CN105555581A - 用于保护电气的车载电网的互锁开关回路 - Google Patents

用于保护电气的车载电网的互锁开关回路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于保护电驱动的车辆的电气的车载电网的互锁开关回路。该互锁回路包括印制导线环路、第一电流源、第一电流镜、第二电流镜。第一电流源被设置用于将从第一电流镜的输入端流出的电流引入第二电流镜的输入端。在此该印制导线环路连接在第一电流镜的输出端和第二电流镜的输出端之间。

Description

用于保护电气的车载电网的互锁开关回路
技术领域
本发明涉及一种用于保护电驱动的车辆的电气的车载电网的互锁开关回路。尤其地，本发明涉及在互锁开关回路运行期间的效率的改善。
背景技术
在蓄电池系统中使用互锁开关回路来确保电气系统、诸如电气驱动总成的高压安全。其他已知的用于互锁开关回路的描述为术语“引导线”或者“引导的线路(pilotline)”。在此，低压印制导线环路通过待监控的部件来设置。如果印制导线环路中断了，那么通过该印制导线环路不能再流过任何电流，这将被分析单元检测出来。该分析单元能够例如被设置在蓄电池壳体内的蓄电池模块之中。典型地，在这种情况下然后断开所谓的接触器，从而无电压地开关车辆中的整个高压电网。在现有技术之中，近来使用越来越多的用来产生互锁信号的电流源，因为它们具有以下优点，即在已知的电流的情况下也能够由其它分析电路来监控互锁开关回路的功能正常性。与之相关地，图1示出了典型的互锁电流源电路1，其中借助于双极性晶体管T和功率放大器OP来实现电流源并且通过四个开关S1、S2、S3、S4来设置电流装置。其它部件在该插图中通过导体回路2内的电阻ZL来表示。在输入侧，功率放大器OP通过参考电压源URef和在晶体管T和电气的地之间设置的欧姆电阻R上的电压降来供电。在所描述的电压拓扑结构之中的缺点在于在电压源上的电压降，其在较低的供电电压和较高欧姆的负载ZL的情况下会破坏其工作方式。同样具有缺点的是对于两个开关S1、S2的短路保护例如通过在输出侧的电阻的串联电路来实现，这将进一步提高所需的供电电压UB。
发明内容
为了避免前述的缺点而提出了一种用于保护电驱动的车辆的电气的车载电网的互锁开关回路。该互锁开关回路包括伴随着车载电网中的高压部件的装置的带保护的连接的印制导线环路。此外设置有第一电流源、第一电流镜和第二电流镜。对于电路技术领域的技术人员来说电流镜的结构和工作方式是已知的并且因此不会为了概述之目的而详细讨论。在此，第一电流源被设置用于将从所述第一电流镜的输入端流出的电流引入所述第二电流镜的输入端。换句话说，第一电流源在输入侧将电流从第一电流镜“拉”出并且将其在输入侧引入至第二电流镜。在此，印制导线环路连接在第一电流镜的输出端和第二电流镜的输出端之间。换句话说，从第一电流镜的输出端流出的电流在其流过第二电流镜的输出侧之前流经导体回路。与现有技术相反地，通过依据本发明的互锁开关回路实现了短路电流限制，从而使得在印制导线环路和供电电压UB之间的短路不会造成任何损坏。
从属权利要求示出了本发明的优选的改进构型。
进一步优选地，该互锁开关回路包括调节器、第一分压器和第二分压器。所述第一分压器和所述第二分压器例如分别包括两个串联连接的欧姆电阻。在此，所述第一分压器与所述印制导线环路并联地设置在所述第一电流镜的输出端和所述第二电流镜的输出端之间。尤其地，所述相对应的分压器的电阻具有基本上相同大小的值。再者，第二分压器被设置用于为所述调节器提供参考量。这一点能够例如通过如下来实现，即第二分压器被设置在供电电压UB和电气的地之间。所述第二分压器同样能够包括基本上相同大小的两个欧姆电阻。所述调节器的输入端被设置在所述第一分压器和所述第二分压器之间。换句话说，调节器的第一输入钳位在第一分压器的输出端处以及调节器的第二连接端在第二分压器的输出端处设置。与印制导线环路并联设置的第一分压器在此尤其高阻地加以设计，以便使得在正常运行时产生较小的功率损耗。在此第一分压器的输出端为调节器提供互锁开关回路的所期望的中间电势。在第二分压器处所产生的电压在此用于为调节器提供一个标称量。以这样的方式能够以较小的功率损耗来运行用于确保高压电网安全的互锁开关回路的印制导线环路。
有利地，该互锁开关回路还包括第二电流源和整流元件。所述整流元件能够例如被设计为二极管，其尤其是在调节器的输出方向上定向为反向方向。在此，所述第二电流源被设置用于在所述第一电流镜的输出端和所述印制导线环路之间馈入一个电流。在此，该电流源也能够与整流元件电气连接。所述调节器的输出端通过所述整流元件同样连接在所述第一电流镜的输出端和所述印制导线环路之间。在此，能够尤其是在所述调节器的输出端和第二电流源之间或者在所述调节器的输出端和所述印制导线环路之间设置一个限流元件，例如以欧姆电阻的形式。由此使得调节电路能够降低在印制导线环路中流过的电流，而不会提高该电流。这也是调节器的所期望的特性，这是因为从第一电流镜所流出的电流优选地显著高于在第二电流镜的输出端处流过印制导线环路的电流。换句话说，依据本发明设计的互锁开关回路的设计方案用于使得设置在电流镜的输出端处的印制导线环路连接端的电势对称地调节通过第二分压器所确定的中间电势。以这样的方式第二电流源的馈入点在短路情况下不会自动地置于供电电压的电势上。由此通过简单地测量第二电流源的馈入点相对于电气地(例如通过A/D转换器)的电压能够简单地诊断对于第二电流源的馈入点来说是否存在在供电电压方向上的短路。
进一步有利地，依据本发明的互锁开关回路还包括第三电流镜、第一开关装置和第二开关装置。在此，所述第一开关装置被设置用于将所述第一电流源选择性地连接在所述第一电流镜的输入端和所述第二电流镜的输入端之间或者连接在所述第一电流镜的输入端和所述第三电流镜的输入端之间，所述第二开关装置被设置用于将所述第一电流镜的输出端选择性地与所述第二电流镜的输出端或所述第三电流镜的输出端相连接。通过合适地操控第一开关装置和/或第二开关装置能够简单地确定通过导体回路的电流的电流方向。这能够例如实现印制导线环路中的中断或短路的定位。
进一步优选地，所述印制导线环路起始于所述第二开关装置和所述第二电流镜的输出端之间并且终止于所述第二开关装置和所述第三电流镜的输出端之间。以这样的方式所述第二开关装置能够选择性地将印制导线环路的输入端与第一电流镜的输出端电气连接和/或将所述印制导线环路的输出端与所述第一电流镜的输出端电气连接。
在此，所述第一开关装置和/或所述第二开关装置优选地分别包括第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一开关装置的第一晶体管被设置用于将所述第一电流源和所述第三电流镜的输入端相互连接。所述第一开关装置的第二晶体管被设置用于将所述第一电流源和所述第二电流镜的输入端相互连接。所述第二开关装置的第一晶体管被设置用于将所述第一电流镜和所述第二电流镜的输出端连接。最后，所述第二开关装置的第二晶体管被设置用于将所述第一电流镜和所述第三电流镜的输出端连接。具体的用于制造前述的电气连接的晶体管的使用给出了简单的、高性价比的并且功能上安全的(因为无焊接)用于实现第一和第二开关装置的可能性。
进一步优选地，所述第一、所述第二和所述第三电流镜分别包括第一和第二晶体管。这些晶体管能够被构造为多个双极型晶体管或者多个MOSFET。替代地或者附加地，所述第一开关装置的晶体管和所述第二开关装置的所述晶体管被构造为多个双极型晶体管或者被构造为多个MOSFET。尤其地，在使用MOSFET时再次由于待忽略的电流的缘故而使得所引起的功率损耗尤其小。
进一步优选地，依据本发明的互锁开关回路还包括电流方向控制单元，其被设置为通过所述印制导线环路来操控用于选择电流方向的所述第一开关装置和所述第二开关装置。换句话说，所述电流方向控制单元与所述第一开关装置和所述第二开关装置的单元(例如晶体管)相连接，通过这些单元所述印制导线环路在第一方向或者在第二方向上流过一个电流。以这样的方式能够实现印制导线环路的可能发生的中断的更加精确的定位。
进一步优选地，第二电流镜具有第二转换比例并且第三电流镜具有第三转换比例。以这样的方式所述互锁开关回路被设置为分别将通过第二电流镜或第三电流镜所馈入的电流以相对应的转换比例相应地多倍地改变流经第一电流源的电流。在此尤其是能够使得第二转换比例和第三转换比例优选地一样大。
通常来说，当第一电流镜具有比前述的第二电流镜的第二转换比例和/或第三电流镜的第三转换比例更大的第一转换比例时是有利的。通过使用电流镜在关注前述的转换比例的情况下能够在不使用附加的与输出端串联连接的电阻的情况下为依据本发明的互锁开关回路实现短路保护，由此能够较少地保持所需要的供电电压。
附图说明
接下来将参照所附的附图详细地说明本发明的实施例。附图中：
图1示出了互锁开关回路的电路图；
图2示出了依据本发明的互锁开关回路的第一实施例的电路图；
图3示出了依据本发明的互锁开关回路的第二实施例的电路图；以及
图4示出了依据本发明的互锁开关回路的第三实施例的电路图。
具体实施方式
图2示出了互锁开关回路1的依据本发明的实施例。第一电流镜10包括第一晶体管T3和第二晶体管T4。在此，晶体管T3、T4实现了转换比例m。换句话说，在运行中，流过第一晶体管T3的、由第一电流源3所产生的电流I0变化m倍地流过第二晶体管T4。第二电流镜20包括第一晶体管T5和第二晶体管T6。第二电流镜20的第一晶体管T5也流过有第一电流源3的电流I0。该电流在输出侧n倍放大地加以镜像。在输出侧流过第一电流镜10的第二晶体管T4的电流在其流经第二电流镜20的第二晶体管T6之前流经导体回路2的阻抗ZL。蓄电池电压UB作为供电电压来以电能为所示出的互锁电路1供电。通过所示出的装置能够(如开始时所阐述的那样)检测在蓄电池电压UB和第一电流镜10的第二晶体管T4的输出端之间的短路，而无需对电路产生损害。
图3示出了在图2中所示出的互锁开关回路1的电路的改进构型。因此，接下来将仅仅依据图3相较于图2来描述互锁开关回路1的区别或扩展。在图2中所包括的印制导线环路2通过包括欧姆电阻R1、R2的第一分压器来加以补充。印制导线环路2并未通过阻抗ZL来封闭，从而提供两个钳位IL1、IL2作为印制导线环路2的输出。在两个欧姆电阻R1、R2之间连接有作为调节器的运算放大器5的负的输入连接端。该运算放大器5的正的输入连接端与第二分压器的输出端相连接，该第二分压器由两个相对于蓄电池电压UB串联连接的欧姆电阻R3、R4组成。运算放大器5的输出端经由作为电流限制元件的欧姆电阻R0而与以二极管D0的形式的整流元件相连接。二极管D0在反向方向上定向至运算放大器5的输出端。另一方面，该二极管D0与第二电流源(未示出)的馈入点6相连接，该馈入点与第一电流镜10的输出端和印制导线环路2叠置。
图4示出了依据本发明的互锁开关回路1的另一个实施例的电路图。接下来将相对于在图2中所示出的结构来讨论区别。附加于图2所示出的结构设置有包括第一晶体管T7和第二晶体管T8的第三电流镜30，该电流镜实现了在输出电流和输入电流之间的转换比例n2。在包括第一晶体管T1和第二晶体管T2的第一开关装置50上能够连接具有第一电流源3的第二电流镜20或第三电流镜30的输入端。在包括第一晶体管T9和第二晶体管T10的第二开关装置60上第一电流镜10的输出端可选地与第二电流镜20或第三电流镜30的输出端连接。在第二开关装置60和第二电流镜20或第三电流镜30的输出端之间连接有印制导线环路2，从而使得印制导线环路2的第一连接端与第二电流镜20的输出端连接并且使得印制导线环路2的第二连接端与第三电流镜30的输出端相连接。第二电流镜20的转换比例n1优选地大于等于第三电流镜30的转换比例n2。通过对于第一开关装置50和第二开关装置60的响应的操控能够附加于在图2中所示出的电路的功能性通过印制导线环路2来设置电流方向，使得能够更好地定位印制导线环路2的中断或者短路。
尽管借助于与所附的附图结合阐述的实施例详细地描述了依据本发明的方面和有利的实施形式，但是对于专业人员来说所示出的实施例的特征的修改和组合也是可能的，而不偏离本发明的范围，其保护范围通过所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于保护电驱动的车辆的电气的车载电网的互锁开关回路(1)，包括：
-印制导线环路(2)；
-第一电流源(3)；
-第一电流镜(10；T3、T4)；
-第二电流镜(20；T5、T6)；
其中，所述第一电流源(3)被设置用于将从所述第一电流镜(10；T3、T4)的输入端流出的电流引入所述第二电流镜(20；T5、T6)的输入端；
并且其中，所述印制导线环路连接在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输出端和所述第二电流镜(20；T5、T6)的输出端之间。
2.根据权利要求1所述的互锁开关回路，还包括：
-调节器(5)；
-第一分压器(R1、R2)；以及
-第二分压器(R3、R4)；其中
-所述第一分压器(R1、R2)与所述印制导线环路(2)并联地设置在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输出端和所述第二电流镜(20；T5、T6)的输出端之间，并且尤其包括两个基本上相同大小的欧姆电阻；
-所述第二分压器(R3、R4)被设置用于为所述调节器(5)提供参考量并且尤其包括两个基本上相同大小的欧姆电阻；以及
-所述调节器(5)的输入端被设置在所述第一分压器(R1、R2)和所述第二分压器(R3、R4)之间。
3.根据权利要求1或2所述的互锁开关回路，还包括：
-第二电流源；
-整流元件(D0)；
其中，所述第二电流源被设置用于在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输出端和所述印制导线环路(2)之间馈入电流(I0)；
所述调节器的输出端通过所述整流元件(D0)同样连接在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输出端和所述印制导线环路(2)之间，并且尤其是在所述调节器(5)的输出端和所述印制导线环路(2)之间设置限流元件(R0)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的互锁开关回路，还包括：
-第三电流镜(30；T7、T8)；
-第一开关装置(50；T1、T2)；以及
-第二开关装置(60；T9、T10)；
其中，所述第一开关装置(50；T1、T2)被设置用于将所述第一电流源(3)选择性地：
-连接在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输入端和所述第二电流镜(20；T5、T6)的输入端之间，或者
-连接在所述第一电流镜(10；T3、T4)的输入端和所述第三电流镜(30；T7、T8)的输入端之间；以及
所述第二开关装置(50；T1、T2)被设置用于将所述第一电流镜(10；T3、T4)的输出端选择性地与所述第二电流镜(20；T5、T6)的输出端或与所述第三电流镜(30；T7、T8)的输出端相连接。
5.根据权利要求4所述的互锁开关回路，其中，所述印制导线环路(2)起始于所述第二开关装置(60；T9、T10)和所述第二电流镜(20；T5、T6)的输出端之间并且终止于所述第二开关装置(60；T9、T10)和所述第三电流镜(30；T7、T8)的输出端之间。
6.根据权利要求4或5所述的互锁开关回路，其中，所述第一开关装置(50；T1、T2)和/或所述第二开关装置(60；T9、T10)各自包括第一晶体管(T1、T9)和第二晶体管(T2、T10)，其中，
-所述第一开关装置(50)的第一晶体管(T1)被设置用于将所述第一电流源(3)和所述第三电流镜(30；T7、T8)的输入端相互连接；
-所述第一开关装置(50)的第二晶体管(T2)被设置用于将所述第一电流源(3)和所述第二电流镜(20)的输入端相互连接；
-所述第二开关装置(60)的第一晶体管(T9)被设置用于将所述第一电流镜(10；T3、T4)和所述第二电流镜(20；T5、T6)的输出端相连接；以及
-所述第二开关装置(60)的第二晶体管(T10)被设置用于将所述第一电流镜(10；T3、T4)和所述第三电流镜(30；T7、T8)的输出端相连接。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的互锁开关回路，其中，
-所述第一电流镜、所述第二电流镜和所述第三电流镜各自包括第一晶体管(T3、T5、T7)和第二晶体管(T4、T6、T8)，所述第一晶体管(T3、T5、T7)和所述第二晶体管(T4、T6、T8)被构造为多个双极型晶体管或者多个MOSFET；和/或
-所述第一开关装置(50)的晶体管(T1、T2)和所述第二开关装置(60)的晶体管(T9、T10)被构造为多个双极型晶体管或者多个MOSFET。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的互锁开关回路，还包括电流方向控制单元，其被设置为通过所述印制导线环路(2)来操控用于选择电流方向的所述第一开关装置(50；T1、T2)和所述第二开关装置(60；T9、T10)。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的互锁开关回路，其中，所述第二电流镜(20；T5、T6)具有第二转换比例(n1)并且所述第三电流镜(30；T7、T8)具有第三转换比例(n2)，由此使得所述互锁开关回路(1)被设置用于分别将由所述第二电流镜(20；T5、T6)或所述第三电流镜(30；T7、T8)所镜像的电流(I0)改变为流经所述第一电流源(3)的电流(I0)的、与多个转换比例(n1、n2)中的一个转换比例相应的多倍，其中，尤其是所述第二转换比例(n1)和所述第三转换比例(n2)相等。
10.根据前述权利要求中任一项所述的互锁开关回路，其中，所述第一电流镜(10；T3、T4)具有第一转换比例(m)，所述第一转换比例大于所述第二电流镜(20；T5、T6)的第二转换比例(n1)和/或所述第三电流镜(30；T7、T8)的第三转换比例(n2)。
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