CN105048401B - 电流中断方法 - Google Patents

Abstract

提出一种用于中断电流的方法，其中，对供电线路的信号在至少一个预设的时段内进行积分，并且一旦在至少一个预设的时段内积分的信号满足预设的条件时，借助分离元件中断供电线路中的电流。

Description

电流中断方法

技术领域

本发明涉及一种用于中断电流的方法，特别是在出现电弧的情况下中断电流的方法，以及涉及一种附属装置和保险装置。

背景技术

在车辆的具有例如为48V的运行电压的车载电网中，可能形成并联电弧，这种电弧一方面限制电流使得不触发熔断丝，另一方面在车辆中引发火灾。

另外在48V-车载电网的线缆断裂部可能构成串联电弧，该串联电弧不能通过熔断丝加以保险，这是因为所产生的电流小于负载电流。这种串联电弧也可能是火灾诱因。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种用于识别运行电网的不希望的状态的解决方案，这里的运行电网特别是指车辆的车载电网。

所述任务根据独立权利要求的特征来解决。优选的实施方式特别是能够从从属权利要求中获得。

为了解决所述任务，给出一种用于中断电流的方法，其中，

对供电线路的信号在至少一个预设的时段内进行积分，并且

一旦在至少一个预设的时段内积分的信号满足预设的条件时，借助分离元件中断供电线路中的电流。

特别是可以将大量(必要时不同的)时段加以积分并且在预设条件的范围内加以评估。

供电线路的信号可以是指供电线路中的信号或者是指能够借助供电线路来确定的信号。例如可以是流经与供电线路相连接的构件的电流。也可以是在与供电线路连接的构件处的电压降。

在此，有利的是：可以实现每至少一个时段进行一次准确的信号确定(例如电流确定)，其中，能够灵活地设定时段。特别是该至少一个时段能够比会触发常规的(例如熔断)保险装置的时段短。另一优点在于：可以确定出多个时段并且将它们相互关联，以便例如(尽可能准确地)考虑故障情形(例如电弧)的负载特性。结果能够使得具有预设的触发特征线的常规保险装置扩展出一个主动的、特别是顾及到如下时段的触发特征，在所述时段期间，在保险装置中所检测到的能量不足以触发保险装置。

改进方案在于，供电线路中的电流在如下情形中不中断，

当在至少一个预设的时段内积分的信号不满足预设的条件时，

当在至少一个预设的时段内积分的信号满足另一预设的条件时。

另一改进方案在于，当在至少一个预设的时段内积分的信号达到和/或超过预设的阈值时，所述信号满足预设的条件。

特别是可以设置多个阈值，例如针对每个在预设的时段内积分的信号分别设置阈值。

改进方案特别在于，在至少一个预设的时段内积分的信号借助求平均数来确定。

改进方案也在于，求平均数是求均方根值。

另外，改进方案在于，信号是指或者包括电流或电压。

在附加的改进方案的范围内，信号是流经保险装置的电流，或者在保险装置处的电压降。

下一个改进方案在于，信号是在保险装置处的电压降，其中，借助温度来确定保险装置的电阻值并且借助电阻值和电压来确定流经保险装置的电流。

构造方案是：借助至少两个积分器来积分信号，其中，每个积分器具有自己的积分时间常数(即自己的时段)。

可替换的实施方式在于，预设的条件借助基于至少两个积分器的结果的逻辑关联来实现。

有大量可行的逻辑关联。例如当积分的信号分别大于或等于一个阈值(或多个阈值)时，积分的信号能够满足预设的条件。例如为此能够使用逻辑上“与”的关联。

优选的是，阈值可以顾及到或反映出故障情形(例如串接和/或并接的电弧)的负载特性。由此，能够有效而且有效率地将保险装置的相对可能慢的触发特性扩展出快速而有效的触发特性。由此，实现了包括保险装置以及带分离元件的检测单元的保险系统，凭借该检测单元可以对例如电弧加以检测并且在检测到电弧的情况下能够实现切断至负载的电流。

作为补充，要注意的是：供电线路中的电流中断可以暂时或持续地实现。特别是可以附加地进行信号传递，这种信号传递例如向控制装置指示：已检测到电弧。必要时，分离元件能够保持打开直至排除故障和/或控制装置回置这里预设的电路。

针对方法的实施方案相应地也适用于其他要求的类别。

上述任务也通过如下的装置来解决，该装置具有：

分离元件，

检测单元，借助该检测单元能够对至少一个预设的时段内供电线路的信号进行积分，其中，

所述检测单元以如下方式配置：当在所述至少一个预设的时段内积分的信号满足预设条件时，能够借助分离元件中断供电线路中的电流。

改进方案在于，所述装置包括保险装置，其中，信号是流经保险装置的电流或者经过保险装置的电压降。

保险装置例如是供电线路的电流流路中的熔断丝。

另一改进方案在于，所述检测单元包括：

差分放大器，借助该差分放大器能够检测在保险装置上的电压降，以及

评估单元，该评估单元借助在保险装置上的电压降来检查预设的条件，并且相应地操控分离元件。

附加地改进方案在于，分离元件是电子式或遥控的开关。

为了解决上述任务，也给出如下的保险装置，其包括至少一个在这里介绍的装置。

保险装置也可以整合为保险系统。

在本发明的范围内，保险装置可以在车辆的运行电网中特别是在车载电网(例如48V车载电网)中使用。

在这里提出的解决方案还包括计算机程序产品，该计算机程序产品能够直接被安装在数字计算机的存储器中，其包括程序代码部分，该程序代码部分适用于执行这里所介绍的方法的步骤。

这里提到的检测单元和/或评估单元特别是可以实施为处理器单元和/或至少部分固定接线的或逻辑的电路结构，该电路结构例如以如下方式配置：使所述方法能够如这里所介绍地实施。所述的检测单元和/或评估单元可以作为或包括各种类型的处理器或计算器或带有相应必需外界连接部(存储器、输入/输出接口、输入输出装置等)的计算机。

前面设计方法的阐述相应地适用于装置。装置可以在一个部件中实施，或者分散在多个部件中。

附图说明

通过结合下面对实施例的示意性说明，将更明确和清楚地理解本发明的上述特性、特征和优点以及实现的方式，结合附图进一步阐述所述实施例。在此，为了清楚，相同的或起相同作用的元件设有相同的附图标记。其中：

图1是用于检测并联电弧以及用于在检测到电弧后执行相应动作的示意性电路图；

图2示出在出现并联电弧的情况下电流的示例性时间分布；

图3示出如下图表，其y轴显示对应时间范围t_RMS的时段，在时间范围t_RMS期间，形成均方根值(RMS)并且该图表的y轴指出与时间相关的电流I(t)；

图4示出基于图1的相应的串联电弧的情形的示意电路图；

图5示出具有多个在时间上的信号波形的图表：通过负载的总电流、保险装置上的电压以及负载上的电压；

图6示出在图1或图4中所示的检测单元的示例电路；以及

图7示出模拟滤波器的示例的机械式积分。

在这里介绍的解决方案能够用于运行电网，例如用于车辆的车载电网，特别是48V车载电网。

附图标记列表

101 电池

102 地电位

103 分离元件(例如电子开关或继电器)

104 保险装置(例如熔断丝)

105 负载

106 并联的电弧

107 检测单元

108 差分放大器

109 评估单元

110 供电线路

111 接地线路

301 曲线(最大可利用区域的边界)

302 曲线(电弧的负载特性)

303 保险装置104的触发特性

304 有效触发特性

305 电流值

306 电流值

401 串联电弧

402 电容(例如包括至少一个电容器)

501 通过负载105(和保险装置104)的总电流

502 保险装置104上的电压

503 负载105上的电压

601 差分放大器

602、603 运算放大器

604、605 比较器

606 与门

607 信号(电弧故障)

608 逻辑关联

R1、...、R4 电阻

C1、C2 电容器

701 螺接式保险装置

702 侧视图

703 间隔垫片

704 模拟滤波器

705 螺接式连接件

706 连接线路

707 俯视图

具体实施方式

图1示出包括电池101的示意电路图，电池101相对于地电位102提供例如48V的电压。电池101的正极经由分离元件103、保险装置104和供电线路110与负载105的正极相连接。电池101的负极经由接地线111与负载105的负极相连接。

负载105可以是任意用电器或任意的转换电路，例如是车辆中的运行装置。

保险装置104上的电压降由检测单元107确定，方式为：保险装置104的连接部分别与差分放大器108的输入端相连接。差分放大器108的输出端与评估单元109相连接，该评估单元与差分放大器108的输出信号相关地操控分离元件103，也就是断开或闭合该分离元件103。

评估单元109和差分放大器108例如实施为检测单元107的一部分。

由此，借助检测单元107来确定保险装置104上的电压降并且借助该电压降推知流经保险装置104的电流，特别是电流的变化率(dI/dt)。

评估单元109可以实施为(微)控制器、处理器等。评估单元109也可以是以至少部分模拟的电路(例如包括模拟滤波器)的形式实现。

分离元件103例如是能电子操控的开关。在此情况下，可以使用半导体开关，例如晶体管、MOSFET(金氧半场效晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等和/或其他遥控的开关(例如继电器)。

图1附加示出呈并联电弧106形式的故障情形，并联电弧在供电线路110与地电位102之间(作为并联短路)形成。这种间歇性电弧106限制了流经保险装置104的电流，使得能量平均值不足以触发保险装置104。由此电弧106可能一直不被发现并且成为失火原因。

为了防止这一点，保险装置借助评估单元109的差分放大器108将在保险装置104上的电压降例如输送给微控制器的模拟输入端。由此，保险装置104处的电压下降能够例如连续地或在一定预设的时刻被测量，并且由评估单元109加以检测。为此，评估单元109例如具有模数转换器，其将由差分放大器108提供的信号转换成数值(样本)，并且处理该数值。特别是可以考虑这样获得的数值例如在预设时间范围内的时间性分布，以便逆推处在保险装置104上的电压降的变化率。

借助保险装置104的模型或者借助温度传感器能够确定保险装置104的温度。将温度与保险装置104的电阻值相关联，该电阻值可以例如由评估单元109借助所存储的(例如插值表形式的)数据来获取。凭借这样获取的(依赖于温度的)电阻值，可以根据欧姆定律借助已知的、在保险装置上的电压降来确定流经保险装置的电流(下降的电压除以电阻值)。

所获得的电流例如可以针对至少一个预设的时间范围平均化。例如可以利用间隔为0.1ms、1ms、10ms的时间窗。特别是能够以如下方式取平均数：求取均方根值(也称为RMS或QMW)。对于求均方根而言，较大的数值比较小的数值更具影响力。

当考虑多个时间范围时，将针对各时间范围所确定的平均值的结果相互关联，并且该关联提供了如下信号，借助该信号可以断开分离元件103。所述关联例如可以是“与”的关联。也可以与预设的阈值加以比较，借助这种比较，来确定一种有效触发特性，也就是针对分离元件103断开的标准。

图2示出在并联电弧的情形下，电流的示例性时间分布。并联电弧引起了伴有高电流的不规律的电流峰值，有时超过700A。这种电流峰值在这种情况下过短，不足以作为由此传送的用以触发保险装置104的能量。

图3示出如下图表，其y轴显示对应时间范围t_RMS的时段，在时间范围t_RMS期间，形成均方根值(RMS)并且该图表的y轴指出与时间相关的电流I(t)。

曲线303示出保险装置104的触发特性。例如保险装置104可以在持续加载100A的电流时触发。而当仅以几毫米或者几十毫秒的时间加载电流的话，则保险装置104不被触发。

曲线302例如与在图2中示出的图线相对应地示出并联的电弧106的负载特性。因为电弧106的与时间相关的电流I(t)达不到保险装置104的触发特性(即曲线302处在曲线303左边)，电弧106不导致激活及由保险装置104引起的电路中断。

在这里示出的解决方案借助检测单元107实现的是：保险装置104的触发特性(曲线303)扩展了根据曲线304的有效触发特性，其特别是考虑如下时间范围：该时间范围典型对应于电弧，但是对于触发保险装置104是过短的。借助这种有效触发特性，已经可以凭借达到或超过(图3中从左向右)曲线304来断开分离元件103，并且进而中断电弧106。通过使曲线304处在曲线302(也就是电弧106的负载特性)附近，可以将有误触发减少，特别是降至最低。

例如能够以如下方式实现曲线304：例如时间范围t_RMS＝1ms，确定出相关电流值305。电流值305可以被用于对差分放大器108的输出信号的第一比较。可选地，可以执行第二比较，方式为基于时间范围t_RMS＝0.1ms，确定出第二电流值306。第一比较和第二比较可以按照不同方式相关联，以便确定分离元件103是否应当断开。针对关联的示例性实现方案例如接下来在图6中示出。

通过借助所述有效触发特性扩展保险装置104的触发特性，获得了最大可利用区域，如其示例性地在曲线301左侧示出那样。

图4示出基于图1的示意电路图。与之相关的内容参照前面所述内容。与图1相区别地，图4示出供电线路110中的串联电弧401。附加地，负载105并联布置有电容402。电容402(Kapazitaet)也可以实施为负载105的一部分(例如当负载105包括带有与电路并联布置的电容器(Kondensator)的电路时)。优选的是，电容402包括至少一个电容器，其中，相对于负载105并联地设置例如几毫法范围(个位数)内的电容值以及例如小于20毫欧的电阻。特别可行的是：电容402根据用电器的特性而设定规格。

为了免受串联电弧401以及与之相关的失火危险，借助保险装置104的电压降对流经保险装置104的电流保险装置加以检测，这正如上面针对并联电弧106的情形所介绍的那样。

串联的间歇性电弧401短时中断连至负载105的连接，并在中断之后，再次建立连接。因为自中断瞬间起，负载105由电容402供电，电容402至少部分(或者完全)放电。一旦电弧再度建立导电连接，则获得很大的电流峰值，用以给电容402充电。这种电流峰值可以如在并联电弧106的情况下那样被用于检测串联电弧401。

图5示出具有多个在时间上的信号波形的图表。信号波形501示出流经负载105(和保险装置104)的总电流，信号波形502示出保险装置104上的电压，以及信号波形503示出负载105上的电压。

在图5中所示的示例中，在时刻t1时，中断供电线路110。总电流501和保险装置104上的电压降至0，负载105上的电压渐渐降至0，因为负载105首先由存储于电容402中的能量供电。从时刻t1至时刻t2，间歇性串联电弧401中断电路。自时刻t2起，供电线路110的连接暂时再度建立，基于之前放电的电容402而出现总电流501的高电流峰值，该电流峰值明显高于稳定状态中的总电流501(在该示例中，电流峰值明显高于100A和低于-100A，而在正常运行中，总电流501近乎固定地保持约50A)。相应地，获得了作为保险装置上的电压降的信号波形502。可以对该信号波形502加以评估，从而评估单元109能够检测串联电弧401并且断开分离元件103。

图6示出用于检测单元107的示例电路图。保险装置104上的电压借助差分放大器601来确定(该差分放大器可以与前面提到的差分放大器108一致)。

如前面介绍地，在(由并联电弧106引发的)并联短路过程中的电流峰值引起了保险装置104上成正比的电压降，或者在保险装置104上通过在串联电弧的情况下对并联于负载105的电容402充电获得了电流峰值。

差分放大器601的输出端与运算放大器602的非反相输入端和运算放大器603的非反相输入端连接。在运算放大器602的反相输入端与其输出端之间布置有电容器C1，电阻R1并联地接在该电容器上。运算放大器602的反相输入端经由电阻R3与地电位连接。在运算放大器603的反相输入端与其输出端之间布置有电容器C2，电阻R2并联地接在该电容器上。运算放大器603的反相输入端经由电阻R4与地电位连接。

运算放大器602的输出端与比较器604的第一输入端相连接。运算放大器603的输入端与比较器605的第一输入端相连接。比较器604的第二输入端与比较器605的第二输入端相连接并且经由节点供给基准电压Uref。基准电压Uref例如对应于将有效触发特性朝向曲线304方向推移的电压。

比较器604的输出端和与门606的第一输入端连接，并且比较器605的输出端与与门606的第二输入端连接。与门606的输出端提供信号607，该信号示出电弧故障并且依照该信号能够断开分离元件103。

在根据图6的示例中，运算放大器602和603凭借相应的电路接线而表现为积分器，该积分器与电路接线的规格设定相关地确定出用于积分的不同时间范围(积分时间常数)。运算放大器602的电路接线确定出根据T1＝2πR1C1的时间范围T1，并且运算放大器603的电路接线确定出根据T2＝2πR2C2的时间范围T2。例如可以设计出T1＝1毫秒而T2＝10毫秒的电路。

在每个运算放大器602和603的输出端上，在每个时间范围T1或T2加载有如下电压，该电压与在该时间范围期间由保险装置吸收的能量成正比。在该示例中，给出两个时间范围T1和T2，对于时间范围T1和T2，分别执行与基准电压Uref的比较，其中，信号607仅当分别在两个时间范围T1和T2内所积分的能量分别大于由基准电压Uref确定的阈值时，才断开分离元件103。

在图6中示出的运算放大器602和603的输出信号与信号607的逻辑关联608是多个可行实现方案中的一个。例如可以设置其他逻辑关联(例如不同的门)或多个基准电压。可行方案也可以是：设置有仅一个积分器或多于两个的积分器。

在这里提出的解决方案的优点在于，能实现针对每个时间范围准确地确定电流，其中，可以灵活地设计时间范围。特别是至少一个时段可以比常规(例如熔断)保险装置被触发的时段短。另一优点在于，可以确定出多个时间范围并且将它们加以关联，以便例如(尽可能精确地)考虑故障情形(例如电弧)的负载特性。结果，可以将具有预设触发特性曲线的常规保险装置扩展出有效触发特性，该有效触发特性特别考虑了如下时间范围：在该时间范围期间，在保险装置中检测到的能量不足以触发保险装置。

图7示出(例如根据图6中所示电路的)模拟滤波器704的示例的机械式积分，用以检测电弧。图7示出俯视图707中的(例如48v的)保险装置螺接式保险装置701以及侧视图702，其中，保险装置螺接式保险装置701借助间隔垫片703与模拟滤波器704连接。另外，在图7中示出螺接式连接件705。

借助连接线路706可以将多个图7中所示的保险装置与模拟滤波器并联地接线。

可替换地，也可以将模拟滤波器704装入和/或螺接于保险装置螺接式保险装置701的上方。

虽然本发明详细地通过至少一个所示实施例详细描述和介绍，但本发明不限于此并且本领域技术人员能够从中推出其他变型，而不离开本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于中断电流的方法，其中，

对供电线路(110)的信号在至少一个预设的时段(T1、T2)内进行积分，

一旦在所述至少一个预设的时段(T1、T2)内积分的信号满足预设的条件(608)时，借助分离元件(103)中断所述供电线路(110)中的电流，

其中，所述信号是通过保险装置(104)的电流或在所述保险装置上的电压降。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述供电线路(110)中的电流在如下情况下不被中断，

当在所述至少一个预设的时段内积分的信号不满足预设的条件时，或者

当在所述至少一个预设的时段内积分的信号满足另一预设的条件时。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，一旦在所述至少一个预设的时段内积分的信号达到和/或超出预设的阈值(304)时，所述信号满足预设的条件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述至少一个预设的时段内积分的信号借助求平均数来确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述求平均数是均方根值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号是在所述保险装置(104)上的电压降，其中，借助温度来确定所述保险装置(104)的电阻值，并且借助电阻值和电压来确定通过所述保险装置(104)的电流。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，借助至少两个积分器(602、C1、R1；603、C2、R2)将所述信号积分，其中，每个所述积分器具有自己的积分时间常数(T1、T2)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预设的条件借助逻辑关联(608)基于所述至少两个积分器(602、C1、R1；603、C2、R2)的结果来实现。

9.一种装置，具有：

分离元件(103)，

保险装置(104)，

检测单元(107)，借助所述检测单元能够在至少一个预设的时段(T1、T2)内对供电线路(110)的信号进行积分，其中，

所述检测单元(107)以如下方式配置：一旦在所述至少一个预设的时段(T1、T2)内积分的信号满足预设的条件(608)时，能够借助所述分离元件(103)中断所述供电线路(110)中的电流，

其中，所述信号是通过所述保险装置(104)的电流，或者是在所述保险装置(104)上的电压降。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述检测单元(107)包括：

差分放大器(108)，借助所述差分放大器能够检测在所述保险装置(104)上的电压降，

评估单元(109)，所述评估单元(109)借助在所述保险装置(104)上的电压降检查所述预设的条件，并且相应地操控所述分离元件(103)。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述分离元件是电子开关或遥控开关。

12.保险装置，其包括至少一个根据权利要求9至11之一所述的装置，其中，所述保险装置能够用在运行电网中。

13.根据权利要求12所述的保险装置，其中，所述保险装置能够用在车辆的车载电网中。