CN107959490A - 用于汽车应用的智能开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车应用的智能开关(100)，特别是可重置和/或可编程的熔断器(101)，包括至少一个入口(103、103’、103”)、至少一个出口(105、105’、105”、105”’)以及将至少一个入口(103、103’、103”)和至少一个出口(105、105’、105”、105”’)电连接的开关电路(107)。为了提供用于汽车应用且能够提供不止一种切换功能的智能开关，开关电路(107)包括选自机电切换子模块(109)和电切换子模块(111)的列表的至少两个切换子模块，其中开关还包括用于控制至少两个切换子模块(109、111)的操作状态的控制单元(127)。

Description

用于汽车应用的智能开关
技术领域
本发明涉及一种用于汽车应用的电开关(electric switch)，特别是涉及一种可重置和/或可编程的熔断器，其包括至少一个入口、至少一个出口、以及将所述至少一个入口和所述至少一个出口电连接的开关电路。
背景技术
电气/电子(E/E)系统在车辆的不同子系统中随处可见，该些子系统例如是发动机和动力总成，底盘，车身和舒适性，信息娱乐，导航，驾驶员辅助，和交互式系统。这些系统伴随有线束，以通过线缆和网络接口的方式来支持这些系统。单独的线束是汽车中第三高成本部件(在发动机和底盘之后)，也是汽车中第三重的部件(在底盘和发动机之后)。因此，减轻线束重量的任何解决方案都直接有助于节省成本并有利于环境。
E/E特征数量的持续增长以及其发展推动着对于通过通用的互连基础结构而满足这种复杂性的综合和动态架构的需求。这样的基础结构包括通信，以及动力分配，部件的物理布置，以及部件上的功能映射。这需要不同的通信机制和网关，以使能智能介电之间的交叉网络。使用通用的E/E架构的总体优势在于，能够为不同的应用重复使用数据(即，来自传感器)，最优化线束，当添加新的功能时实现简单的可扩展性，以及能够为具有不同的扩展模块/级提供支持。
汽车的电开关是现有技术中已有的，并且能够获得具有标准化的尺寸和/或连接装置(即用于将开关置于电路中的接触端子，电路诸如是汽车的负载电路)的电开关。电熔断器是一种特定的开关，在特定的条件下，例如过载、载荷不匹配、过压、或连接到载荷电路的装置失效的情况下，电熔断器中断负载电路。
汽车工业在汽车的最集中的位置处大量地使用继电器与熔断器的组合。继电器的一个问题在于，在触头之间可能产生不期望的电弧，这可能导致触头突然关闭，或者由于在切换事件发生时由破坏性的电弧能量损坏的接触表面而使得继电器失效。US 7,282,924公开了一种具有用于检测电弧的子系统的电力系统，包括继电器单元，电流传感器，模拟电路，数字电路和处理单元，该处理单元被配置为控制继电器单元响应于识别电弧失效的事件而断开电流。这在可扩展性和灵活性上产生问题，更不用说更换熔断器带来的麻烦。添加更多的功能带来了额外的接线盒以及跟其配套的配线，这增加了车辆的重量，并且导致更多CO2排放。
汽车上增加的电气复杂度会给电路和必须被包括在多种连接器中的电气开关和熔断器带来压力。常用于汽车领域的开关和熔断器通常是不可改变的，并且仅切换为闭合和断开负载电路。
从而，本发明的目的在于：提供一种用于汽车应用的智能的电开关，即，该电开关提供不止一种切换功能。
发明内容
最初提到的电开关通过以下方案解决了前述问题，其中开关电路(switchcircuit)包括选自机电切换子模块(electromechanic switching submodule)和电切换子模块(electric switching submodule)的列表的至少两个切换子模块，其中所述开关还包括用于控制所述至少两个切换子模块的操作状态的控制单元。
通过在电切换的开关电路中提供至少两个切换子模块(例如至少一个机电和至少一个电切换子模块)的任意组合，并且与控制单元一起，电开关变得智能，从而提供多于一个切换功能。例如，它可以根据需要进行定制，例如由于快速响应和容易地重置电切换子模块的能力以及机电切换子模块的优点，例如断电后的安全切换状态，而带来优势。
在下文中，将借助示例来描述本发明的智能开关的不同实施例，其中每个实施例的特征本身是有优势的。不同实施例的技术特征可以被任意组合，或者如果由某技术特征带来的技术效果与本发明无关、则该技术特征可被省略。
在一个实施例中，智能开关包括汽车电连接器，其包括基部组件，该基部组件在其一侧具有有着至少一个入口和至少一个出口的连接器面，该电连接器具有与所述连接器面相反的内侧，其中所述开关电路设置在内侧处。为智能开关提供电连接器允许汽车开关能够容易地组装。另外，将具有入口和出口的连接器面分开，其中智能开关在一方面连接到负载电路，并且开关电路在空间上的另一方面位于内部，为开关提供了模块化。例如，开关电路可以根据切换的需求而改变，而同时维持在连接器面处的至少一个入口和至少一个出口的设计。
在智能开关的另一实施例中，至少一个机电切换子模块可以是单稳态切换子模块或双稳态切换子模块。机电切换子模块可以例如是单稳态或双稳态的继电器。单稳态继电器的优点在于，其在断电后到达安全状态，其将机电切换子模块保持在一个预定状态，例如处于断开状态，从而切断负载电路。诸如双稳态继电器的双稳态机电切换模块的优点在于，仅需要非常低的线圈功率消耗来在其两个切换(或操作)状态之间切换。
在另一实施例中，至少一个电切换子模块可以是半导体开关，诸如例如是晶体管。机电开关，特别是单稳态继电器，通常需要手动重置。与其相反的是，可以远程地重置半导体开关。另外，半导体开关允许脉冲宽度调制，使得能够控制通过负载路径馈送至负载(例如大灯)的电压和电流。另外，半导体开关响应非常迅速，并且具有很小的尺寸，从而允许最小化汽车电开关/熔断器的尺寸。快速响应允许半导体开关用作软件熔断器，其在电流达到过高的数值之前断开负载。电切换子模块可以是场效应晶体管(field-effecttransistor)，其能够在非常高的电压下工作，例如，在48V功率网中。另外，场效应晶体管仅需要非常低的功率消耗以用于控制切换，并且可具有板载的诊断特征，诸如例如电流、温度或电压检测器。
根据智能开关(或熔断器：在下文中，描述了关于开关的实施例，其中包括开关的具体实施例是熔断器)的另一实施例，连接器面包括至少3个端子。一个端子可以代表入口，另一个端子可以代表出口，并且第三端子可以例如是控制接口或信号出口。在一个实施例中，连接器面是汽车工业中使用的标准连接器面，例如根据DIN 72552的mini-ISO插头或插口，或其他的插口或插头。在一个示例性实施例中，开关可具有九个端子。提供具有九个端子的智能开关允许将其连接到不止一个负载路径，即多达四个不同的负载路径，而仍然具有一个端子可用于其他的功能，例如诊断功能。由于其模块化，根据本发明的智能开关提供了允许开关电路根据连接到期的相应路径的需求而进行定制的灵活性。能够导通不止一条路径，例如通过相同智能开关的负载路径，使所需部件的数量最小化，从而节省成本和材料。
根据另一个有利实施例，根据本发明的智能开关可包括控制单元，用于控制操作的切换子模块的操作状态。为智能开关提供板载的控制单元，诸如微控制器，使得无需提供用于电开关和其切换子模块的外部控制器。这允许将本发明的智能开关连接到主控制器，例如车辆中的电子控制单元。以这种方式，本发明的智能开关能够直接输出指示某一切换子模块的操作状态(诸如所述切换子模块的接触状态)的信号，或输出其他诊断或保护特征的操作状态(诸如例如欠压/过压，过流，温度过高，短路等)的信号。智能开关可包括单个板载控制单元，用于控制每个切换子模块，这最小化了部件的数量以及从而减小了开关的尺寸。
在智能开关的另一实施例中，控制单元可经由驱动线路连接到切换子模块中的每一个。经由所述驱动线路，微控制器可控制通过相应的切换子模块的切换，诸如，例如，机电切换子模块的状态或通过电切换子模块的电压/电流。在机电切换子模块的情况下，微控制器可经由驱动线路连接到继电器驱动器，继电器驱动器将相应的切换子模块带至与由微控制器经由驱动线路作为信号发送的预设状态相对应的状态。
在智能开关的另一实施例中，控制单元可包括用于将其连接到位于智能开关之外的网络系统的至少一个控制接口。连接器面的端子中的一个可以是例如控制接口，例如用于从主控(或主机)控制器接收指令数据，或定义用于切换的限制值的预定控制数据。经由控制接口，智能开关可以例如经由总线系统被连接到主机控制器。
在一个实施例中，智能开关具有包括单个控制接口的控制单元。控制接口可被连接到或对应于一个端子，从而提供控制入口和/或出口。在智能开关仅包括连接到连接器面的端子中的一个的单个控制接口的情况下，电开关可经由总线系统(诸如，例如LIN总线)而被连接到控制单元。LIN(Local Interconnect Network，本地互连网络)是低成本汽车网络的概念。LIN是串行通信协议，其有效的支持在分布式汽车应用中机电一体化节点的控制器。LIN总线系统的特点和优点在于，其为具有多个从机(slaves)的单个主机的概念，这个整体概念自同步，并且具有确定的信号传输，其中信号传播的时间机制是预先建立的。其单线实现方式是低成本和高速的。由于单线的实现方式，能够实现汽车电开关的这样一种实施例，其中控制单元包括仅连接到一个端子的单个控制接口。这允许包括具有九个端子的标准化的ISO插口或插座的汽车电开关能够容纳高达四个不同的负载路径。在该情况下，九个端子可被分配至四个不同的负载入口，四个不同的负载出口，以及控制接口，该控制接口可经由LIN总线与主机控制器通信。在该实施例中，通过使用标准的连接器面，仍然实现高程度的灵活性。然而，智能开关可类似地包括不止一个控制接口和/或不止一个控制单元。另外，可以实现任何种类的适当的通信媒介，包括现有的汽车通信技术，例如控制器局域网(CAN)、Flex Ray(FR)、面向媒体的系统传输(MOST)和低压差分信令(LVDS)。使用LIN的一个优点在于其相对于通常用于车辆的CAN网络更加廉价。LIN系统可经由LIN/CAN网关而连接到车辆的CAN网络。这减少了与CAN网络通信所需的装置的数量，省去了用于每个开关的CAN控制器的成本。LIN通过成本大幅降低而且支持典型的汽车子系统所需的通信来补充CAN。
根据另一实施例，智能开关的控制单元可经由供电线路而被连接到至少一个出口，使得智能开关成为自支持的模块，其从负载电路获得其电力。供电线路可将控制单元直接连接到负载输出，或者经由开关电路的导体(或路径)而间接连接到负载输出。
在一个实施例中，二极管可被布置在供电线路中。二极管保护开关避免反向极性。在控制单元上的供电可从2个或更多的电路(例如，负载电路)获得，其可通过二极管解耦。
在本发明的另一实施例中，智能开关可通过包括诊断子模块而具有诊断功能。诊断子模块包括至少一个传感器，用于检测切换子模块的操作状态中的至少一个，诸如电流、温度、和电压。诊断子模块/传感器可以板载于微控制器上，或者可以与微控制器分离，并且经由状态线路连接到控制单元。当为开关提供接触状态传感器时，其可检测切换子模块的接触状态，即开关是接通还是断开。传感器可经由状态线路向微控制器输出相应的信息，以这种方式为智能开关提供额外的诊断功能。相应地，电流传感器和/或电压传感器可以布置在开关电路的从入口到出口的(负载)路径中，这些传感器可以经由状态线路连接到微控制器，并且能够将表示电流、电压、温度或其他要监控的参数的信号发送到微控制器。
根据另一实施例，其中两个切换子模块可以串联或并联连接在负载路径内，智能开关的灵活性进一步提高。例如，例如继电器的机电切换子模块和诸如半导体的电切换子模块可以并联连接，这将改善继电器的寿命。将机电切换子模块和电或电子切换子模块并联布置允许两种技术的优点的组合。电切换子模块，诸如半导体切换子模块能够切换而不会产生磨损。其能够迅速地进行切换过程，而不会产生可能在继电器中发生的接触腐蚀。机电切换子模块，诸如继电器的优点在于较低的通过电阻，从而它能够实现承载连续电流。将两者组合的优点在于继电器的提高的寿命，因为半导体开关可以旁通涌入负载电流，并且从而减少在继电器中发生电弧效应的风险。因此，在相对于继电器的额定值以上的电压下的操作是可能的。
至少两个切换子单元可以串联连接。例如，机电开关(诸如继电器)和电开关子模块(诸如继电器)可被串联连接，从而提供冗余保护特征，提高了对于关键安全应用的安全性。该冗余将保证如果另一个开关失效，总有一个开关能够断开电路。
在根据本发明的电开关和用于总线通信的至少一个端子的一个特定的实施例中，高达总共4个切换子模块可被包括在开关中。即使具有4个切换子模块的开关也能够与具有九个端子的标准化的ISO插头或插口一起使用，诸如例如根据DIN 72552的mini-ISO插头。这九个端子例如能够用于多种入口和出口。
根据另一实施例，智能开关可包括至少一个电路板，其包括选自机电开关子模块、控制单元、驱动线路、电力线路、状态线路、二极管和传感器的组中的至少一个电部件或机电部件。将开关电路或开关电路的一部分设置在电路板上实现了模块化，这允许容易地更换智能开关的部件，并且还提供了一种用于将开关根据其需要定制、而同时(例如通过标准化的连接器面)保持标准化结构的系统。
根据另一实施例，至少两个电路板区段可被设置内侧处，并且远离基部延伸且从而面向彼此，其中每个电路板组件包括具有控制单元和其连接线路的控制电路和/或开关电路的至少一个电部件。
通过提供两个电路板区段，智能开关的安装表面可增加至单个电路板区段的值的两倍。该至少两个电路板区段可以串联或并联的方式连接到至少一个触头元件(或端子)。电路板区段可优选地垂直地远离基部组件延伸，并且电部件可优选地布置在该至少两个电路板区段之间的空间中。这实现了这样一种智能开关或熔断器，其具有用于接收电部件的增加的安装表面，而不会增加由适用标准规定的尺寸。这可减小智能开关或连接器的整体尺寸，其中尺寸的减小是指智能开关的未被应用标准覆盖或描述的最小值指定的尺寸(尺寸的减小不被理解为例如接触引脚或扁平连接器的长度减小)。
在另一实施例中，至少一个触头元件(在下文中等同于端子)可从连接器面开放地接近。这种开放可接近的触头元件允许开关的电连接器的容易的安装，例如，通过将电连接器，更准确地是将至少一个触头元件插入到与电连接器的连接器面互补的插头插口中。
此外，用于将用于汽车应用的电连接器焊接到电路板的焊接引脚优选是开放地可接近的，以便通过焊接容易地将电连接器安装到电路板。
在另一实施例中，至少一个导电元件连接到至少两个电路板区段。导电元件有利地用于在该至少两个电路板区段之间建立电连接。
该至少两个电路板区段可彼此电隔离(galvanically isolated)，除了经由至少一个导电元件实现的电连接之外。可以提供任意数量的导电元件，并且该些导电元件可以将所述至少两个电路板区段彼此电连接。多个导电元件可用于将来自一个电路板区段的驱动电流和/或电编码信号提供到第二电路板区段上的不同电部件。导电元件还可用于从一个电路板区段传递控制信号至另一电路板区段。
在又一实施例中，绝缘元件可连接该至少两个电路板区段。可以应用这样的绝缘元件以提高该至少两个电路板区段的每一个的机械稳定性。
在又一实施例中，至少一个导电元件基本上布置为与基部组件平行。至少一个导电元件的这种布置允许最优地使用所述至少两个电路板区段之间的空间，该空间将由在所述至少两个电路板区段之间对角布置的导电元件减小。至少一个导电元件可被形成为引脚形式的长形触头构件，或者可被形成为布置并安装到所述至少两个电路板区段的板。
在另一实施例中，所述至少两个电路板区段和导电元件包括U形的形状。
如果至少一个导电元件布置在电路板区段的远离基部组件定位的端部处，则可以获得U形的形状。在这样的实施例中，电路板区段可表示U形的腿部，而至少一个导电元件代表U形的基部。由于U形的两个腿部(所述至少两个电路板区段)连接到基部组件，包括所述至少两个电路板区段和所述至少一个导电元件的整体组件具有提高的稳定性和对振动的抵抗性。
在又一实施例中，包括另一电路板区段，该另一电路板区段基本上垂直于所述至少两个电路板区段取向。
另一电路板区段沿着邻接电路板区段的边缘而邻接所述至少两个电路板区段，而电路板区段之间的接触线路可大于不同的导电元件(例如，触头引脚)的接触面积。这种增加的邻接面积增加了所述至少两个电路板区段和另一电路板区段的整体组件的稳定性。
另一电路板区段可以平行于基部组件取向，并且甚至可以更优选地在所述至少两个电路板区段的背向基座组件的端部处附接到所述至少两个电路板区段。
另一电路板区段还可包括至少一个电部件。另一电路板区段可电连接到所述至少两个电路板区段中的至少一个。
通过增加电路板区段的数量，可用的安装表面可以甚至进一步地增加。
在另一实施例中，所述另一电路板区段和所述至少两个电路板区段形成U形的形状。如上文所述，U形的形状可增加包括所述至少两个电路板区段和另一电路板区段的整体组件的稳定性。
U形的腿部可由所述至少两个电路板区段形成，并且U形的基部可由所述另一电路板区段形成。
在另一实施例中，电路板区段形成在个体电路板上。将每个电路板区段布置在个体电路板上可有助于在故障或失效的情况下安装和卸下电连接器，其中还可以通过形成在个体电路板上的电路板区段而有助于维护。另外，个体电路板可形成为使得，一个电路板区段的失效可通过第二电路板区段而被补偿，该第二电路板暂时地替代失效的电路板区段。
在另一实施例中，所述另一电路板区段包括支承构件和支承插座中的至少一个，并且所述至少两个电路板区段中的至少一个包括支承插座和支承构件中的至少一个，其形成为与所述另一个电路板区段的支承构件或支承插座互补，并且其中所述至少一个支承构件以形状配合的方式接合对应的支承插座。
汽车的电开关可以设置有包括至少两个电路板区段的一体的电路板。特别是在具有较小的印迹(footprint)的汽车的电开关或连接器的情况下，一体形成的电路板可有助于将包括的电路板区段安装到基部组件上和/或安装到汽车电连接器的壳体中，因为所有的电路板区段可同时安装并且无需相对于彼此定位。
一体的电路板可初始地包括前述的U形的形状。
在又一实施例中，一体的电路板可包括至少一个成角度的区段。
该至少一个成角度的区段可优选地包括在所述至少两个电路板区段的至少一个和所述另一电路板区段之间。成角度的区段优选地布置在一个电路板区段的连接另一电路板区段边缘的边缘处。智能开关中可包括多个成角度的区段。
在另一实施例中，该至少一个成角度的区段是弯曲的、弯折的或两者。
弯曲的成角度的区段可包括弯曲半径，而弯折的成角度的区段包括成角度的区段的相对尖锐的曲折。成角度的区段可包括任何角度，但是最优选的是弯曲或弯折90°。
取决于成角度的区段的材料，可以形成用于对应的成角度的区段的仅一个弯曲或弯折。
在另一实施例中，至少一个成角度的区段具有局部减薄的厚度。局部减薄的厚度可以允许成角度的部分的容易的弯曲，或者可以允许弯折成角度的部分，其可能不会适合于初始厚度的弯折或弯曲。
如果考虑电路板，则对于例如几毫米的共同厚度的电路板，这种电路板的弯曲或弯折几乎是不可能的。如果实现一定的弯曲角度，弯曲这样一个原始的电路板将不可避免地导致电路板表面上的破裂，或甚至导致电路板断裂。
成角度的区段的局部减薄的厚度相比于原始的电路板可具有增加的柔性。
减薄厚度可通过切割电路板、化学蚀刻、或者成形切割成角度的区段而实现。这些技术仅被理解为用于获得具有局部减薄的厚度的成角度的区段的示例性方法。
优选地，从电路板的初始厚度到局部减薄的厚度的发展以平滑的方式发生，而不具有陡峭的边缘，因为陡峭的边缘增加了电路板的破裂和断裂的危险。
在另一实施例中，在局部减薄的厚度的区域中，电路板大致被减薄到至少一个金属层。剩余的金属层的优点在于，相比于对应厚度的电路板材料的层来说更为柔软。
该至少一个金属层优选地包括铜，该铜层更优选的是应用于汽车电连接器的电路板的铜层。该至少一个金属层仍然可被电路板材料层覆盖，其中电路板材料的层厚度优选低于至少一个金属层的层厚度。
在又一实施例中，基部组件和所述至少两个电路板中的至少一个布置为彼此形状配合。在基部组件和所述至少两个电路板中的至少一个之间的形状配合是有利的，因为可用空间，特别是汽车电连接器的壳体的空间能够以最优的方式使用。
基部组件和两个电路板中的至少一个可以布置为形状配合连接，即它们可以可拆卸地彼此锁定。在基部组件和所述至少一个电路板之间的形状配合可通过沟槽接合。
附图说明
在下文中，本发明的汽车电连接器可借助于示例参考附图进行描述。下文描述的个体实施例的技术特征可以被任意组合，或者如果由某技术特征带来的技术效果与本发明无关、则该技术特征可被省略。相同的元件或具有相同技术效果的元件将标记相同的附图标记。
在附图中：
图1示出了根据第一实施例的智能开关的示意性视图；
图2示出了在又一实施例中的智能开关的示意性视图；
图3示出了根据另一实施例的智能开关的示意性视图；
图4示出了本发明的连接器的实施例的透视图和侧视图；
图5示出了本发明的电连接器的另一实施例的透视图和侧视图；
图6示出了本发明的汽车连接器的另一实施例的透视图和侧视图；
图7示出了本发明的电连接器的另一实施例的透视图和侧视图。
具体实施方式
在图1中，示出了用于汽车应用的智能开关100的示意性视图，特别地，示出了可重置或可编程的熔断器101。
智能开关100包括至少一个入口103和至少一个负载出口105。入口103可以是例如用于负载线路的输入端口。出口105可以是例如用于负载线路的输出端口。入口103和出口105可以是端子9(或触头元件)，例如智能开关100的触头引脚或触头插口。
在图1示出的第一实施例中，智能开关100，例如可重置和/或可编程的熔断器101确切地包括一个入口103和一个出口105。
开关电路107将至少一个入口103和至少一个出口105电连接。开关电路107包括作为机电部件29的至少一个机电切换子模块109和作为电部件的电切换子模块111。
在图1示出的示例性实施例中，开关电路107包括一个机电切换子模块109和一个电切换子模块111。机电切换子模块109(例如单稳态切换模块113)和电切换子模块111(例如半导体开关115，诸如场效应晶体管117(例如，功率MOSFET))在开关电路107中并联连接。即，开关电路107在入口103之后包括被分为两个子路径119a、119b的路径119。单稳态的切换子模块113，例如单稳态的继电器布置在子路径119a中。半导体开关115布置在子路径119b中。在机电切换子模块109和电切换子模块111之后，在路径119最终连接到出口105之前，第一子路径119a和第二子路径119b汇合。
在示出的实施例中的电路121除了智能开关100或熔断器101之外还包括，电负载123，该电负载在使用用于汽车应用的开关100的情况下被引至例如汽车(未示出)的地。
在图1中示出的实施例中的智能开关100还包括控制单元127，例如微控制器129，用于控制切换子模块109、111的操作状态。在单稳态切换子模块113中，操作状态可以例如是“on”或“off”，即继电器或者处于闭合状态(“on”)并且从而将连接119从入口103经由子路径119a而连接到出口105，或者处于断开状态(“off”)，即断开路径119。在电切换子模块111中，操作状态可以类似的是“on”或“off”，或者对应于经由脉冲宽度调制而馈送至负载123的电流的特定值，从而使得能够实现输出电压的变化。
控制单元127经由驱动线路131而连接到机电切换子模块109，并经由另一驱动线路133而连接到电切换子模块111。在单稳态继电器用作单稳态切换子模块113的情况下，驱动线路133将微控制器129连接到驱动器(这里为继电器驱动器135)。驱动器135用于切换单稳态切换子模块113，并且在经由驱动线路133从控制单元127接收到对应的信号时将机电切换子模块113带至机电某一操作状态，通常为“off”状态，在该状态下，其切断路径119。
控制单元127包括用于将控制单元127连接到位于智能开关100之外的网络系统(未详细示出)的控制接口137。在图1中示出的实施例中，智能开关100包括单个控制接口137。在示出的实施例中，控制接口137是在智能开关100的连接器1(在图1中未示出)中的一个端子9。
控制接口137可连接到总线系统139，用于将智能开关100的控制单元127连接到主控制器，例如，汽车的发动机或电控单元(未示出)。总线系统139可以是例如LIN总线，或是任意其他优选的单线网络，其允许从主控制器发送数据至智能开关100的控制单元127、或者从其控制单元127发送关于智能开关100的信息。然而，也可以使用其他已有的通信技术，比如控制器局域网(CAN)、Flex Ray、面向媒体的系统传输、以及低压差分信号传输。
在图1中示出的实施例中，熔断器101是自支持的模块，其无需单独的功率连接。智能开关100从路径119撤回其功率。为此，控制单元127经由供电线路141而连接到入口103。在示出的实施例中，过压保护器143(例如二极管)布置在供电线路141中，并且从而避免损坏微控制器129。在示出的实施例中，控制单元127还连接到接地端子155。
在图1中示出的实施例中，智能开关100包括单个诊断子模块144。诊断子模块144包括至少一个传感器145，用于检测切换子模块109、111的操作状态、路径电流I、温度T、和电压U中的至少一个。在示出的实施例中，接触状态监控器147布置在每个子路径119a、119b中。接触状态监控器147经由状态线路149而连接到控制单元127。由接触状态监控器147检测的切换子模块109、111的操作状态可经由状态线路149而输出至控制单元127。
在图1中示出的实施例中的智能开关100还包括在第一子路径119a中的电流传感器151，用于检测在所述子路径119a中的电流I。电流可通过霍尔效应电流传感器而被持续地监控。表示在子路径119b中的电流的数据可经由另一状态线路149a而从电流传感器151传输至控制单元127。在图1中示出的实施例中的电开关子模块111可以是所谓的FET 117，其为基于场效应晶体管117的半导体开关115，并且该FET还包括板载诊断装置，诸如电流传感器151，从而将保护特征和诊断特征组合在一起。智慧型FET 117的电流传感器151还经由状态线路149a而连接到控制单元127。
智能开关100还包括温度传感器153。在示出的实施例中，温度传感器153是微控制器129的内部温度传感器。
总地来说，智能开关100包括能够检测切换子模块109/111的操作状态、检测电流和持续检测子路径119a、119b中的电压以及检测温度的传感器145。微控制器129可从而接收关于切换子模块109、111的接触状态、在子路径119a和119b中的电流和/或电压、以及在开关100中的温度的数据。基于经由状态线路149、149a从传感器145接收的相应的数据，控制单元127可例如确定是否存在过载、过压、短路或热稳定性。在没有故障的情况下，即没有过载、没有过压、没有短路且热稳定的情况下，控制单元127可经由连接到控制接口137的总线系统139而将状态发送至汽车的主控制器。在发生故障的情况下，例如发生过载、过压、短路或热不稳定的情况下，控制单元127可通过经由驱动线路131、133而发送数据来采取适当的措施，以相应地改变其切换模块109、111的操作状态，即断开单稳态的继电器，从而切断路径119。
示于图1的第一实施例的开关电路107可以位于电路板21上。在示出的实施例中，开关电路107的所有的电部件27和机电部件29是在单个电路板21中。
图2示出了用于汽车应用的智能开关100的另一实施例，该智能开关100也可实现为可重设和/或可编程的熔断器101。
在下文中，将仅描述示于图2的智能开关100的实施例相比于示于图1的实施例的不同之处。
示于图2的实施例的智能开关100包括第一路径119和第二路径119’。相应地，智能开关100包括两个入口103、103’以及两个出口105、105’。在第一路径119中，布置有机电切换子模块109(例如，单稳态切换子模块113)/电切换子模块113，其状态可经由驱动器135而被改变。类似于图1示出的实施例，接触状态监控器147和电流传感器151布置在路径119中。
在第二路径119’中，布置有电切换子模块111以及接触状态监控器147，该接触状态监控器147能够检测并输出电切换子模块111的操作状态。分别包括第一路径119和第二路径119’的电路121、121’各自包括连接到例如汽车的地125的不同的负载123、123’。
示于图2的实施例中的智能开关100与示于图1的实施例中的智能开关的不同之处在于，控制单元127并非板载于智能开关100上，而是开关100之外的单独的单元。控制单元127经由驱动线路131、133控制切换子模块109、111，驱动线路将控制单元127直接连接到电切换子模块111并且经由驱动器135而连接到机电切换子模块109。进一步的，状态线路149、149a将控制单元127连接到智能开关100的传感器145。
在图2中示出的实施例中，智能开关100(例如电熔断器101)可作用于用于两个不同负载123、123’的两个不同的路径119、119’。
在另一替代方案(在附图中未示出)中，替代于具有两个单独路径119、119’的方案，机电切换子模块109和电切换子模块111可在同一路径中串联布置。这可通过将示于图2的出口105连接到入口103’并且移除负载123而实现。这样的实施例对于关键的负载可能是有利的，对于关键的负载能够通过将切换子模块109和111串联布置而实现熔断功能的冗余。这从而进一步替代地加强了安全性。其通过使用串联连接的两个切换子模块而使得切断事件更加可靠。
在图3中，示意性地示出了根据本发明的智能开关100的另一实施例。开关电路107被设计为连接到九个端子9，并且包括三个入口103、103’、103”，四个出口105、105’、105”、105”’，一个接地端子155和控制接口137。类似于图1中示出的实施例，示于图3的实施例的智能开关100包括板载于电路板21上的所有的机电部件29以及所有的电部件27。
在图3中示出的实施例中，智能开关100能够处理三个路径119、119’、119”。类似于图2所示的实施例，单稳态机电切换子模块109布置在与图2的路径119对应的一个路径119’中，并且电切换子模块111布置在另一路径119”中，其原理上对应于图3中的路径119”。另一路径119包括并联布置的两个机电切换子模块109。在图3示出的实施例中，这些机电切换子模块/子单元109是双稳态的子单元/子模块157，并且其由相应的驱动器135、135’驱动。与单稳态的切换子模块113相反，双稳态的切换子模块157可包含两个分立的状态，该两个分立的状态在从相应的驱动器135、135’到对应的双稳态切换子模块157的两条线路中指示。驱动器135、135’经由驱动线路159、161而连接到控制单元127。
当然，在替代的实施例中，切换子模块的任意组合都是可能的。例如，在图3中示出的设计可以变化，只要电切换子模块111可与在另一路径119中的机电切换子模块并联连接，并且两个机电切换子模块109，例如一个双稳态继电器和单稳态继电器，可分别布置在路径119’和119”中。
将机电切换子模块109和电切换子模块111在一个路径中并联布置允许将智能开关100用作用于机电切换子模块109的增强寿命的解决方案。机电继电器的一个问题在于在触头之间的不期望的电弧。不期望的电弧可能最终导致触头关闭，或者由于由在切换事件发生时产生的破坏性的电弧能量而损坏的触头表面而导致的继电器失效。使用电切换子模块111(例如，MOSFET)和机电切换子模块109(诸如继电器)的并联组合的实施例减少了不期望的电弧。为了切换负载，首先电切换子模块111接通，并且然后机电切换子模块109接管。这有助于通过电切换子模块111来旁通涌入电流，并且减少在机电切换子模块109的触头上的电弧效应。
虽然在图1-3的实施例中控制单元127示出为单个单元，但是智能开关100也可包括不止一个，例如两个单独的控制单元(实施例未示出)。单独的控制单元可与开关100的不同的子模块109、111通信并控制该些子模块。另外，单独的控制单元可彼此通信。例如，一个第一控制单元可包括总线系统的输入，并且第一控制单元的输出可被连接到第二控制单元的输入。第二控制单元的输出进而为总线系统中的智能开关100的输出，该总线系统将该开关100连接到另一开关或主机。
在图1-3中示意性地示出的智能开关或其任意其他的实施例可包括电连接器1，该电连接器1包括在其一侧具有连接器面7的基部组件11，该连接器面7包括端子9或触头元件，其可对应于或可被电连接到入口103、出口105、控制单元127的控制接口137或接地端子155。
具有基部组件11的电连接器1可具有与连接器面7相反的内侧17，开关电路107设置在内侧17处。如在下文中示出的，连接器面7可包括至少三个端子9，但是优选地包括具有九个端子9的连接器面。
如在下文中更详细地描述的，用于汽车应用的智能开关100可包括至少两个电路板区段19，该两个电路板区段设置在内侧17处、并且远离基板组件11延伸并面向彼此，其中所述至少两个电路板区段19的每一个包括开关电路17的至少一个电部件27或机电部件29。
在图4中，示出了本发明的智能开关100的实施例。开关100包括在图4中示出的电连接器1，其形成为插接形式5的继电器3或熔断器101。
插接形式5的特征在于包括多个触头元件或端子9的连接器面7。电连接器1还包括基部组件11，所述基部部件11接收端子9。
触头元件或端子9在连接器方向15上从基部组件11延伸至连接器侧13。沿着连接器方向15，智能开关100的电连接器1可被插接到例如设置在汽车中的对应的插接插口中。
相反于连接器面7，电连接器1包括内侧17，远离基部组件11延伸的两个电路板区段19设置在该内侧上。
两个电路板区段19基本上垂直于基部组件11并且平行于彼此取向。两个电路板区段19每个都形成在电路板21上，其中在图4的实施例中示出的电路板21是个体的电路板21a。电路板21a或电路板区段19包括开关电路107的电部件27和机电部件29。
每个个体的电路板21a限定面向电路板21之间的空间25的安装空间23、和背向所述空间25的安装空间23。在图4中安装空间23由矩形示出。
在安装空间23中，每个电路板区段19可包括开关电路107的至少一个电部件27和至少一个机电部件29，该开关电路107在图4中示出为具有两个示例性电部件27。
图4进一步示出了传输元件31，该传输元件位于或附接至基部组件11的内侧17，并且连接到触头元件9或与触头元件9形成为整体。传输元件31经由通孔技术33而机械地且电气地连接到个体的电路板21a，即传输元件31插入个体电路板21a中的通孔55并且随后焊接至所述个体的电路板21a。传输元件31将电信号和/或供电电压从端子9传输至布置在个体电路板21a上的电部件27或机电部件29。
为了可视性的目的，基部组件11和电路板21之间的机械连接可参考图5详细地解释。
图5示出了用于汽车应用的电连接器1的第二实施例，该电连接器也形成为插接形式5。
示于图5的第二实施例的基本组件与图4的第一实施例基本相同，而在第二实施例中，多个导电元件37(仅有一个导电元件37提供有附图标记)连接两个的个体电路板21a。
导电元件37经由通孔技术33而附接至个体的电路板21a。建立的电连接39允许电气编码的数据和/或供电电压从一个个体电路板21a传输到另一个体电路板21a。
导电元件37还通过防止或至少减少个体电路板21a沿着由双箭头指示的振动方向41的振动、来使得个体电路板21a稳定。
个体电路板21a和导电元件37布置为U形的形状43。
图5进一步地示出了两个的个体电路板21a被接收在布置在基部组件11的内侧17处的形状配合的构件45中。形状配合构件45形成为沟槽47。两个的个体电路板21a部分地接收在朝向内侧17敞开的两个沟槽47内，使得每个沟槽47以形状配合49与对应的个体电路板21a接合。
个体电路板21a可被宽松地接收在沟槽47中，可被压配合到沟槽47中，或可通过适当的固定装置(例如，螺钉，其在图5中未示出)而被机械夹持或固定至沟槽47。
示于图5的本发明的电连接器1的第二实施例包括与图4的第一实施例类似的安装空间23，而安装空间23在与连接器方向15相反的方向上的尺寸由于导电元件37的存在而略微减少。
然而，示于图5的第二实施例的导电元件37可保护电部件27免于从上侧51被接触。
图6示出了本发明的电连接器1的第三实施例，该电连接器也形成为插接形式5的继电器3。
该第三实施例还包括另一电路板区段53，该另一电路板区段通过四个支承构件55而附接至两个电路板区段19，该两个电路板区段19远离另一电路板区段53延伸、并且被接收在支承插座57中，支承插座在远离基部组件11的一侧处形成在两个的个体电路板21a中。
支承插座57和支承构件55以形状配合49的方式彼此接合，即支承构件55紧靠支承插座57的内部，该支承插座可拆卸地接收支承构件55。支承构件55和支承插座57基本上彼此互补。
在示于图6的电连接器1的实施例中，支承构件55没有延伸进空间25或延伸出个体电路板21a的支承插座57。
另一电路板区段53布置在另一电路板59上，该另一电路板大致垂直于个体电路板21a并大致平行于基部组件11取向。
该另一电路板59限定额外的安装空间23，另一电部件27或机电部件29可在该额外的安装空间中被安装至另一电路板59。
该另一电路板59可通过导电元件37而被电连接到至少一个的个体电路板21a，该导电元件37在图6中示例性地示出为成角度的导电元件37的形式。
并且，在示于图6的用于汽车应用的本发明的智能开关100的实施例中，个体电路板21a和另一电路板59形成U形的形状43。
图7示出了本发明的电连接器1的第四实施例，该电连接器也形成为插接形式5。
与图4-6中示出的三个实施例相反，图7的实施例不包括个体电路板21a，而是由一体的电路板61形成。
一体的电路板61包括两个电路板区段19和另一电路板区段53，该两个电路板区段19基本上垂直于基部组件11且基本上平行于彼此取向，并且该另一电路板区段53基本上垂直于两个电路板区段19并且基本上平行于基部组件11取向。
一体的电路板61的端部被接收在基部组件11的沟槽47中，并且通过形状配合49与其接合。
在两个电路板区段19的每一个和另一电路板区段53之间，包括成角度的区段63。
在图7中示出的实施例中，电路板区段19具有CBS宽度w1，其大于另一电路板区段53的顶部宽度w2。成角度的区段63沿着另一电路板区段53延伸，并具有相同的顶部宽度w2。
示于图7的实施例的成角度的区段63是弯曲区段65，但是在可能的不同实施例中也可以是弯折区段(未示出)。
弯曲区段65在两个电路板区段19的每一个和另一电路板区段53之间形成弯曲的角度67。弯曲角度67大约为90°的直角。
成角度的区段63包括减薄的厚度69(在放大视图70中示出)，该厚度小于电路板厚度71。该减薄的厚度69导致成角度的区段63的增加的柔性73。
成角度的区段位于汽车电连接器1的背向电路板区段19和另一电路板区段53之间的空间25的侧壁75处。该解决方案具有这样的优势，成角度的区段63的弯曲半径77大于如果成角度的区段63位于智能开关100的内壁79处的情况下可获得的弯曲半径77。增加的弯曲半径77减少了对成角度的区段63的剧烈损坏和/或碎裂的风险。
在图7的放大视图中，示出了成角度的区段63的细节结构。在减薄厚度69的区段，一体的电路板61被减薄，使得金属层81和电路板材料85的残余层83保留。金属层优选地为铜层87。
虽然电部件27仅在图4和5中示出，电部件27也被包括在图3和4的实施例中。在本发明的电连接器1的第一实施例中描述的技术特征可存在于随后描述的图5、6和7的实施例中，并且为了简明的目的而没有重复。为了简化的目的，并非开关电路107的所有的电部件27和机电部件29都在图4到7中示出。因此，路径119的通路在图4-7中被省略。
整个智能开关100可被包括在连接器壳体中，该连接器壳体没有在附图中示出，但是通常地用于文中示出的电连接器1。
示于图4-7的实施例中的印迹由用于汽车电连接器1的相应标准所限定。示出的四个实施例的示例性标准例如是用于例如汽车继电器或熔断器的mini ISO插接类型的标准。触头元件9的布置和尺寸可以在德国DIN标准DIN 72552中找到。
本发明模块的用于汽车应用的智能开关具有切换子模块的组合(例如，两个双稳态，一个单稳态和一个智慧型FET)，这提供了超过在单个情况下的一个切换功能。开关的并联布置实现了空间和重量最优化的架构。所包含的切换子模块的任何其他电气组合增加了功能安全性。除了用于电力信号的电气触点之外，本发明的开关可以由提供与车辆ECU的直接通信的4引脚LIN总线接口独立地控制。这为控制架构带来了最高的灵活性，从而满足了对集中式模块的需求。
因此，本发明结合了不同的保护措施，例如针对过压和反向电池极性的保护，并且还可以包括诊断功能。因此，它可以代表熔断器的功能，因为其在诸如短路或过压条件的异常情况下断开负载。它能够实现在未来车辆中的任何电力分配和控制架构。
本发明的智能开关不仅有助于减少控制线的数量，它还提供了与已有的平台兼容的紧凑的形状。它将简单的切换元件(即，机电继电器)转化为具有不止一种切换功能的智能装置，并且在一些实施例中，可以额外地与其指挥单元通信并且提供关于其状态和条件的信息。基于不同的情形(例如，在控制单元中软件实现)，它也可以自己采取决定，甚至在ECU处理失效事件之前。
该开关具有灵活的和模块化的架构/硬件。因此，基于消费者的偏好，在模块内的具有不同数量/类型的切换元件的不同的泛型可以通过微小的修改(主要是软件修改)而开发。此外，自动节点寻址使得该开关对于维修和维护而言特别地鲁棒。对于替换模块，无需任何额外的寻址修改。
附图标记
1 电连接器
3 继电器
5 插接形式
7 连接器面
9 触头元件
11 基部组件
13 连接器侧
15 连接器方向
17 内侧
19 电路板区段
21 电路板
21a 个体电路板
23 安装空间
25 空间
27 电部件
29 机电部件
31 传输元件
33 通孔技术
35 孔
37 导电元件
39 电连接
41 振动方向
43 U形的形状
45 形状配合构件
47 沟槽
49 形状配合
51 上侧
53 另一电路板区段
55 支承构件
57 支承插座
59 另一电路板
61 一体的电路板
63 成角度的区段
65 弯曲区段
69 减薄的厚度
70 放大视图
71 电路板厚度
73 柔性
75 侧壁
77 弯曲半径
79 内壁
81 金属层
83 残余层
85 电路板材料
87 铜层
100 智能开关
101 熔断器
103、103’、103” 入口
105、105’、105”、105”’ 出口
107 开关电路
109 机电切换子模块
111 电切换子模块
113 单稳态切换子模块
115 半导体开关
117 场效应晶体管
119 路径
119a、119b 子路径
121 电路
123 负载
125 地
127 控制单元
129 微控制器
131 驱动线路
133 驱动线路
135 驱动器
137 控制接口
139 总线系统
141 供电线路
143 过压保护
144 诊断子模块
145 传感器
147 接触状态监控器
149、149a 状态线路
151 电流传感器
153 温度传感器
155 接地端子
157 双稳态切换子模块
159 驱动线路
161 驱动线路
I 路径电流
T 温度
V 电压
w1 CBS宽度
w2 顶部宽度

Claims (15)

1.一种智能开关(100)，特别是熔断器(101)，包括至少一个入口(103、103’、103”)、至少一个出口(105、105’、105”、105”’)、以及将所述至少一个入口(103、103’、103”)和所述至少一个出口(105、105’、105”、105”’)电连接的开关电路(107)，其特征在于，所述开关电路(107)包括选自机电切换子模块(109)和电切换子模块(111)的列表的至少两个切换子模块，其中所述开关还包括用于控制所述至少两个切换子模块(109、111)的操作状态的控制单元(127)。
2.根据权利要求1所述的智能开关(100)，其特征在于，所述至少两个切换子模块在所述开关电路(127)中串联或并联连接。
3.根据权利要求1或2所述的智能开关(100)，其特征在于，所述机电切换子模块(109)是单稳态切换子模块(113)或双稳态切换子模块(157)。
4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于，所述电切换子模块(111)是半导体开关(115)，优选地是场效应晶体管(FET)(117)或智慧型场效应晶体管。
5.根据权利要求1到4中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于，所述开关(100)包括至少一个机电切换子模块(109)和至少一个电切换子模块(111)。
6.根据权利要求1到5中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于，所述控制单元(127)包括用于将所述控制单元(127)连接到位于所述智能开关(100)之外的网络系统的至少一个控制接口(137)。
7.根据权利要求1到6中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于，所述控制单元(127)经由驱动线路(131、133、159、161)连接到每个所述切换子模块(109、111)。
8.根据权利要求1到7中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于，所述开关(100)包括诊断子模块(144)。
9.根据权利要求8所述的智能开关(100)，其特征在于，所述诊断子模块(144)包括至少一个传感器(145)，所述传感器用于检测切换子模块的操作状态、路径电流、温度、和电压中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的智能开关(100)，其特征在于，所述至少一个传感器(145)经由状态线路(149、149a)而连接到所述控制单元(127)。
11.根据权利要求1到10中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于汽车电连接器(1)，所述汽车电连接器包括基部组件(11)，所述基部组件在其一侧具有有着所述至少一个入口(103、103’、103”)和所述至少一个出口(105、105’、105”、105”’)的连接器面(7)，并且所述汽车电连接器具有与所述连接器面(7)相反的内侧(17)，其中所述开关电路(107)设置在所述内侧(17)处。
12.根据权利要求11所述的智能开关(100)，其特征在于，所述连接器面(7)包括至少三个端子(9)，优选地所述连接器面(7)包括具有九个端子的插口或插头。
13.根据权利要求11或12所述的智能开关(100)，其特征在于，所述控制单元(127)包括单个控制接口(137)，所述单个控制接口优选地连接到或对应于所述端子(9)中的一个，和/或所述控制单元(127)经由供电线路(141)而连接到所述至少一个入口(103、103’、103”)。
14.根据权利要求1到13中的任意一项所述的智能开关(100)，其特征在于至少一个电路板(21)，所述至少一个电路板包括选自机电切换子模块(109)、电切换子模块(111)、控制单元(127)、驱动线路(131、133、159、161)、供电线路(141)、状态线路(149、149a)和传感器(145)的组的至少一个电部件(27)或机电部件(29)。
15.根据权利要求14所述的智能开关(100)，其特征在于，至少两个电路板区段(19)设置在所述内侧(17)处、并且远离所述基部组件(11)延伸且面向彼此，其中每个电路板区段(19)包括至少一个电部件(27)或机电部件(29)。
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