CN101069333A - 具有较高电压的汽车电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种故障电流保护电路，它优选装入在一个汽车电路里，尤其是一个多电压汽车电路里、并且不测量电流地工作。故障电流在一个分析处理逻辑装置里通过对两种电压的分析处理来求得。这两种电压是在两个高欧姆电阻上的电压降，它们分别位于在带电池和发电机之间的连接和地之间。如果分析处理逻辑装置识别出一个故障电流，那么它就使两个在电池和发电机或者汽车电路之间的连接分开。此外对于一个具有两个通过直流变压器相连接的汽车分电路的双电压汽车电路，可以设有一个取决于电压的电路的直流变压器的平行电路，用此平行电路在有故障时使高压侧接地。

Description

具有较高电压的汽车电路
本发明涉及一种按照主权利要求前序部分的具有较高电压的汽车电路。它尤其包括有一个故障电流保护电路并使用在一个汽车电路里。
技术背景
众所周知，在适用于较高电压的电路里都装有一个保护电路，它在无意中接触到电路的带电压部位时就动作并使通常有的储能器与其余电路分开。附属的故障电流监控装置通常用一个电流互感器工作，后者用来测量所出现的故障电流。使所有带电的导线通过电流互感器并测量电流差。若这电流差不等于零，那么就使保护开关打开。
用于汽车里一种这样的故障电流监控装置的一个例子表示于图1中，这监控装置尤其使用在这样的汽车电路里，在这个汽车电路里都存在有电压，这样的电压在人接触时可能对人体有生命危险，其电压大于65V。按照这个用于故障电流保护电路的实例有一个发电机1，例如一个用于产生电压的交流发电机。发电机或者交流发电动的输出电压借助于一个换流器2整流并通过导线3和4以及一个开关5输送给蓄电池。换流器2是一个设计用于三相的例如具有六个脉冲换流器的桥式电路。
流入导线3，4里的电流在一个电流测量装置里进行测量，其中例如使用一个电流互感器7用于测量电流，它求出电流差。控制装置8对所测电流进行分析处理并且当所测得的电流差超出可以预先规定的值时就使开关5断开。开关过程通过相应的由控制装置8产生的控制信号来引起。
因为所有通电流的导线必须通过电流互感器7，因此需要有一种相对大而昂贵的电流互感器。此外用于电流互感器的结构空间从位置上看灵活性小，因为它必须这样布置，使所有通电流的导线都包括进去。按照分析处理总电流互感器或者通流互感器的输出信号的故障电流断开电路因此是相当麻烦费钱的。
按照图1的汽车电路也可以设计成一个双电压汽车电路的分电路，例如为一个双电压汽车电路的高压侧。与低压侧的连接则通过一个直流变压器实现，其例如连接于发电机。对于一种这样的双电压汽车电路的实例已在DE 41 389 43 C1中作了说明。在这种已知的，在图2中示意表示的双电压汽车电路里这布置在两个分电路之间的直流变压器26是一个复杂的充电-/隔离模块的组成部分，该模块取决于输入的信号，例如取决于所测量的电流而使两个分电路之间的连接断开并因此在有故障时阻止从一个分电路至另一个的反作用。第一汽车分电路包括了一个发电机27、一个电池28以及用电器29，第二分电路则包括一个电池30以及用电器31，例如一个起动器。在这两分电路中电池28或者30的负极接地。在括号里的附图标记结合图3或者4进行说明。故障电流的识别在一种这样型式的汽车电路中只是难于实现。
在室内电气布线中目前设置有所谓故障电流保护开关，它们用于以更高的安全性防止危险的电流冲击。这样的故障电流保护开关也称作为FI-开关，它总是在零导线和保护导线之间建立连接时就释放动作。通过断开位于保护开关后的电路部分来避免发生危险。已知的故障电流保护装置的设计应使它们只需要低的动作电流用来进行动作并且具有相对短的断开时间。
发明内容
具有权利要求1的特征的具有一个故障电流保护电路的按照本发明的具有较高电压的汽车电路具有以下优点：不必测量电流就可以实现一种故障电流断开，其尤其可以使用在一个汽车电路里并且特别有利地使用在一个具有处于较高电压的分支部位的汽车电路里。
这些优点通过一种电路来实现，在此电路中两条连接线路在电池和换流器或者与换流器连接的发电机之间通过至少各一个高欧姆的电阻接地并测量在这两个电阻上的电压降。借助于一个分析处理逻辑装置检验两个电压的故障电流并在故障情况下，也就是在获知有故障电流时借助于一个由分析处理逻辑装置所产生的断开信号使两条线路断开，上述信号被输送给所属的开关。
本发明的其它优点通过在从属权利要求中所述的措施来实现。一种特别的优点在于：单单通过对在两个电阻上所测压降的分析处理，也就是说不需要其它的测量装置或者不需要其它传感器就可以实现过电压监测和/或欠电压的监测。为了使快速的载荷变化并不导致电位移动，可以使附带的电容器与两个电阻并联。借助于合理性检查，也就是说两个测量电压的对比可以更有利地区分负荷变换和出现的故障电流。
分析处理逻辑装置输出一个断开信号或者控制信号时的动作阈值可以有利地被设定于很大程度上为任意的故障电流，一个这样的极限值有利地为小于30mA。可以很快地进行断开。
在一种设计成双电压汽车电路的具有较高电压的汽车电路的设计方案中可以在两个分电路之间有一个有利的耦合，它确保了：在故障情况下在高电压侧，也就是说在处于较高电压的汽车分电路中强制使高电压侧硬(hart)接地。实现这种优点的方法是：借助一个平行于直流变压器的连接元件使两个通过一个直流变压器耦合的汽车电路连接起来，其中连接元件监测优选位于直流变压器的负的高压接头和汽车电路接地之间的电压并使之保持在一定极限内。连接元件有利地是一种取决于电压的电阻，一种稳压二极管或者一种通过在负的电压接头和地之间的电压差进行控制的连接元件。
用这种虽然不是F1-接线的电路确保了：在高电压范围和低电压范围之间不超过一个最大许可的绝缘电压，或者说用这样一种接线可以使系统设计于一个明显更低的绝缘电压并因此实现汽车电路部件或者构件的保护。
附图说明
图1表示了一种已知的和当前常用的故障电流保护电路，图2则表示一种已知的双电压汽车电路。两种已知的电路在“背景技术”部分中作了详细说明。图3表示了一个具有一种按照本发明的故障电流保护电路的汽车电路的框图，图4表示了两个不同电压的汽车分电路的连接方案。以下对于图3和4中所示的电路加以说明。
具体实施方式
图3中表示了一个汽车电路的或者一个汽车分电路的，优先是高电压分电路连同一个按照本发明的故障电流保护电路的对于理解本发明来说主要的部件。
图3详细表示了一个汽车电路或者汽车分电路，它具有一个电机10，例如一个三相起动器发电机10或一个用于混合动力汽车电路的电机，它或者它们通常与一个换流器11连接。换流器11为具有例如六个脉冲换流器的桥电路，从这个换流器11引出的两条线路12，13通过开关14至电池15。通过在电池15和换流器11或者电机10之间的连接线路当电机10为正常的发电运行时使电池15充电。若使用一种起动器发电机作为电机10，那么在起动情况下电动机就可以作为起动器工作也就是说作为电动机并通过换流器11从电池15获得电能。
在线路12和地，尤其中汽车地或车身地40之间在按图3的实施例中设有一个并联电路，这个电路由一个电阻16、一个电容17和一个电压计18组成。在线路13和地之间并联接有一个电阻19、一个电容20和一个电压计21。两个电容17和20不一定必需。
电压计18测量电阻16上的的电压降，电压计21测定电阻19上的压降，电压计18和21都与分析处理逻辑装置24连接并提供应该要进行分析处理的测量值。对应的在电压计18或者21之间的连接用22和23表示。如果分析处理逻辑装置24通过对电压的分析处理确定了故障电流，那么它就是通过一个连接25将控制信号传送给开关14并操纵开关使电池脱开。因此使汽车电路可以无电压地接通。在达到可以预先规定的可以推断出一种故障的条件时，就使在电池15和换流器11或者连接于换流器11的发电机11之间的两个连接线路12，13中断开并保证一种故障电流保护。
按图3所示的按照本发明的实施例的特征在于，可以实现一种故障电流断开，它不需要测量电流就可以。重要的是：高压线路也可以在汽车电路中，这些高压线路上主要是高于12V的电压。在一种用于混合动力汽车的电路中在高压侧的电压例如为65V和更高，其中但在某些条件下也可以用更高得多的电压，直至288V。在这些条件下借助于FI-接线进行保护肯定是必需要的。在一种12/42汽车电路中一种这样的保护同样也可能是适宜的。
在按图3的实施例中两条连接线路12，13通过至少一个高欧姆电阻16和19接地。因此产生一种分压器，它使地电位40在线路12和13的电位之间。若故障电流从线路12或线路13向着地40流出，那么分压器就“走样”，借助于电压计18和21所测得的电压的关系发生变化并因此识别出故障电流。为了识别故障电流可以将两个所测的电压输送给例如分析处理逻辑装置24，在其中进行故障识别。故障识别的一种方法例如是通过将求出的电压关系与一个极限值比较和在达到或超出这极限值时的故障识别。在故障情况对则通过开关14实现断开，其中使电池与汽车电路其余部分分离开。
在图3所示的汽车电路中也可以是汽车的一处于相对于通常的汽车电路电压12V来说更高的电压例如288V的高压电路，它例如通过一个电压变换器与通常的汽车电路相连接。高压电路在图3所示的实施形式中与汽车地并没有低欧姆的连接。为了阻止高压电路的电位不可控制地漂移离开，设有高欧姆电阻16或者19以及电容17，20。如果这些元件分别成对地大小相同，那么就使电路保持与汽车地对称。重要的是：必须保持电阻值，使并没有由电阻而引起显著的损失，也就是说并没有重大的电流从线路12经电阻16或者从线路13经电阻19流向地。电阻16和19的适宜的值例如为2兆欧姆。
若有人碰到导线12或13之一并且同时碰到汽车地或者车身地，那就形成一个故障电流，它导致了明显的电位移动。这种电位移动可以按照本发明进行分析处理。此时人就象一个电阻，它与电阻16或19并联。在这种情况下分压器就同样也“走样”，这可以被用来识别故障。
为了使快速的负载变化，也就是说汽车电路负载的快速变化并不造成电位移动，电容17，20与电阻16，19并联连接。若对于两个在电阻16，19上或者降低的电压进行测量，那就可以明确地推断出有一个故障电流。必须对两个电压进行测量。合理性控制就可以在负载变换之间进行区分，也就是说在快速变化的汽车电路的负载和故障电流之间区分。
分析处理逻辑装置24通过对比两个电压来识别故障电流，它可以被设定于差不多任意的故障电流，通常是小于30毫安(mA)的故障电流。在达到所设定的故障电流时就从这分析处理逻辑装置24输出一个相应的信号至开关15并使之打开。
在具有一种双电压汽车电路的汽车中，如果没有采取其它的保护措施的话，那么由于安全方面的原因高电压系统应该相对于地例如相对于外壳浮置(potenticelfrei)，并附带地接触安全地设计。这意味着，必需保证在高电压电路和低电压电路之间电位分离。这尤其是因为在具有低电压通常为12V的低电压汽车电路中汽车车身是负极。例如至288V并必要时下更高的高电压汽车电路同时以很高欧姆连接于车身电位，以便使电压电位不会任意地漂移。这种电压连接通过对称电阻16，19和/或电容17，20而得到。这些事实的先决条件是，由两个所测的电压或者在电阻17，19上的电压降通过电压的相互比较可以识别出整个系统是否正常。
如果没有故障而且电压电位位于可预先规定的极限之内，那么电阻16和19的电阻值之比与两个所测电压之比相同。如果由于有接触或者在汽车电路里有其它的故障使高压汽车电路里的电流全部或部分地通过汽车车身流出，那么电阻电压分配器就相应地走样，因为经过这两个电阻16，19有不同的电流流过。所出现的两个电压降比值的变化可以在分析处理逻辑装置8里识别并由此引起一种反应。这种反应例如可以是断开高压，一种这样的反应例如当分压器的移动达到了可预先规定的值时，才动作。这些值又可以相对自由地选择。
图4表示了按图2所示双电压汽车电路的一种技术方案，其中两个分电路之间的耦联通过直流变压器32而实现。第一个分电路有一个发电机33并包括没有单独示出的换流器，一个蓄电池34以及用电器35，第二个分电路则有一个电池36以及用电器37。低电压汽车电路(12/14V)接地，其中电池36的负极接地。高电压汽车电路则与此相反作为可控制的悬浮的牵引电路(Traktionsnetz)接通，为了与低电压汽车电路耦联除了直流变压器32之外还有一个连接元件38平行于直流变压器，而且连接元件的一个取决于电压的连接元件，它监测在负的高电压接头(B-)和电路接地之间的电压并使其保持在一定的极限值里。
图4给出了三种用于实现连接元件38的方案。高电压侧的负接头(B-)通过一个取决于电压的电阻38a(其值例如与电压U成比例变化)稳压二极管或者通过一个连接元件38c(此元件38c通过(B-)和接地之间的电压差来控制)与地或多或少高欧姆地连接。原则上也可以使正的高电压接头(B+)与地连接。备选地也可以连接于在直流变压器和电池之间的14V线路而不接地。
平行于直流变压器32的连接元件38功能在其设计方案中为如下：如果高电压侧的参照电位相对于汽车地超过了一定的电压，那么电压控制的电阻38a的值就降低并使高电压侧的参照电位又接地，其中这过程不断地进行。如果使用一种稳压二极管38b作为连接元件38，那么连接元件高压侧3的参照电位则相反跳跃式接地。如果在高电压侧的参照电位和地之间的电压大致等于零，那么这两个汽车电路相互不连接或者只是很高欧姆地连接。
为了使高电压侧对于14V汽车电路的干扰输入尽可能地小，可能适宜的是：不用稳压二极管或取决于电压的电阻而采用一个主动的连接元件。38c表示了一种可能的技术方案。一种这样的连接元件39必须至少由一个用于电压测量的单元和一个开关组成。为了抑制在开关动作时的干扰峰值。可以设有一个由线圈、电容和电阻组成的网络并布置于开关之前。在故障情况下可以使开关关闭并使高压侧接地。

Claims (15)

1.在汽车里的具有较高电压的汽车电路，尤其具有故障电流保护电路，汽车电路包括有至少一个电机、换流器以及两个在换流器和电池之间的连接线路，并且故障电流保护电路具有开关用于切断至电池的两个连接，并且还具有分析处理逻辑装置，它在可以预先规定的条件下使开关打开，其特征在于，这些条件就是在电阻(16)、(19)上降落的电压，其中电阻(16)接在第一线路(12)和地之间，而电阻(19)则接在第二线路(13)和地之间，而且两条线路(12)和(13)分别将对应的电池(15)的接头与换流器(11)或者发电机(10)连接。
2.按权利要求1所述的故障电流保护电路，其特征在于，并联于电阻(16)和/或并联于电阻(19)分别有电容(17)(20)用于阻止在快速负荷变换时发生电位移动。
3.按权利要求1或2所述的故障电流保护电路，其特征在于，在两个电阻(16)、(19)上降落的电压各借助于电流计(18)、(21)求出并使测量值通过相应的连接输送给分析处理逻辑装置(24)。
4.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，分析处理逻辑装置(24)由两个输入电压形成电压差并由电压差确定故障电流并在到达可以预定的故障电流值时使开关(14)打开。
5.按权利要求4所述的故障电流保护电路，其特征在于，可以选择电流的可以预定的极限值并优选为30mA。
6.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，它是双电压汽车电路的组成部分并布置在汽车电路的具有较高电压那一侧。
7.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，电阻17，19的值相等并优选为2兆欧姆。
8.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，对在两个电阻上降落的电压的关系进行分析处理用于识别故障电流。
9.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，在分析处理逻辑装置(24)里进行合理性试验，用于区分负载变换和故障电流。
10.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，除了故障电流识别之外进行过电压/欠电压的监测。
11.按上述权利要求之一所述的故障电流保护电路，其特征在于，它是混合动力汽车的车内电路的组成部分。
12.具有较高电压的汽车电路，具有两个分电路，它们通过直流变压器相互连接，所述汽车电路具有保护电路，其特征在于，分电路之一并不接地或只是很高欧姆地接地，而保护电路包括有取决于电压的电路，它平行于直流变压器并在故障情况使这并不与地相连的汽车分电路接地。
13.按权利要求11所述的保护电路，其特征在于，取决于电压的电路至少包括有一个取决于电压的电阻或稳压二极管。
14.按权利要求11所述的保护电路，其特征在于，取决于电压的电路包括有至少一个主动的连接元件，该连接元件具有开关和电压计。
15.按权利要求12所述的保护电路，其特征在于，它是混合动力汽车的电路的组成部分。
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