CN107317299A

CN107317299A - 用于高压电源的保护设备

Info

Publication number: CN107317299A
Application number: CN201710273028.6A
Authority: CN
Inventors: 奥古斯特·赛德尔
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: CN107317299B; DE102016107707B3

Abstract

本发明建议了一种用于机动车(106)的高压电源(104)的保护设备(100)，带有：汇流排(108)，所述汇流排(108)带有在其第一接线端(110)和第二接线端(112)之间的电阻(R)；控制装置(116)，所述控制装置形成为通过使用电阻(R)上的电压降(U_PT)以控制信号(U_Z)控制烟火式保险器(102)；和通过电压降(U_PT)供电的用于烟火式保险器(102)和控制装置(116)的供电装置(118)。

Description

用于高压电源的保护设备

技术领域

本发明涉及用于机动车的高压电源的保护设备。

背景技术

特别地，电动车辆和混合动力车辆具有带有高***电压和高存储密度的电池***，以便能提供所需的驱动功率。在事故和其他故障时，可由此***和分配相应的电能的车载电路***导致对于车辆乘员以及消防和救援人员的风险，因为此***可能导致高直流电压和短路的风险且因此导致火灾风险，或由于暴露的导电部分导致的危险的触电。因此，在此车辆中使用保险器、继电器或所谓的接触器，以在故障或另外的技术问题的情况中将电池***从车载电路***可靠地断开。在此，使用使用熔断器和烟火式开关等。熔断器在短路电流高于阈值时在一定的时间之后将相应地被保护的电导体断开。所述的烟火式开关可由中央控制装置例如与气囊的触发耦合地将被如此保护的电导体断开。

因此，例如在DE102013209835A1中描述了用于在事故情况中不可逆地中断电池模块之间的导电连接的断路装置(烟火式开关)。断路装置可构造为烟火式断路装置。断路元件的触发可通过合适的控制装置、通过电池控制装置或气囊控制装置进行。控制装置的供电可通过汽车电池且补充地或替代地可通过控制装置内的能量存储装置提供，例如通过合适的电容器提供。

DE102011014343A1公开了用于机动车的电源的保险装置，所述保险装置带有具有预定断开位置的导体元件和带有气体发生剂的烟火式保险元件，所述保险元件在触发时将导体元件的预定断开位置断开。设置为接收和评估输入信号的控制装置借助于输入信号确定是否触发气体发生剂。控制装置可与烟火式保险元件设置在同一壳体内。输入信号从外部装置例如从用于检测事故的传感器发送到控制装置。此技术方案的缺点是在低压电源故障时，保险装置不再工作。

所阐述的这些技术方案的缺点是不可完全独立地工作，例如在车载电路***已不再供电而电池尚未在所有极被断开时。

发明内容

本申请的保护设备所要解决的技术问题是至少部分地消除已知的现有技术的缺点，且尤其是能与辅助或供电***无关地使用。

以上所述的技术问题通过独立权利要求的对象解决。本发明的有利的实施例由从属权利要求、如下描述以及附图得到。

根据本发明的方面，用于机动车的高压电源的保护设备包括汇流排、控制装置以及供电装置。汇流排也可理解为汇流排的一部分。汇流排具有第一接线端和第二接线端，其中，在两个接线端之间的电阻作为电阻值预先确定。控制装置构造为控制或触发烟火式保险器。为此，提供相应的控制信号。在此通过使用汇流排的在两个接线端之间的电阻上的电压降产生控制信号。供电装置通过使用汇流排的在两个接线端之间的电阻上的电压降为烟火式保险器和控制装置供给以电能。

汇流排可理解为用于传导电流和电压的金属条。汇流排可例如基本上由铜或铝制成。此能量获取的原理是在过电流情况中使用汇流排的(事先确定的)电阻上的电压降。当在此情况中流过超过1000安培的短路电流时，在接线端之间相对小的过渡电阻足以产生足够大的电压降。

烟火式保险器可理解为烟火式开关、烟火式保险元件、断路装置、所谓的烟火熔断器或烟火保险器。此类烟火式保险器包括气体发生剂，所述气体发生剂借助于断路装置或预定断开位置构造为用于在激活时将汇流排断开。气体发生剂可以是例如使用在气囊中的引燃管。在电流超过2000安培的情况下要求如上文所阐述的烟火式保险器。

也有利的是供电装置具有电压变换器。在此在一个实施例中电压变换器可实施为借助于两个或多个电阻的分压器。在替代的优选的实施形式中，电压变换器可形成为Buck-Boost变换器，即反相变换器，反激变换器或级联的降压/升压变换器。电压变换器在此可具有电流隔离。因此，输出电压的幅值可有利地小于以及大于输入电压的幅值。

此外，电压变换器包括电压调节器。有利地，因此控制装置可以恒定电压供电。在此，必须在构造上影响电压的波动的公差范围。特别地，当通过汇流排连接的负载随时间变化时，通过电压调节器可保护控制装置不受到由于变化的电压降引起的过高的电压所导致的干扰。

当控制设备可通过控制接口从外部触发电子器件接收控制信号时，则控制设备可除基于汇流排的在两个接线端之间的电阻上的电压降的触发决定外附加地在存在控制信号时将烟火式控制器点火，且因此将汇流排中断。外部触发电子器件在此可理解为车辆的控制装置，例如气囊控制器。因此，烟火式保险器例如在碰撞情况中也可被触发，以预防短路的风险和因此导致的火灾的风险，或由于暴露的导电部分导致的危险的触电。任选地，外部触发电子器件也可以以带有对应配设的评估电子器件的传感器的形式集成在控制设备中。

此外，控制设备可具有可通过供电装置充电的能量存储器。能量存储器可称为能量缓冲器。在此，能量存储器可例如是一个或多个电容器、超级电容或蓄电池。通过能量存储器可继续为电子器件即控制装置供电。能量存储器也可用于触发烟火式保险器的引燃管。因此可提供附加的电能，以在故障情况中可为烟火式保险器提供足够的触发电压。

控制设备可具有用于确定电压降的AD转换器。因为第一接线端和第二接线端之间的电阻或电阻值已知，所以可由控制装置计算出两个接线端之间的电流或电流值。进一步的评估允许将电流值与阈值的比较，以例如识别短路电流。

控制设备可包括形式为ASIC、MCU或FPGA的的微控制器。因此，在微控制器内可执行计算、评估和与阈值的比较。因此，控制设备可特别有效地工作。

此外，可通过将电流值在时间上积分来模拟保险器特性曲线的特征。通过使用保险器特性曲线可例如确定待监测且待保护的高压电源的热负荷。关于热负荷的信息可对于触发决定、即控制信号的提供具有意义，因为可能以此断定例如泄漏电流等。

如已论述，汇流排可例如由铜或铝制成。为影响第一接线端和第二接线端之间的电阻，汇流排在此区域内可具有至少50％质量百分比的铜、铝、锰铜(Manganin)、康铜(Konstantan)、伊萨合金(Isotan)和作为补充或替代的锰系电阻材料。特别地，在一种实施形式中，汇流排可具有至少75％质量百分比的所述金属。通过引入附加的特定的材料，可生成预先确定的或限定的电阻和由此导致的电压降。有利地，因此可匹配电阻以优化保护设备的结构尺寸。

通过汇流排内在第一接线端和第二接线端之间的空隙可调节和提高电阻。空隙在此可理解为凹口、铣切部、材料缩窄部或缺口，以及孔，例如钻孔或冲孔。此外，在第一接线端和第二接线端之间在汇流排上可形成多个空隙。例如，在汇流排的两个对置的侧上可形成尤其具有凹口等的形式的空隙。以此，有利地可实现***的结构空间优化，因为两个接线端之间的间隔可降低。另外的优点是标定电阻值的可能性。

在有利的实施形式中，保护设备和烟火式保险器直接组合。因此，保护设备包括烟火式保险器。在此有利的是将烟火式保险器构造为在第一接线端和第二接线端之间将汇流排断开。通过烟火式保险器和保护设备的组合，可进一步优化结构空间。

当汇流排具有空隙且保护设备包括烟火式保险器时，有利的是汇流排在空隙的区域内具有预定断开位置。因此，空隙的存在足以限定预定断开位置。此外，汇流排可具有另外的特征，以实现用于烟火式保险器的预定断开位置。

汇流排可在预定断开位置容易地断开。在此情况中，烟火式保险器布置在汇流排上，使得烟火式保险器在预定断开位置将汇流排断开。因此，为断开汇流排仅需烟火式保险器较少地装填气体发生剂。

涉及保护设备的前述解释也相应地适用于方法。设备可实施在一个部件内或分布地实施在多个部件内。此外，设备可集成到ASIC内。

在此建议的技术方案进一步包括可载入到数字计算机的存储器内的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码部分，所述程序代码部分适合于执行在此所描述的方法的步骤。

以上所述的本发明的特征、特点和优点及其实现的方式结合如下的对于实施例的示意性描述而变得更清晰且更易于理解，所述实施例被结合附图详细解释。在此，为清晰起见，为相同的或作用相同的元件提供以相同的附图标记。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的保护设备的示意性方框图；

图2示出了根据本发明的另外的实施例的保护设备的示意性方框图；

图3示出了根据本发明的实施例的保险器特性曲线的曲线图；

图4a示出了根据本发明的实施例的保护设备的示意图；和

图4b示出了根据本发明的附加的实施例的保护设备的示意图。

具体实施方式

图1示出了带有烟火式保险器102的用于机动车106的高压电源104的保护设备100。保护设备100包括带有第一接线端110和第二接线端112的汇流排108。汇流排108在图1中所示的实施例中是机动车106的汇流排的一部分。在第一接线端110和第二接线端112之间，汇流排108具有电阻R。第一接线端110和第二接线端112与保护设备100的控制装置116和保护设备100的供电装置118连接。控制装置116和供电装置118在图1中图示的变体中实现为组合电路。在电阻R上电压降低U_PT。在图示的变体中，控制装置116和供电装置118包括电压变换器120或分压器，通过所述分压器从电压降U_PT获取控制信号U_Z或点火电压U_Z。控制信号U_Z被传递到烟火式保险器102的引燃管上，以将引燃管点燃，且因此触发烟火式保险器。

汇流排108具有断路位置132。此断路位置132在一个变体中处在烟火式保险器102的两个接线端110、112外。在图1中图示的实施例中，断路位置132布置在两个接线端110、112之间。任选地，断路位置132可具有预定断开位置130，如在图1中通过虚线示意。

任选地，汇流排108具有空隙128。由此提高了电阻且因此可降低两个接线端110、112之间的间隔。为调节电阻R，可通过空隙128的构造和接线端110、112的间隔从结构空间方面和电气方面设定最优效果。

在一个特殊的实施例中，空隙128是汇流排的有意的削弱且因此在此区域内产生了预定断开位置130。

因此，在优选的实施例中，烟火式保险器102是保险设备100的组成部分。在此，可图示为将断路位置132布置在接线端110、112之间。在使用空隙128时，空隙128可与汇流排108的预定断开位置130组合。

在图1和图2中图示的实施例中，烟火式保险器102图示为两个部分。烟火式保险器102的引燃管102’作为烟火式保险器102的烟火断路器102”。因此，当在引燃管102’上存在点火电压U_Z时，将引燃管102’点燃且作为反应将汇流排108内的断路位置132断开。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的保护设备100的示意性方框图。保护设备100进一步包括电压调节器240、能量存储器242、AD转换器244、点火驱动器246以及微控制器248。电压变换器120包括电压调节器240以及AD转换器244。通过AD转换器测量电阻R上的电压U_PT，且由此确定两个接线端110、112之间的电流值I_PT。

例如可实现为MCU、ASIC或FPGA的任选的微控制器248被构造用于确定电流值，此外还绘制特性曲线，如例如监测电流I_PT随时间变化的保险特性曲线(见图3)或极限值。通过也称为点火驱动器电子器件的点火驱动器246可提供点火电压U_Z。在此，点火驱动器246任选地由能量存储器242支持，以提供足够的点火能量或点火电流。

在图2中图示的实施例中，保护设备100具有任选的控制接口222以接收布置在保护设备100外的触发电子器件226的控制信号224。因此，例如作为触发电子器件226的气囊控制器可将用于气囊的触发信号也提供为用于保护设备100的控制信号224。保护设备100在此情况中设置为在存在肯定的控制信号224时控制烟火式保险器102。

在此图示的原理基于检测在汇流排的部分上的能量降低且在故障情况中将此能量用于触发烟火式保险器102。在正常运行、短路或过载情况中，例如可通过Buck-Boost变换器240为控制和评估电子器件供电，且(通过引燃管102’)触发也称为烟火式断路器102的烟火式保险器102。

如果希望将烟火式保险器102作为替代用于熔断器，则气体发生剂102’的点火总是需要能量，在所述能量如现有技术中一样由低压***提供时，所述能量例如在碰撞情况中或在失去车载电路***电压的情况下不再存在。由此，断路器102可能无法被激活。

所建议的构思的一个方面在于，与烟火式保险器102的汇流排108的断路位置132并联地，在过电流或短路情况中(直接地或通过旁路)获取点火能量U_Z，且因此通过升压/降压变换器240(Buck-Boost)提供到控制电子器件，所述控制电子器件然后受控地点燃气体发生剂，以将过电流切断。

这种能量获取原理使用了在运行状态或在过电流情况下在金属条(例如，铜、铝…)的特定电阻上的电压降。附加地，断路位置例如可通过铣切部或缺口缩窄，或通过引入特定的材料(分流原理)，以生成所限定的电阻且由此产生一个电压降。

在正常运行中(在电动车辆中为数百安培)，电阻R上的电压降为U_PT。相对小的过渡电阻R足以产生足够大的电压降U_PT。带有电压调节器的升压(或降压/Buck-Boost)电压变换器240为评估和控制电子器件供电。此外，能量可存储在能量缓冲器242(电容器、超级电容、蓄电池等)内，以此为电子器件继续供电或用于触发引燃管。

烟火式保险器102或保护设备100因此在行车中或也在短路或过载时自供电(即，在断路器上有电流流过时)且不使用另外的(车载电路***)电源。

优点是烟火式开关可1:1替代熔断器，所述烟火式开关可附加地仍通过触发电子器件例如在碰撞情况中断开，以预防短路及因此导致的火灾的风险，或由于暴露的导电部分导致的危险的触电。车辆不必具有正在工作的车载电路***，或车辆也可处于驻车或停止中。

图3示出了根据本发明的实施例的保险器特性曲线350的曲线图。在笛卡尔坐标系中横轴示出时间且纵轴示出以安培为单位的时间。该电流为断路位置上的电流I_PT。电流值随时间升高且在某一时刻超过阈值。

在图2中图示的AD转换器244上测量电压降U_PT且因此确定断路位置132上的电流I_PT。ASIC或微控制器可因此评估时间和电流的(可参数化的)保险器特性曲线，且在有危险的热过载时通过气体发生剂(U_Z)上的控制信号U_Z激活断开。

图4a示出了根据本发明的实施例的保护设备100的示意性图示。在此情况中，未图示的烟火式保险器集成到保护设备100内。汇流排104被引导通过保护设备100。保护设备100构造为在出现短路电流或过电压时将汇流排104断开。

图4b示出了根据本发明的附加的实施例的保护设备100的示意性图示。与图4a中图示的保护设备100的差异在于，在图4b中图示的实施例中烟火式保险器102在保护设备100旁布置在汇流排104上。保护设备100提供控制信号U_Z或点火电压U_Z。

附图标记列表

100 保护设备

102 烟火式保险器

102’ 烟火式保险器的引燃管

102” 烟火式保险器的烟火断路器

104 电源

106 机动车

108 汇流排

110 第一接线端

112 第二接线端

116 控制装置

118 供电装置

R 电阻

U_PT 电压降

I_K 短路电流

U_Z 控制信号；点火电压

120 电压变换器

128 空隙

130 预定断开位置

132 断路位置；断路区域

222 控制接口

224 控制信号

226 触发电子器件

240 电压调节器(带有电压调节器的电压变换器)

242 能量存储器

244 AD转换器

I_PT 电流

246 点火驱动器(点火驱动器电子器件)

248 微控制器

350 保险器特性曲线

Claims

1.一种用于机动车(106)的高压电源(104)的保护设备(100)，带有：

-汇流排(108)，所述汇流排(108)具有在所述汇流排的第一接线端(110)和第二接线端(112)之间的电阻(R)；

-控制装置(116)，所述控制装置构造为对电阻(R)上的电压降(U_PT)进行评估且通过控制信号(U_Z)控制烟火式保险器(102)；和

-通过所述电压降(U_PT)供电的、用于烟火式保险器(102)和所述控制装置(116)的供电装置(118)。

2.根据权利要求1所述的保护设备(100)，其中，所述供电装置(118)包括电压变换器(120)。

3.根据权利要求2所述的保护设备(100)，其中，所述电压变换器(120)包括电压调节器(240)，以便为所述控制装置(116)供给以在公差范围内恒定的电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，带有控制接口(222)以接收布置在所述保护设备(100)外的触发电子器件(226)的控制信号(224)，其中，所述控制装置(116)构造为通过使用所述控制信号(224)控制所述烟火式保险器(102)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，带有能量存储器(242)，所述能量存储器(242)能通过所述供电装置(118)充电且被构造用于为所述控制装置(116)和/或所述烟火式保险器(102)供电。

6.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，带有用于记录电压降(U_PT)的AD变换器(244)，其中，所述控制装置(116)被构造用于确定第一接线端和第二接线端之间的电流值(I_PT)。

7.根据权利要求6所述的保护设备(100)，其中，确定关于时间(t)和电流值(I_PT)的保险器特性曲线(350)，以便用所述保险器特性曲线(350)确定热负荷。

8.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，其中，第一接线端(110)和第二接线端(112)之间的汇流排(108)至少以50％的重量百分比包括铜、铝、锰铜、康铜、Isotan和/或锰系电阻材料。

9.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，带有在第一接线端(110)和第二接线端(112)之间的汇流排(108)内的空隙(128)，以在预先限定的公差范围内升高和/或调节电阻(R)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的保护设备(100)，带有烟火式保险器(102)，所述烟火式保险器(102)构造为在第一接线端(110)和第二接线端(112)之间将汇流排(108)断开。

11.根据权利要求9和10所述的保护设备(100)，其中，汇流排(108)的空隙(128)形成为汇流排(108)的预定断开位置(130)，且烟火式保险器(102)布置在汇流排(108)上，以在所述预定断开位置(130)处将汇流排(108)断开。