高压保护系统的制作方法

1.本主题大体上涉及一种车辆。更具体地但非排他地，本主题涉及一种车辆中的高压保护系统。


背景技术：

2.在电动车辆和混合动力车辆中，所使用的电池一般都具有大于12v的电压，这既可以为需要高电压的牵引电机供应电力，又可以同时为诸如开关、前照灯、尾灯、喇叭等低电压负载提供电力。因此，使用dc
‑
dc转换器(直流
‑
直流转换器)将电压降低至12v或5v以用于低电压负载。信号调节电路一般设计为最大12v的系统。
3.在电动车辆或者混合动力车辆的情况下，可能有两种类型的电线组件。一个电线组件为高电压的而另一个电线组件为低电压的。可以小心进行电线组件的布线，使得一个电线组件不会干扰到另一个电线组件，并且在维修期间也很容易检测到任何故障并对其进行纠正。布置高压电线组件和低压电线组件的另一种方式是将它们布置在特定的位置。这种类型的布置可能是基于车辆的设计所需的。高压电线组件和低压电线组件都沿着车辆框架平行延伸。通常，为了保护低压电线组件免受任何干扰、热失控、尖峰或火灾危险，两种类型的电线组件都设置有橡胶盖或者塑料盖或者有时还有织物盖。
附图说明
4.图1示出了结合本主题的示例性车辆的左视图。
5.图2示出了描绘具有缺点的现有技术的框图。
6.图3示出了克服现有技术中的缺点的本主题的框图。
7.图4示出了本主题的高压保护电路的电路级图。
8.图5示出了本主题的开关输入故障收集单元的电路级图。
9.图6示出了本主题的开关输入故障检测单元的电路级图。
10.图7示出了执行本主题的方法的流程图。
具体实施方式
11.当高压电线组件和低压电线组件一起布线在车辆的特定位置处时，在要求需要时，低压电线组件由于高压电线组件而受到影响的敏感性增加。由于环境因素(例如光、热、电阻或啮齿动物等不期望的因素)可能会损坏电线组件。这可能会导致高压电线组件和低压电线组件中的电线由于裸露电线的接近而面临短路等危险。
12.从多个负载连接到信号调节电路的输入开关如果没有受到针对由于短路引起的高压的保护，则信号调节电路和微控制器可能会故障。电子控制单元(ecu)包括信号调节单元和微控制器，在损坏的情况下需要更换电子控制单元，因此由于整个ecu连同微控制器需要更换而导致更换成本飙升。
13.因此，本主题提供了一种检测短路和通过禁用车辆来防止信号调节单元短路的系
统。这使得车辆用户能够了解是否有任何电线短路以达到48v或更高的高压，并且确保该用户的安全以及车辆上的任何潜在火灾事故。
14.本主题的另一方面提供了一种ecu(电子控制单元)，其能够检测高压电线和一个或多个输入开关之间的短路，具有用于牵引目的的高压电池，以及非隔离设计的电子控制单元(ecu)。
15.本主题的另一个实施例提供了一种用于多个模块的系统，该模块以协同方式工作并与可能短路的一些输入区分开。第一模块包括高压保护电路，以检测在任何输入开关中是否出现电压尖峰。第二模块包括故障收集电路，其包括来自多个负载的多个输入开关并且检查任何输入开关中是否发生了任何故障。第三模块包括故障检测电路，其中从第二模块接收到的输入电压与阈值电压进行比较。高压保护电路向故障收集电路提供输入，并且故障检测电路从故障收集电路获得输入。
16.另一个方面提供了一种高压保护电路，包括诸如齐纳二极管的反向偏置半导体器件。当输入电压增加超过特定值时(取决于齐纳击穿电压)，这可能损坏电路，齐纳二极管势垒(根据输入信号电压值而严谨选择)被击穿，并且电能被转移到零电位接地端子从而保护电路免受任何尖峰电压的影响。
17.本主题的另一个实施例提供了一种故障收集电路，其负责降低电压，然后过滤出伴随从多个输入开关中的任一个接收到的信号的噪声。
18.本主题的另一个实施例提供了一种故障检测电路，其接收来自故障收集电路的输出，然后将从故障收集电路接收的输出电压与由阈值电压生成电路生成的阈值电压相比较。在正常操作状态下，当任何一个开关被接通时，故障收集单元从输入开关接收12v(或更低)的输入。在短路情况下，故障收集电路接收如48v或更高的高压。
19.根据以下描述和附图，本主题的这些和其他优点将结合速可达(scooter)型两轮车辆的实施例来详细描述。
20.图1示出了根据本主题的实施例的示例性机动车辆(100)的左侧视图。所示出的车辆(100)具有框架构件(105)。在本实施例中，框架构件(105)是跨步式的，包括头管(105a)和从头管(105a)的前部向后向下延伸的主框架(105b)。主框架(105b)倾斜地向后延伸至车辆(100)的后部。
21.车辆(100)包括连接到框架构件(105)的一个或多个原动机。在本实施方式中，原动机之一是安装到框架构件(105)的内燃(ic)发动机(115)。在所描绘的实施例中，ic发动机(115)被安装至结构构件(135)，该结构构件枢转至框架构件(105)。在一个实施例中，结构构件(135)是由包括金属制成的刚性构件。车辆(100)还包括另一个原动机，即电动机(120)。在优选实施例中，电动机(120)是通过轮毂安装至车辆(100)的一个车轮上。在另一实施例中，一个或多个电动机被安装至车轮或安装至车辆框架。在所描绘的实施例中，车辆(100)包括至少两个车轮，并且电动机(120)通过轮毂安装至车辆的后轮(125)。前轮(110)由框架构件(105)可转动地支撑，并且连接到能够操控车辆(100)的车把组件(130)。
22.此外，车辆(100)包括驱动电动机(120)的高容量车载电池(未示出)。高容量电池可以包括一个或多个高容量电池组或一个或多个低容量电池单元。高容量电池可以设置在车辆(100)的前部、后部或中部。高容量电池由框架构件(105)支撑，并且车辆(100)包括安装到框架构件(105)以覆盖车辆(100)的各种部件的多个车身面板。多个面板包括前面板
(140a)、腿部护罩(140b)、座椅下盖(140c)以及左侧面板和右侧面板(140d)。杂物箱可以被安装至腿部护罩(140b)。
23.底板(145)被设置在由主管(105b)限定的跨步部分处。座椅组件(150)被设置在跨步部分的后方并且被安装到主框架(105b)。在车辆(100)的纵向方向f
‑
r(前
‑
后)上伸长的座椅组件(150)使得用户能够以骑乘式姿势操作车辆。一个或多个悬架将车轮(110)、(125)连接到车辆(100)，并提供舒适的乘坐。车辆(100)包括多个电气和电子部件，包括前照灯(155a)、尾灯(155b)、起动电机(未示出)、喇叭等。此外，车辆(100)包括主控制单元(未示出)，该主控制单元控制车辆(100)的整体操作，包括ic发动机(115)、电动机(120)的功能，由磁电机/集成式启动发电机(isg)为电池充电，通过磁电机/isg驱动负载，通过在发电机模式下运行的电动机为高容量电池充电，以及与车辆(100)的操作相关联的任何其他操作。图1所示出的车辆(100)是示例性车辆，并且本主题可用于两轮车辆、三轮车辆或四轮车辆。
24.图2示出了现有技术中描绘的12v系统信号调节模块(201)。通常，信号调节模块(201)包括emi(电磁干扰)抑制电容器(205)，其在主开关(206)接通后接收输入。输入电压包括噪声。emi抑制电容器(205)移除由外部因素引起的或在高压电线组件对低压电线组件的功能造成干扰时的电磁干扰或噪声。输入电压进一步进入漏电流检测电路(204a)和润湿电流电路(204b)。漏电流检测电路(204a)用于检测电流泄漏，该电流泄漏可能由于盐水或泥浆或任何其他机动车液体而发生。润湿电流电路(204b)负责去除由于湿气而在接触区域上形成的任何氧化层。在接通状态下，开关的电阻可能基于环境条件而变化，例如在高湿度条件下，触点上会形成氧化物薄膜，这会导致电阻的增加。如果该相同开关与含有盐分的湿气相接触，则该开关的电阻在断开状态下会降低。这种不必要的电阻变化会严重影响到诸如制动系统等设备的运行，并可能分别造成电池的耗尽。已提供滤波电路(203)以在将信号发送至微控制器(202)之前滤除信号中的任何噪声。
25.通常，开关断开状态下在盐水条件下的电阻会略高于开关接通状态下在湿润条件下的电阻。因此，有必要在开关接通和断开状态之间进行区分。因此，该电路设计为承受高电压，而由于引入高电阻会增加整体损耗。如果电路需要承受高电压(～48v)，则功率损耗会随着电阻器的需求的增加而增加。电阻器的功率需求增加并且高功率需要比低功率电阻器更大的封装(尺寸)，这会导致电路的整体尺寸以及系统成本的增加。如果未结合合适的电阻器进行保护，则电压尖峰可能会损坏信号调节电路和微控制器(202)。
26.图3示出了克服图2中描述的现有技术中的问题的本主题。当主开关(206)接通时，电池(207)供应电流。然后借助emi抑制电容器(205)对电流信号进行滤波，该电容器去除电流信号中的任何电磁干扰。滤波后的电压信号然后被传送到高压保护电路(301)，其主要用于在电压信号中存在任何不必要尖峰时将信号调节电路与输入源断开。高压保护电路(301)紧接在主开关(206)之后且在信号调节电路之前实施。下一模块是故障收集电路(302)，其设置有一个或多个输入开关，该输入开关被配置为接收来自设置在车辆(100)中的一个或多个负载的输入。电路；不论任何一个开关处于接通或断开状态，如果任何一个输入开关接收到电压信号；该故障收集电路(302)开始导通。通过包括多个电阻器的分压器电路使该电压信号降压，然后降低的电压被馈送到包括故障检测电路(303)的第三模块。当车辆在发动机模式下运行时，由于产生的电压不断变化，高压保护电路(301)保护车辆的电路免受任何电压尖峰的影响。但是，即使在低电压(～12v)下工作，车辆中存在的其他负载也
始终有可能与车辆中设置的任何其他电线形成短路。因此，保护车辆的电路和其他线缆免受此类短路(该短路会导致电压突然飙升并可能导致电气部件严重损坏或意外火灾)的影响变得很重要。故障收集电路(302)接收来自多个负载的输入，并且如果发生短路，则输入开关(501，502，503，504)中的至少一个将高电压发送到故障收集电路(302)，故障收集电路(302)将输入电压降低相当大的量，并且高电压被降低然后馈送到故障检测单元(303)。由故障检测电路(303)接收的输入电压通过比较器(601)(未示出)与阈值电压进行比较。如果接收到的输入电压(来自故障收集单元)仍然大于微控制器中设置的预定/阈值电压，则车辆被微控制器(202)禁用。
27.在最后阶段，故障检测电路(303)接收来自故障收集电路(302)的输出，然后将其与阈值电压生成电路生成的阈值电压进行比较。
28.图4提供了高压保护电路(301)的电路级图。通过闭合主开关(206)为高压保护电路(301)提供输入电压。主开关(206)允许电流沿双极结型晶体管(q1和q2)的方向流动。该双极结型晶体管电流通过提供基极限流电阻器(ra、rb)来限制。第一基极电阻器(403)控制在第一双极结型晶体管(404)的基极端子方向上的电流，第二基极电阻器(405)控制在第二双极结型晶体管(406)的基极端子方向上的电流。第二双极结型晶体管(406)允许该电流流入一个或多个信号调节电路。根据实施例的双极晶体管是npn晶体管。
29.第一双极结型晶体管(404)的集电极端子连接到第二基极电阻器(405)，也连接到第二双极结型晶体管(406)的基极，并且第一双极结型晶体管(404)的发射极端子连接到零电位接地端子。而第二双极结型晶体管(406)的发射极端子向一个或多个信号调节电路(201)提供受控电流，该一个或多个信号调节电路(201)被配置到诸如微控制器(202)之类的电子部件(如图3所示)。第二双极结型晶体管(406)的集电极端子连接到输入开关。高压保护电路(301)设置有齐纳二极管(402)，该齐纳二极管用于执行在输入开关提供的输入电压越过齐纳击穿电压后保护电路免受高压影响的重要功能。阈值电压可以通过选择合适的齐纳二极管(402)来设置，根据电路的要求，该齐纳二极管具有特定的反向击穿电压。齐纳二极管(402)的负端子配置为在主开关(206)闭合时接收输入电压，而齐纳二极管(402)的正端子电连接到第一基极电阻器(403)。
30.在主开关(206)的闭合状态期间，当向高压保护电路(301)提供输入电压时，电流开始沿第二基极电阻器(405)的方向流动。第二双极结型晶体管(406)通过接收受控基极电流而被激活。第一双极结型晶体管(404)保持断开状态而第二双极结型晶体管(405)继续导通。由于齐纳二极管(402)的反向偏置电压势垒(vz)，齐纳二极管(402)防止电流流向第一双极结型晶体管(404)。齐纳二极管(402)用作开关，在达到其反向击穿电压之前保持断开状态，而在反向击穿电压势垒(齐纳二极管电压，vz)由于输入电压中的尖峰而被越过时处于接通状态并开始导通。
31.当输入电压中出现任何浪涌且输入电压越过齐纳反向击穿电压时，电流开始涌向第一双极结型晶体管(404)的方向。在这一阶段，第二双极结型晶体管(406)停止传导电流并被断开，从而保护易受任何电压波动影响的一个或多个信号调节电路。当第一双极晶体管(404)处于接通状态时，第二双极晶体管(406)保持在断开状态。当一个双极晶体管处于接通状态时，另一个双极晶体管保持在断开状态，反之亦然。不会存在具有相同状态的双极晶体管，两个双极晶体管的状态都会根据输入电压而变化。
32.当输入电压越过齐纳反向击穿电压时，齐纳二极管开始导通，电流通过第一双极结型晶体管(404)流向接地端子。第一双极结型晶体管(404)的基极端子允许少量电流流向第二双极结型晶体管(406)。
33.图5提供了故障收集电路(302)。故障收集电路(302)包括诸如单结二极管的多个半导体器件。单结二极管(505，506，507，508)为正向偏置，其中p型区域接收来自连接到车辆的一个或多个负载的一个或多个输入开关(501，502，503，504)的输入。多个单结二极管(505，506，507，508)的n型区域捆接在一起，n型区域或阴极端子处的电压等于阳极端子(p型区域)处的最大电压减去单结二极管的势垒电压(即针对硅二极管为0.7伏特，针对锗二极管为0.3伏特)。故障收集电路(302)中使用的单结二极管(505，506，507，508)为pn结二极管。多个单结二极管(505，506，507，508)以正向偏置条件连接，具有非常高的反向阻断电压(远高于电池电压)，因此当多个单结二极管(505，506，507，508)以反方向连接时，其可以防止电流的任何流动。
34.多个单结二极管(505，506，507，508)的n型区域或阴极端子分别连接到具有低通滤波器的分压器电路(513)。桥式电阻器(509)将多个单结二极管(505，506，507，508)连接到包括并联配置的电阻器和电容器的分压器电路(513)。基于桥式电阻器(509)和低通滤波电阻器(511)的比(比＝r2/r1)来降低电压。施加到多个单结二极管(505，506，507，508)的输入电压还伴随着尖峰和噪声，该尖峰和噪声被分压器电路(513)的电容器(510)滤除。电容器(510)允许低频电压经过开关故障收集电路(302)。
35.严谨选择低通滤波电阻器(511)和桥式电阻器(509)，使得故障收集电路(302)的输出总是低于用于检测任何故障的阈值电压。
36.在高压(～48伏特或更高)的情况下，高压被降压，然后被馈送到故障检测单元(参考图6)。类似地，如果多个二极管(505，506，507，508)中的任何一个发生高压短路，无论开关状态是接通还是断开，高压(48v或更高)都会连接到多个二极管(505，506，507，508)中的一个然后使高压被降压并馈送至故障检测电路(303)。
37.图6提供了故障检测电路(303)。故障检测电路(303)检测电压中的任何尖峰。故障检测电路(303)包括比较器(601)，该比较器用于将来自故障收集电路(302)的输出与由阈值电压生成电路(607)生成的阈值电压进行比较。从故障收集电路(302)接收到的输出被配置到比较器(601)的正端子，并且阈值电压从阈值电压生成电路(607)被馈送到比较器(601)的负端子。
38.阈值电压生成电路(607)包括例如电池的电压源(605)和故障检测电阻器(603，604)。故障检测电阻器(603，604)的故障检测比(r3/r4)决定了阈值电压的值。
39.图7提供了用于鞍座式车辆的高压保护系统的方法。在步骤701中，第一模块即高压保护电路(301)，并且高压保护电路(301)接收输入电压信号。接收到的输入电压信号由高压保护电路(301)的齐纳二极管进行调节。当在步骤702中将输入电压信号与齐纳二极管电压(vz)进行比较时，如果输入电压信号大于齐纳电压，则电路断开以防止高压损坏(步骤704)。如果不是，则在步骤705中故障收集电路(302)从车辆中的几个负载接收多个输入。在步骤706中，检查是否存在短路。如果没有短路，则不发生动作(步骤707)。但是在短路情况下，分压器将电压降低相当大的量(在步骤708中)。在步骤709中，故障检测单元接收来自故障收集单元的输入。在步骤710中，比较器将输入与阈值电压进行比较。如果输入大于阈值
电压，则在步骤713中微控制器禁用车辆，否则车辆保持运行状态(或车辆状态没有变化)(步骤712)。
40.在正常工作条件下，从故障收集电路接收到的输入保持低于阈值电压。而在异常情况下，从故障收集电路接收到的输入会超过阈值电压，这会损坏电路。