流阀115是否构成高侧开关或低侧开关无关地应用。在这两种情况下，第二电流阀120可以构成高侧开关或低侧开关。经由第一电流阀115的短路的确定应当结合图2更准确说明。
图2示出用于确定图1的控制设备上的短路的方法200的流程图。方法200尤其用于在处理装置110上运行。在不同实施方案中，方法200可以周期性地，也就是时控地或事件控制地(ereignisgesteuert)开始，例如总是当流过用电器105的电流超过预定的最小值。
方法200以步骤205开始。在步骤210中，操作第二电流阀120，从而电流流过用电器105。步骤210也可以作为方法200的边界条件并且不必在方法200中执行。
在步骤215中，闭合第一电流阀115。该步骤也可以视为运行方法200的前提条件。在下一步骤220中，进一步逐渐断开第一电流阀115。第一电流阀115优选包括晶体管，其可利用控制电压进入导通或不导通的状态。第一电流阀115的逐渐关闭包括在此情况下控制电压从第一值(对应于导通状态)朝向第二值(对应于截止状态)方向变化。在一个实施方案中，已知控制电压，其中，第一电流阀115仅部分闭合，从而经由第一电流阀115下降了可确定的电压，并且该控制电压直接在第一电流阀115上调节。在另一实施方案中，控制电压逐步朝向不导通状态的方向变化。该实施方案基于图2的流程图。
在步骤225中进行检查，经由第一电流阀115下降的电压是否达到或超过预定的阈值。如果是探测装置125包括比较器的情况，则可以在处理装置110中触发短路(中断)。达到阈值意味着，第一电流阀115可以用于流过用电器105的电流的断路。在步骤230中，第一电流阀115尽量快速再次完全闭合，以便不妨碍电流流过用电器105。方法200结束于步骤235。
然而如果步骤225没有确定足够的、经由过第一电流阀115下降的电压，则在步骤240中进行检查，第一电流阀115是否已足够断开。为此例如可以比较第一电流阀115上的控制电压与预定值。如果第一电流阀115尚未足够断开，则优选使方法200返回步骤220并可以重新执行。然而，如果第一电流阀115已经足够断开，为了实现安全的结论，在步骤245中确定在用电器105的第一接口105.1与运行电压145的第一电位135之间存在短路。可以提供相应消息。此外，用电器105优选处于安全状态，在该状态下，其利用第二电流阀120切断。用于操控第二电流阀120的、相应脉宽调制信号例如可以具有0％或100％的占空比，从而尽量完全闭合第二电流阀120。
图3示出用于控制用电器105的集成电流阀305。该集成电流阀305尤其可以用作为图1所示控制设备100的第一电流阀115。集成的电流阀305包括：半导体开关310(其在图1的视图中由电流阀115、120的其中一个构成)、比较器315、操控设备320和信号生成装置325。在另一优选实施方案中，集成的电流阀305也包括图1的反极性保护装置150。集成的电流阀305可以包括专用集成电路。在实施方案中，处理装置110包括除了半导体开关310的所有元件，处理装置可被设计为系统基础芯片。
半导体开关310优选包括MOSFET，其具有三个接口，被称为栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。其他开关类型也是可行的，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。源极和漏极之间的电流可以利用存在于源极与栅极之间的控制电压Ugs控制。操控设备320用于依赖于第一控制输入端330上的信号地使得S和D之间的控制电压Ugs可选地朝向半导体开关310的导通状态或不导通状态的方向变化，从而实现或阻止电流流过用电器105。
比较器315比较经由半导体开关310的电压降USd与预定值，该电压降相对于流过半导体开关310的电流和在源极与漏极之间的预定电阻是成比例的。电阻对于半导体开关310的导通状态是已知的，该值优选如下预定，即，如果半导体开关310在导通状态下，则该值被下降的电压的超过值相应于最大允许电流的被流过半导体开关310的电流的超过值。在此情况下可以利用信号生成装置325通过输出端335发送相应信号。与此并行，控制电压Ugs可以如下变化，即，限制或切断电流。
操控设备320可以利用第二控制输入端335上的信号如下操控，即，控制电压Ugs以某种程度朝向不导通状态的方向变化。该变化优选例如参照图2以上述方式逐渐实施，并且仅以如下程度，即，不切断流过半导体开关310的电流。通过逐渐(部分地)断开半导体开关310，源极与漏极之间的电阻上升，从而如果电流流过半导体开关310，则经由该区段下降的电压提高。下降电压的提高由比较器315检测。在该工作方式下仅当下降电压提高未超过预定值时，才利用信号生成装置325生成故障信号。此状态表示经由半导体开关310(也就是在源极与漏极之间)的短路。在故障情况下流过半导体开关310的电流限制或切断。
结合图4再次描述该流程。在集成电流阀305的相应标出的组件方面，沿水平方向绘出时间，沿垂直方向绘出电压或逻辑信号。示出的电压和所应用的正逻辑(“1”对应于激活，“0”对应于非激活)是示例性的。
在时间点t0，利用第一控制输入端330上的信号促使半导体开关310连通。控制电压Ugs高，通过半导体开关310下降的电压Uds低，比较器315确定未超过预定值，并且不存在故障信号。
在时间点t1与时间点t2之间，控制电压Ugs线性下降，直至下降电压Uds超过预定值，比较器315的输出端激活。此状态表明，半导体开关310可以用于切断流过其和用电器105的电流，具体而言，控制电压Ugs进一步朝向不导通状态的方向变化，在本示例中进一步下降。利用比较器315的信号优选中断控制电压Ugs的下降并且尽量快速地再次返回，从而在半导体开关310上尽量少地将功率转换成热量。
在时间点t3，基于故障运行电压145的第一接口135和用电器105的第一接口105.1彼此短路。短路电阻在导通状态下通常小于导体开关310的源极与漏极之间的电阻。
在时间点T4开始与时间点t1相同的工作步骤，然而控制电压Ugs达到预定的低值，比较器315无需发送半导体开关310上的超过预定值的电压降的信号。结合上下文，半导体开关310基于短路不被用于流过用电器105的电流的断路。通过在输出端340上发送信号指出此故障。之后通过电流阀120进行切断。
附图标记列表
100 控制设备
105 用电器
105.1 第一接口
105.2 第二接口
110 处理装置
115 第一电流阀
120 第二电流阀
125 探测装置
135 第一电位
140 第二电位
145 运行电压
150 反极性保护装置
155 脉宽调制装置
160 串联电阻(分流器)
165 二极管
200 方法
205 开始
210 操作第二电流阀
215 闭合第一电流阀
220 第一电流阀进一步断开
225 过电流报警？
230 第一电流阀是否足够地断开？
235 结束
240 第一电流阀完全断开
245 确定短路
305 集成的电流阀
310 半导体开关
315 比较器
320 操控设备
325 信号生成装置
330 第一控制输入端
335 第二控制输入端
340 输出端(Err)

Claims (8)

1.用于控制用电器(105)的控制设备(100)，其中，所述控制设备(100)包括下列元件：在所述用电器(105)的第一接口(105.1)与运行电压(145)的第一电位(135)之间的第一电流阀(115)；在所述用电器(105)的第二接口(105.2)与所述运行电压(145)的第二电位(140)之间的第二电流阀(120)；处理装置(110)，所述处理装置设计成用于：当所述第一电流阀(115)闭合时操作所述第二电流阀(120)，以便控制流过所述用电器(105)的电流；以及探测装置(125)，所述探测装置用于确定经由所述第一电流阀(115)下降的电压，其特征在于，所述处理装置(110)设计成用于：如果当所述第一电流阀(115)逐渐断开时，下降的电压没有升高，那么确定所述第一接口(105.1)与所述第一电位(135)之间存在短路。
2.根据权利要求1所述的控制设备(100)，其中，所述处理装置(110)设计成用于：如果下降的电压超过预定的阈值，那么确定所述第一接口(105.1)和/或所述第二接口(105.2)与所述第二电位(140)之间存在短路。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述第一电位(135)包括高电位，并且所述第二电位(140)包括低电位。
4.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述第一电位(135)包括低电位，并且所述第二电位(140)包括高电位。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制设备(100)，其中，所述第一电流阀(115)包括场效应晶体管，并且逐渐断开包括栅极源极电压的下降。
6.用于控制用电器(105)的集成的电流阀(115、120)，其中，所述电流阀(115、120)包括：半导体开关(310)，所述半导体开关用于控制运行电压(145)的电位(135)与所述用电器(105)的接口(105.1、105.2)之间的电流；比较器(315)，所述比较器用于将经由所述半导体开关(310)下降的电压与预定值进行比较；以及针对所述半导体开关(310)的操控设备(320)，其中，所述操控设备(320)设计成用于：如果所述比较器(315)在此确定没有足够的电压，那么使导通的半导体开关(310)的控制电压逐渐朝向不导通状态的方向变化并且提供警告信号。
7.用于控制具有两个接口的用电器(105)的方法(200)，其中，第一接口(105.1)借助第一电流阀(115)与运行电压(145)的第一电位(135)连接，并且第二接口(105.2)借助第二电流阀(120)与所述运行电压(145)的第二电位(140)连接，并且所述方法(200)包括：在操作第二电流阀(120)时将所述第一电流阀(115)逐渐断开的步骤(220)；以及如果经由所述第一电流阀(115)下降的电压没有升高，那么确定所述第一接口(105.1)与所述第一电位(135)之间存在短路的确定步骤(245)。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括通过周期性断开和闭合来操作所述第二电流阀(120)。
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