CN118137785A - 为车辆电气***提供一个或多个功能电压的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在车辆电气***中提供一个或多个功能电压给电气组件供电的设备(300),该设备包括:可向其施加电池电压(301)的设备输入端(320)和可连接电气组件(133、134、135)的多个设备输出端;多个电压转换器(311‑324),其具有相应的输入端和相应的输出端,该输入端与设备输入端连接;其中每个电压转换器被构造为,根据施加到相应的输入端的电压和可调节的占空比在其输出端提供输出电压;以及控制器(710),其被构造为用于调节相应的电压转换器的占空比,其中,电压转换器的输出端根据连接矩阵(330)连接至设备输出端,以便提供设备输出端的与相应的所连接的电气组件匹配的电流承载能力。

Description

为车辆电气***提供一个或多个功能电压的设备
技术领域
本发明涉及一种为车辆电气***,特别是车载电源***中的电气组件提供一个或多个功能电压的设备。本发明尤其涉及一种带有电子熔断器保护功能的可配置线路的多相转换器。
背景技术
如今的车载电源***都是基于12V电压。某些功能,例如侧倾稳定,是由48V独立车载电气***提供的。一般来说,将X线转向***提升到48V电压水平也是可取的,这样可以提高可用的动力性能。以往采用的48V电压水平的设计有一个大型48V/12V中央转换器。因此,常规的双电压LV(低电压)车载电源***有两种主配电装置。第一种主配电装置在48V车载电气***中,供48V车载电气***(BN)用户使用;第二种主配电装置在12V车载电气***中,供12V车载电气***用户使用。
发明内容
因此,本发明所要解决的一个技术问题是提供一种有利的设计,使车辆电气***中的电压分配更简单、更灵活。
本发明的解决方案基于这样一种构思,即在车载电气***中只实施一个48V主配电装置,而不是迄今为止常规的双电压低压车载电气***中常见的两个主配电装置,即48V配电装置和12V配电装置。与12V配电装置相比,48V主配电装置的截面大大缩小。48V用户直接连接到48V主配电装置。对于12V用户,则通过紧凑型48V/12V转换器分散提供12V电压。
这种转换器的特点是,它们还可用作12V线路的电子熔断器(电子保险装置,elektronische Sicherungen),即所谓的“eFuse转换器(eFuseWandler)”。eFuse转换器包含多个并联的小型DC/DC降压转换器,在下文中称为“相”。eFuse转换器可通过连接矩阵进行灵活的相的互连配置,以适应特定于负载的负载线路电流强度。例如,eFuse转换器可配置为具有14个相的多相转换器,每相的电流承载能力为3A。在一种配置中,所有14个3A相都可连接在一个输出线路上,为负载提供高达42A的电流。在另一个例子中,五个3A相可以连接在一起,形成15A线路,九个3A相可以连接在一起,形成27A线路。这些相可在负载侧提供功能电压,例如5V、3.3V、6V、7V等功能电压。即这些电压不必在用电设备本身产生,例如通过将12V转换为5V。由于用电设备侧没有电池,因此电池电压也不受限制,例如12V。
多相转换器还可为一个相提供0V电压。因此,连接到两相上的电机可直接通过转换器来控制其旋转方向。因此无需后续的全桥电路来控制旋转方向。
本发明的解决方案基于具有电子熔断器保护功能的可配置线路的多相转换器。在这里,对于负载和至负载的线路,转换和过流保护合二为一。转换器的多个相具有通用的线路电流强度,例如3A,多个相可以并联以达到更高的额定电流。可通过硬件配置进行设置。相电压可通过软件配置,例如通过以多相转换器的纵向晶体管上的占空比进行脉宽调制(PWM)来配置,例如从48V降至3.3V。还可以设置0V电压,例如为改变直流电机的方向提供桥式控制。符合功能安全要求的用电设备可通过n+1相供电。例如,通过3*3A+3A,即总共4相,为9A用电设备供电。因此,对于FUSI(功能安全)用电设备供电的“故障下可运行”安全要求,一个相可以出现故障。因此,“提供供电”的安全目标是基于“故障下沉默”的相的技术上的安全设计和一相的故障识别。一个转换器相的最大电流是有限的。这也限制了短路电流,从而限制了车载电气***中的潜在反馈作用(Rückwirkung)。
通过本发明的解决方案,可以实现以下技术优势:缩小电缆横截面,因此相应地减轻重量、节约生产原料。大幅降低电气损耗。可实现更高的动力性能,特别是对于EPS和底盘功能等用电器。有了这种创造性的解决方案,就能创造出安全的电源供应的新设计。这里介绍的eFuse转换器可以取代传统的和电子的配电器。
根据第一方面,上述技术问题通过一种在车辆电气***中为电气组件供电而提供一个或多个功能电压的设备来解决,其中该设备包括:设备输入端,其可连接电池电压,和多个设备输出端,其可连接电气组件;多个电压转换器,其具有相应的输入端和相应的输出端,所述输入端与设备输入端连接;其中,每个电压转换器构造为根据施加到各输入端的电压和可调节的占空比在其输出端提供输出电压;以及控制器,用于调节各电压转换器的占空比,其中电压转换器的输出端根据连接矩阵连接到设备输出端,以提供设备输出端的与各连接的组件匹配的电流承载能力。
这种设备可在车载电气***中提供简单灵活的电压分配,无需通过专用线路和配电器对不同的低压电压进行多次分配。
由此得到电压转换器的可配置的并联电路。通过这种并联方式,可以调整设备输出端的电流承载能力。不言而喻,相互并联的电压转换器的电压值受到相同的调节。
电压转换器的各个输出端通过连接矩阵组合成组,它们连接在一起,即并联连接,以提供相应的电流强度。这种分组方式可以在电压转换器相互连接的线路输出端提供不同的线路电流承载能力。
根据现有技术,所有负载(如控制单元)都由12V车载电气***以12V电压供电。在控制单元中还有额外的直流/直流转换器,可为微处理器(μ处理器)提供例如由12V转换为5V的电压。另一方面,本发明的设备可直接提供可配置的功能电压,如5V,因此,当这种设备用于带有48V电池电压的车载电气***中时,可省去带有12V电压等级的第二电池、带有eFuse的12V电子配电/熔断保护以及到负载中的功能电压的转换。
电压转换器的各个输出端通过连接矩阵与相应的设备输出端相连,从而形成相应的相并联电路。每个相并联电路指定设备的一个线路,其中线路数量与设备的设备输出端数量相对应。
根据设备的一个示例性实施方案,控制器构造为,对于每个相并联电路(Phasen-Parallelschaltung)确定线路输出端或设备输出端的负载电流,并且在输出电流要超过阈值的情况下,将输出电流限制在阈值内,并在可配置的时间后,通过与线路相匹配的相上的过载电流限制装置断开线路。
由此实现的技术优势是,该设备同时起到了电子熔断器的作用。因此,不再需要外部或额外的电子熔断器。
根据该设备的一个示例性实施方案,控制器构造为确定每个设备输出端的负载电流,并且在负载电流超过阈值的情况下,将其限制到阈值。如果电流限制装置在阈值处保持了可配置的时间,例如停留了100毫秒,线路就会因过载或短路而断开。
由此该设备同时起到了电子熔断器的作用。因此,不再需要外部或额外的电子熔断器。
根据该设备的一个示例性实施方案,连接矩阵由硬件配置预先确定,或可通过附加开关元件和软件进行配置。
由此实现的技术优势在于,可以根据客户来配置设备。例如,连接矩阵可以以客户特定或产品特定的方式在印刷电路板安装中实现,例如通过引脚浸入锡膏的焊接方法(im Pin-in-Paste Verfahren)来实现。另外,也可以通过软件对设备进行配置。
此外还可以动态改变连接矩阵。例如,可以通过开关实现动态切换,以便改装和/或更换组件。
根据该设备的一个示例性实施方案,连接矩阵分别将电压转换器的输出端或相中的一部分相应地与各设备输出端连接,在各设备输出端处提供相应的功能电压。
由此实现的技术优势在于,该设备可用于为多个用电设备提供其配置的功能电压,每个用电设备的功能电压可以不同,例如,一个执行器的功能电压为12V,而另一个负载的功能电压为3.3V或5V。
根据该设备的一个示例性实施方案,各设备输出端的电流承载能力会根据与设备输出端(310a-f)相连的电压转换器的输出端或相的数量而增加。
由此实现的技术优势是,消耗大电流的用电器也可以连接到设备上。
根据该设备的一个示例性实施例,电压转换器的N+1个输出端或相根据连接矩阵连接到相应的设备输出端,以便在其中一个电压转换器发生故障时,仍确保与N个相连的输出端或相的数量相对应的电流承载能力。
由此得到的技术优势在于,当电压转换器发生故障时,电气组件的整个供电不会立即失效,而是可以实现冗余供电。
根据该设备的一个示例性实施例,电压转换器的功能电压和/或输出电压可以通过软件为每个电压转换器个别配置,也可以为每组电压转换器单独配置。
由此实现的技术优势在于,该设备提供的功能电压可通过软件轻松重新配置,因此无需更改硬件或更换整个设备。
根据该设备的一个示例性实施例,各电压转换器或各相形成为降压转换器,并包括:在各电压转换器的输入端和输出端之间串联连接的第一开关元件和电感器;在将第一开关元件与电感器串联连接的节点和接地端之间连接的第二开关元件;以及在各电压转换器的输出端和接地端之间连接的电容器。
由此实现的技术优势在于,由于各个电压转换器都基于已验证过的电路,因此易于实现。
根据该设备的一个示例性实施方案,控制器构造为,根据各电压转换器输出端的输出电压和第二开关元件上的电压来调整各电压转换器的占空比。
由此实现的技术优势在于:这些电压易于测量,控制器可在较短的延迟时间内调整相应的电压转换器。
根据该设备的一个示例性实施例,控制器构造为,根据占空比、各电压转换器的输出电压和第二开关元件上的电压确定各电压转换器的输出电流;并且控制器构造为,当其中一个电压转换器的输出电流超过阈值时,控制第一开关元件以执行相应电压转换器与电池电压的电子断开。
由此实现的技术优势在于,该设备同时实现了eFuse(即电子熔断器),因此可以省去外部电子熔断器或传统熔断器。
根据该设备的一个示例性实施例,第一开关元件构造成由第一晶体管和冗余第一晶体管组成的串联电路;第二开关元件构造成由第二晶体管和冗余第二晶体管组成的串联电路。
由此实现的技术优势在于,当第一个晶体管发生故障时,冗余晶体管可以接管开关功能。因此,由于采用了冗余元件,该设备具有极高的安全性,可避免组件故障。
根据该设备的一个示例性实施例,在将第一晶体管与冗余第一晶体管串联连接的第一节点之间形成第一测量点;在将第二晶体管与冗余第二晶体管串联连接的第二节点之间形成第二测量点;控制器构造为,根据第一测量点和第二测量点的电压的采集来检测第一晶体管和第二晶体管是否功能正常。
由此实现的技术优势在于,该设备可以有效检查开关元件或晶体管是否正常工作。
根据该设备的一个示例性实施例,第一测量点通过带并联电容器的下拉电阻与接地端相连;第二测量点通过另一个带并联电容器的下拉电阻与接地端相连。
由此实现的技术优势在于,当两个晶体管都处于断开状态(高阻抗)时,可以通过这种下拉电阻在测量点上设定一个确定的电压。
根据该设备的一个示例性实施方案,如果检测到第一晶体管和第二晶体管功能正常,则控制器设计为使第一晶体管和第二晶体管导通,并使冗余的第一晶体管和冗余的第二晶体管截止。
由此实现的技术优势在于可以实现“故障下沉默”的设置或“故障下沉默”的安全设计。
根据该设备的一个示例性实施例,控制器的设计是在第一晶体管发生故障时,使冗余的第一晶体管导通,并在第二晶体管发生故障时,使冗余的第二晶体管导通。
由此实现的技术优势在于,当发生故障时,可以快速切换到冗余元件。
这确保了在第一个晶体管发生低阻抗故障时,输出端不会出现过电压。当晶体管发生高阻抗故障时,相将被断开。
根据该设备的一个示例性实施例,该设备可为电机的第一端子提供第一功能电压,为电机的第二端子提供第二功能电压。
由此实现的技术优势在于可以实现对电机或直流马达的简单控制。
根据该设备的一个示例性实施例,该设备设计为将第一和第二功能电压之一提供为零伏,以设定电机的旋转方向。
由此实现的技术优势是可以实现电机或直流马达的顺时针和逆时针旋转。
根据第二方面,上述技术问题通过一种在车辆电气***中提供一个或多个功能电压以便为电气组件供电的方法来解决,该方法包括以下步骤:将第一方面所述设备的设备输入端连接至电池电压;以及向设备的设备输出端提供功能电压。其中,通过连接矩阵连接的输出端数量决定可用的额定电流,并且由控制器调节的PWM决定功能电压的大小。
这种方法可以在车载电气***中实现简单灵活的多电压配电,无需为各个低电压配备带电池的专用配电网络。使用这种方法,可直接向负载提供合适的功能电压,因此,在使用48V电池电压的车载电气***中使用这种方法时,可省去12V第二电池、带eFuses的12V电子配电器/熔断保护装置以及不必转换到负载中的功能电压。
附图说明
下面将参照实施例和附图对本发明进行更详细的描述。其中
图1显示了常规的双电压低压车载电气***100的框图;
图2显示了带有根据本发明的多相转换器(此处也称为MCD)的车载电气***200的框图;
图3是根据一个示例性实施例的用于在车载电力***中提供功能电压的根据本发明的设备300的电路图;
图4是根据另一个示例性实施例的用于在车载电气***中提供功能电压的根据本发明的设备300的电路图;
图5是根据一个示例性实施例的用于在具有连接的电气组件的车载电气***中提供功能电压的根据本发明的设备300的电路图;
图6是根据本发明的示例性实施例的多相转换器600的基本电路的电路图;
图7是根据示例性实施例具有为每个相提供的控制器的根据本发明的多相转换器600的单相700的电路图;
图8是根据示例性实施例具有针对多相转换器的其中一相的“故障下沉默”的设计的控制器的根据本发明的多相转换器600的单相800的电路图;以及
图9是显示了根据一个示例性实施例的对多相转换器600的单相800的晶体管进行控制的示意图。
这些图仅为示意图,仅用于解释本发明。相同或作用类似的元件在整个图中使用相同的附图标记。
具体实施方式
在下面的详细说明中,请参考附图,附图是本发明的组成部分,其中以图解的方式显示了本发明的具体实施例。不言而喻,在不脱离本发明概念的前提下,可以使用其它实施例,也可以做出结构或逻辑上的改变。因此,以下的详细描述不具有限制性。进一步的理解是,除非另有特别说明,本文所述各实施例的特征可以相互组合。
本发明的各个方面和具体实施方式将参照附图进行描述,其中同类附图标记一般指代同类元件。在下面的描述中,为了使人们深入理解本发明的一个或多个方面,列出了许多具体细节以作说明。然而,本领域的技术人员可能会发现,一个或多个方面或实施例的具体细节程度可能较低。在其他情况下,已知的结构和元件以示意图的形式显示,以方便描述一个或多个方面或实施例。不言而喻,在不脱离本发明概念的前提下,可以使用其它实施例,也可以做出结构或逻辑上的改变。
该公开文件介绍了车辆功能安全(FUSI)的标准和要求。功能安全是指***安全的一部分,取决于安全相关***和其它降低风险措施的正确运行。在车辆领域,功能安全通常用ASIL(“车辆安全完整性等级”)分类来描述。ASIL分类由多个因素组成,其中包括:1)“严重度-S”,对应于故障的严重性、对用户或环境的危害;2)“暴露度-E”,对应于发生概率,即频率和/或运行状况的持续时间;3)“可控度-C”,对应于故障的可控性。这些因素导致了四种不同的ASIL等级:ASIL A:建议故障概率小于10-6/小时;ASIL B:建议故障概率小于10-7/小时;ASIL C:要求故障概率小于10-7/小时;ASIL D:要求故障概率小于10-8/小时。
图1显示了常规的双电压低压车载电气***100的框图。双电压低压车载电气***100包括48V车载电气***110和12V车载电气***120。
存在着由48V车载电气***110供电的大功率用电设备113和由12V车载电气***120供电的用电设备131。对于两个电压等级存在着电池111、121。负载中电路的功能电压(如5V)由负载131产生,参见12V/5V转换器132。为了没有反馈作用,12V配电装置必须配备昂贵的快速半导体开关(电子熔断器),以保证12V车载电气***120的安全供电。这里的没有反馈作用是指,负载短路造成的欠压必须不会作为欠压传播到FUSI(功能安全)相关的邻近负载。
图2显示了带有根据本发明多相转换器300(此处也称为MCD)的车载电源***200的框图。该多相转换器对应于本公开中所述的根据本发明的设备300,用于提供一个或多个功能电压。
可配置的多相转换器300提供带电子熔断保护的输出端,同时也是电子配电器。由于多相转换器300直接向负载提供功能电压,因此可以省略如图1所示的12V电池121、带eFuse的12V电子配电/熔断保护122以及到负载131中的功能电压的转换器132。
用于提供一个或多个功能电压的多相转换器300或设备300的工作方式将在以下章节中详细介绍。
图3显示了根据一个示例性实施例用于在车载电源***中提供功能电压的根据本发明的设备300的电路图。
该设备300是DC/DC转换器,作为示例,用于从48V主干电压开始向低压车载电气***分散供应例如12V(可选5V)的电压。转换器提供带电子熔断保护的输出端310,同时也是电子配电器。
图3中的示例实施方式中显示,eFuse转换器有14个输出端,每个输出端分别有3A的负载能力和可配置的输出电压。输出端自由并联地组合成输出端。该转换器设计用于印刷电路板安装,例如采用引脚浸入锡膏法焊接。每相都有一个引脚输出端。
在印刷电路板布局中,各相可以并联连接。
12V侧的输出组合示例如下:a)1x 42A;b)14x 3A;c)1x 15A、2x 6A、5x 3A;d)还可以实现许多其他组合。
此外,还可灵活配置输出端电压等级,例如:e)1x 15A(12V)、2x 6A(12V)、5x 3A(5V)。
图4显示了根据另一个示例性实施例用于在车载电气***中提供功能电压的根据本发明的设备300的电路图。图4所示的设备300与图2和图3所述的多相电压转换器MCD相对应,并且示出上文结合图3概括描述的设备300的实现。
特别地,图4更详细地说明了从14个单个相得到的设备300的可配置性。在图4的这个示例中,每相都有3A的连续承载能力和5A的峰值承载能力。每个相的电压可通过软件(SW)进行配置。A相可以通过外部硬件(HW)自由并联组合成输出端,外部硬件由连接矩阵330表示。
如上文图3所述,转换器可设计用于印刷电路板安装,例如使用引脚浸入锡膏法焊接。每个相位都有一个引脚输出端。在电路板的布局中,各相可以并联连接。
12V侧可能的输出组合如下:a)1x 42A12V;b)14x 3A5V;c)1x 15A12V、2x 6A5V、5x3A3.3V;d)其他可行组合。
图4所示的设备300用于在车辆电气***中提供一个或多个功能电压,为电气组件供电。
设备300包括设备输入端320(可向其施加电池电压301)和多个设备输出端310a-f(可连接电气组件133、134、135)。
设备300包括多个电压转换器311-324,其带有与设备输入端320相连的相应的输入端311a-324a以及相应的输出端311b-324b。
每个电压转换器311-324都被配置为根据施加到各自输入端的电压和可调节的占空比在其输出端311b-324b提供输出电压。
设备300包括控制器710,配置用于调节各电压转换器311-324的占空比。
电压转换器311-324的输出端311b-324b根据连接矩阵330连接到设备输出端310a-f,以便提供设备输出端310a-f的与相应的所连接的组件133、134、135适配的电流承载能力。
设备输出端310a-f提供相应的功能电压。
控制器710可配置为用于确定每个设备输出端310a-f的负载电流,并且在负载电流超过阈值的情况下,将负载电流限制在阈值内。
连接矩阵330可以通过硬件配置进行设置,也可以通过软件配置。
例如,这样的硬件配置可以在印刷电路板组装过程中完成,例如通过使用上述引脚浸入锡膏法焊接。每个相,即每个电压转换器311-324都有一个引脚输出端。在印刷电路板的布局中,各相可以并联连接。
连接矩阵330可以将电压转换器311-324的输出端311b-324b的一部分分别连接到相应的设备输出端310a-f,在该设备输出端310a-f上提供功能电压。不言而喻,所有的输出端也可以连接在一起,从而只提供一个具有极高电流承载能力的设备输出端。另外,电压转换器311-324的各个输出端310a-310f也可以在不相互连接的情况下引出,因此可以直接在电压转换器311-324的输出端310a-310f上提供功能电压。
相应的设备输出端310a-f的电流承载能力根据连接到设备输出端310a-f的电压转换器311-324的输出端311b-324b的数量而增加。例如,当连接两个3A的输出端时,电流承载能力可加倍至6A,当连接三个3A的输出端时,电流承载能力可增加为三倍即9A,以此类推。
根据连接矩阵330,电压转换器311-324的N+1个输出端311b-324b可以连接到相应的设备输出端310a-f,以便在其中一个电压转换器311-324出现故障时仍能提供与N个相连的输出端311b-324b的数量相对应的电流承载能力。
电压转换器311-324的功能电压和/或输出电压可通过软件个别配置给每个电压转换器或每组电压转换器,例如通过控制器710或其它控制***。
本公开还涉及一种方法,用于在车辆电气***中提供一个或多个功能电压,为电气组件供电。
该方法包括以下步骤:如图4和下图所述,将设备300的设备输入端320连接至电池电压301;以及在设备300的设备输出端310a-f提供功能电压。
图5显示了根据一个本发明示例性实施例的设备300的电路图,该设备用于向具有相连接的电气组件的车载电气***提供功能电压。该设备300与上述图4所描述的设备300相对应,其中图5显示了带有电机135的示例电路。
电压转换器311-324的相位或相互连接的输出端310a-310f也可以提供0V,即接地端。图5显示,如果直流电机135连接到一对相或连接在一起的两个输出端310b和310f,则可以通过MCD 300的相控制来选择电机135的旋转方向。例如,如果下相为0V,上相为12V,则顺时针旋转。如果下相为12V,上相为0V,则逆时针旋转。
图5还显示了FUSI电源的“故障下可运行(Fail Operational)”:如图5所示,9A电机135可连接至4个相,总电流为12A。如果其中一相发生故障,仍可安全供电,因为其余各相的9A电流仍然可用。
因此,对于FUSI用电设备供电的“故障下可运行”要求,可以有一个相发生故障。因此,“提供供电”的安全目标基于“故障下沉默”相的技术安全概念和一相故障的识别。“故障下沉默”意味着发生故障的相可以切换到高阻抗,从而无法将并联相拉至地电位(欠压)或48V(过压)。
因此,如上所述,设备300可配置为向电机135的第一端子310b提供第一功能电压,并且向电机135的第二端子310f提供第二功能电压。
如上所述,设备300可进一步配置为将第一和第二功能电压之一作为零伏提供,以调整电机的旋转方向。
图6显示了根据本发明示例性实施例的多相转换器600的基本电路的电路图。多相转换器600是上述设备300的一种示例实现方式。图6中未显示控制单元。
图6显示了eFuse转换器600的前四个并联相的示例。输入端301可连接至48V主干网。在第一相的12V输出端连接了一个(小型)用电设备133。第2、3和4相在转换器输出端并联,或通过连接矩阵330相互连接,并连接至设备输出端310b,为电机负载135的9A线路供电。MOSFET相Tp1至Tpn分别如下设定一个具有占空比的PWM(脉宽调制),使得在输出端实现所需的输出电压。
通过纵向开关Tp1至Tpn上PWM的占空比可以在输出端调节电流和由此产生的电压。在纵向开关Tp1至Tpn时钟的关断时间段,每个相的电感器通过二极管D拉电流(降压转换器原理)。
为了平衡并联相位,(12V输出端的)调节的电压与负载有关,例如,相的负载3A时为12V,负载小于0.5A时为13V。
在这一基本电路中,没有为这些相提供“故障下沉默”的安全设计。如果晶体管Tp熔断,输出端将不可避免地出现48V过电压。图8和图9详细描述了利用“故障下沉默”的安全设计对该基本电路的改进。
图7详细对于单相或单个电压转换器描述了电路原理。示例性示出了根据本发明的多相转换器600的单相700或上述设备300的单个电压转换器及相应的控制器710的电路图,每个相位都有相应的控制器。
图4和图5中描述的各电压转换器311-324可以是降压转换器,包括:
在相应的电压转换器311的输入端311a和输出端311b之间串联连接的第一开关元件Tp1(例如MOSFET)和电感器L1;
第二开关元件D1(例如二极管或晶体管),其连接在第一开关元件Tp1与电感器L1串联的节点303和接地端302之间;以及
电容器C21,其连接在相应的电压转换器311-324的输出端311b和接地端302之间。
控制器710可以配置为根据各电压转换器311-324的输出端311b的输出电压711、Uout和第二开关元件D1的电压712、Uz调整各电压转换器311-324的占空比713。
控制器710可以配置为根据各电压转换器311-324的占空比713、输出电压711、Uout和第二开关元件D1处的电压712、Uz确定各电压转换器311-324的输出电流Iout。
控制器710可配置为当电压转换器311-324中的一个的输出电流超过阈值时,触发第一开关元件Tp1,以电子方式将相应的电压转换器311-324与电池电压301断开。
利用PWM的占空比、电压Uz和输出电压Uout,控制器710可以调节Uout并同时确定输出电流Iout。因此,无需再使用测量电流的测量装置。为此,可以实施与占空比同步的电压测量。可以在MOSFET“开—>关”和“关—>开”的边沿时测量Uz和Uout。
通过710控制单元的上述电流确定功能,可以对每个相进行电子熔断保护。可通过各自的PWM-MOSFET Tp1、...Tpn进行分离。有利的是,MOSFET短路电流的升高受到相的电感器的限制。无需进一步的保护电路,如普通电子熔断器。
为了满足额外的安全要求,可以在电池电压301和多相转换器600的输入端之间连接带有两个并联晶体管Tv的晶体管级。
因此,该电路可满足以下FUSI要求:eFuse转换器可使用ASIL D防止48V输入电压301传播到12V车辆电气***,并在此造成过电压的大面积破坏。48V断路可分解为上游MOSFET Tv的ASIL B(D)断路和相晶体管Tp1..n的ASIL B(D)断路。对于Tv级,可以对所有相的输出电压进行独立测量。
图8显示了根据本发明示例性实施例的多相转换器600的单相800的电路图,具有对多相转换器的其中一相进行“故障下沉默”设计的控制器。
基本电路810位于框内虚线区域。图7中的二极管D1被主动开关的(并且受控的)晶体管Tm所取代。对于“故障下沉默”功能设置有晶体管Tpr和Tmr,它们在Tp和Tm出现故障(合金熔穿)时仍能断开连接。重要的是,必须对Tm和Tr的低电阻故障立即做出反应,否则输出端将出现欠压或过压故障。
图8示例性显示了根据本发明的多相转换器600的单相或上述设备300的单个电压转换器的电路图,为每个相提供了相应的控制器710。
电路800是上述图4和图5所述设备300的电压转换器311-324的示例性实施方式。
在该示例性实施方式中,第一开关元件Tp1构成为由第一晶体管Tp和冗余第一晶体管Tpr的串联电路;第二开关元件D1构成为由第二晶体管Tm和冗余第二晶体管Tmr的串联电路。
在将第一晶体管Tp与冗余第一晶体管Tpr的串联连接的第一节点801之间形成第一测量点M1。
在将第二晶体管Tm和冗余第二晶体管Tmr串联连接的第二节点802之间形成第二测量点M2。
控制器710可配置为根据对第一测量点M1和第二测量点M2电压的采集,检测第一晶体管Tp和第二晶体管Tm的功能。
例如,第一测量点M1可以通过带并联电容器的下拉电阻连接到接地端302,以便能够检测第一测量点M1的电压。例如,第二测量点M2可以通过另一个带并联电容器的下拉电阻与接地端302连接,以便能够检测第二测量点M2的电压。
控制器710可以设计为在检测到第一晶体管Tp和第二晶体管Tm功能正常时,使第一晶体管Tp和第二晶体管Tm导通,并例如根据图9详细描述的晶体管的触发,使冗余的第一晶体管Tpr和冗余的第二晶体管Tmr截止。
控制器710可以设计为在第一晶体管Tp出现故障时,使冗余第一晶体管Tpr导通,在第二晶体管Tm出现故障时,使冗余第二晶体管Tmr导通。
图9是示意图,显示了根据一个示例性实施例的多相转换器600的各个相800的晶体管的触发900。
图9用虚线表示Tpr的触发715,用实线表示Tp的触发714。Tp在接通时预先触发,而在断开时事后触发。因此,导通是通过Tp而不是Tpr进行的。
因此,电流换向发生在虚线区域810中,该区域的面积必须尽可能小。面积与漏电感和漏电容成正比,因此也与该相产生的电磁兼容干扰成正比。
如果开关晶体管Tp因故障导致电阻过低而失效,则通过Tpr进行脉冲控制。从M1处的电压曲线可以看出Tp发生了故障。
同样的机制也适用于带有Tmr和M2的Tm安全设计。
附图标记列表
100 常规的双电压低压车载电气***
110 作为示例的48伏车载电气***
111 作为示例的48V电池
112 作为示例的48V配电器
113 作为示例的48V负载
114 中央DC/DC转换器
120 作为示例的12V车载电气***
121 作为示例的12V电池
122 作为示例的12V配电器,熔断器、SEV情况下的电子熔断器
130 控制单元内的功能电压
131 作为示例的12V负载
121作为示例的12V/5V DC/DC转换器
133作为示例的3.3V LDO
134μ控制器
135作为示例的9A/12V执行器或电机
200具有本发明的多相转换器MCD、300的车载电气***
300根据本发明的用于提供一个或多个功能电压的设备
301电池电压,例如48V
302接地端或基准电压端
310设备300的输出端或多相电压转换器的N+1相
311-324设备300的单个电压转换器或者多相转换器MDC的单相
311a-324a设备300的电压转换器311-324的输入端
311b-324b设备300的电压转换器311-324的(单个)输出端
310a-f设备300的电压转换器311-324的所连接的输出端
320 设备输入端
330 连接矩阵
600多相转换器或多相转换器MDC
710控制器
700设备300的多相转换器或单个电压转换器的单相
711输出电压Uout
712中间电压Uz
713开关或晶体管Tp1的控制信号或单个电压转换器的占空比
800多相转换器600的单相
801将第一晶体管Tp与冗余第一晶体管Tpr串联连接的第一节点
802将第二晶体管Tm与冗余第二晶体管Tmr串联连接的第二节点
810基本电路
900根据本发明的多相转换器600的各个相的晶体管的触发

Claims (18)

1.一种用于在车辆电气***中提供一个或多个功能电压给电气组件(133、134、135)供电的设备(300),其中,所述设备(300)包括:
设备输入端(320),所述设备输入端能够被施加电池电压(301),
多个设备输出端(310a-f),所述设备输出端能够连接电气组件(133、134、135);
多个电压转换器(311-324),所述电压转换器具有相应的输入端(311a-324a)和相应的输出端(311b-324b),所述输入端与所述设备输入端(320)相连;
其中,每个电压转换器(311-324)构造为根据施加到相应的输入端(311a-324a)的电压和可调节的占空比在该电压转换器的输出端(311b-324b)提供输出电压;以及
控制器(710),所述控制器构造为用于调节相应的电压转换器(311-324)的占空比,
其中,所述电压转换器(311-324)的所述输出端(311b-324b)根据连接矩阵(330)连接至所述设备输出端(310a-f),以便提供设备输出端(310a-f)的与相应的所连接的电气组件(133、134、135)匹配的电流承载能力。
2.根据权利要求1所述的设备(300),
其中,所述控制器(710)被构造为用于针对每个设备输出端(310a-f)确定负载电流,并且在所述负载电流要超过阈值的情况下将所述负载电流限制在所述阈值。
3.根据权利要求1或2所述的设备(300),
其中,所述连接矩阵(330)由硬件配置来设置或者能够通过附加开关元件和软件进行配置。
4.根据权利要求3所述的设备(300),
其中,连接矩阵(330)将电压转换器(311-324)的输出端(311b-324b)的每一部分分别连接到相应的一个设备输出端(310a-f),在所述设备输出端(310a-f)提供相应的功能电压。
5.根据权利要求4所述的设备(300),
其中,相应的设备输出端(310a-f)的电流承载能力根据所述电压转换器(311b-324b)的与所述设备输出端(310a-f)相连接的输出端(311b-324b)的数量而增加。
6.根据权利要求5所述的设备(300),
其中,根据所述连接矩阵(330),所述电压转换器(311-324)的N+1个输出端(311b-324b)被连接到一个相应的设备输出端(310a-f),以便在其中一个电压转换器(311-324)出现故障时,仍能确保与N个相连的输出端(311b-324b)的数量相对应的电流承载能力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(300),
其中,可通过软件对于每个电压转换器个别地或对于每组电压转换器配置所述电压转换器(311-324)的功能电压和/或输出电压。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(300),
其中,相应的所述电压转换器(311-324)被构造为降压转换器,并包括:
第一开关元件(Tp1)和电感器(L1),所述第一开关元件和电感器在相应的所述电压转换器(311)的所述输入端(311a)和所述输出端(311b)之间串联;
第二开关元件(D1),所述第二开关元件连接在串联连接所述第一开关元件(Tp1)与所述电感器(L1)的节点(303)和接地端(302)之间;以及
电容器(C21),所述电容器连接在相应的所述电压转换器(311-324)的输出端(311b)和接地端(302)之间。
9.根据权利要求8所述的设备(300),
其中,所述控制器(710)被构造为根据相应的所述电压转换器(311-324)的输出端(311b)处的输出电压(711)和所述第二开关元件(D1)处的电压(712)来调整相应的所述电压转换器(311-324)的占空比(713)。
10.根据权利要求9所述的设备(300),
其中,所述控制器(710)被构造为根据相应的所述电压转换器(311-324)的所述占空比(713)、所述输出电压(711)和所述第二开关元件(D1)上的所述电压(712)确定相应的所述电压转换器(311-324)的输出电流;以及
其中,所述控制器(710)被构造为当所述电压转换器(311-324)中的一者的输出电流超过阈值时,触发所述第一开关元件(Tp1),从而以电子方式将相应电压转换器(311-324)与所述电池电压(301)断开。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备(300),
其中,所述第一开关元件(Tp1)被构造为由第一晶体管(Tp)和冗余第一晶体管(Tpr)构成的串联电路;以及
其中,所述第二开关元件(D1)被构造为由第二晶体管(Tm)和冗余第二晶体管(Tmr)构成的串联电路。
12.根据权利要求11所述的设备(300),
其中,第一测量点(M1)形成于将第一晶体管(Tp)与冗余第一晶体管(Tpr)串联连接的第一节点(801)之间;
其中,第二测量点(M2)形成于将第二晶体管(Tm)与冗余第二晶体管(Tmr)串联连接的第二节点(802)之间;以及
其中所述控制器(710)被构造为根据第一测量点(M1)和第二测量点(M2)的电压的采集,来检测第一晶体管(Tp)和第二晶体管(Tm)是否功能正常。
13.根据权利要求12所述的设备(300),
其中,所述第一测量点(M1)通过具有并联的电容的下拉电阻器与接地端(302)相连;以及
其中,所述第二测量点(M2)通过具有并联的电容器的另一个下拉电阻器与接地端(302)相连。
14.根据权利要求12或13所述的设备(300),
其中,所述控制器(710)被构造为在检测到所述第一晶体管(Tp)和所述第二晶体管(Tm)功能正常的情况下,使所述第一晶体管(Tp)和所述第二晶体管(Tm)导通,并使所述冗余第一晶体管(Tpr)和所述冗余第二晶体管(Tmr)截止。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备(300),
其中,所述控制器(710)被构造为在所述第一晶体管(Tp)发生故障时使所述冗余第一晶体管(Tpr)导通,以及在所述第二晶体管(Tm)发生故障时使所述冗余第二晶体管(Tmr)导通。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备(300),
其中,所述设备构造为向电机的第一端子提供第一功能电压,并向电机的第二端子提供第二功能电压。
17.根据权利要求16所述的设备(300),
其中,所述设备被构造为将第一和第二功能电压中的一个作为零伏提供,以调整电机的旋转方向。
18.一种在车辆电气***中为电气组件供电而提供一个或多个功能电压的方法,所述方法包括以下步骤:
将根据前述权利要求中任一项所述的设备(300)的设备输入端(320)连接至电池电压(301);以及
将功能电压提供给所述设备(300)的设备输出端(310a-f)。
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