本公開涉及車輛系統(tǒng)，并且特別涉及如果車輛電池或電源以錯誤方式被連接反了則給車輛系統(tǒng)和組件提供保護(也就是說，防止反極性)的有效布置。

背景技術(shù)：

汽車電池可能會不經(jīng)意以錯誤方式連接到汽車線路被連接反了，即，具有錯誤極性。例如，在起動過程期間，第二外部電池被連接到主電池的端子，以在搖車期間提供支持電壓源。以反極性到汽車線路的偶然連接可能發(fā)生。隨著電子設(shè)備在更大數(shù)量上變得與車輛的整體部分一樣重要，需要每個電子設(shè)備中的特別規(guī)定以避免因為在電源線處的不經(jīng)意反向電壓而導(dǎo)致對電路和組件的損害。

通常的操作是，當(dāng)處理低或中電流時(其中，功率損耗和熱產(chǎn)生較低)，通過在電源和組件/電路之間插入串聯(lián)二極管來提供保護。然而該方法的問題是，這些簡單二極管在裝置的正常操作期間引起功能性功率損耗；該功率損耗等于相應(yīng)二極管的正向電壓降乘以平均電流。

功率半導(dǎo)體(甚至在功率分配箱中)作為機械繼電器和熔斷器功能的替代現(xiàn)在越來越多地被使用。通常在這樣的裝置中使用功率FET，這是因為它們提供低至0.5到1mn的非常低導(dǎo)通電阻，并且能夠承載在50A到100A范圍內(nèi)的大量永久漏電流。典型功率FET在以反極性被連接時經(jīng)由其本征二極管變得導(dǎo)電。這必須被避免，這是因為大電流導(dǎo)致FET的反向二極管中的非常高功率損耗。由此產(chǎn)生的功率耗散可能是50W或者甚至100W，并且可能通過在非常短時間內(nèi)過熱而導(dǎo)致火災(zāi)的巨大風(fēng)險來破壞FET。

為了克服這個問題，已知沿著與每個FET開關(guān)相反的方向串聯(lián)地布置(第一晶體管的源極連接到第二晶體管的源極)來實現(xiàn)第二功率FET，以避免反向電流。這難免會導(dǎo)致所得到的導(dǎo)通電阻、功率損耗及材料成本翻倍。

本發(fā)明的一個目的是提供一種保護車輛系統(tǒng)和組件免受因為不經(jīng)意的反極性連接導(dǎo)致的破壞的改進電路。進一步目的是提供在正常和保護操作期間減少傳統(tǒng)方案的功率消耗的保護。

進一步目標(biāo)是提供中央自治方案以消除反向電池的上述問題，這在活動狀態(tài)下避免了額外功率損耗并且在非活動或者休眠模式下顯示出可忽略功率損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一方面提供一種裝置，該裝置被配置成保護一個或多個系統(tǒng)組件免受由于電源的反極性連接而導(dǎo)致的損害，該裝置包括位于所述電源與所述組件之間的繼電器，并且適用于檢測電源何時被提供有反極性，并且從而將繼電器切換至打開狀態(tài)以便將所述電源與所述組件隔離。

該裝置可以適于檢測所述電源何時通過正確極性和方式(means)被連接，從而如果繼電器打開則將繼電器切換到閉合狀態(tài)。

該繼電器可以是用于除了反極性檢測之外的目的的閉鎖繼電器。

所述繼電器可以包括經(jīng)由第一開關(guān)(M3)連接到電源線的一個或多個線圈，所述第一開關(guān)被連接到檢測反極性的裝置，所述第一開關(guān)適于在檢測到反極性時被接通以便驅(qū)動電流通過線圈，以打開繼電器。

所述繼電器可以包括并聯(lián)布置并且連接到所述第一開關(guān)的置位線圈和復(fù)位線圈，使得當(dāng)檢測到所述反極性電流時，電流沿相反方向被驅(qū)動通過線圈，使得所述線圈協(xié)同作用以打開繼電器。

檢測反極性的所述裝置可以包括電容器裝置，電容器裝置連接到繼電器和組件之間的所述電源線并且適用于由于反極性而被充電以提供電壓電平，當(dāng)電平電壓被實現(xiàn)時，所述電容器裝置適于激活所述第一開關(guān)(M3)。

所述第一開關(guān)可以是功率FET，并且進一步地，所述裝置可以包括第一中間開關(guān)裝置(Q1)，所述第一中間開關(guān)裝置(Q1)位于所述電容器和所述第一開關(guān)裝置之間并且當(dāng)實現(xiàn)所述電壓電平時接通所述第一開關(guān)裝置(M3)。

所述裝置可以包括與線圈并聯(lián)布置的二極管，所述二極管適于當(dāng)所述第一開關(guān)裝置切換到斷開狀態(tài)時吸收線圈能量。

檢測所述電源何時通過正確極性和方式被連接以便從而如果繼電器打開則將繼電器切換到閉合狀態(tài)的裝置可以包括第二開關(guān)裝置(M2)，所述第二開關(guān)裝置(M2)適于在檢測到正確極性時被接通，以便沿一個方向?qū)㈦娏靼l(fā)送通過繼電器線圈以閉合繼電器。

所述繼電器可以包括并聯(lián)布置并且連接到所述第二開關(guān)裝置的置位線圈和復(fù)位線圈，使得當(dāng)檢測到正確極性時，電流沿相反方向被驅(qū)動通過線圈，使得所述線圈協(xié)同作用以閉合繼電器。

檢測裝置可以包括第二中間開關(guān)裝置(Q2)，所述第二中間開關(guān)裝置(Q2)位于電源線與第二開關(guān)之間并且連接到電源線關(guān)于繼電器觸點的兩側(cè)，并且適于在檢測到正確極性時接通所述第二開關(guān)。

所述中間開關(guān)可以包括晶體管和/或所述第一開關(guān)和第二開關(guān)包括功率晶體管/FET。

附圖說明

現(xiàn)在將參考以下附圖描述本發(fā)明，其中：

圖1示出了車輛的組件和系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中如何被保護的示意性表示。

圖2示出了在已知系統(tǒng)中使用繼電器的示意性電路圖。

圖3示出了本發(fā)明的基本示例。

圖4示出了在一個實例中使用的電路。

圖1示出了車輛的組件和系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中如何被保護的示意性表示。電路1示出了電源，即，電池2，其可能被錯誤地連接，即，具有反極性。電池能夠給一個或多個低功率負(fù)載3或一個或多個高功率負(fù)載4供電。為了保護低功率負(fù)載，在電源和低功率負(fù)載(組件)之間使用二極管5。為了保護高功率負(fù)載(組件和設(shè)備)，給現(xiàn)有FET提供另外FET，以便提供串聯(lián)布置的一對FET 6。因此第二功率FET被串聯(lián)實現(xiàn)但是彼此沿相反方向布置(第一晶體管的源極連接到第二晶體管的源極)，以避免反向電流流動。如所述，這不可避免地導(dǎo)致所得到的導(dǎo)通電阻、功率損耗和材料成本翻倍。

已知在車輛系統(tǒng)中使用閉鎖繼電器，閉鎖繼電器位于電池和熔斷器以及車輛系統(tǒng)的負(fù)載之間，用于除了免受反極性連接的損害的目的。圖2示出了示出這樣的系統(tǒng)的示意性電路圖。繼電器7由置位(SET)線圈L1(與線圈電阻器Rcoil 1串聯(lián))和復(fù)位(RESET)線圈L2(與電阻器Rcoil 2串聯(lián))來操作。該閉鎖繼電器由發(fā)送到感性負(fù)載驅(qū)動器的置位脈沖和復(fù)位脈沖來控制。這些控制被發(fā)送通過線圈的電流，從而依次打開/閉合閉鎖繼電器。

具體實施方式

圖3示出了本發(fā)明的基本示例。本質(zhì)上，中央自治反向保護電路/系統(tǒng)被提供在電池2和組件/負(fù)載3/4之間，其避免了對關(guān)于低負(fù)載的另外二極管和針對高負(fù)載的另外FET的需要。一方面，閉鎖繼電器6被用于提供反極性保護。

在優(yōu)選實施方式中，當(dāng)前車輛系統(tǒng)中存在的閉鎖繼電器被用于提供反極性保護。一方面，附加閉鎖繼電器電路被用于實現(xiàn)閉鎖繼電器關(guān)于反極性保護的控制。

因此，在簡化示例中，閉鎖功率繼電器因此被用作“保護開關(guān)”，其被布置成在電壓反轉(zhuǎn)之后的非常短時間內(nèi)打開，以便將所有敏感電子電路與電源線隔離。閉鎖繼電器在穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)期間不消耗功率。與在電源線中使用保護二極管或者針對大電流在電解質(zhì)功率開關(guān)中使用第二“反向”FET相比，這提供很大優(yōu)點。

提供一種合適電子電路，以在電壓反轉(zhuǎn)的情況下實現(xiàn)保護開關(guān)的快速打開，并且一旦電池電壓再次被施加有合適極性則閉合開關(guān)。對于監(jiān)控電路的非?？量桃笫轻槍蓚€極性的低操作電壓的最大值為3.4V。

圖4a、圖4b和圖4c示出了在一個示例中使用繼電器提供反極性保護的電路的具體示例。

圖4a示出了在一個示例中使用的整體電路。圖4b和圖4c示出了圖4a的部分電路，為了清楚的目的，省略可選部分，以便幫助解釋電路的各個部分如何操作。

通常，電路包括閉鎖繼電器10，其可以例如是Gruner 750。該繼電器由線圈L1和L2操作。盡管為了清楚起見，在圖中繼電器和線圈L1和L2單獨出現(xiàn)，但是它們被共同布置。該線圈因此可以被認(rèn)為是繼電器的一部分，因此繼電器和操作繼電器的線圈用虛線示出，以指示它們共定位。該線圈與電阻器Rcoil1和Rcoil2串聯(lián)?？赡鼙环聪蜻B接的電池/電源2被示出。

現(xiàn)在將描述附加電路及其提供反極性保護的操作。為了更好地理解，如上所述，該電路被劃分為兩個功能部分，分別由圖4b和圖4c示出。圖4b示出了在反極性的情況下提供繼電器觸點的快速打開的該電路，而圖4c示出了在再次建立正確極性之后提供用于閉合繼電器觸點的該電路。

在反電池極性的情況下繼電器觸點的打開

圖4b中的電路示出了用于如果電源以錯誤方式被連接反了則打開繼電器的電路。假設(shè)閉鎖繼電器觸點在正常操作周期期間已經(jīng)被長久閉合，處于休眠模式或者活動模式。一旦所得到的電池電壓(可能是在起動期間)偶爾被反向，通過流過從主電源線的線到車輛組件/系統(tǒng)串聯(lián)布置的齊納二極管D6和電阻器R6的電流快速地加載電容器C1。來自電容器的線經(jīng)由電阻器R7被饋送到晶體管Q1的基極，晶體管Q另外還經(jīng)由齊納二極管D10和電阻器R8(后面兩個組件串聯(lián)布置)、以及電阻器R9和二極管D6(這些并聯(lián)布置)連接到電源線。當(dāng)Q1的基極-發(fā)射極電壓達到基極-發(fā)射極導(dǎo)通電平時，Q1被快速接通并且通過驅(qū)動集電極電流通過R8、D10和R9產(chǎn)生針對功率FET M3的足夠柵極電壓(經(jīng)由從電源線的連接提供)。功率FET M3從電池電源線被饋電并且提供大電流通過繼電器線圈Rcoil1和Rcoil2。如果反向電池電壓非常高，則M3的柵極電壓由二極管D9(可選的)安全地限制。

當(dāng)M3被切換到導(dǎo)通狀態(tài)時，其驅(qū)動其漏極電流通過閉鎖繼電器的并聯(lián)連接線圈(Rcoil1和Rcoil2)以及功率FET M2的本征二極管。該非常尖電流脈沖立刻打開繼電器觸點。典型地，對于Gruner 750繼電器，動作時間是10ms。應(yīng)該注意的是，電流被布置成通過該電路在置位線圈和復(fù)位線圈中流動，以使得它們作用以在該操作期間沿相同方向提供閉鎖/解鎖力。

為了避免繼電器觸點的重復(fù)跳動，通過甚至在閉鎖觸點打開之后，仍然從電容器C1的電荷庫中保持針對Q1的充足基極電流，線圈電流可以延伸至20ms到30ms。該時間可以被認(rèn)為是延長的時間。抑制二極管D2優(yōu)選用作續(xù)流二極管，以在M3切換到斷開狀態(tài)的時間期間吸收線圈的能量(優(yōu)選的)。

在施加正確電池極性之后再次閉合繼電器觸點

假設(shè)閉鎖繼電器觸點在反極性事件期間已經(jīng)被打開。圖4c示出了用于控制閉合的附加電路。一旦電池電壓呈現(xiàn)出具有正確極性，則基極電流被驅(qū)動通過過晶體管Q2(其經(jīng)由電阻器R4從連接點連接到電源線)經(jīng)過基極電阻器R3(并且最終經(jīng)過并聯(lián)的附加負(fù)載電阻)。通過驅(qū)動集電極電流通過D1、R10和R5，Q2被切換到飽和，得到針對功率FET M2的充足柵極電壓。FET M2被提供并且連接到每個線圈的一側(cè)并且允許大電流經(jīng)過線圈。為了保護電路，如果電池電壓非常高，則M2的柵極電壓由二極管D7安全地限制。當(dāng)M2被切換到其導(dǎo)通狀態(tài)時，其驅(qū)動其漏極電流通過閉鎖繼電器的并聯(lián)連接線圈以及功率FETM3的本征二極管。該非?！凹狻彪娏髅}沖閉合繼電器觸點。這可以由Gruner 750繼電器在10ms內(nèi)實現(xiàn)。一旦繼電器觸點被閉合，Q2的基極和發(fā)射極就由閉合觸點本身連接并且用于晶體管Q2的基極電流停止。晶體管Q2變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，M2的柵極電壓下降到閾值電壓之下，從而將M2也變?yōu)閿嚅_狀態(tài)?？蛇x抑制二極管D2用作續(xù)流二極管，以在M2被切換至斷開狀態(tài)的時刻吸收線圈的能量。

上述示例僅通過舉例并且本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易想到另選布置以提供必要功能。

如上所述，Gruner 750繼電器可以被使用，其被設(shè)計用于在周圍環(huán)境為105℃下具有100A的持續(xù)電流。涌浪電流高達550A，短時過載電流被定義為具有3.000A的量，最大傳輸/制動(make/brake)電流為1.500A。其它類型的閉鎖繼電器也可以使用相同電路原理和/或設(shè)計目標(biāo)被執(zhí)行。Gruner750提供兩個線圈，一個線圈用于置位，一個線圈用于使觸點復(fù)位。這些線圈的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱操作電壓是6V到16V。對于保護開關(guān)，3.4V或者更低的觸發(fā)電壓是強制的。在上述示例中，繼電器設(shè)計(諸如Gruner750)提供置位線圈和復(fù)位線圈，并且上面描述的電路的特殊優(yōu)點在于使用兩個線圈用于置位或者復(fù)位。從而，這使得電樞(armature)中的磁通翻倍。所示的電路提供置位線圈電壓的極性關(guān)于針對復(fù)位線圈的極性被反轉(zhuǎn)，以使得兩個線圈沿相同方向工作。該規(guī)定將導(dǎo)致例如3.0伏的觸發(fā)電壓。

由于在一些環(huán)境下，觸發(fā)電路中的電壓降(二極管正向電壓降、晶體管的飽和電壓)不能避免，因此可提供具有4Ω的較低線圈電阻(標(biāo)準(zhǔn)10Ω)的繼電器修改以便補償這些損耗。

在特定示例中，本發(fā)明的重要之處是關(guān)于觸點位置的固有反饋功能，其帶來更好的操作可靠性。如果觸點在電池電壓的正常極性時是打開的，則線圈電流被持續(xù)提供，直至觸點被完全閉合為止。如果觸點隨著電池的反極性被閉合，則線圈電流至少被連續(xù)地提供(加上延長的時間)，直到觸點被完全打開為止。當(dāng)M2處于導(dǎo)通狀態(tài)時使用M3的本征二極管來閉合電流路徑(反之亦然)，這以簡單方式消除了對另外二極管的需求。