车辆配电电路和车辆电力系统的制作方法

1.本公开涉及车辆配电电路和车辆电力系统。本公开尤其涉及车辆电力安全装置，以及用于车辆电力分配架构中的短路保护的系统和装置。


背景技术：

2.当设计系统架构时，汽车应用中的能量分配是重要的考虑因素。考虑到自主驾驶的日益流行和增强安全技术的集成，标准车辆现在拥有许多需要电力供应的汽车模块。重要的是，通常要区分关键模块和非关键模块。关键模块是对车辆的安全操作至关重要的模块，并且通常包括转向、高级驾驶员辅助系统(adas)以及制动功能。相反，非关键模块通常包括内部照明、媒体和空调系统。由于关键模块的重要性，期望确保电力架构提供这些模块与不受可能因能源供应变化而产生的干扰影响的电力线相连。
3.在这方面，在掉电的情况下，一些非关键模块可以被配置为被预防性地禁用，以便将剩余的电源尽可能长时间地引向关键模块。为此，汽车电力架构可以隔离第一电力线上的关键模块，而非关键模块分开保持在第二电力线上。然而，在这些电力线之间需要充电线，以允许在车辆正常行驶时对诸如电池或超级电容器的能量存储器充电。
4.鉴于以上所述，可以在充电线中设置保险丝以便在短路的情况下保护能量存储器和关键模块。也就是说，第二电力线上的短路可能导致从能量存储器汲取相对高的反向电流。这将导致第一电力线上的电压降低，这可能影响关键模块的操作。当反向电流超过保险丝的阈值时，设置保险丝可以通过断开连接来防止这种情况。然而，这种解决方案的问题在于，只有当能量存储器被充分充电以提供超过保险丝额定值的电流时，保险丝才会熔断。但情况并非总是如此。
5.为了解决上述问题，更现代的配置在控制器的控制下用低压开关或多个智能场效应晶体管(fet)开关代替熔断保险丝。图1示出了车辆配电架构1内的这种常规配置的示意图。在这种架构中，电池2提供主电源，用于通过电池线3向一个或更多个关键模块4提供能量。同时，非关键模块5通过连接到在车辆行驶时为这些模块供电的车辆发电机或dc/dc转换器9的电力线8供电。
6.此外，充电线7设置在电池线3与电力线8之间。当车辆行驶时，发电机或dc/dc转换器9将通过经由充电线7施加正向电流来对电池2充电。然而，为了在可能由例如在电力线8上发生的短路12而引起的瞬态干扰的情况下保护电池线3，在充电线7上设置可由保护控制器11控制的保护开关6。保护控制器11监测充电线7上的电压，并且响应于检测到超过阈值的电压变化(例如，升高到高于上电压阈值，或降低到低于下电压阈值)，将输出用于断开保护开关6的控制信号。这由此允许关键模块4从电力线8断开。
7.然而，这些现有架构存在许多问题。首先，在断开保护开关6以将电池线3与电力线8断开时，保护开关6本身会发生显著的损坏。这部分是由于系统可能输送相对高的能量而造成的。例如，如果通过充电线7的电流超过200a，则会有许多焦耳的能量被施加到开关，这可能导致损坏或损害其长期可靠性。其次，能量的耗散也可能需要提供散热器和热管理系
统来维持开关的操作。这增加了整个组件的成本和尺寸。此外，一旦开关打开，车辆就需要停止并且系统进行测试以检查在开关可以返回到闭合位置之前故障是否已经消除。然而，当开关打开时，电池2不能再充电，导致电池2耗尽直到车辆停止。因此，短暂的瞬态干扰可能导致电池2未被再充电，这最终可能导致关键模块4的电力被切断。
8.因此，仍然需要一种改进的车辆配电架构来解决上述缺点。


技术实现要素：

9.根据第一方面，提供了一种车辆配电电路，用于连接在能量存储器与连接到发电机或dc/dc转换器的电力线之间，该电路包括：连接在能量存储器与电力线之间的充电线，用于当由发电机或dc/dc转换器施加正向电压时对能量存储器进行充电；保护开关，该保护开关设置在所述充电线中并且能够响应于所述电力线上的电压下降而断开，以防止电流通过所述保护开关传导；以及与充电线中的保护开关并联设置的理想二极管配置，用于在施加正向电压时将正向电流从发电机或dc/dc转换器传导到能量存储器，并且用于在施加反向电压时防止反向电流从能量存储器传导到电力线。
10.这样，理想二极管配置为保护开关提供旁路，从而即使当保护开关断开时，也允许能量存储器(诸如电池或超级电容器)被发电机或dc/dc转换器再充电。因此，即使电力线上的短路导致保护开关断开，也可以将提供给关键部件的电力保持更长时间。此外，一旦电压下降干扰消失，也可以在保护开关被触发断开之后重新闭合保护开关。也就是说，车辆配电电路不需要车辆停泊以重置保护系统，因为电力线和能量存储器实际上连接在理想二极管上，因此即使能量存储器弱，发电机或dc/dc转换器也能够支持安全临界负载。同样，电力线上的干扰也被减小，因为当开关断开时，如果电力线电压高于能量存储器电压，则到能量存储器的能量可以继续被传送。
11.在实施方式中，车辆配电电路还包括用于响应于电力线上的电压下降而控制保护开关断开的控制器。这样，控制器监测电力线上的电压，并且响应于检测到电压下降，可以输出用于断开保护开关的控制信号。在实施方式中，控制器可以有线连接到车辆配电电路中，或者可以与电路无线通信。
12.在实施方式中，车辆配电电路还包括连接到能量存储器的电池线，并且其中，充电线连接在电池线与电力线之间。
13.在实施方式中，控制器还用于响应于电池线上的电压下降而控制保护开关断开。这样，控制器监测电池线上的电压，并且响应于检测到电压下降，可以输出用于断开开关的控制信号。
14.在实施方式中，车辆配电电路还包括至少一个电压传感器，用于感测电力线和/或电池线上的电压，并且其中控制器连接到所述至少一个电压传感器，用于从其接收感测到的电压。
15.在实施方式中，保护开关能够响应于电力线上的电压下降到预定阈值以下而断开。
16.在实施方式中，所述理想二极管配置包括连接在充电线中的mosfet和用于驱动该mosfet以仿真理想二极管的理想二极管控制器。
17.在实施方式中，所述mosfet包括主体和栅极，并且其中栅极由理想二极管控制器
驱动，并且当mosfet被栅极关断时，主体防止反向电流。
18.在实施方式中，控制器包括用于比较mosfet两端的电压的比较器，其中当比较器检测到mosfet两端的反向电压时，控制器驱动栅极关断mosfet。这样，使用鲁棒的比较器装置可以快速地检测反向电压。
19.根据第二方面，提供了一种车辆电力系统，包括能量存储器；发电机或dc/dc转换器；电力线，用于将所述发电机或dc/dc转换器连接到一个或更多个被供电的模块；以及分配电路，该分配电路包括连接在能量存储器与电力线之间的充电线，用于在所述发电机或dc/dc转换器施加正向电压时对该能量存储器进行充电；保护开关，所述保护开关设置在所述充电线中，并且能够响应于所述电力线上的电压下降而断开，以防止通过所述保护开关的电流传导；以及与充电线中的保护开关并联设置的理想二极管配置，用于在施加正向电压时将正向电流从发电机或dc/dc转换器传导到能量存储器，并且用于在施加反向电压时防止反向电流从能量存储器传导到电力线。
20.在实施方式中，车辆电力系统还包括用于将能量存储器连接到一个或更多个关键供电模块的电池线，以及用于感测电力线上的电压的第一电压传感器。以此方式，可以感测电力线上的电压的精确测量，以更快速地确定是否发生了瞬态干扰。
21.在实施方式中，车辆电力系统还包括用于感测电池线上的电压的第二电压传感器。以此方式，可以感测电池线上的电压的精确测量。
22.在实施方式中，车辆电力系统还包括控制器，用于响应于由第一电压传感器或第二电压传感器感测到的低于预定阈值的电压下降来控制保护开关断开。这样，控制器监测电力线和电池线上的电压，并且响应于检测到电压下降到预定阈值以下，将输出控制信号以断开开关。在实施方式中，控制器可以有线连接到车辆配电电路中，或者可以与电路无线通信。
23.在实施方式中，理想二极管配置包括连接在充电线中的mosfet，以及用于驱动mosfet以仿真理想二极管的理想二极管控制器。
24.在实施方式中，mosfet包括主体和栅极，并且其中栅极由理想二极管控制器驱动，并且当mosfet被栅极关断时，主体防止反向电流。
附图说明
25.现在将参照附图描述说明性实施方式，其中：
26.图1示出了传统车辆配电架构的示意图；以及
27.图2示出了根据说明性实施方式的车辆配电架构的示意图。
具体实施方式
28.图2示出了根据说明性实施方式的车辆配电架构10。与图1所示的传统配置一样，电池2用作能量存储器，并提供主电源，用于通过电池线3向一个或更多个关键模块4a-4b提供能量。同时，非关键模块5a-5c经由连接到车辆的用于在车辆行驶时为这些模块供电的发电机或dc/dc转换器9的dc/dc电力线8供电。此外，充电线7设置在电池线3与dc/dc电力线8之间。
29.充电线7形成连接在车辆的电池线3与dc/dc电力线8之间的车辆配电电路14的一
部分。
30.车辆配电电路14还包括设置在充电线7上的保护开关6，该保护开关6在断开时可操作用于断开电池线3与dc/dc电力线8之间通过保护开关6的电流路径。保护开关6的操作由控制器15控制，如下面进一步详细讨论的。
31.dc/dc电压传感器17设置在dc/dc电力线8上以感测其上的电压，电池电压传感器16设置在电池线3上以感测其上的电压。控制器15从电池电压传感器16、dc/dc电压传感器17接收测得的电压信号，并根据测得的电压来控制保护开关6的断开和闭合。
32.理想二极管配置13进一步设置在充电线7中，与保护开关6并联。理想二极管配置13设置成传导来自发电机或dc/dc转换器9的正向电流，用于对电池2进行充电。相反，当施加反向电压时，理想二极管配置13防止反向电流从电池2传导到电力线8。理想二极管配置13有效地形成对充电线7上的保护开关6的定向旁路，反之亦然。因此，当保护开关6断开时，来自发电机或dc/dc转换器9的正向电流可以绕过断开的保护开关6以对电池2进行充电。相反，当保护开关6闭合时，电流可以在两个方向上绕过理想二极管配置13。这样，尤其是，在保护开关6闭合的情况下，从电池2到dc/dc电力线8的反向电流可以绕过理想二极管配置13的方向性。这提供了电池线3和dc/dc电力线8上的功率稳定。
33.如本领域中已知的，理想或完美的二极管不是常规意义上的二极管，而是mosfet和仿真理想二极管的行为的理想二极管控制器的配置。因此，当施加反向电压时，该配置提供非常低的正向电压降和可忽略的反向电流。在该配置中，mosfet的源极和栅极连接在充电线7中，使得当mosfet关断时，mosfet主体阻断反向电流。相反，当mosfet导通时，正向电压降和功耗最小。通过由理想二极管控制器驱动mosfet的栅极来控制mosfet的开关，理想二极管控制器感测通过mosfet的反向电流，并驱动栅极将其关断，从而阻断反向电流。
34.在该实施方式中，mosfet是n沟道mosfet，尽管其它mosfet配置也是可能的。理想二极管控制器具有用于驱动mosfet栅极高于其阳极的内部电荷泵、用于导通mosfet的正向比较器、以及用于在检测到反向电流时关断mosfet的反向电流比较器。反向比较器监测控制器阳极和阴极两端的电压，如果检测到反向电流，则mosfet的栅极被强下拉电流短路。这快速地提供强栅极驱动以将栅极下拉至源极电压，从而快速地关断mosfet。这样，理想二极管配置13可以提供快速响应以防止反向电流通过mosfet并因此通过充电线7进行传导。此外，有利地，通过使用比较器，可以将关断电流阈值设置为极低，从而允许仿真理想二极管响应。
35.在使用中，在正常车辆操作条件期间，车辆配电电路14允许发电机或dc/dc转换器9经由电力线8向非关键模块5a-5c供电，并且通过充电线7经由电池线3向关键模块4a-4b供电。在dc/dc电力线8上的电压较高的情况下，来自发电机或dc/dc转换器9的多余能量经由传导通过理想二极管配置13内的闭合保护开关6和/或mosfet的正向电流路径进一步对电池2进行充电。
36.在使用中，控制器15将通过电池电压传感器16、dc/dc电压传感器17检测电池或dc/dc电力线8上的电压下降。控制器15被配置为检测低于预定最小阈值的电压下降，并响应于此断开保护开关6。例如，在12v汽车e/e架构中，在电池线3、电力线8中的任一者上低于12v最小阈值的电压下降都可以使控制器15触发保护开关6断开。应当理解，在实施方式中，可以根据e/e架构的工作电压和保护电路的所需灵敏度来调整该最小阈值。同样，控制器15
可以包括用于滤除非常短暂的瞬时电压波动的滤波器。在实施方式中，控制器还可以被配置为在电池线3、电力线8中的任一者上检测到的电压超过预定上阈值的情况下断开保护开关6。
37.利用上述配置，如果短路事件发生在dc/dc电力线8上，或者发生在发电机或dc/dc转换器9内，则电压的瞬时下降可能发生在电力线8上。如上所述，该电压下降将由控制器通过dc/dc电压传感器17检测，并且如果该电压下降低于预定最小阈值，则控制器15将输出信号以断开保护开关6。通过断开保护开关6，防止从电池2汲取相对高的反向电流。这样隔离功率消耗保护电池2免受在发电机或dc/dc转换器9处发生的任何低电压瞬态干扰，这又防止了电池线3上的电压下降，由此确保关键模块4a-4b的操作保持不受影响。这样，保护开关6用作低电池瞬变保护开关6，用于防止电池2通过到dc/dc电力线8的短路而耗尽。
38.重要的是，设置在充电线7上的理想二极管配置13允许发电机或dc/dc转换器9在保护开关6断开时通过充电线7继续对电池2进行充电。因此，如果瞬时短路事件引起保护开关响应的触发，但是dc/dc电力线8上的电压被快速恢复，并且dc/dc电力线8上的电压高于电池线3上的电压，则能量可以继续被传送以通过理想二极管配置13对电池2进行充电。这样，即使在发生短路事件之后，也可以维持对电池2的充电。此外，由于通过理想二极管配置13的正向电流路径可以稳定较高的生成电压，所以还减少了电力线8上的干扰。
39.还应当理解，利用上述配置，如果电池2是弱的，则电池线3上的相关电压也将下降。这样，如果该电压下降到预定最小阈值以下，则控制器15将通过断开保护开关6进行响应，从而防止反向电流流过保护开关6，同时允许正向电流流过理想二极管配置13。
40.控制器15将通过电池电压传感器16、dc/dc电压传感器17检测电池线3和dc/dc电力线8上的电压何时返回到高于预定最小阈值的电平，并且作为响应，被配置为闭合保护开关6。这由此恢复了通过保护开关6的双向电流路径，并因此能够实现对理想二极管配置13的旁路。以此方式，可以在不需要通过停止车辆来复位的情况下稳定两条电力线上的进一步的瞬态电压扰动。
41.因此，利用上述配置，可以提供车辆配电电路和车辆电力系统，其能够实现有效且高效的短路保护，同时允许尽可能长时间地维持到任何关键模块的电力。这样，与使用传统的电力架构相比，车辆可以在更长的时间内保持安全运行。
42.应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的结构，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是易于实现的。
43.例如，尽管该配置允许短路保护而不需要复杂的微处理器，但是应当理解，可以结合一个或更多个微处理器使用其他实现，例如以提供性能反馈和故障监测。
44.此外，尽管已经描述了车辆配电电路，但是应当理解，该电路可以结合到配电箱中，或者形成结合到车辆中的配电系统的一部分。