CN103069524A - 过流开关，过流开关的使用和带有过流开关的电动车辆 - Google Patents

Abstract

给出了过流开关（1a…1c），包括第一输入端（2）和第一输出端（3）以及将第一输入端（2）与第一输出端（3）连接的第一电流路径。在第一电流路径内附加布置电子开关（4）、机电开关（10）和用于测量第一电流路径内的电流的第一传感器（5）。过流开关（1a…1c）还包括控制器（6），其当由第一传感器（5）确定的电流上超第一可预先确定的阈值时，将电子开关（4）控制到不导电或高阻状态中。最后，过流开关（1a…1c）包括控制器（11），以当由第一传感器（5）确定的电流下超第二可预先确定的阈值时，和/或在将电子开关（4）控制到不导电或高阻状态中之后经过可预先确定的时间段之后，将机电开关（10）控制到不导电的状态。此外，给出了根据本发明的过流开关（1a…1c）的使用，其中第一电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中。最后，给出了包括驱动蓄电池和包括此蓄电池的电路的电动车辆，其中在所述电路内布置了根据本发明的过流开关（1a…1c）。

Description

过流开关,过流开关的使用和带有过流开关的电动车辆

技术领域

本发明涉及过流开关，所述过流开关包括第一输入端和第一输出端以及将第一输入端与第一输出端连接的第一电流路径，在第一电流路径内的电子开关和设置为用于测量第一电流路径内的电流的第一传感器。过流开关此外包括第一控制器，所述第一控制器准备为当由第一传感器确定的电流上超第一可预先确定的阈值时，将电子开关控制到不导电或高阻状态中。此外，本发明涉及过流开关在电线路中的使用。最后，本发明涉及电动车辆，所述电动车辆包括驱动蓄电池和包含此蓄电池的电路，其中在所述电路中布置了过流开关。

背景技术

很久以来使用过流开关，所述过流开关在电流过大时自动中断电路，以避免包含在电路内的元件的损伤或甚至破坏。例如在电动车辆内的电路，其中工作电流可直至400安培且更高。为保持电动车辆的驱动蓄电池内的损耗低，使用带有低内阻的电池单元。但这导致在故障时的极高的短路电流。所述短路电流可直至10kA且更高。由于运行和安全性原因，此能量存储器因此具有分离单元，所述分离单元可将蓄电池或电池与剩余的高压车载网络（带有直至800V电压）分离。此分离单元通常以熔断保护器和/或高压继电器实现，但这在技术上是昂贵的且因此价格昂贵。此外，此继电器仅具有一定的电流承载能力。如果必须在载荷下开闭，则继电器可能由于触点上的电弧而被明显损坏，所述触点仅在数次开关过程之后必须更换。但熔断保护器的在10至100ms的范围内的最终触发时间也是成问题的，因为在此时间内可能流过全短路电流。对于所涉及的电路内的许多元件，例如继电器、单元连接件、插接触点等，这可能导致不可逆的故障。因为如所提及的短路电流可能具有极高的值，所以根据现有技术必须通常进行技术上的补偿且因此使用很昂贵且庞大的部件。

例如，DE 102 48 679 A1为所述问题公开了具有带正极和负极的电池且为多个用电器供电的车辆车载网络。在电池的正极和用电器之间提供了一个模块，该包括具有用于确定电池状态的装置、用于车辆车载网络的能量管理的控制单元和至少一个可用以向用电器供电的供电输出。在此模块中可布置功率开关或电池分离开关，以便能够在需要的情况下分离电路。

也已知使用用于开闭电路的电子开关元件。例如，DE 198 35 183 A1为此公开了保护可充电电池不受短路和深度放电的影响的保护电路。在一个实施形式中，为将电路断开使用了场效应晶体管。

在已知的设备中，问题是场效应晶体管虽然可相对快地分离电路，但分离不以电的方式进行。而在带有断路继电器的设备中，无法避免至少短时流过的极高的电流，这明显地限制了断路继电器的使用寿命。

发明内容

本发明的任务因此是给出改进的过流开关以及此过流开关的使用。特别地，电路应被电分离，而在此不明显影响断路继电器的使用寿命。

本发明的任务通过前述类型的过流开关解决，所述过流开关包括：

-在第一电流路径内的机电开关，和

-第二控制器，所述第二控制器准备为当由第一传感器确定的电流下超第二可预先确定的阈值时，和/或在将电子开关控制到不导电或高阻状态中之后经过可预先确定的时间段时，将机电开关控制到不导电或高阻的状态。

此外，本发明的任务通过在电线路内使用根据本发明的过流开关解决。

最后，本发明的任务通过包括驱动蓄电池和包含此蓄电池的电路的电动车辆解决，其中在所述电路内布置了根据本发明的过流开关。

电流的上升时间通过包含在电路中的电感限制。这特别地也适用于电池系统内的短路电流，因为由于电池的结构所导致的寄生电感限制了电流上升。作为标准值，可从如下情况出发，即在大约100μs直至1ms的时间后达到最大电流。

如果使用用于测量电流的足够快的传感器，则可以在电流达到其最大值前就已检测到不允许的值，且作为结果以电子开关中断电路。而机电开关此外保持闭合。所述机电开关仅在第二可预先确定的电流值以下断开，使得机电开关的触点被保护且提高其使用寿命。在本发明的特别有利的变体中，机电开关仅在电路中不再有电流流动时才断开。替代地，机电开关也可在电子开关断开后经过一时间段断开。在此变体中，优点是电子开关的断开延迟以及电流的衰减过程是已知的。

功率开关因此包括电子开关和机电开关的串联。电路的此类型的保护是可逆的，即电路可在故障后立即又投入运行。

虽然利用相对缓慢的机电开关将电路电分离，但不再出现10kA和更高的短路电流，因为电路被电子开关在数微秒内中断。作为替代，在故障情况中电流被限制在例如400至500A的可应对的程度内。因此，包含在电路内的部件（继电器、单元连接器、单元、插接触点等）在故障情况中也仅受到此相对低的电流。因此，这些部件可针对更低的峰值电流定尺寸，且因此在技术上更简单且因此也更廉价。

本发明的有利的构造和扩展现在从从属权利要求中以及从结合附图中的图的描述中得到。

特别有利的是将机电开关不是布置在第一电流路径内而将其布置在将第二输入端与第二输出端连接的第二电流路径内，其中这两个电流路径设置为在共同的电路中开闭。这对于前述优点在此意义上适用。在此，也将电子开关和机电开关串联连接，然而通过外部布线连接。仅由过流开关为此提供连接件。

也合适的是将场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管或双极晶体管提供为电子开关。它们是可容易得到且被证明适用的用以接通和关断电路的装置，因此本发明能以相对低的成本转化到实践中，且此外还不容易出故障。

也有利的是提供第一比较器作为第一控制器，将由第一传感器确定的电流和第一可预先给定的阈值提供到所述第一比较器的输入端上，且将所述第一比较器的输出端与电子开关的控制输入端连接。比较器是可容易得到且被证明适用的用以检测不同的电压电平的装置，因此本发明能以相对低的成本转化到实践中，且此外还不容易出故障。此外，比较器极快，因此可有效地避免过高电流的出现。

在此方面，合适的是将N沟道场效应管、N沟道绝缘栅双极型晶体管或NPN双极晶体管作为电子开关提供在：

-第一比较器的被提供以由第一传感器确定的电流的负输入端上，

-第一比较器的被提供以第一可预先给定的阈值的正输入端上。

如果所测量的电流上超可预先给定的阈值，则比较器的输出端切换到低电平且因此电子开关关断。

在此方面，此外有利的是：

-提供P沟道场效应管、P沟道绝缘栅双极型晶体管或PNP双极晶体管作为电子开关，

-在第一比较器的正输入端上提供由第一传感器确定的电流，和

-在第一比较器的负输入端上提供可预先给定的阈值。

如果测量的电流上超可预先给定的阈值，则比较器的输出端切换到高电平，且因此电子开关关断。

也特别有利的是：

-提供继电器作为机电开关，和

-提供第二比较器作为第二控制器，在所述第二比较器的输入端上提供由第一传感器确定的电流和第二可预先给定的阈值，且所述第二比较器的输出端与继电器的控制线圈连接。

如前所述，比较器是可容易得到且被证明适用的用以检测不同电压电平的装置，因此本发明能以相对低的成本转化到实践中，且此外还不容易出故障。此外，比较器极快，因此可有效地避免过高电流的出现。

也有利的是作为第一控制器和第二控制器的替代提供共同的控制器，且将第一控制器在其内形成为第一控制功能，且将第二控制器在其内形成为第二控制功能。以此方式，可降低参与控制的部件的数量，因此电路结构更不复杂且通常也更廉价。

在此方面，有利的是提供微控制器作为控制器，在所述微控制器的输入端上提供由第一传感器确定的电流，且所述微控制器的输出端与电子开关的控制输入端或与机电开关的控制输入端连接。微控制器允许特别灵活地实现本发明，这可相对简单地与不同的边界条件匹配。通常，微控制器具有用于测量模拟信号的装置（例如，模数转换器），使得可直接处理传感器的信号。

合适的是作为将传感器布置在第一电流路径内的替代将传感器布置在第二电流路径内。以此方式，可更简单地实现根据本发明的过流开关。

此外合适的是将设置为测量第二电流路径内的电流的第二传感器布置在第二电流路径内，且作为使第二控制器基于由第一传感器确定的电流的替代，使第二控制器基于由第二传感器确定的电流。这实现了可更简单地实现本发明的过流开关的另外的可能性。

合适的是将用于测量电流的第一传感器/第二传感器形成为霍尔传感器。霍尔传感器极快地响应于电流的改变，使得可在数微秒内已能够可靠检测到不允许的电流。

此外，有利的是使用仅带有第一电流路径的根据本发明的过流开关，其中第一电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中。在此变体中，电路因此在正电势或负电势下中断。其优点是电路的例如无遮蔽的或可能被接触的部分在电路分离后不再传导危险的电压。

此处指出，本发明特别地也适用于高压系统（HV系统）。在此系统中，高电压通常与车辆接地电分离。如果为此情况，则在下文中的概念“地电势”意义上通过概念“高压负”替代，该概念“高压负”与概念“高压正”一起描述了HV系统的两个电势。

特别有利地，也使用了带有第一电流路径和第二电流路径的根据本发明的过流开关，其中第一电流路径处于带有地电势的电线路中，且第二电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中。在此变体中，电路在地电势处通过电子开关中断，而在正电势或负电势处通过机电开关中断。其优点是电路被完全分离。电路的例如无遮盖的和可能被接触的部分在电路分离后因此不再传导危险的电压。有利地，将电路在正电势或负电势处电分离，这提供了特别高的安全性。在地电势处电子开关虽然也将电路分离，但不是电地分离。在电子开关内的故障因此可能导致，此线路不再被分离。但这带有相对低的风险，因为从地线路通常本来就不会传出危险的电压。本发明的此变体因此在正常情况下在两个电势处断开电路，但在电子开关故障的情况下至少在正电势或负电势处断开电路。

在此方面，有利的是将机电开关在用于电子开关的断开信号之后的可预先给定的延迟时间之后断开。如果电子开关故障，则该电子开关不再可将电路分离，且电流不可降低到在本发明的变体中为断开机电开关所提供的第二阈值以下。但现在将机电开关在一定的延迟时间后断开。虽然这可能伴随机电开关的损坏，因为机电开关可能必须断开全部短路电流，但因此可很大程度上防止对于另外的部件或人员的危害。最后，可通过附加地安装熔断保护器在机电开关失效时也保证可靠的分离。本发明的此变体因此特别地安全。

合适的是驱动蓄电池可从电动车辆松开，且将过流开关布置在蓄电池侧。以此方式，蓄电池的接线端子可无电压地连接，以排除由于接触无遮蔽的触点所导致的危险。

也合适的是驱动蓄电池可从电动车辆松开，且将过流开关布置在车辆侧。以此方式，车辆网络的接线端子可无电压地连接，以排除由于接触无遮蔽的触点导致的危险。

在此指出，根据本发明的过流开关的提到的替代和由此得到的优点同样地涉及根据本发明的方法和根据本发明的车辆，反之亦然。

本发明的以上构造和扩展能以任意的方式组合。

附图说明

本发明在下文中根据附图的示意图中给出的实施例详细解释。各图为：

图1示出了根据本发明的过流开关的第一实施例；

图2示出了如图1的仅带有布置在第二电流路径内的机电开关的过流开关，

图3示出了根据本发明的过流开关的另外的实施形式，所述过流开关带有作为用于电子开关和机电开关的共同控制器的微控制器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的过流开关1a的第一实施形式，所述过流开关1a包括第一输入端2和第一输出端3以及将第一输入端2与第一输出端3连接的第一电流路径。在第一电流路径内布置了电子开关4、机电开关10和用于测量第一电流路径内的电流的第一霍尔传感器5。此外，过流开关1a包括第一控制器6，所述第一控制器6准备为当以第一霍尔传感器5确定的电流上超可预先给定的阈值时将电子开关4控制到不导电的或高阻的状态中。最后，过流开关1a包括第二控制器11，所述第二控制器11准备为当以第一霍尔传感器5确定的电流下超第二可预先给定的阈值时将机电开关10控制到不导电的状态中。此外，过流开关1a包括逻辑器16，所述逻辑器16导致第二控制器（第二比较器）11仅在第一控制器6（第一比较器）已触发时才被激活。

在如下的示例中，电子开关4形成为场效应晶体管，具体而言形成为N沟道MOSFET。但相应地，也可以使用另外的场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管或双极晶体管。

作为第一控制器提供了第一比较器6，在所述比较器6的输入端上提供由第一霍尔传感器5确定的电流和第一可预先确定的阈值，且所述比较器6的输出端与电子开关4的控制输入端连接。具体而言，在第一比较器6的负输入端上提供由第一霍尔传感器5确定的电流且在第一比较器6的正输入端上提供第一可预先确定的阈值。第一阈值在此示例中通过第一参考电压源7产生。

在本示例中，提供了继电器10作为机电开关且提供了第二比较器11作为第二控制器。在第二比较器11的输入端上提供有由第一霍尔传感器5确定的电流和第二可预先给定的阈值。所述第二比较器11的输出端与继电器10的控制线圈链接。第二阈值在此示例中通过第二参考电压源12产生。

如果测量的电流（在此示例中作为电压信号存在）现在上超可预先给定的阈值，则第一比较器6将其输出切换到低电平且因此关断电子开关4。如果测量的电流接着下超第二阈值，则第二比较器11也关断机电开关10。替代地，也可在电子开关4关断之后经过一时间段后将机电开关10关断。在此情况中，可取消第二比较器11。作为替代，第一比较器6的输出可通过延迟环节（未图示）与继电器10的控制线圈连接。如果附加地设置机电开关10的时间上延迟的切换，则在电路内保持第二比较器11。但所述第二比较器11的输出如通过（未图示的）延迟环节引导的第一比较器6的输出那样置于（未图示的）“或”门的输入端上。“或”门的输出则控制机电开关10。在此变体中，如果电流降低到第二阈值以下或在电子开关4关断之后经历了一时间段，则机电开关10因此关断。

通过使用快速比较器6和快速的第一霍尔传感器5，实现了在不允许的电流值达到其最大值前已检测到此电流值，且然后以快速的电子开关4中断电路。

电路的快速关断因而通过电子开关4保证，而机电开关10还保持闭合。所述机电开关10仅在低于可预先给定的电流值时断开，使得机电开关10的触点被保护且提高所述触点的使用寿命。机电开关10在本发明的变体中负责电路的电分离。

在使用P沟道场效应晶体管、P沟道绝缘栅双极型晶体管或PNP双极晶体管时，类似地将由霍尔传感器5确定的电流引导到第一比较器6的正输入端，且将第一可预先确定的阈值引导到第一比较器6的负输入端。

此外，在图1中图示了其中插入了过流开关1a的电路。电路在最简单的情况中包括电压源8、负载9、以及所提及的过流开关1a。例如，电压源8可通过电动车辆的驱动蓄电池且负载9通过电动车辆的驱动马达或另外的用电器形成。在本示例中，过流开关1a的第一电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中，具体而言，处在电压源8的正电势上。在此变体中，电路因此在正电势处中断。其优点是电路的例如无遮蔽的且可能被接触的部分在电路分离后不再传导危险的电压。

图2现在示出了过流开关1b的变化的实施形式，该过流开关很类似于图1中图示的过流开关1a。除此之外，过流开关1b包括第二输入端13和第二输出端14以及将第二输入端13与第二输出端14连接的第二电流路径。机电开关10在此情况中布置在第二电流路径内。

在本发明的替代中，作为第一霍尔传感器5布置在第一电流路径内的替代，将其布置在第二电流路径内。这在图2中通过虚线图示的霍尔传感器示意。此外，除第一霍尔传感器5外可在第二电流路径内布置设置为测量第二电流路径内的电流的第二霍尔传感器，且替换地，第二控制器不是基于由第一霍尔传感器5确定的电流，而是使第二控制器基于由第二霍尔传感器确定的电流。在此情况中，在图2中取消了两个比较器6和11之间的连接线路。当然也可构思以由第一霍尔传感器5确定的电流用于控制机电开关10，且以由第二霍尔传感器5确定的电流控制电子开关4。

如在图2中很好地可见，第一电流路径在此示例中处于带有地电势的电线路中，且第二电流路径处于带有与地电势偏离的电势-在此带有正电势-的电线路中。因此，电路通过地电势处的电子开关4中断，而在正电势处则通过继电器10中断。其优点是电路通常完全分离。电路的例如无遮蔽的且可能被接触的部分在电路分离后因此不再传导危险的电压。如果存在电子开关4的故障，则电路至少仍在正电势处被电分离。

图3示出了过流开关1c的另外的变体。在此，作为第一控制器6和第二控制器11的替代提供了共同的控制器，其中在其内的第一控制器形成为第一控制功能且在其内的第二控制器形成为第二控制功能。具体而言，提供微控制器15作为控制器，在所述微控制器15的输入端上提供由第一霍尔传感器5确定的电流且所述微控制器15的输出端与电子开关4的控制输入端或与机电开关10的控制输入端连接。第一和第二控制功能现在实现为软件，所述软件在微控制器15运行时实施。替代的实施形式因此可特别容易地转化到实践中。例如，通过简单改变微控制器15的编程，可将第二控制功能实现为当由第一传感器5确定的电流上超第二可预先确定的阈值时和/或在电子开关4被控制到不导电的或高阻状态中之后经过可预先确定的时间段时，将机电开关10控制到不导电的状态中。

最后应说明的是过流开关1a…1c不一定必须作为带有专用壳体的专用部件存在。当然，单独的部件可在任意位置上插入到电路内，只要产生根据本发明的功能。因此，过流开关1a…1c的元件不必组装在共同的壳体内。在此情况中，在附图中图示的过流开关1a…1c的边界理解为功能组。类似地，输入端2、13和输出端3、14不必强制地作为接线端子意义上的专用部件等存在。如果过流开关1a…1c的元件不在共同的壳体内组装，则输入端2、13和输出端3、14仅是提到的功能组的边界。因此，物理上在输入端2、13和输出端3、14上也可存在贯通的电线路。此外，应说明的是电流既可在从输入端2、13到输出端3、14的方向上流动，也可在相反的方向上流动。特别地，根据本发明的过流开关1a…1c也可用于交变电流。

此外应说明的是虽然在前述示例中总是使用霍尔传感器来测量电流，且虽然此霍尔传感器被优选地使用，但对于本发明也可使用不同于霍尔传感器的另外的传感器来测量电流。例如，可测量在电流测量电阻（并联支路）上的电压降。但例如也可构思使用利用法拉第效应或磁致电阻效应的传感器。

如果根据本发明的过流开关1a…1c例如使用在电动车辆内，则如果驱动蓄电池可从电动车辆松开则所述过流开关1a…1c既可布置在蓄电池侧也可在车辆侧。

最后，应理解的是在附图中单独地图示的变体也可形成独立的发明的对象。

Claims (15)

1.一种过流开关（1a…1c），包括：

-第一输入端（2）和第一输出端（3），

-将第一输入端（2）与第一输出端（3）连接的第一电流路径，

-在第一电流路径内的电子开关（4）

-设置为用于测量第一电流路径内的电流的第一传感器（5），和

-第一控制器（6），所述第一控制器（6）用于当由第一传感器（5）确定的电流上超第一预先确定的阈值时，将电子开关（4）控制到不导电或高阻状态中，

其特征在于，

-在第一电流路径内的机电开关（10），和

-第二控制器（11），所述第二控制器（11）用于当由第一传感器（5）确定的电流下超第二可预先确定的阈值时，和/或在将电子开关（4）控制到不导电或高阻状态中之后经过预先确定的时间段之后，将所述机电开关（10）控制到不导电的状态。

2.根据权利要求1所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，作为将机电开关（10）布置在第一电流路径内的替代，将其布置在将第二输入端（13）与第二输出端（14）连接的第二电流路径内，其中两个电流路径用于在共同的电路中开闭。

3.根据权利要求1至2中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，提供场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管或双极晶体管，作为电子开关（4）。

4.根据权利要求1至3中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，提供第一比较器（6）作为第一控制器，将由第一传感器（5）确定的电流和第一预先给定的阈值提供到所述第一比较器的输入端上，且将所述第一比较器的输出端与电子开关（4）的控制输入端连接。

5.根据权利要求1至4中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，

-提供继电器（10）作为机电开关，和

-提供第二比较器（11）作为第二控制器，在所述第二比较器（11）的输入端上提供由第一传感器（5）确定的电流和第二预先给定的阈值，且所述第二比较器的输出端与继电器（10）的控制线圈连接。

6.根据权利要求1至3中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，提供微控制器（15）作为控制器，在所述微控制器（15）的输入端上提供由（5）第一传感器确定的电流，且所述微控制器（15）的输出端与电子开关（4）的控制输入端或与机电开关（10）的控制输入端连接。

7.根据权利要求2至6中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，作为将第一传感器（5）布置在第一电流路径内的替代，将第一传感器（5）布置在第二电流路径内。

8.根据权利要求2至6中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，将用于测量第二电流路径内的电流的第二传感器布置在第二电流路径内，且作为使第二控制器（11）基于由第一传感器（5）确定的电流的替代，使第二控制器基于由第二传感器确定的电流。

9.根据权利要求1至8中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，将用于测量电流的第一传感器（5）/第二传感器形成为霍尔传感器。

10.根据权利要求1至9中一项所述的过流开关（1a…1c），其特征在于，第一电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中。

11.根据权利要求1至9中一项所述的带有第一和第二电流路径的过流开关（1a…1c）的使用，其特征在于，第一电流路径处于带有地电势的电线路中，且第二电流路径处于带有与地电势偏离的电势的电线路中。

12.根据权利要求10或11的使用，其特征在于，第一电流路径或第二电流路径布置在含有电动车辆的蓄电池的电路内。

13.一种电动车辆，所述电动车辆包括驱动蓄电池和包含所述驱动蓄电池的电路，其特征在于，在所述电路内布置了根据权利要求1至10中一项所述的过流开关（1a…1c）。

14.根据权利要求13所述的电动车辆，其特征在于，驱动蓄电池能够从电动车辆松开，且过流开关（1a…1c）布置在蓄电池侧。

15.根据权利要求13所述的电动车辆，其特征在于，驱动蓄电池能够从电动车辆松开，且过流开关（1a…1c）布置在车辆侧。

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