CN105092957A - 用于监控耗电器的功率消耗的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控耗电器的功率消耗的方法，其中，耗电器具有电容负载，将可控制的开关元件与耗电器串联，检测流过耗电器的电流的电流强度，检测加在耗电器上的电压，检测加在耗电器上的电压的随时间的变化，由加在耗电器上的电压和预设的功率计算允许的工作电流强度，由加在耗电器上的电压的随时间的变化计算电容负载的充电电流强度，在考虑允许的工作电流强度和充电电流强度的情况下计算允许的瞬时电流强度，将允许的瞬时电流强度与流过耗电器的电流的电流强度相比较，并且当流过耗电器的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件的电阻。本发明还涉及一种用于监控耗电器的功率消耗的装置。

Description

用于监控耗电器的功率消耗的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于监控耗电器的功率消耗的方法。此外，本发明涉及一种按照权利要求10的前序部分所述的装置形式的电子保险装置。
背景技术
由现有技术已知用于监控功率消耗的可控制的电子保险装置。文献WO2000/13279描述了一种用于电子保险装置的线路布置，其电流通过调节构件根据存在的电压来调节。文献US8299767B2描述了借助监控晶体管的功率消耗对晶体管的操控。由文献US2013/0021702A1已知一种用于在使用模型电容器的情况下限定接通电流的开关电路。文献US2012/0087053A1描述了一种包括用于防止过电流的电路的电源件。
发明内容
在这种背景下，本发明的任务在于，给出一种改进现有技术的装置。
所述任务通过一种具有权利要求1的特征的用于监控耗电器的功率消耗的方法以及通过一种具有权利要求10的特征的装置解决。本发明的有利方案是从属权利要求的主题。
按照本发明的主题构造一种用于监控耗电器的功率消耗的方法，其中，耗电器具有电容负载，可控制的开关元件和耗电器串联；检测流过耗电器的电流的电流强度，检测加在耗电器上的电压，检测加在耗电器上的电压的随时间的变化，由加在耗电器上的电压并且由耗电器的功率消耗的预定最大值计算允许的工作电流强度，由加在耗电器上的电压的随时间的变化计算电容负载的充电电流强度，在考虑允许的工作电流强度和充电电流强度的情况下计算允许的瞬时电流强度，将允许的瞬时电流强度与流过耗电器的电流的电流强度相比较，并且当流过耗电器的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件的电阻。
要指出，耗电器的电容负载指的是耗电器的净电容，所述净电容可以是多个在耗电器中安装的电构件的电容的总和。允许的瞬时电流强度按照本发明指的是输入耗电器中的输入电流的可在给定时刻物理测量的瞬时电流强度的允许的最大值。充电电流强度按照本发明指的是输入耗电器中的输入电流在给定时刻为了耗电器的电容负载的充电或放电而使用的分量的电流强度。工作电流强度指的是由流过耗电器的电流的电流强度减去充电电流强度得出的电流强度。
本发明的一个优点是，其允许耗电器在具有不同工作电压的不同电网中可靠工作。尤其是在汽车技术中流行车载电源的不同标准，这些车载电源在正常工作中设有不同的工作电压、例如12V、24V、42V或48V。在用于机动车控制器的软件开发和测试方面由现有技术已知的是，可携式可编程控制单元与车载电源连接并且能够暂时承担机动车控制器的功能。通过使允许的瞬时电流强度动态适配于当前存在的输入电压，本发明能够实现一种电子保险装置的结构，该电子保险装置在不同的输入电压下保护可携式可编程控制单元以防过载，而不会因错误触发而影响可携式可编程控制单元的工作。在不同的车载电源中在不替换电源件的情况下可使用同一可携式可编程控制单元。
本发明的另一个优点是，除了不同的工作电压以外也识别和考虑短时的电压波动。输出电压的波动可以尤其是也在车载电源中因耗电器的接入和切断而出现，特别是在车辆在电池断开时工作或在电池在马达工作时断开的情况下出现。为了在这样的环境中可靠地起作用，电子保险装置必须在超电压脉冲期间具有对应较低的、用于允许的工作电流强度的值，以便阻止因耗电器而引起的过高的功率消耗。
另外，本发明的另一个优点是，识别耗电器的电容负载的因输出电压的波动而引起的充电电流。电容负载(例如电容器)的充电电流按照公式I＝C*dU/dT由电容负载的电容与输入电压的随时间的变化的乘积产生。短时的电压波动可以与此对应地导致电容负载的短时的也许非常强烈的充电电流，并且通常不希望所述充电电流直接导致电子保险装置的触发。通过单独地检测耗电器的电容负载的充电电流强度，所述充电电流就此被识别并且在确定允许的瞬时电流强度时被考虑。
在本发明的一种优选的扩展方案中，允许的瞬时电流强度的计算附加地包含预设的稳态分量，以便抑制由于在计算允许的工作电流强度或充电电流强度时的不精确性而对电子保险装置错误触发。
在本发明的一种有利设计中，借助模拟电路确定充电电流强度。在数字电路中模拟充电电流强度必须首先借助模数转换器转变成数字值，所述数字电路关于用于将模拟电流强度转换成数字值以及随后对其进行数字评估所必须花费的时间太慢，以致不能及时识别充电电流和避免电子保险装置的错误触发。在一种特别有利的设计中，充电电流强度借助模型电容器确定。模型电容器按照本发明指的是如下电容器，其与耗电器并联并且其电容显著小于耗电器的电容负载的电容，从而借助模型电容器对充电电流强度的测量不会歪曲结果。借助测量电阻测量流过模型电容器的电流并且由该电流推断出耗电器的电容负载的充电电流。在一种此外特别有利的设计中，借助峰值探测器测量流过电容器的电流，以便阻止由于耗电器中的电感和/或电容负载和/或欧姆负载而对充电电流强度低估。
在另一有利的设计中，借助数字电路确定允许的工作电流强度。不同于在充电电流强度的情况，在这里对所述确定的快速性没有特别的要求，并且因为允许的工作电流强度由允许的功率消耗除以当前的工作电压得出并且除法在模拟电路中难以实现，所以数字电路在这里是有利的。
在本发明的一种设计中，一旦流过耗电器的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度，则开关元件置于不导电的状态中。
在一种优选的实施方式中，开关元件是晶体管、尤其是MOSFET，其电阻通过操控栅电压来调节。在一种设计中，一旦流过耗电器的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度，则栅电压设置为零，从而晶体管置于不导电的状态中。在另一种设计中，栅电压在该情况中至少暂时减小，但不设置为零，从而晶体管置于提高的电阻的状态中并且在晶体管上存在的电压的一部分下降。
在另一优选的实施方式中，耗电器和开关元件设定和设计用于连接到具有在12V至48V的范围中的工作电压的车载电源上。
此外，按照本发明的主题构造一种用于监控耗电器的功率消耗的装置形式的电子保险装置，其中，耗电器具有电容负载，所述装置具有可控制的开关元件和用于可控制的开关元件的控制装置，并且所述装置和耗电器这样电连接，使得开关元件和耗电器串联。在此，控制装置设计用于：检测流过耗电器的电流的电流强度、加在耗电器上的电压和加在耗电器上的电压的随时间的变化，由加在耗电器上的电压和耗电器的功率消耗的预定最大值计算允许的工作电流强度，由加在耗电器上的电压的随时间的变化计算电容负载的充电电流强度，由允许的工作电流强度和充电电流强度计算允许的瞬时电流强度，将允许的瞬时电流强度与流过耗电器的电流的电流强度借助比较器相比较，并且当流过耗电器的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件的电阻。
优选地，所述装置作为电源件的构件构成，其中，所述电源件作为直流变换器、尤其是作为升压转换器构成。特别优选地，所述电源件设计和设定用于将耗电器连接到具有在12V至48V的范围中的工作电压的车载电源上。
此外优选地，所述装置设计用于通过使所述模拟电路检测模型电容器的充电电流来借助模拟电路检测加在耗电器上的电压的随时间的变化，并且所述装置设计用于借助数字运算操作计算允许的工作电流强度。
附图说明
接着参考附图进一步解释本发明。在这里同类的部件以相同的附图标记标示。示出的实施形式极为示意化，即距离以及横向的和垂直的延伸距离不按比例并且只要不另外指出彼此也不具有可导出的几何关系。其中示出：
图1按照本发明的装置的优选实施方式和耗电器的原理电路图；
图2按照本发明的装置的优选实施方式的详细电路图；
图3电容负载的理想充电过程因连接于电容负载上游的欧姆电阻而歪曲的定性图；以及
图4通过峰值探测器考虑该歪曲的另一个定性图。
具体实施方式
图1的示图示出呈按照本发明的装置10的优选实施方式形式的电子保险装置以及耗电器50。装置10具有与耗电器50串联的、呈晶体管形式的开关元件12。此外，装置10包含用于调节开关元件12的栅电压的控制装置。所述控制装置按照本发明具有用于测量流过耗电器50的电流的电流强度的第一测量装置14。所述控制装置按照本发明还具有用于测量加在耗电器50上的电压的第二测量装置16。所述控制装置按照本发明还具有用于测量耗电器50的电容负载的充电电流的电流强度的第三测量装置18，其中，第三测量装置18优选设计用于测量流过与开关元件12和耗电器50并联的模型电容器20的电流的电流强度。所述控制装置按照本发明还具有评估单元22，所述评估单元读取由第一测量装置14、第二测量装置16和第三测量装置18产生的测量参数并且作为这三个测量参数的函数调节开关元件12的栅电压。在本发明的一种设计中，评估单元22具有至少一个比较器和微控制器。
耗电器50优选具有呈直流变换器、尤其是升压转换器形式的开关电源件以及电负载54、例如dSPACEAutobox。开关电源和电子保险装置10优选设定和设计用于连接到直流电网、尤其是具有在12V至48V的范围中的典型工作电压的车载电源上。所述直流变换器具有至少一个电容器52。该电容器与其他电容器或开关电源中的其他电容构件和负载54一起形成耗电器50的电容负载。所述直流变换器还具有影响电容负载的充电过程的至少一个电感56。要指出，升压转换器以理想的且由此极为简化的形式示出。
图2的示图示出按照本发明的装置10的一种特别优选的实施方式的详细电路图。第一测量装置14设计成测量电阻30的形式。差分放大器32测量在测量电阻30上的电压降，将该电压降与测量电阻30的电阻的倒数相乘并且将结果以模拟信号的形式发送给比较器40。
用于测量加在耗电器50上的电压的第二测量装置16设计成电压表的形式，其将测量出的值以模拟信号的形式发送给模数转换器24。通过将耗电器50的功率消耗的预设最大值除以由第二测量装置16测量出的电压，微控制器26由数字值计算用于允许的工作电流强度的值。该微控制器将计算出的、用于允许的工作电流强度的值发送给数模转换器28，该数模转换器又将该值以模拟信号的形式发送给加法单元70。模数转换器24、微控制器26、数模转换器28和加法单元70理解为评估单元22的构件。
用于测量耗电器50的电容负载的充电电流的电流强度的第三测量装置18以模型电容器20和用于监控模型电容器20的充电电流的电路的形式构成。模型电容器20与耗电器50并联。流过模型电容器20的电流的电流强度的测量通过测量电阻72进行。放大器74为此目的测量加在测量电阻72上的电压，将该电压乘以因数C2/(C1*R)，并且将结果以模拟信号的形式发送给加法单元70，其中，C1是模型电容器20的电容，C2是耗电器50的电容负载的电容，R是测量电阻72的电阻。
在一种特别优选的设计中，放大器74借助峰值探测器76测量加在测量电阻72上的电压。所述峰值探测器包括与测量电阻72并联的电容器78、二极管80和电阻82。在此，峰值探测器76的构件设置为，使得电容器78首先充电到与加在测量电阻72上的电压对应的电压，然后通过电阻82缓慢地放电。放大器在这种优选的设计中测量峰值探测器76的电容器78的电压。
以上述方式对峰值探测器的使用防止在电流变化曲线被附加的感应分量和/或串联电阻影响的情况下低估耗电器50的电容负载的充电电流强度。图3和4解释该原理。
图3在上方的图形中示出工作电压的呈线性电压上升形式的假定波动。下方的图形以实线示出由此引起的、模型电容器20的充电电流。该充电电流直接供应给电网的电压供给并且因此近似于理想电容器那样工作。虚线示出在电容负载上游连接欧姆电阻的情况下耗电器50的电容负载的示例性的充电电流。其受多个延迟对耗电器50的电容负载充电的电阻的影响。如由这些曲线可看出的，这在时间间隔Δt内导致低估充电电流。该低估又可以引起电子保险装置的错误触发。
图4在上方的图形中示出与图3相同的假定的电压波动。下方的图形以实线示出在使用峰值探测器的情况下在模型电容器20上测量的充电电流。如由该图形可看出的，现在在每个时刻都出现对耗电器50的电容负载的充电电流的高估。以这种方式阻止因低估充电电流而对电子保险装置错误触发。通过合适地选择峰值探测器的电容器78和电阻82，峰值探测器可这样设计，使得其比耗电器50的电容负载略缓慢地放电，从而对充电电流的高估是小的。
按照本发明的装置10的在图2中示出的实施方式附加地具有恒定的信号发生器90，所述信号发生器将恒定的模拟信号发送给加法单元70。所述信号发生器以这种方式为由第二测量装置16和第三测量装置18产生的信号调制稳态分量并且由此阻止因测量误差而对电子保险装置错误触发。
加法单元70通过将三个输送给其的模拟信号相加来计算允许的瞬时电流强度并且将其值以模拟信号的形式发送给比较器40，所述比较器将其与流过耗电器50的电流的电流强度相比较。比较器40将比较结果以二进制信号的形式发送给微处理器92。微处理器92调节开关元件的栅电压并且当流过耗电器50的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件的电阻。因为耗电器50的电容负载的由第三测量单元18检测的充电电流总是累加成允许的瞬时电流强度，所以其从不会导致触发保险装置。
当然，在图2中示出的实施形式是示例性的并且对于本领域技术人员明显的、落入权利要求1或权利要求10的前序部分中的变型是可能的。尤其是，信号评估的设计和开关元件12通过评估单元22的操控也可不同地设计，例如使得耗电器的电容负载的充电电流也或许可能导致触发电子保险装置、即提高开关元件12的电阻。

Claims (13)

1.一种用于借助可控制的开关元件(12)监控耗电器(50)的功率消耗的方法，其中，耗电器(50)具有电容负载，其特征在于，
将可控制的开关元件(12)与耗电器(50)串联；
检测流过耗电器(50)的电流的电流强度；
检测加在耗电器(50)上的电压；
检测加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化；
由加在耗电器(50)上的电压和用于耗电器(50)的功率消耗的预设最大值来计算允许的工作电流强度；
由加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化来计算电容负载的充电电流强度；
在考虑允许的工作电流强度和充电电流强度的情况下计算允许的瞬时电流强度；
将允许的瞬时电流强度与流过耗电器的电流的电流强度相比较，并且
当流过耗电器(50)的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件(12)的电阻。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由允许的工作电流强度、充电电流强度和预设的稳态分量来计算允许的瞬时电流强度。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助数字电路(26)计算允许的工作电流强度。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助模拟电路检测加在耗电器上的电压的随时间的变化。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，模型电容器(20)与耗电器(50)并联，检测模型电容器(20)的充电电流并且由模型电容器(20)的充电电流计算加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，测量电阻(72)与模型电容器(20)串联并且峰值探测器(76)与测量电阻并联，其中，确定峰值探测器(76)的电压并且由峰值探测器(76)的电压计算模型电容器(20)的充电电流。
7.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，当流过耗电器(50)的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时，将开关元件(12)置于不导电的状态中。
8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，开关元件(12)是晶体管并且通过操控晶体管的栅电压或基极电压来调节晶体管的电阻。
9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，耗电器(50)和开关元件(12)连接到具有在12V至48V的范围中的工作电压的车载电源上。
10.一种用于监控耗电器(50)的功率消耗的装置(10)，其中，所述耗电器具有电容负载，所述装置(10)具有可控制的开关元件(12)和用于可控制的开关元件(12)的控制装置(22)，所述装置(10)和耗电器(50)这样电连接，使得开关元件(12)和耗电器(50)串联，其特征在于，控制装置(22)设计用于：检测流过耗电器的电流的电流强度、加在耗电器上的电压和加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化，由加在耗电器(50)上的电压和用于耗电器(50)的功率消耗的预设最大值计算允许的工作电流强度，由加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化计算电容负载的充电电流强度，由允许的工作电流强度和充电电流强度计算允许的瞬时电流强度，将允许的瞬时电流强度与流过耗电器(50)的电流的电流强度借助比较器(40)相比较，以及当流过耗电器(50)的电流的电流强度大于允许的瞬时电流强度时提高开关元件(12)的电阻。
11.按照权利要求10所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)作为电源件的构件构成并且所述电源件作为直流变换器、尤其是作为升压转换器构成。
12.按照权利要求11所述的装置(10)，其特征在于，所述电源件设计和设定用于将耗电器(54)连接到具有在12V至48V的范围中的工作电压的车载电源上。
13.按照权利要求10至12之一所述的装置，其特征在于，所述装置设计用于借助模拟电路通过检测模型电容器(20)的充电电流来检测加在耗电器(50)上的电压的随时间的变化；并且所述装置还设计用于借助数字运算操作来计算允许的工作电流强度。
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