CN105914856A - 具有固态继电器和预充电电路的集成电子设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电子设备(1)，其用于基于命令信号(CMD)将第一设备终端(11)和第二设备终端(12)电连接和断开。设备(1)包括至少一个主电子开关(M1)，预充电电路(2)和测量、命令和诊断模块(3)。主电子开关(M1)具有连接到第一设备终端(11)的第一电终端(D1)，连接到第二设备终端(12)的第二电终端(S1)，以及主驱动终端(Gl)。主电子开关(M1)配置成基于驱动信号(DRV)、取决于命令信号(CMD)和启用信号(ENB)来采取闭合状态或打开状态，其中第一电终端(D1)相应地连接到第二电终端(S1)或者从其断开。所述预充电电路(2)连接在第一设备终端(11)和第二设备终端(12)之间，包括串联布置的至少一个电阻抗元件(21)和至少一个预充电电子开关(M2)，预充电电路(2)配置成基于命令信号(CMD)执行预充电操作，其目的是在主电子开关(M1)在从打开状态转变时采取闭合状态之前均衡存在于第一设备终端(11)和第二设备终端(12)处的电势(V1，V2)。上述主电子开关(M1)和电子预充电开关(M2)是固态功率开关(即，继电器)。测量、命令和诊断模块(3)配置成检测第一设备终端(11)和第二设备终端(12)之间的电压差(ΔV)，以及基于检测到的电压差(ΔV)产生所述启用信号(ENB)。测量、命令和诊断模块(3)进一步配置成基于检测到的电压差(ΔV)和命令信号(CMD)产生指示由预充电电路(2)进行的预充电操作的开始阶段、进展中的阶段和完成阶段的状态信号(STS)。

Description

具有固态继电器和预充电电路的集成电子设备
技术领域
本发明涉及具有固态继电器和预充电电路的集成电子设备。本发明还涉及用于使用这种设备将具有预充电功能的两个终端连接/断开的方法。
具体地，但并不限于此，本发明涉及一种固态电子继电器，其可用于将负载电连接到适于电动或混合动力牵引机动车辆的电池/从所述电池断开。
背景技术
具有直流电源的电气系统被认为其特征在于发电机、具有低的线路电阻抗的电路和具有高输入电容的负载，其中所述负载可以受控制的方式由发电机通过继电器或开关来连接或者断开。在这种系统中，在先前被断开的负载和发电机之间的受控制连接(例如，继电器闭合)的事件可瞬间导致非常高的电流流动：例如如果在断开状态下负载端子处的电压显著不同于由发电机供给的电压，则发生这种情况。上述情况可对发电机、对负载、对连接导体以及对继电器本身造成相当大的缺陷。
例如在适于电动或混合动力牵引车辆的系统中的机动车环境下可能会出现这种类型的情况，其中所述车辆装配有电荷源或适于存储也用于牵引的电能的电荷存储器或电池。这样的系统例如以等于或高于48伏(在机动车背景下被认为是高水平)的电源电压操作。如已知的那样，适于电动或混合动力车辆的运动系统通常包括负载组，具体是电动马达，适于产生所述运动，由逆变器来驱动，所述逆变器电连接到用于存储电能的电池包或电池组。如所提及的那样，电池通常具有相对高的电压，例如48伏；负载组具有高的输入电容；电池和负载组由沿着直流总线布置的开关或继电器连接/断开，每个继电器间置于电池终端和负载终端之间。
在机动车领域的这种应用中，如在其它应用背景下那样，在连接闭合时尤其与上述过流(overcurrent)问题相关。
为了处理此类问题，各种装置和方法是公知的，它们适于实现与电负载相关联的电容的预充电功能以便限制可在发电机和负载本身之间发生的最大电流。
通常情况下，这样的预充电操作通过专用(ad hoc)设备来进行，所述专用设备配置成通过与负载相关联的电容的受限电流充电来使得充电电压均衡于发电机电压。换句话说，预充电操作的目的是将负载和发电机的电压在它们连接之前之间的差异降低到适当限定的阈值水平之下。
这种预充电设备通常相对于继电器是在外部。
在一些更先进的已知解决方案中，预充电电路关联到继电器和/或集成到继电器中。然而，这样的解决方案也需要存在复杂的外部控制和诊断系统。
在这方面，值得注意的是预充电功能需要检查所发生的电预充电的正确结果；实际上，缺乏这样的检查将使得由预充电所提供的保护保证不确定，并最终会防碍其优点。
正确预充电结果的检查必须基于对继电器和预充电电路的操作的仔细诊断。
在已知的解决方案中，这种检查通常由继电器外部的诊断电路/系统来执行，所述诊断电路/系统必须是能够获得高电压，并且还必须相对于车辆底盘电绝缘。
这样，在上述现有的解决方案中，在存在关联到继电器的预充电电路的甚至更高级的解决方案中，存在的问题是需要预充电获取、管理和诊断的复杂而昂贵系统以及还需要使得该系统与每个继电器交互操作。
考虑到上述，特别是在机动车应用的背景下，但也可在其它应用背景下，强烈地需要具有电子设备，其具有继电器和预充电功能，其是简单的、高度集成的和能够管理的，同时具有电路的互连操作以及还具有相关的相关联预充电和诊断操作，并且同时其适于显著减小与预充电和诊断设备相关联的重量和尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供用于连接/断开可连接到发电机和负载的两个终端的电子设备，所述设备例如适合在电动或混合动力牵引车辆的运动系统中使用，并允许至少部分地解决在上文参照现有技术所描述的缺点，并且响应于在所考虑的技术领域中尤其存在的前述需求。
本发明的另一目的是使用这样的设备的电动或混合动力牵引车辆的运动系统和也使用这样的设备的用于终端连接/断开预充电功能的方法。
这样的目的通过根据权利要求1所述的电子设备来实现。
这种设备的进一步实施例在权利要求2至15中限定。
根据本发明的系统在权利要求16中限定。
这种系统的进一步实施例在权利要求17至8中限定。
根据本发明的方法在权利要求19中限定。
附图说明
根据本发明的这样的电子设备的进一步的特征和优点将在参照附图的以下描述中阐明，所述描述示出通过示意性的非限制性示例的方式给出的优选实施例，其中：
-图1示出根据本发明一个实施例的电子设备的功能图；
-图2示意性地示出从电气观点出发的其中采用图1所示设备的电动或混合动力牵引车辆的运动系统；
-图3示意性地示出从逻辑/电路观点出发的根据本发明一个实施例的电子设备；
-图4A至4D示出形成图1中所示设备或图2中所述设备的实施示例的三维结构的元件；
-图5A至图5D示出相关的适于设备操作的逻辑信号的相应时间图。
值得指出的是，在上述附图中的等同或相似的元件在下文中将用相同的数字或字母数字附图标记进行标示。
具体实施方式
参照图1，现在描述电子设备1，其用于根据命令信号CMD将第一设备终端11和第二设备终端12电连接和断开。
第一设备终端11可连接到发电机以及第二设备终端12可连接到电负载L。
设备1包括至少一个主电子开关M1，电预充电电路2以及测量、命令和诊断模块3。
主电子开关M1具有连接到第一设备终端11的第一电终端D1，连接到第二设备终端12的第二电终端S1，以及还具有主驱动终端Gl。主电子开关M1配置成基于驱动信号DRV、取决于所述命令信号CMD和另外的启用(enable)信号ENB来采取闭合状态或打开状态，其中第一电终端D1相应地连接到第二电终端S1或者从其断开。
预充电电路2连接在前述第一设备终端11和第二设备终端12之间，并且包括串联布置的至少一个电阻抗元件21和至少一个预充电电子开关M2。预充电电路2配置成基于命令信号CMD执行预充电操作，其目的是在主电子开关M1在从打开状态转变时采取闭合状态之前均衡存在于第一设备终端11和第二设备终端12处的电势(V1，V2)。
上述主电子开关M1和电子预充电开关M2是固态功率继电器(或功率开关)。
测量、命令和诊断模块3配置成检测第一设备终端11和第二设备终端12之间的电压差ΔV，以及基于检测到的电压差ΔV产生上述启用信号ENB。测量、命令和诊断模块3进一步配置成基于检测到的电压差ΔV和命令信号CMD产生指示由预充电电路2进行的预充电操作的开始阶段、进展中的阶段和完成阶段的状态信号STS。
值得指出的是，根据通常由本领域专家使用的技术语言，“预充电操作”是指下述操作，其趋于把将被连接的两个终端(11，12)处存在的两个电势均衡，也就是更具体地，趋于将在必须被连接的终端处存在的电势(V1，V2)之间的差异降低到预定的阈值(VT)以下。这样的操作在许多应用背景下以及出于上文在解释说明现有技术中所述的原因是适当的或者甚至是必要的。
此外，“完成预充电操作”的措词是指在将被连接的终端处存在的电势(V1，V2)之间的差异降低到低于预定的阈值VT时所达到的状态。
根据一个实施例，设备1配置成接收作为命令信号CMD的数字命令信号CMD，其可采取适于使得预充电电子开关M2处于打开状态的打开逻辑水平和适于使得预充电电子开关M2处于闭合状态的闭合逻辑水平。
设备1还配置成将前述状态信号STS提供给设备1的输出终端To。
状态信号STS是适于采取第一状态逻辑水平或第二状态逻辑水平的数字信号。
根据一个实施方式的选择方案，状态信号STS从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的转变指示预充电操作的开始阶段。以相对于从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的前一转变的预设时间延迟ΔT检测到并且在存在命令信号CMD的闭合逻辑水平的情况下从第一状态逻辑水平到第二状态逻辑水平的状态信号STS的转变指示预充电操作的完成阶段。在存在命令信号CMD的闭合逻辑水平的情况下，在相对于从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的前一转变的预设时间延迟ΔT之后未检测到从第一状态逻辑水平到第二状态逻辑水平的状态信号STS的预期转变指示预充电操作的未完成状态。
根据一个实施例，设备1配置成使得前述驱动信号DRV和启用ENB信号是数字信号，其特征在于如在此以下限定的那样。
启用信号ENB可采取启用逻辑水平和禁用逻辑水平。
如已经观察到的那样，驱动信号DRV取决于命令信号CMD和启用信号ENB。具体地，当命令信号CMD采取闭合逻辑水平以及启用信号ENB采取启用逻辑水平时，驱动信号DRV采取适于使得主电子开关M1处于闭合状态(因此连接设备的终端)的第一逻辑驱动水平。在控制信号和启用信号的数字值的所有其它组合中，驱动信号DRV采取适于使得主电子开关M1处于打开状态(从而保持设备终端断开)的第二驱动逻辑水平。
当命令信号CMD采取闭合逻辑水平以及启用信号ENB采取禁用逻辑水平时，状态信号STS采取上述第一状态逻辑水平，否则它采取适于命令信号和启用信号的所有其它逻辑水平组合的上述第二状态逻辑水平。
上述行为在图5A和5B中所示的时间图中通过示例的方式示出。在这样的图中，通过示例的方式，假定命令信号CMD的打开逻辑水平和闭合逻辑水平分别对应于高的物理水平和低的物理水平；假定第一状态信号水平和第二状态信号水平STS分别对应于低的物理水平和高的物理水平；假定驱动信号DRV的第一逻辑驱动水平和第二逻辑驱动水平分别对应于高的物理水平和低的物理水平。为了清楚起见，进一步假定逻辑转变瞬间发生，并假定在相应逻辑电路中的传播延迟为零(实际上，延迟和上升时间(up time)/下降时间(down time)不为零，但它们相对于针对本发明目的感兴趣的现象的持续时间是可忽略的)。
图5A示出其中预充电操作正确完成的情况：当命令信号CMD具有高至低的转变(适于赋予闭合命令)时，预充电操作被激活，并且这将由状态信号STS的高到低转变而立即指示；与此同时，驱动信号DRV保持为低，从而保持主电子开关M1瞬间打开。在时间延迟ΔT之后，预充电操作可被认为是在其中电压差ΔV降低到低于预定阈值VT时完成。同时，通过测量、命令和诊断模块3，驱动信号DRV采取其高水平，从而激活主开关M1的闭合(现在其可在预充电操作完成之后在安全条件下发生)；此外，状态信号STS通过低到高转变指示这种情况，并且最终发生两个终端11，12之间的连接。
图5B示出其中预充电操作没有正确地完成的情况。这反映出，不像在图5A中所示的情况中，状态信号STS不示出低到高的转变：这指示该预充电操作没有正确地完成。在没有进一步外部干预的情况下，信号跟从图5B中所示的模式；很明显，在这种情况下，从外部停用命令信号CMD(例如，通过更高水平的控制器)以防止对预充电电路的损坏是可能的、且有时是必要的。这种保护操作被启用使得设备1提供指示预充电操作是否被正确完成与否的状态信号。
图5C示出其中在预充电操作期间命令信号使得主开关M1打开的另一种情况：在这种情况下，简单地说，主开关被打开以及预充电操作被中断，其不导致风险，因为这使得预充电是必要的条件(即，主开关M1的闭合命令)停止。
图5D示出另一种情况，其中命令信号使得主开关M1在其中预充电操作没有进行的任何时间下打开：在这种情况下，简单地说，主开关(其处于闭合状态下，因为由前一闭合命令导致的前一预充电操作已完成)打开。
现在转回到设备1的组件，值得指出的是，在设备(诸如图3中所示)的一个实施例中，主电子开关M1包括主功率MOSFET晶体管M1，其具有主MOSFET驱动终端G1，主MOSFET第一电终端D1和主MOSFET第二电终端S1。
根据设备的实施方式的另一示例(也在图3中示出)，预充电电子开关M2包括预充电功率MOSFET晶体管M2，其具有预充电MOSFET驱动终端G2，预充电MOSFET第一导电终端D2和预充电MOSFET第二导电终端S2。
在这样的情况下，根据一个特定的实施方式的选择方案，预充电电路2的至少一个阻抗元件21连接在第一设备终端11和预充电MOSFET第一导电终端D2之间，以及预充电MOSFET第二导电终端S2连接到第二设备终端12。
根据不同的实施方式的示例，阻抗元件21包括电串联布置的一个或多个电阻210。
根据设备的其它实施例(其中之一从结构观点出发在图4A中示出)，至少一个主电子开关M1的每一个包括并联和/或串联连接到彼此的两个或多个MOSFET功率晶体管。
根据设备的另一实施例(图中未示出)，至少一个电子预充电开关M2的每一个可包括并联和/或串联连接的两个或多个MOSFET功率晶体管。
根据设备的一个实施例(在图3中示出)，测量、命令和诊断模块3包括比较器模块30、命令模块31和诊断模块32。
比较器模块30配置成检测第一设备终端11和第二设备终端12之间的电压差ΔV，并将检测到的电压差ΔV与阈值电压VT进行比较。比较器模块30还配置成基于这种比较来产生启用信号ENB。
命令模块31适于接收命令信号CMD且可操作地连接到所述比较器模块30以接收启用信号ENB。在图5中所示实施例的示例中，命令模块31配置成基于命令信号CMD产生控制信号CTR，并进一步基于命令信号CTR和启用信号ENB产生驱动信号DRV；命令模块31进一步配置成将驱动信号DRV提供给主电子开关M1以及将控制信号CTR提供给预充电电子开关M2。
诊断模块32可操作地连接到命令模块31以接收控制信号CTR(其进而取决于命令信号CMD)，以及可操作地连接到比较器模块30以接收启用信号ENB，并且配置成基于所述控制信号CTR和启用信号ENB来产生代表状态信号STS的信号ST。
根据设备的一个特定实施例(也在图3中示出)，上述命令模块31包括输入接口模块33，其连接到输入终端Ti以接收命令信号CMD且配置成产生控制信号CTR。输入接口模块33包括光隔离电路33，其设有电连接到输入终端Ti的第一光电二极管PD1以及光学连接到光电二极管PD1以便接收由光电二极管PD1所发出的代表命令信号CMD的第一光学信号O1的第一接口晶体管M3；第一接口晶体管M3适于基于所述第一光学信号O1产生控制信号CTR。
此外，诊断模块32包括输出接口模块34，其连接到输出端To以提供状态信号STS。输出接口模块34包括光隔离电路34，其设有电连接到诊断模块32以接收代表状态信号的信号ST的第二光电二极管PD2以及光学连接到光电二极管PD2以便接收由光电二极管PD2所发出的代表状态信号STS的第二光学信号O2的第二接口晶体管M4；第二接口晶体管M4适于基于所述第二光学信号O2产生状态信号STS。
在这样的实施方式中，测量、命令和诊断模块3还包括光隔离DC/DC转换器模块35，其配置成基于在供给终端(Tc1，Tc2)处提供的电源电压(Vcc，GND)产生内部参考电压(Vcc2，GND2)。具体地，“高”参考电压Vcc2被称为接地GND2，其相对于接地GND电隔离。在图3中所示的示例中，在第二设备终端12处的电压V2被选择成适于设备1的局部接地参考(GND2)。这样的局部接地(GND2＝V2)可作为绝对值随时间变化，但在该设备的操作过程中总是用作“低”参考电压，并且也基于它借助于DC/DC转换器模块35限定“高”参考电压Vcc2。
再次参照图3，现在将根据本发明设备的另外具体实施方式的选择方案参照比较器模块30、命令模块31和诊断模块32示出进一步的实施细节。
根据一个实施方式的选择方案，比较器模块30包括第一运算放大器36和第二运算放大器37。第一运算放大器36具有分别连接到所述第一设备终端11和第二设备终端12(即，到局部接地GND2)的第一比较器输入端360和第二比较器输入端361，和输出端363。第二运算放大器37具有适于接收所述阈值电压VT的第三比较器输入端378，以及连接到第一运算放大器36的输出端363的另一输入端，并且还具有适于提供启用信号ENB的第二运算放大器输出端373。
根据一个实施方式的选择方案，命令模块31包括第一AND(与)逻辑门(C1)，其具有启用信号ENB和控制信号CTR分别提供给它们的两个输入端(C11，C12)；第一AND逻辑门(C1)的输出(C13)连接到主电子开关的驱动终端Gl以提供驱动信号DRV。
根据一个实施方式的选择方案，诊断模块32包括NOT(非)逻辑门(C3)和第二AND逻辑门(C2)。NOT逻辑门(C3)连接到比较器模块30的输出端373以便接收启用信号ENB并产生它们的逻辑补(logicalcomplement)。第二AND逻辑门(C2)具有分别连接到命令模块31以接收控制信号CTR以及连接到NOT逻辑门(C3)的输出端以接收启用信号ENB的逻辑补的两个输入端(C21，C22)；第二AND逻辑门(C2)的输出端(C23)适于提供代表状态信号STS的信号ST。
下文再次参照图3示出设备1实施例的进一步的操作细节。我们将假设所考虑的信号以在先前参照图5A至图5D示出的逻辑水平和物理水平之间的相同的映射为特征。信号状态将显示为“低”或“高”，为了简洁起见，参照物理水平。
当设备没有被命令时，即不要求终端连接时，CMD信号是高的；输入模块33的晶体管M3被关断以及相应的源极电压通过电阻R4保持在较低水平(保持在GND2)；因此，控制信号CTR是低的。值得指出的是，在任何情况下确定性地取决于命令信号CMD的控制信号CTR在该特定示例中是其逻辑补。因为CTR信号是低的，预充电电路的MOSFET M2被关断并由此打开；此外，第一AND逻辑门(C1)的输出是低的，因此主电子开关的MOSFET M1也被关断从而打开，并且设备终端11，12被断开。
在设备1的典型操作条件下，其中第一终端11连接到发电机电压V1，以及第二终端12设置到负载电压V2(对于设备1而言等于接地GND2)，由运算放大器36检测到的终端之间的电压ΔV高于阈值水平VT。在这样的条件下，运算放大器37产生的启用信号ENB是低的，即，处于禁用水平下。同时，CTR信号为低的这一事实暗示第二AND逻辑门(C2)的输出即代表状态信号的信号(ST)也处于低水平下。输出模块34的光电二极管PD2和晶体管M4因此关闭被关断以及相应的输出(即，状态信号STS)保持为高，接近通过电阻器R2的电压Vcc。值得指出的是，总是确定性地相关于信号STS的信号ST在这种情况下是其逻辑补。
当设备1被命令时，即需要终端连接时，命令信号CMD采取到接地GND，即采取到低的水平；输入模块33的晶体管M3被接通以及相应的源极电压采取通过电阻R4的高水平(Vcc2)；因此，控制信号CTR是高的。作为其结果，预充电电路的MOSFET M2被接通，即其闭合并变成导通的，以及预充电操作被激活。预充电开始降低两个终端的电压V1和V2之间的差异，但这样的降低逐渐发生：例如，在典型的设备的操作条件下，其中连接到第二终端12的负载L是电容类型的，电压时间演变是电路充电RC的时间演变。因此，在预充电期间，终端11和12之间的电压ΔV也被减少，但仍然保持高于阈值VT。因此，由比较器30产生的启用信号ENB仍然保持是低的，因而处于禁用条件下。这意味着第一AND逻辑门(C1)的输出保持低，使主电子开关的MOSFET M1保持关断从而打开。另一方面，第二AND逻辑门(C2)的输入信号，即启用信号ENB和控制信号CTR的逻辑补现在都是高的。所以，第二AND逻辑门(C2)的输出(即代表状态信号ST的信号)从低变高，并通过输出模块34，状态信号STS从高切换到低，出于先前所解释的原因。
上述情况一直持续，直到第一终端11和第二终端12之间的电势差异(即，电压)ΔⅤ保持高于阈值VT。当上述的电压ΔV变得低于阈值电压VT时，由比较器30产生的启用信号ENB变高，因此处于启用条件下。这意味着第一AND逻辑门(C1)的输出变高，以及主电子开关的MOSFET M1被激活，即闭合，以便连接终端11和12。
如已经所述的那样，预充电操作根据定义在其中设备终端之间的电压ΔV变得低于阈值VT的时刻下被视为正确地闭合。
同时，启用信号ENB的逻辑补变低；在第二AND逻辑门(C2)的输出处，代表状态信号的信号ST从高切换到低；状态信号STS通过输出模块34从低切换到高。如上所述，状态信号STS的这种低到高的转变指示预充电操作的正确完成。
在相对于预充电操作开始的时间段ΔT之后完成预充电操作。考虑到上述，可以理解的是这样的时间段ΔT例如取决于由预充电电路2和负载L所形成的等效RC电路的充电时间，并且因此取决于负载L和阈值VT。如果负载L是已知的，则阈值VT可设置成获得时间段ΔT的已知和预定值，获知该值有利于正确地解释状态信号STS的转变。
值得指出的是，该阈值VT还指示主开关闭合之前在终端11和12的电压之间的所需均衡水平。这样的阈值VT在原则上可小至所需要的值。根据一个实施方式的示例，根据设备的使用应用中所预期的电压值(通常，至少几十伏)，阈值VT可设置成不到一伏或几伏。
一旦主开关M1闭合，则其行为就像具有几乎零电阻的近乎完美的导体，并且该设备终端之间的电势差根据需要几乎为零。
值得指出的是，在该步骤中该设备1的行为不取决于并联于主开关M1布置的预充电电路2的操作条件，且具有比在闭合状态下主开关M1的阻抗高得多的阻抗。
如上所述，在图3所示的电路解决方案仅仅是一个非限制性的示例，它示出如何制备具有上述所需功能行为的电路。显然，本发明包括能够提供相同功能和逻辑行为的其它电路解决方案。
在另一个实施方式的示例中，设备1可不具有光隔离输入模块33和输出模块34，并且可替代地包括两个NOT逻辑门。
根据另一个实施方式的选择方案，设备1可不具有光隔离输入模块33和输出模块34，并可设置成使得控制信号CTR与命令信号CMD(而不是被其逻辑补)一致，以及状态信号的代表信号ST与状态信号STS一致(而不是其逻辑补)。在这样的情况下，可通过信号的逻辑水平和物理水平之间的不同映射和信号本身的所得相干解释使得电路的行为等效于如上所述。
根据另一个实施方式的选择方案，设备1还包括微控制器，其适于接收和解释所述状态信号STS，并且如果状态信号STS指示预充电操作还未正确完成，则停用控制信号CTR。
根据一个实施方式的示例，设备1还包括编程接口EOL，其适于允许所述设备的编程。这例如根据该设备的应用背景可用于对不同的阈值VT进行编程。
现在将参照图4A至图4D示出根据一个实施例的设备1的结构方面。
根据这样的实施例，该设备1具有三维的集成结构，并且包括框架90，所述框架90包括前述的第一设备终端11和第二设备终端12，紧固到框架90的金属支撑件94，以及第一印刷电路板91和第二印刷电路板92。
第一印刷电路板91紧固到金属支撑件94以便紧固到框架90，并包括前述至少一个主电子开关M1和预充电电路2(在上面示出的任一个实施方式的选择方案中)。
第二印刷电路板92紧固到框架90以便叠置到第一印刷电路板91，并且包括上述的测量、命令和诊断模块3(在上面示出的任一个实施方式的选择方案中)。
具体考虑到在图3中的电路方面的实施方式的选择方案，将设备1的组件分成两个印刷电路板由虚线“a”指出，其左侧指示在第二印刷电路板92中制成的组件，以及其右侧指示在第一印刷电路板91中制成的组件。.如可在图3中看到的那样，在这种情况下，在两部分之间存在四个电连接(两个在主开关M1的电终端D1，S1处，以及两个在主开关M1和预充电开关M2的驱动终端G1，G2处)。
相应地，框架90包括第一导电元件96，在这种情况下，布置成四极电连接器；此外，第二印刷电路92包括第二导电元件96’，其适于电连接到第一导电元件96，以形成容纳在两个不同印刷电路板即“内侧”印刷电路板91和“外侧”印刷电路板92的设备部分之间的上述电连接。
根据一个实施方式的选择方案，该设备还包括覆盖元件95，其固定到框架90，并配置成容纳所述第一印刷电路板91和第二印刷电路板92。
根据一个实施方式的示例，框架90通过用电类型和/或机械类型的元件嵌入模制塑料材料而制成。
现在将更详细地描述根据设备具体实施例的一些结构细节。
参照图4C，应该指出的是金属支撑件94由金属板或箔片构成，所述金属板或箔片为大致矩形，例如约78毫米长，约55毫米宽和约3毫米厚。这种金属板94也配置成作为设备1的散热器元件来操作。其还包括通孔941，例如，四个通孔，靠近板94的顶点，每一个适于容纳一个相应的固定元件以便组装设备1的结构。
参照图4A，应该指出的是，在框架90中，设备终端11，12沿着框架在相反方向上延伸的相同纵向轴线朝向框架的外侧凸出，并且例如它们由釉面铜合金(glazed copper alloy)制成。每个终端11，12包括在远离框架90的远侧位置中布置的螺纹通孔98以及在框架内的独立部分，其适于通过金属键合将相应的终端电连接到容纳在框架90中的电子组件。
框架90还包括固定装置，优选固定衬套901，例如，由黄铜制成，特别是四个衬套，以便将框架90机械地固定到设备外部的固定结构。衬套901同轴于板94的孔941。
第一印刷电路板91例如在陶瓷基材上制成，并且包括设备1的功率部分。特别是，它包括形成主开关M1的晶体管：在图4A的示例中，存在四个MOSFET，第一对相互并联布置的p通道MOSFET和第二对相互并联布置的n通道MOSFET，其中第一对和第二对串联布置以形成固态主开关M1。这样的解决方案适于电流高至400A至500A的应用。对于更高的电流而言，相应的实施方案设想使用并联连接到彼此的更高数量的MOSFET。
第一印刷电路板91还包括电预充电电路2，在图4A的示例中其通过串联布置的另一个MOSFET M2和四个电阻器210形成。
第二印刷电路板92(在图4B中示出)不同于第一印刷电路板91，并且包括设备1的逻辑电路，即，特别是测量、命令和诊断模块3。此外，如果存在的话，该光隔离输入33和输出34接口被包括在所述第二印刷电路板92中。
第二印刷电路板92还包括电连接器97，其用于将命令、测量和诊断模块3与设备1的外部连接；这种电连接器97具有上述的输入终端Ti，输出终端To和功率终端Ta1，Ta2。
第二印刷电路板92包括另外的通孔921，其与框架中的类似孔相关联，配置成容纳用于将第二印刷电路板92紧固到框架上从而叠置在第一印刷电路板91上的另外紧固元件。
参照图4D，应该指出的是例如由塑料材料制成的覆盖元件或盖95除了其它之外包括在第二印刷电路板92的连接器97处的合适隔室。此外，盖95包括相应的通孔951，具体是四个孔，同轴于框架90的衬套901以便在组装过程中让这样的衬套通过。
上述的设备1的三维结构的组装方法包括以下步骤。
陶瓷的第一印刷电路板91通过焊接固定到金属支撑件94。
焊接到第一印刷电路板91的金属支撑件94固定、例如胶粘到框架90上。
然后通过金属键合执行电连接的操作，以便电连接相关联于第一印刷电路板91的电子设备，以及用于将后者即第一印刷电路板91连接到框架90的导电元件96和第一设备终端1以及第二设备终端2。
相关联于第一印刷电路板91的电源电路(或功率电路)由保护性凝胶覆盖。
第二印刷电路板92通过将另外的孔921和框架的相应孔结合的紧固装置紧固到框架90，并且然后通过另外的导电元件96’电连接到框架。
最后，塑料盖95嵌入并胶粘并覆盖包含在第二印刷电路板92上的逻辑部分并将其全部包封。
总体上，设备1具有由铜合金制成的两个向外的设备终端11，12；连接器97具有四个极(Ti，To，Ta1，Ta2)，和四个黄铜衬套以便将设备1机械连接到外部散热器(未在附图中示出)。
现在转到应用背景，在一个相关的应用示例中，该设备1适于在电动或混合动力车辆的运动系统100中操作，该车辆设有电池包101和负载组102。
设备1配置成以受控制的方式将所述电池包101连接到负载组INV，M或将所述电池包101从负载组INV，M断开。
在这样的情况下，第一设备终端11可连接到电池包101的正端(+)；第二设备终端12可连接到负载组102的负载终端TL。
参照图2，现在将描述使用本发明设备的电动或混合动力牵引车辆的运动系统100。
这样的系统100包括电池包101，其适于提供在保持在正电势V_plus的正端(+)和保持在负电势V_minus的电池的负端(-)之间的电池电压Vbat(例如48V)。
该系统100还包括负载组102，其适于由电池包101通过负载组的负载终端TL电力地供电。
系统100则包括如上所述的具有预充电功能的用于连接/断开两个终端的电子设备1。设备1布置在电池包101和负载组102之间的连接装置处；第一设备终端11连接到电池包101的正端(+)，从而当主开关和预充电开关打开时使得在第一设备终端11处的电势V1取决于电池电压Vbat和/或等同于来自电池正端的电压(V_plus)；第二设备终端12连接到负载组102的负载端子TL，以便在第二设备终端12处的电势V2取决于负载组102的负载L的等效阻抗。
根据一个实施方式的选择方案，负载组102是马达(M)/逆变器(INV)组。
根据一个实施方式的示例，负载组102的终端中的一个连接到所述第二设备终端12，而负载组102的另一终端连接到电池包101的负端(-)。
根据一个实施例，该系统还包括电池控制装置BMS，其可操作地连接到电子设备1以便接收该状态信号STS并提供命令信号CMD。电池控制装置BMS配置成解释所述状态信号STS并且如果该状态信号STS指示预充电操作还未正确完成则迫使命令信号CMD到达到打开逻辑水平。
根据一个实施方式的选择方案，电子设备1连接到不同的发电机(例如，不同于电池包101的车辆常规电池)以便接收电源电压Vcc，并且例如还连接到车辆底盘以便分别在设备的电源终端(Tc1，Tc2)上接收接地GND。接地GND相对于在电池包101的终端处的电压电隔离。
在下文中描述一种方法，用于通过间置于所述终端(11，12)之间的电子设备1基于命令信号CMD彼此电连接/断开两个终端(11，12)。
所述方法包括以下步骤。
当命令信号(CMD)要求从断开转变到连接时，该方法提供激活预充电操作，目的在于均衡在所述第一终端11和第二终端12处的电势(V1，V2)，将所述电势之间的差异降低到预设阈值VT以下。
然后，该方法提供测量所述第一终端11和第二终端12之间的电势差异ΔV，并且基于所获得的测量产生启用信号ENB，如果电势差异ΔV在阈值VT以下时其适于启用两个终端11，12之间的连接，并且如果电势差异ΔV超过阈值VT则相反地抑制两个终端11，12之间的连接。
该方法还包括基于命令信号CMD和启用信号ENB以如此的方式产生驱动信号DRV，以至于只有当命令信号CMD要求闭合时驱动信号DRV采取激活值并且启用信号ENB使得两个终端11，12之间的连接。
该方法还包括将所述驱动信号DRV提供到电子固态开关M1，电子固态开关M1包括在设备1中，并且配置成基于所述驱动信号DRV采取闭合状态或打开状态，其中两个终端11，12分别连接或断开，以便使得只有当驱动信号DRV采取激活值时电子开关M1采取闭合状态。
然后，该方法提供基于检测到的电势差异(ΔV)和命令信号CMD产生指示每个下列情形的状态信号STS的步骤：当检测到的电势差异ΔV在阈值VT以下时激活预充电操作，进展中的预充电操作，完成预充电操作。
当命令信号CMD要求从连接转变到断开时，该方法提供基于命令信号CMD停用驱动信号DRV，以使电子开关M1采取打开状态以及断开两个终端11，12。
通过根据上述设备的任何一个实施例的电子设备1进行根据该方法的不同实施方式的选择方案。
可以观察到的是，本发明的目的完全由设备1借助于其功能和结构特征来实现。
从功能的观点出发，设备1不仅集成开关/继电器和预充电电路的功能，而且集成预充电结果的诊断功能。具体地，设备1可提供指示预充电阶段开始和完成的状态信号。以这样的方式，它允许避免对复杂且昂贵的外部预充电诊断系统的需求；与此相反，本发明的设备能够以简单和有效的方式与正常控制/管理装置接口连接，本发明的设备从所述接口接收命令信号，且所述设备将明显的状态信号提供给所述接口。此外，设备1能够产生状态信号而不需要包括本地微控制器，其允许提高设备本身的小型化和简单化。
从结构的观点出发，上述设备是紧凑和集成的；该设备的功率部分和逻辑部分被适当地分成两个不同的印刷电路，然而所述两个不同的印刷电路并入到封闭在单一框架-盖体内的单个集成设备内。
此外，该设备的结构允许热问题的更好管理，特别是更好的散热。
本发明的设备从而是紧凑的和相对具备成本效益的，并且可有利地安装在诸如电动和混合动力车辆的电池-负载系统的系统内。
类似的优点可参照采用上述设备的系统和方法来标识。
在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下，本领域技术人员可对上述设备的实施例进行修改和变更，并且可用功能上等同于满足可能需求的其它元件取代。上述的属于一个可能实施例的所有特征可独立于其它所述的实施例来实施。

Claims (19)

1.电子设备(1)，其用于基于命令信号(CMD)将能够分别连接到发电机(101)以及电负载(L)的第一设备终端(11)和第二设备终端(12)电连接和断开，所述电子设备(1)包括：
-至少一个主电子开关(M1)，其具有连接到第一设备终端(11)的第一电终端(D1)，连接到第二设备终端(12)的第二电终端(S1)，以及还具有主驱动终端(Gl)，主电子开关(M1)配置成基于驱动信号(DRV)、取决于所述命令信号(CMD)和启用信号(ENB)来采取闭合状态或打开状态，其中第一电终端(D1)相应地连接到第二电终端(S1)或者从第二电终端(S1)断开；
-预充电电路(2)，所述预充电电路(2)连接在所述第一设备终端(11)和第二设备终端(12)之间，包括串联布置的至少一个电阻抗元件(21)和至少一个预充电电子开关(M2)，预充电电路(2)配置成基于命令信号(CMD)执行预充电操作，其目的是在主电子开关(M1)在从打开状态转变时采取闭合状态之前均衡存在于第一设备终端(11)和第二设备终端(12)处的电势(V1，V2)；
-测量、命令和诊断模块(3)，其配置成检测第一设备终端(11)和第二设备终端(12)之间的电压差(ΔV)，以及进一步配置成基于检测到的电压差(ΔV)产生所述启用信号(ENB)，以及进一步配置成基于检测到的电压差(ΔV)和命令信号(CMD)产生状态信号(STS)，状态信号(STS)指示由预充电电路(2)进行的预充电操作的开始阶段、进展中的阶段和完成阶段；
其中所述主电子开关(M1)和预充电电子开关(M 2)是功率固态继电器。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其配置成接收命令信号(CMD)，命令信号(CMD)能够采取适于使得预充电电子开关(M2)处于打开状态的打开逻辑水平和适于使得预充电电子开关(M2)处于闭合状态的闭合逻辑水平；
-设备1还配置成将所述状态信号(STS)提供给设备(1)的输出终端(To)，其中所述状态信号(STS)是适于采取第一状态逻辑水平或第二状态逻辑水平的数字信号；以及其中：
-状态信号(STS)从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的转变指示预充电操作的开始阶段；
-以相对于从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的前一转变的预设时间延迟(ΔT)检测到并且在存在命令信号(CMD)的闭合逻辑水平的情况下，从第一状态逻辑水平到第二状态逻辑水平的状态信号(STS)的转变指示预充电操作的完成阶段；
-在存在命令信号(CMD)的闭合逻辑水平的情况下，在相对于从第二状态逻辑水平到第一状态逻辑水平的前一转变的预设时间延迟ΔT之后未检测到从第一状态逻辑水平到第二状态逻辑水平的状态信号(STS)的所述转变，指示预充电操作的未完成状态。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其配置为使得所述驱动信号(DRV)和启用信号(ENB)是数字信号；其特征在于：
-启用信号(ENB)能够采取启用逻辑水平和禁用逻辑水平；
-当命令信号(CMD)采取闭合逻辑水平以及启用信号(ENB)采取启用逻辑水平时，驱动信号(DRV)采取适于使得主电子开关(M1)处于闭合状态的第一驱动逻辑水平，否则它采取适于使得主电子开关(M1)处于打开状态的第二驱动逻辑水平；
-当命令信号(CMD)采取闭合逻辑水平而启用信号(ENB)采取禁用逻辑水平时，状态信号(STS)采取所述第一状态逻辑水平，否则它采取所述第二状态逻辑水平。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1)，其具有三维的集成结构，并包括：
-框架(90)，所述框架(90)包括所述的第一设备终端(11)和第二设备终端(12)；
-紧固到框架(90)的金属支撑件(94)；
-第一印刷电路板(91)，所述第一印刷电路板(91)紧固到金属支撑件(94)以便紧固到框架(90)，并包括所述至少一个主电子开关(M1)和预充电电路(2)；
-第二印刷电路板(92)，所述第二印刷电路板(92)紧固到框架(90)以便叠置到第一印刷电路板(91)，并且包括所述测量、命令和诊断模块(3)。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，所述框架(90)是通过用电类型的元件和/或机械类型的元件嵌入模制塑料材料而制成。
6.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，所述第一印刷电路板(91)和第二印刷电路板(92)通过设置在框架(90)中的第一导电元件(96)和设置在第二印刷电路板(92)中的相应的第二导电元件(96’)相互地互连，并且其中：
-第二印刷电路板(92)包括电连接器(97)，其用于将命令、测量和诊断模块(3)与设备(1)的外部接口连接，所述电连接器(97)包括适于接收命令信号(CMD)的输入终端(Ti)，适于提供所述状态信号(STS)的输出终端(To)和一对功率终端(Ta1，Ta2)。
7.根据前述权利要求任一项所述的设备(1)，其中：
-所述至少一个主电子开关(M1)的每一个包括主功率MOSFET晶体管(M1)，其具有主MOSFET驱动终端(G1)，主MOSFET第一电终端(D1)和主MOSFET第二电终端(S1)；
-所述至少一个预充电电子开关(M2)的每一个包括预充电功率MOSFET晶体管(M2)，其具有预充电MOSFET驱动终端(G2)，预充电MOSFET第一导电终端(D2)和预充电MOSFET第二导电终端(S2)。
8.根据权利要求7所述的设备(1)，其特征在于，至少一个阻抗元件(21)连接在第一设备终端(11)和预充电MOSFET第一导电终端(D2)之间，以及预充电MOSFET第二导电终端(S2)连接到第二设备终端(12)；
并且其中所述至少一个阻抗元件(21)的每一个包括电串联布置的一个或多个电阻(210)。
9.根据前述权利要求任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述测量、命令和诊断模块(3)包括：
-比较器模块(30)，其配置成检测第一设备终端(11)和第二设备终端(12)之间的电压差(ΔV)，并进一步配置成将检测到的电压差(ΔV)与阈值电压(VT)进行比较，以及还配置成基于所述比较来产生启用信号(ENB)；
-命令模块(31)，其适于接收命令信号(CMD)且可操作地连接到所述比较器模块(30)以接收启用信号(ENB)，所述命令模块(31)配置成基于命令信号(CMD)产生控制信号(CTR)，并进一步基于所述命令信号(CTR)和启用信号(ENB)产生驱动信号(DRV)；并进一步配置成将驱动信号(DRV)提供给主电子开关(M1)以及将控制信号(CTR)提供给预充电电子开关(M2)；
-诊断模块(32)，其可操作地连接到命令模块(31)以接收控制信号(CTR)，以及可操作地连接到比较器模块(30)以接收启用信号(ENB)，诊断模块(32)配置成基于所述控制信号(CTR)和启用信号(ENB)来产生代表状态信号(STS)的信号(ST)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：
-命令模块(31)包括输入接口模块(33)，其连接到输入终端(Ti)以接收命令信号(CMD)且配置成产生控制信号(CTR)，所述输入接口模块(33)包括光隔离电路(33)，其设有电连接到输入终端(Ti)的第一光电二极管(PD1)以及光学连接到光电二极管(PD1)以便接收由光电二极管(PD1)所发出的代表命令信号(CMD)的第一光学信号(O1)的第一接口晶体管(M3)；第一接口晶体管(M3)适于基于所述第一光学信号(O1)产生控制信号(CTR)；
-诊断模块(32)包括输出接口模块(34)，其连接到输出端(To)以提供状态信号(STS)，所述输出接口模块(34)包括光隔离电路(34)，其设有电连接到诊断模块(32)以接收代表状态信号的信号(ST)的第二光电二极管(PD2)以及光学连接到光电二极管(PD2)以便接收由光电二极管(PD2)所发出的代表状态信号(STS)的第二光学信号(O2)的第二接口晶体管(M4)；第二接口晶体管(M4)适于基于所述第二光学信号(O2)产生状态信号(STS)；
-测量、命令和诊断模块(3)还包括光隔离的DC/DC转换器模块(35)，其配置成基于在供给终端(Tc1，Tc2)处提供的电源电压(Vcc，GND)产生内部参考电压(Vcc2，GND2)。
11.根据权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，所述比较器模块(30)包括：
-第一运算放大器(36)，其具有分别连接到所述第一设备终端(11)和第二设备终端(12)的第一比较器输入端(360)和第二比较器输入端(361)，和输出端(363)；
-第二运算放大器(37)，其具有适于接收阈值电压(VT)的第三比较器输入端(378)，以及连接到第一运算放大器(36)的输出端(363)的另一输入端，并且还具有适于提供启用信号(ENB)的第二运算放大器输出端(373)。
12.根据权利要求10或11所述的设备(1)，其特征在于，命令模块(31)包括第一AND逻辑门(C1)，其具有启用信号(ENB)和控制信号(CTR)分别提供给它们的两个输入端(C11，C12)；其中第一AND逻辑门(C1)的输出(C13)连接到主电子开关的驱动终端(Gl)以提供驱动信号(DRV)；
并且其中诊断模块(32)包括：
-NOT逻辑门(C3)，其连接到所述比较器模块(30)的输出端(373)以便接收启用信号(ENB)并产生其逻辑补；
-第二AND逻辑门(C2)，其具有分别连接到命令模块(31)以接收控制信号(CTR)以及连接到NOT逻辑门(C3)的输出端以接收启用信号(ENB)的逻辑补的两个输入端(C21，C22)；其中第二AND逻辑门(C2)的输出端(C23)适于提供代表状态信号(STS)的信号(ST)。
13.根据前述权利要求任一项所述的设备(1)，还包括微控制器，其适于接收和解释所述状态信号(STS)，并且如果状态信号(STS)指示预充电操作还未正确完成，则停用控制信号(CTR)。
14.根据前述权利要求任一项所述的设备(1)，还包括EOL编程接口，其适于允许对所述设备的编程。
15.根据前述权利要求任一项所述的设备(1)，其适于在电动或混合动力车辆的运动系统(100)中操作，设有电池包(101)和负载组(102)，设备(1)配置成以受控制的方式将所述电池包(101)连接到负载组(INV，M)或将所述电池包(101)从负载组(INV，M)断开；
-第一设备终端(11)能够连接到电池包(101)的正端(+)；
-第二设备终端(12)能够连接到负载组(102)的负载终端(TL)。
16.电动或混合动力牵引车辆的运动系统(100)，其包括：
-电池包(101)，其适于提供在电池包的正端(+)和负端(-)之间的电池电压(Vbat)；
-负载组(102)，其适于由电池包(101)通过负载组的负载终端(TL)电力地供电；
-根据权利要求15所述的电子设备(1)，布置在电池包(101)和负载组(102)之间的连接装置处；其中第一设备终端(11)连接到电池包(101)的正端(+)，从而当主开关和预充电开关打开时使得在第一设备终端(11)处的电势(V1)取决于电池电压(Vbat)；以及其中第二设备终端(12)连接到负载组(102)的负载端子(TL)，以便在第二设备终端(12)处的电势(V2)取决于负载组(102)的负载(L)的等效阻抗。
17.根据权利要求16所述的系统(100)，其特征在于，负载组(102)是马达(M)/逆变器(INV)组。
18.根据权利要求16或17所述的系统(100)，其特征在于，还包括电池控制装置(BMS)，其可操作地连接到电子设备(1)以便接收状态信号(STS)并提供命令信号(CMD)，其中电池控制装置(BMS)配置成解释所述状态信号(STS)并且如果该状态信号(STS)指示预充电操作还未正确完成则迫使命令信号(CMD)达到打开逻辑水平。
19.一种方法，用于通过间置于两个终端(11，12)之间的电子设备(1)基于命令信号(CMD)彼此电连接/断开两个终端(11，12)和执行相关预充电操作，所述方法提供以下步骤：
当命令信号(CMD)要求从断开转变到连接时：
-激活预充电操作，目的在于均衡在所述第一终端(11)和第二终端(12)处的电势(V1，V2)，将所述电势之间的差异降低到预设阈值(VT)以下；
-测量所述第一终端(11)和第二终端(12)之间的电势差异(ΔV)，并且基于所获得的测量量产生启用信号(ENB)，如果电势差异(ΔV)在阈值(VT)以下时启用信号(ENB)适于启用两个终端(11，12)之间的连接，并且如果电势差异(ΔV)超过阈值(VT)则相反地抑制两个终端(11,12)之间的连接；
-基于命令信号(CMD)和启用信号(ENB)产生驱动信号(DRV)，以至于只有当命令信号(CMD)要求闭合时驱动信号(DRV)采取激活值并且启用信号(ENB)启用两个终端(11，12)之间的连接；
-将所述驱动信号(DRV)提供到电子固态开关(M1)，电子固态开关(M1)包括在设备(1)中，并且配置成基于所述驱动信号(DRV)采取闭合状态或打开状态，在闭合状态或打开状态中两个终端(11，12)分别连接或断开，以便使得只有当驱动信号(DRV)采取激活值时电子开关(M1)采取闭合状态；
-基于检测到的电势差异(ΔV)和命令信号(CMD)产生指示每个下列情形的状态信号(STS)的步骤：当检测到的电势差异(ΔV)在阈值(VT)以下时激活预充电操作，进展中的预充电操作，完成预充电操作；
当命令信号CMD要求从连接转变到断开时：
-基于命令信号(CMD)停用驱动信号(DRV)，以使电子开关(M1)采取打开状态以及断开两个终端(11，12)。
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