CN1294769A - 电气保护系统 - Google Patents

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Abstract

一种电气保护系统,具有一个电阻器和一个与负荷串联的继电器连接,还有一个PTC器件与负荷并联连接,与控制继电器的线圈串联连接。PTC器件与电阻器热耦合,因而继电器在过电流将电阻器加热时断开。继电器线圈可例如借助于RC电路遥控激发,使继电器闭合这种保护系统可与其它部件组合使用,使其具备诊断能力。

Description

电气保护系统
本发明涉及一种装有多个正温度系数(PTC)电路保护器件的电气系统，特别是汽车和其它带轮车辆中的这种电气系统。
PTC器件是众所周知的。特别实用的PTC器件装有许多PTC器件，这些PTC器件由PTC导电聚合物组成，即由有机聚合物组成，里面分散或分布有例如碳黑之类的粒状导电充填料、金属或金属化合物的合成物组成。这里将这种器件称之为聚合物PTC或PPTC器件。其它的PTC材料还有例如掺过杂的陶瓷，但没有象PTC导电聚合物通常那样实用，主要原因是因为这种陶瓷电阻率较高。PTC器件有多种不同的应用方式，在电路保护的应用中特别有用，在这方面的应用中起可遥控复位的熔丝的作用，保护电气元件使其不致因过电流和／或过热而损坏。能如此加以保护的电气部件包括电动机、电池、扬声器和汽车中的电气配线。PPTC器件的这种应用方式近几年来迅速发展，而且不断地增加。这方面可参考的文件有美国专利4，237，441、4，238，812、4，315，237、4，317，027、4，426，633、4，545，926、4，689，475、4，724，417、4，774，024、4，780，598、4，800，253、4，845，838、4，857，880、4，859，836、4，907，340、4，924，074、4，935，156、4，967，176、5，049，850、5，089，801、5，378，407、5，451，919、5，451，921、5，645，746、5，831，510、5，852，397和5，864，281。
新近，有人提出将PTC器件和其它电气部件结合起来构成电气保护系统，这种电气保护系统利用PTC器件和电气部件的特性应付故障。这方面可参看例如美国专利5，666，254和5，689，395以及国际出版物WO97／10636、WO97／20372、WO98／31084、WO98／02946、WO98／02947和WO98／56014，所有这些国际出版物都是在本申请的优先权日之后出版的。
PCT出版物WO98／02946和WO98／02947介绍的保护系统有一个传感元件(一般为电阻器)和一个断路元件(一般为继电器)，与负荷串联连接，还有一个控制元件(一般为与传感元件并联的PTC器件)将传感元件与断路元件连接起来，从而由传感元件检测过电流，并使控制元件发生变化，反过来使断路元件发生变化(一般断开)。视乎这些和其它部件的配置方式，这种系统能(a)在有或没有微电流的情况下锁定在断路状态，使PTC器件保持跳闸状态，或(b)若过电流已过去，则重新接通，或若过电流持续着，则在断路和接通位置之间循环。PCT出版物WO98／56014介绍了一些用在PCT出版物WO98／02946和WO98／02947的保护系统中特别实用的一些器件。
设计汽车等之类的复杂系统的电气系统时，通常是将电子控制组件(ECM)通过具多个分立触点的连接条与电气系统连接起来的。一般结构上的应用原则是采用组件式的结构，这意味着不能轻易改变触点的数目，而在尽量利用空间的情况下要求触点的数目尽可能少。因此，希望各电气系统与连接条连接，从而应用尽可能少的触点，最好是只有一个触点。例如，美国专利5，645，746涉及到用LED(发光二极管)或其它电压传感器监控PTC器件状态的可能性。目的是达到了，但需要应用连接条上的两个位置。
在许多电气系统中，总希望配备一些至少在发生故障时能就系统的状况发出信号的诊断元件。特别是在不能立刻觉察到故障出现的汽车等之类的复杂系统中，更是如此。我们发现PCT出版物WO98／02946和WO98／02947中所述的保护系统经过改装再与其它部件结合起来可以起故障保护作用并具备诊断能力而无需手动操作配合。为简便起见，这里把PCT出版物WO98／02946和WO98／02947中所述的那种系统称之为TLPRR系统(TLPRR为热连接PTC器件，电阻器和继电器的缩写)。
在诊断过程中利用TLPRR系统的第一步是改装上述专利申请中所述的TLPRR系统，作为激发继电器线圈从而接通继电器触点的遥控操作系统取代上述专利申请中所述的瞬间接通开关。这里把这个改装后的TLPRR系统叫做TLPRR(Mod)系统。这个改装即使不与诊断能力结合起来也能起显著改进作用，因此构成本发明的一个独立部分。遥控操作系统最好由一个在配电侧的连接条上只占一个位置的电阻-电容(RC)网络或其它电气系统组成。但也可以采用双线系统只通过往继电器线圈中通上电流经过充分的时间来激发继电器线圈。RC电路还有另一个重要的优点。即可以设计得使其产生其它有用的功能。电容器可通过合上线圈回路侧的开关元件(通常也叫做低压侧开关)加以充电，电容器的大小应使放电过程可给继电器线圈提供电流的时间长得足以使继电器触点闭合。接着，电容器一直充电到系统电压，且在正常工作条件下作为断开的开关工作。若出现过电流PTC器件脱扣从而使继电器触点断开，则电容器和电阻器的大小是确定TLPRR(Mod)试图复位之前的一段时间的重要因素。因此，电容器和电阻器可以选择得使其产生所要求的时延。RC网络的另一个重要的好处是，若系统接通时发生足以使系统电压下降到继电器动作所需要的电压以下的大电流短路，RC网路就对继电器各触点起保护作用。在此情况下，RC网络的电压不足以使电容器充分充电到使继电器闭合。
因此，按照本发明的第一方面，本发明提供一种可在电源与负荷之间连接形成操作电路的电气保护系统，操作电路具有导通状态和截止状态，且由一个载流线路和一个回路线路组成，电气保护系统如此连接时对操作电路起过电流保护的作用，这种系统具有正常操作状态和故障状态，且包括：
a．一套继电器触点，在系统如此连接时在电源与负荷之间串联连接，且具有：
ⅰ闭合状态，系统处于正常工作状态时可让正常电流I正常流过；和
ⅱ断开状态，系统处于故障状态时最多只让减小了的电流(大致小于I正常)流过；
b．一个阻性器件，当系统如此连接时与继电器的该组触点及负荷串联连接，且具有：
ⅰ正常状态，这些系统电流不会超过正常电流I正常预定的电流量；和
ⅱ故障状态，这时系统电流超过正常电流I正常预定量；
c．一个控制元件，由下列各部分串联组成；
ⅰ一个PTC器件，与阻性器件热耦合；
ⅱ一个继电线圈，与继电器各触点耦合；
上述串联组合件连接在电源两端，在载流线路与回路线路之间，PTC器件与载流线路连接，继电器线圈耦合到回路线路上；
PTC器件的电阻根据阻性元件从其正常状态转入故障状态的变化增加预定的阻值时，继电器的该组触点从闭合状态转入断开状态，从而使系统从其正常工作状态转入其故障状态；和
d．一个继电器线圈电流供应器件，给继电器线圈供应电流，从而如果继电器各触点断开时，唯一使这些触点闭合的方法是通过继电器线圈电流供应器件给继电器线圈供应电流。
如图1中所示，本发明在配电侧提供电气保护系统10连接在电源侧V+与电气负荷侧RL之间形成一个操作电路，操作电路具有导通状态和截止状态，且包括一个载流线路12和一个回路线路14，系统10如此连接时，对操作电路起过电流保护作用，系统10具有正常工作状态和故障状态，且包括：
a．一组继电器触点16，17，18，这些触点在系统如此连接时串联连接在电源V+与负荷RL之间，且具有：
ⅰ闭合状态，当系统处于正常工作状态时让正常电流I正常流过；和
ⅱ断开状态，当系统处于故障状态时最多只让减小了的电流(大致小于I正常)流过；
b．一个阻性器件RS，当系统如此连接时串联连接在继电器该组触点16，17，18与负荷RL之间，且具有：
ⅰ正常状态，这时系统电流不超过正常电流I正常预定的电流量；和
ⅱ故障状态，这时系统电流超过正常电流INORMAL预定量；
c．一个控制元件20，由下列各部分串联组成：
ⅰ一个PTC器件24，与阻性器件RS热耦合；和
ⅱ一个继电器线圈25，与继电器各触点耦合；
此串联组合件连接在电源两端，在载流线路与回路线路之间，PTC器件接载流线路，继电器线圈耦合到回路线路上；
当PTC器件的电阻根据阻性元件从其正常状态转入其故障状态的变化增加预定阻值时，继电器的该组触点从其闭合状态转入其断开状态，从而使系统从其正常工作状态转入其故障状态；和
d．一个继电器线圈电流供应器件，例如RC网络28，给继电器线圈供应电流，从而如果继电器触点都断开时，唯一能使这些触点闭合的方法是通过继电器线圈电流供应器件给继电器线圈供应电流。
TLPRR(Mod)系统用作特别是那种装有可将一个或多个电气系统(其中一个或多个电气系统可以是TLPRR(Mod)系统)分别与控制侧的电子控制组件(ECM)32连接起来的连接条31的电气系统中的诊断系统的一部分有好处。ECM在指令V指令的控制下能接通或断开开关34。开关34控制通过串联电阻器RD(这里叫做“诊断电阻器”)与继电器线圈回路侧连接的线路35(这里叫做“诊断线路”)。开关34最好是FET(场效应晶体管)，特别是具一定水平的诊断能力(例如过电压、过热、过电流状态)的FET，但也可采用任何其它类型的固态开关，甚至机械式继电器都可以用。通过检测诊断线路上的的电压V检测，且知道FET(或其它开关)传送来的系统电压时，可以诊断出主负荷电路的情况。V检测可由ECM32检测出来，并由LED34显示出来。这样，诊断线路上的电压V检测可以是下列三值之一，即(1)若主负荷电路处在正常断开状态则为系统全电压(例如在一般汽车是通常为12伏)；(2)若主负荷电路处于正常工作状态则为中间电压(由诊断电阻器的相对电阻和继电器线圈的相对电阻确定)；和(3)若(ⅰ)继电器线圈出故障，(ⅱ)有促使PTC跳闸和继电器触点打开的故障，或(ⅲ)出现大电流短路，则大致等于0。此信息必要时可存入ECM中，并在电气系统装配期间，维修使用中的系统时，或通过使FET不导通直到故障状态消除使故障不起作用时或通过例如使用LED通知用户系统故障时用作系统质询资料。
因此，如图1中所示，本发明的第二方面提供一种由下列各部分组成的电气系统：
(1)一个电子控制组件(ECM)；
(2)一个由ECM控制的开关；
(3)一个本发明第一方面的TLPRR(Mod)；
(4)一个诊断电阻器，串联连接在开关与保护系统之间；和
(5)一个电压确定器件，供确定诊断电阻器与保护系统之间线路
上的电压；
继电器线圈和继电器各触点可以通过等于系统电压减去诊断电阻器两端的电压降的电压工作。
诊断电阻器的电阻可以为例如继电器线圈电阻的0．7至1．3倍。
若继电器线圈设计得使其只有当系统全电压降在线圈两端时使继电器各触点闭合(通常的情况就是如此)，则插入诊断电阻器RD会使继电器各触点不能闭合。这个困难有两种不同的解决方法。第一种方法采用继电器线圈／触点电路。由系统降在诊断电阻器RD两端的电压残余使这个电路工作。第二种方法，如图2中所示，是令电容器CD与诊断电阻器RD并联连接，从而形成RC网络使继电器在指令控制下能够闭合。
如图2中所示，本发明第三方面提供的电气系统由下列各部分组成：
(1)电子控制组件(ECM)32；
(2)开关34，由ECM控制；
(3)TLPRR(Mod)系统，按本发明的第一方面制取，在配电侧；
(4)RC网络38，在开关与保护系统之间串联连接；和
(5)电压确定器件，供确定RC网络与保护系统之间线路35上
的电压V检测。
控制侧的这种线路还可与配电侧的其它电路结构结合起来使用，如PCT出版物WO98／02946的图2，3，5-8和10中所示。

Claims (10)

1．一种电气保护系统，可连接在电源与电气负荷之间形成一个操作电路，操作电路具有导通状态和截止状态，且包括一个载流线路和一个回路线路，系统如此连接时对操作电路进行过电流保护，系统具有正常工作状态和故障状态，系统的特征在于，它包括：
a．一组继电器触点，当系统如此连接时在电源与负荷之间串联连接，且具有：
ⅰ闭合状态，当系统处于正常工作状态时可让正常电流I正常流过；和
ⅱ断开状态，当系统处于故障状态时最多只让大致小于I正常的减小了的电流流过；
b．一个阻性器件，当系统如此连接时与继电器的该组触点与负荷之间串联连接，且具有：
ⅰ．正常状态，这时系统电流不超过正常电流I正常预定的电流量；
和
ⅱ．故障状态，这时系统电流超过正常电流I正常预定量；
c．一个控制元件，由下列各部分串联组成：
ⅰ．一个PTC器件，与阻性器件热耦合；和
ⅱ．一个继电器线圈，与继电器各触点耦合；
这个串联电路连接在电源两端，在载流线路与回路线路之间，PTC器件接载流线路，继电器线圈耦合到回路线路上；
PTC的电阻根据阻性元件从其正常状态转入其故障状态的变化增加预定阻值时，继电器的该组触点从其闭合状态转入其断开状态，从而使系统从其正常状态转入其故障状态；和
d．一个继电器电流供应器件，给继电器线圈供应电流，从而如果继电器各触点都断开时，唯一能使这些触点闭合的方法是通过继电器线圈电流供应器件给继电器线圈供应电流。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于，继电器线圈的电流供应器件由一个电阻电容(RC)网络组成，与继电器线圈连接，当继电器触点都断开时可以加充电，从而通过继电器线圈供应足够的电流，使继电器各触点闭合。
3．如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，RC网络在系统接通时起防止大电流短路的保护作用。
4．一种电气系统，其特征在于，它包括：
(1)一个电子控制组件(ECM)；
(2)一个开关，由ECM控制；
(3)一个保护系统，如1-3任一权利要求所述的那一种；
(4)一个RC网络，在开关与保护系统之间串联连接；和
(5)一个电压检测器件，供检测RC网络与保护系统之间线路上
的电压。
5．如权利要求4所述的系统，其特征在于，ECM在根据检测出的电压检测出系统故障情况时使系统不起作用。
6．如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，它还包括一个指示器，供指示系统故障情况。
7．如4至6任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述开关为场效应晶体管。
8．一种电气系统，其特征在于，它包括：
(1)一个电子控制组件(ECM)；
(2)一个开关，由ECM控制；
(3)一个保护系统，如1-3任一权利要求所述的那一种；
(4)一个诊断电阻，在开关与保护系统之间串联连接；和
(5)一个电压检测器件，供检测RC网络与保护系统之间线路上
的电压。
继电器线圈和继电器各触点能在等于系统电压减去诊断电阻器两端电压降的电压下工作。
9．如权利要求8所述的系统，其特征在于，ECM在根据检测出的电压检测出系统的故障情况时使系统不起作用。
10．如权利要求8或9所述的系统，其特征在于，它还包括一个指示器，供指示系统的故障情况。
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