CN107264443A - 用于车辆的集成配电系统 - Google Patents

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Abstract

实施例包括包含具有标称电压的车辆电池的车辆配电系统；多个电负载，每个负载与额定电压相关联；以及集成电路，该集成电路连接至车辆电池并且包含分别连接至电负载的多个固态电路块，每个块包括电路保护系统并且配置为供应与连接至块的电负载相关联的额定电压。实施例还包括包含集成电路的车辆配电模块，该集成电路配置为从车辆电池接收第一电压并且为多个电负载供应各自的额定电压，该集成电路包含多个固态电路块，并且每个电路块包括电路保护系统并且连接至相应的一个电负载。

Description

用于车辆的集成配电系统
技术领域
本申请总体上涉及车辆配电箱或模块，以及更具体地涉及具有可编程输出电压和可配置故障保护的集成配电系统。
背景技术
现有车辆通常包括低压配电系统用于为各种车辆部件和配件供电。例如，机动车辆应用可以包括12伏特(V)配电系统用于为车辆控制模块(比如是动力传动系统控制器、车身控制器、电池控制器等)以及车辆照明装置、HVAC(暖通空调)、车窗、车镜、雨刷器、信息娱乐系统、导航系统，以及无数的其他系统、马达、执行器、传感器和模块供电。对车辆配电系统不断增加的需求正在接近现有12V系统的实际极限。结果，机动车辆行业已经迈向使用比如48V这样的更高电压水平。然而，某些车辆配件、部件或装置可能与新的更高压不兼容。因此，任何新的配电系统必须能够适应更高电压负载以及更低电压负载。
发明内容
本发明旨在通过提供用于车辆的集成配电系统来解决上面提到的以及其他问题，该集成配电系统可以编程为为多个电负载中的每一个供应合适的输出电压并且根据负载的规格为每个负载设置过电流极限和过电压极限。
例如，一实施例包括包含具有标称电压的车辆电池的车辆配电系统；多个电负载，每个负载与额定电压相关联；以及连接至车辆电池并且包含分别连接至电负载的多个固态电路块的集成电路，每个块包括电路保护系统并且配置为供应与连接至块的电负载相关联的额定电压。
另一示例实施例包括车辆配电模块，该车辆配电模块包含配置为从车辆电池接收第一电压并且为多个电负载供应各自额定电压的集成电路，该集成电路包含多个固态电路块，并且每个电路块包括电路保护系统并且连接至相应的一个电负载。
如将要领会的，本申请由所附权利要求限定。说明书总结实施例的各个方面并且不应该用于限制权利要求。如通过查阅下面的附图和详细描述将对本领域普通技术人员显而易见的是，根据在此公开的技术预期其他实施方式，并且这样的实施方式旨在在本申请的范围内。
附图说明
为了更好地理解本发明，可以参考在下面的附图中显示的实施例。附图中的部件不一定按比例绘制并且相关元件可以被省略、或在某些情况下比例可能已经被放大，以便强调并且清楚地说明在此描述的新特征。此外，如本领域已知的，可以不同地设置系统部件。此外，在附图中，相同的附图标记指定在几个视图中的相应部分。
图1描绘根据实施例的用于车辆的示例集成配电系统；
图2描绘根据某些实施例的包括在图1的配电系统中的示例电路块；
图3描绘根据某些实施例的包括在图1的配电系统中的另一示例电路块；
图4描绘根据某些实施例的包括在图1的配电系统中的又一示例电路块；
图5描绘根据某些实施例的包括在图1的配电系统中的又一示例电路块。
具体实施方式
虽然本发明可以以各种形式具体体现，但一些示例性且非限制性的实施例在附图中被显示并且将在下文被描述，应理解本公开被认为是本发明的范例并且不旨在把本发明限制为图示的具体实施例。
在本申请中，转折连词的使用旨在包括连词。定冠词或不定冠词的使用不旨在指示基数。特别地，对“该”物体或“一(a)”和“一(an)”物体的引用也旨在表示多个可能的这样的物体中的一个。
图1表明根据实施例的在车辆中使用的示例性集成配电系统100。系统100(在此也被称为“车辆配电系统”)可以在任何适当类型的车辆(未示出)中实施，比如电动车辆、混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、或电池电动车辆(BEV)。如图所示，集成配电系统100包括连接至电池104的集成电路102和多个电负载106。在一些实施例中，集成电路102可以包括在具有壳体的车辆配电箱或模块(未示出)中，该壳体保护电路102免受水分、灰尘、以及其他环境因素的影响。
根据实施例，电池104可以是具有比如例如48V或更高的标称电压的辅助电池。如本领域普通技术人员所理解的，由电池104供应的实际电压在操作期间将根据比如温度、电池电荷、电流、电池寿命等这样的若干环境和操作条件而改变。电池104也可以被称为低压电池、起动机电池，或仅仅是例如在没有高压牵引电池的情况下的车辆中的车辆电池。
电池104可以用于为各种低压部件、控制器、模块、马达、执行器、传感器、车灯、以及来自各种车辆系统和子系统的其他电子装置供电。在图1中，这些各种装置总体上表示为电负载106。每个电负载106可以与额定电压或电源电压相关联，该额定电压或电源电压与电池104的标称电压相同或不同。例如，若干电负载106可以具有与标称电压相同的额定电压(例如，48V)，然而其余的电负载106可以具有小于标称电压的额定电压(例如，6V、12V、24V等)。
集成电路102可以是单片集成电路或芯片，该单片集成电路或芯片具有连接至电池104以及在某些情况下连接至另一电源(未示出)的一个或多个输入引脚、以及分别连接至多个电负载106的多个输出引脚。此外，如图1所示，集成电路102包括多个功能块108。根据实施例，每个块108连接至相应的一个电负载106或为相应的一个电负载106供给电力。同样，集成电路102内的功能块108的总数量可以根据连接至集成电路102的电负载106的数量和/或集成电路102上的输出引脚的可用数量而改变。
根据实施例，每个功能块108(在此也被称为“固态电路块”)可以包括固态电路，该固态电路根据需要用于提供故障保护、用于供应与连接至块108的电负载106相关联的额定电压、以及用于打开和关闭电负载106。例如，每个功能块108可以包括包含固态电源开关(例如，场效应晶体管(FET))和集成故障感测电路的电子保险丝、用于根据需要将标称电压转换为较低的额定电压的集成降压转换器、和/或用于设置降压转换器的输出电压和/或用于控制电子保险丝的操作的电子控制器。下面将关于图2-5描述关于功能块108的内容的更多细节。
在实施例中，每个功能块108的确切配置可以根据连接至其的电负载106的装置规格而改变。例如，当设计集成电路102时，可以基于以下来选择每个功能块108的内容：相关电负载106是否(1)需要一直连接至电池104，(2)需要频繁的开启/关闭循环，(3)需要恒定的输出电压，(4)具有小于电池104的标称电压的额定电压，或基于与确定电负载106的电源需求相关的任何其他装置规格来选择每个功能块108的内容。如将要领会的是，如果所有的电负载106具有相同的装置规格，则所有的功能块108也可以相同。相反，如果电负载106中的每一个具有不同的装置规格，则功能块108中的每一个可以不同。
如图1所示，集成电路102可以进一步地包括用于控制和监测集成电路102的操作的处理器110。更具体地说，处理器110可以配置为控制输出电压、设置和监测故障条件极限、并且控制每个功能块108的其他操作。在某些情况下，处理器110也可以监测系统100和/或集成电路102的总体状况以便例如通过识别可能导致潜在电力节约的条件来优化系统性能。如图1所示，为了实现这些和其他功能，处理器110可以配置为通过选择的集成电路102的输入引脚(例如，控制和设置)和输出引脚(例如，状态)来接收和/或传输信号。
更具体地说，处理器110可以连接至用于接收控制消息的输入控制引脚，该控制消息用于设置一个或多个功能块108的输出电压、打开或关闭一个或多个电负载106、和/或其他动作。处理器110也可以连接至用于接收功能块108中的一个或多个的故障条件极限的输入设置引脚。此外，处理器110可以连接至用于输出关于功能块108和/或作为整体的集成电路102的故障条件的状态消息的输出状态引脚。如图1所示，控制、设置、和状态引脚可以连接至外部源，比如例如车辆控制模块(VCM)114或车辆其他部件，该车辆的其他部件可以接受用于编程选择的功能块108的输出电压和/或故障条件极限的用户输入并且可以提供状态消息至车辆的用户界面(未示出)或其他车辆系统。
在实施例中，处理器110可以包含微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、专用集成电路、逻辑装置、或用于处理、输入、输出、操作、存储、或检索数据的其他电子装置。处理器110可以配置为执行存储在系统100的存储器112中的软件、传输数据至存储器112以及从存储器112传输数据、以及根据软件总体上控制集成电路102的操作。
如图1所示，存储器112可以连同处理器110一起包括在集成电路102中，或例如当处理器110包括在VCM 114中时可以与集成电路102分开。存储器112可以包含电子存储器、非易失性随机存取存储器(例如，RAM(随机存取存储器))、触发器(flip-flop)、计算机可写或计算机可读存储介质、或用于存储、检索、读取或写入数据的其他电子装置中的一个或多个。
存储器112配置为存储可执行软件，该可执行软件中的一些可以是或可以不是系统100唯一的。存储器112中的软件可以包括一个或多个单独的程序，每个程序包含机器可读指令的有序列表，该机器可读指令当被处理器110执行时，使处理器110执行各种措施和/或实施逻辑功能。作为示例，存储器112中的软件可以包括软件指令，该软件指令用于根据通过集成电路102的设置引脚接收到的数据来设置每个功能块108的故障条件极限、监测每个功能块108的故障状态并且通过集成电路102的状态引脚输出所述故障状态、根据通过集成电路102的控制引脚接收到的控制消息来控制每个功能块108的操作、根据通过控制引脚接收到的用户选择电压值来设置功能块108中的一个或多个的输出电压。
图2-5描绘根据实施例的用于形成在图1中显示的功能块108中的一个或多个的各种示例电路块200、300、400和500。也就是说，集成电路102的每个功能块108可以包含电路块200、300、400和500中的一个。每个电路块200、300、400和500的输入可以连接至比如在图1中显示的电池104这样的电源，或另外从电源接收输入电压。此外，每个电路块200、300、400和500的输出可以连接至在图1中显示的车辆电负载106中选择的一个。选择用于给定功能块108的确切电路块可以取决于连接至功能块108的电负载106的装置规格。
在下面的段落中，将描述电路块200、300、400和500的关键部件。然而，应该理解的是在此公开的任何电路或其他电气装置可以包括在此没有明确列出的任何数量的分立的无源和有源部件，比如，例如电阻器、电容器、晶体管、放大器、模拟/数字转换器(ADC或A/D转换器)、微处理器、集成电路、非暂时性存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、或其其他合适的变体)、以及彼此配合以执行在此公开的操作的软件。
现在参考图2，显示仅包含配置为保护电源、电负载、和内部电源开关的电路保护系统的示例性电路块200。例如，如图2所示，在优选实施例中，电路块200可以用于保护电负载，该电负载被要求一直连接至电源(或电池)并且具有与从电源接收到的标称电压或输入电压兼容的额定电压或电源电压。
如图所示，电路保护系统200包括可重新设置的电子保险丝202，该电子保险丝202包含用于选择性地为连接至电路块200的输出的电负载供以电压或供电的固态电源开关204。在实施例中，电源开关204可以是例如场效应晶体管(例如，MOSFET)、氮化镓(GaN)晶体管、或其他快速切换半导体装置。电子保险丝202进一步地包括分别用于监测电子保险丝202的性能并且提供过电压和过电流保护的电压感测电路206和电流感测电路208。例如，电压感测电路206可以配置为监测至电源开关204的关于过电压故障条件的输入，并且如果需要，停用电源开关204或切断电源开关204的电源。类似地，电流感测电路208可以配置为监测电源开关204的关于过电流故障条件的输出，并且如果需要，停用电源开关204。虽然没有显示，但电子保险丝202也可以包括用于检测比如例如电源开关204的温度水平这样的其他故障条件的附加传感器。
如图所示，电路块200进一步地包括用于从处理器110接收包括例如过电压和过电流极限的故障条件极限的输入设置引脚。可以根据连接至电路块200的电负载的装置规格设置故障条件极限。同样如图所示，电路块200也包括用于输出故障条件状态消息至处理器110的输出状态引脚。在出现故障条件的情况下，可以通过电压感测电路206和/或电流感测电路208产生状态消息。
图3描绘示例性电路块300，该示例性电路块300包含用于保护电源、电负载、以及内部电源开关的电路保护系统302、以及包含用于控制保护系统302的操作的控制逻辑的控制器304。在实施例中，电路保护系统302包含可重新设置的电子保险丝(未示出)，该电路保护系统302与在图2中显示并且在上面描述的保护系统200大体上相似。同样，电路块300包括与在图2中显示并且在上面描述的电路块200的输入设置引脚和输出状态引脚大体上相似的输入设置引脚和输出状态引脚。
在优选实施例中，电路块300可以用于保护电负载，该电负载要求频繁的开启和关闭循环，并且具有与从例如如图3所示的电源接收到的标称电压或输入电压兼容的额定电压或电源电压。同样，控制器304可以配置为提供用于根据需要打开和关闭电负载106的开关信号。如图3所示，电路块300可以包括用于接收控制消息的输入控制引脚，该控制消息控制开关信号的产生或另外控制保护系统302内的电子保险丝的开关操作。
图4描绘示例性电路块400，该电路块400包含用于保护电源、电负载、以及内部电源开关的电路保护系统402，用于将输入电压转换为或逐步降低至电负载所需的电源电压的降压转换器，以及包含用于控制电路块400的部件的操作的控制逻辑的控制器。在一些实施例中，电路块400包含具有集成电压转换器的车辆配电电路，该车辆配电电路在2015年12月3日提交的共同拥有的美国专利申请序列号14/957,937中公开，该专利申请的整个内容以合并的方式结合于此。
在实施例中，电路保护系统402包含与在图2中显示并且在上面描述的保护系统200大体上相似的可重新设置的电子保险丝(未示出)。同样，电路块400包括与在图2中显示并且在上面描述的电路块200的输入设置引脚和输出状态引脚大体上相似的输入设置引脚和输出状态引脚。
在优选实施例中，电路块400可以用于保护电负载，该电负载具有低于电源的输入电压或标称电压的额定电压。然而，如将要领会的是，电路块400也可以用于通过或者绕过降压转换器404或者将降压转换器404配置为不应用电压减少来保护电负载，该电负载具有与输入电压兼容或相等的额定电压。
在实施例中，降压转换器404(也被称为“降压开关稳压器”)可以是固态DC-DC(直流-直流)降压转换器或其他开关稳压器，该开关稳压器具有宽的输入电压范围以及可以设置为连接至电路块400的电负载的额定电压的可编程输出电压。电路块400包括用于接收用于设置降压转换器404的输出电压的控制消息的输入控制引脚。控制器406可以配置为接收控制输入并且基于控制输入来控制降压转换器404的输出电压。在实施例中，降压转换器404的输出电压可以是使用外部输入装置的用户配置的。例如，控制消息可以基于通过例如车辆控制模块的用户界面或其他车辆系统接收到的用于控制电路块400的输出电压的用户输入。因此，电路块400的控制器406可以配置为设置用户可编程的输出电压、以及可编程的故障条件极限，并且配置为监测开关性能。
图5描绘示例性电路块500，该示例性电路块500包含用于保护电源、电负载、以及内部电源开关的电路保护系统502、以及降压转换器504。在实施例中，电路保护系统502包含与在图2中显示并且在上面描述的保护系统200大体上相似的可重新设置的电子保险丝(未示出)。同样，电路块500包括与在图2中显示并且在上面描述的电路块200的输入设置引脚和输出状态引脚大体上相似的输入设置引脚和输出状态引脚。
如图5所示，在优选实施例中，电路块500可以用于保护电负载，该电负载需要低于电源的输入电压或标称电压的恒定输出电压。结果，降压转换器504可以不用于具有如上面关于图4所描述的可编程输出电压。相反，降压转换器504可以用于实施闭环控制系统，该闭环控制系统设置为提供低于电源的输入电压或标称电压的恒定输出电压。在实施例中，降压转换器504可以是固态DC-DC降压转换器或其他合适的开关稳压器。
因此，本公开提供包含用于实现车辆电源的单片集成电路的集成配电系统，该集成配电系统可以供给多个车辆电负载，可以根据需要为选择的电负载提供可编程输出电压，并且可以为每个电负载提供可配置的过电流和过电压保护。使用单片芯片来实现在此描述的车辆配电系统，不仅节省空间和减少配电箱的重量和大小，而且提供高系统灵活性和功能并且优化配线系统。例如，集成电路的部件可以设置在多个功能或电路块中，该功能或电路块各自分配至单独的电负载并且可以根据故障条件极限和连接至其的负载的额定电压而被单独地配置。每个功能块可以包括固态电源开关(例如，FET)以及用于提供可重新设置的电子电路保护和监测的配置为针对每个电负载的装置规格的智能装置(例如，电子控制器和传感器)。此外，选择的功能块可以配置为适应具有与更高压电源(例如，48V电池)兼容的额定电压的更高压电负载，然而其他功能块可以根据需要包括集成降压转换器以适应具有低于更高电压的额定电压的传统的电负载。
应该强调的是，上述实施例——特别是任何“优选”的实施例，是实施方式的可能示例，仅提出以用于清楚地理解本发明的原则。在大体上不背离在此描述的技术的精神和原则的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有这样的修改旨在在此包括在本公开的范围内并且由下面的权利要求保护。

Claims (20)

1.一种车辆配电系统，所述车辆配电系统包含：
具有标称电压的车辆电池；
多个电负载，每个所述负载与额定电压相关联；以及
集成电路，所述集成电路连接至所述车辆电池并且包含分别连接至所述电负载的多个固态电路块，每个所述块包括电路保护系统并且配置为供应与连接至所述块的所述电负载相关联的所述额定电压。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述电路保护系统包括包含电源开关的可重新设置的电子保险丝。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述电源开关是场效应晶体管。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述电子保险丝进一步地包括用于监测所述电子保险丝的性能的电压感测电路和电流感测电路。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述电子保险丝具有用户可配置的过电流极限和过电压极限。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述电路块中的至少一个进一步地包括配置为产生用于控制所述电子保险丝的操作的开关信号的控制器。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述电路块中的至少一个进一步地包括降压转换器，所述降压转换器用于使所述标称电压逐步降低至连接至所述电路块中的所述至少一个的所述电负载的所述额定电压。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述电路块中的所述至少一个进一步地包括配置为基于用户输入来控制所述降压转换器的输出电压的控制器。
9.如权利要求1所述的系统，进一步地包含用于控制每个所述电路块的操作的处理器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器包括在所述集成电路内。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述标称电压是48伏特。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述电负载中的至少一个的所述额定电压小于所述标称电压。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述电负载中的至少一个的所述额定电压等于所述标称电压。
14.一种车辆配电模块，所述车辆配电模块包含：
集成电路，所述集成电路配置为从车辆电池接收第一电压并且为多个电负载供应各自的额定电压，所述集成电路包含多个固态电路块，并且每个所述电路块包括电路保护系统并且被连接至相应的一个所述电负载。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述电路保护系统包括包含电源开关的可重新设置的电子保险丝。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述电子保险丝具有用户可配置的过电流极限和过电压极限。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述电路块中的至少一个进一步地包括配置为产生用于控制所述电子保险丝的操作的开关信号的控制器。
18.如权利要求14所述的系统，其中所述电路块中的至少一个进一步地包括降压转换器，所述降压转换器用于使所述标称电压逐步降低至连接至所述电路块中的所述至少一个的所述电负载的所述额定电压。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述电路块中的所述至少一个进一步地包括配置为基于用户输入来控制所述降压转换器的输出电压的控制器。
20.如权利要求14所述的系统，其中所述电负载中的至少一个的所述额定电压小于所述标称电压。
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