用于安全关断车辆中的用电器的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于安全关断车辆中的用电器的装置和方法。

背景技术：

1、车辆的用电器通常通过熔断器来防止电流过大。虽然过去安全熔断器用于此目的，但是最近，汽车制造商越来越需要用电子开关(即晶体管)取代安全熔断器。例如，这种电子开关的一个优点是，即使在用电器安全关断之后，这种类型的关断熔断器也可以再次使用，并且可以提供关于车辆电气系统状况的更详细的信息，例如，可以提供局部电流影响或节点电压。根据应用，可以设想电子开关作为关断安全元件的另外的应用。

2、对于用于车辆中的用电器的安全关断装置的电子开关来说，有必要测量和评估用电器的当前电流消耗，以便能够在潜在电流或电压过载的情况下关断电子开关。为此目的所需的电路和电路部件需要电能来操作。

3、为了减少车辆的能量消耗，已知在用电器不被需要时，将不长期使用的用电器转入空闲或睡眠状态或者转入待机状态。在这两种操作状态下，用电器的电流消耗有时显著低于其激活状态下的电流消耗。

4、如果用电器不处于其激活状态，则安全关断装置也应在省电模式下操作。然而，这有时是有问题的，因为安全关断装置主要被设计用于监控用电器的激活状态，并因此用于与空闲或待机操作状态相比显著更高的激活状态下的电流消耗，因此它对用电器在空闲或待机操作状态下相对低的电流消耗不太敏感。有时，可能是这种情况：如果没有省电措施，则电子安全关断装置可能比在其空闲或待机操作状态下的用电器需要更多的能量。

5、从de-a-10 2019 125 122已知，当连接到设有电子开关的线的用电器处于空闲或待机操作模式时，在使用尽可能少的电能的同时监控电子开关。

6、de_a-10 2019 201 163描述了一种用于关断电池系统的电池单元的保护装置，其中电流消耗的变化触发电池单元的关断。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于安全关断车辆中的用电器的装置和方法，其中在用电器的操作状态下的电流消耗监控也被设计为省电，在该用电器的操作状态中电流消耗有时显著低于其激活状态下的电流消耗。

2、为了实现该目的，本发明提供了一种用于车辆中的用电器的安全关断装置，该用电器适于在激活状态下和在与激活状态相比电流消耗减少的至少一个另外的操作状态下(如在空闲状态下)操作，该装置包括：

3、-具有电流路径的电子开关，布置在直接或间接通向车辆的至少一个用电器的供电线路中，经由该供电线路可以向用电器提供在其激活状态下的操作以及在其至少一个另外的操作状态或在其另外的操作状态之一下的操作分别所需的电流，

4、-用于控制电子开关的驱动器电路，其中，用于将电子开关接通并因此用于将其电流路径切换至导通状态的接通信号或者用于关断电子开关并因此用于将其电流路径切换至阻断状态的关断信号能够被施加到驱动器电路，

5、-电压检测器件，设置在供电线路中并且当电流流过供电线路时生成电压降，

6、-至少一个电压放大器，其具有在电压检测器件的任一侧连接到电压检测器件或连接到供电线路的两个输入端，并且具有提供放大信号的输出端，

7、-高通或带通滤波器，用于对电压放大器的输出端处的信号进行滤波，包括连接到电压放大器的输出端的输入端并且包括提供经滤波的信号的输出端，

8、-第一比较器，连接到高通或带通滤波器的输出端并且包括两个输入端和一个输出端，用于将高通或带通滤波器的输出信号的幅度与第一阈值和/或第一电压范围进行比较，

9、-其中，当高通或带通滤波器的输出信号大于第一阈值或等于第一阈值和/或超过或低于第一电压范围时，第一比较器在其输出端输出第一激活信号，

10、-连接到第一比较器的输出端的监控单元，每当至少一个用电器处于其激活状态或处于其至少一个另外的操作状态或处于其另外的操作状态之一时，监控单元为驱动器电路生成用于电子开关的接通信号以向至少一个用电器提供电流，以及向驱动器电路输出用于电子开关的关断信号，用于潜在安全关断至少一个用电器的目的，

11、-其中，监控单元包括可切换电路部件，所述可切换电路部件能够被选择性地激活或停用，即，能够转换成关断模式或待机模式，诸如，例如逻辑电路、用于电压降测量的adc和/或温度补偿电路和/或电压供应电路和/或电压调节电路和/或具有参考电压生成电路的比较器，用于电压将测量的adc例如确定由于增加的电流消耗导致的供电线路和/或至少一个用电器的热负荷，

12、-其中，当监控单元的可切换电路部件被停用时，较之监控单元的可切换电路部件被激活的情况，监控单元需要更少的电能，以及

13、-其中，监控单元的可切换电路部件在被停用时，能够在接收到在第一比较器的输出端处存在的第一激活信号时被激活。

14、本发明的有利实施例是装置从属权利要求的主题。

15、根据本发明的安全关断装置包括具有电流路径的电子开关。电子开关被设置用于布置在供电线路中或者被布置在直接或间接通向(待保护的)车辆的(至少一个)用电器的供电线路中。电子开关(通常是晶体管，特别是mos晶体管或类似的场效应晶体管)的电流路径通过接通信号来接通，即切换为导通，并且通过关断信号来关断，即切换为阻断，接通信号和关断信号由控制电子开关的驱动器电路接收。

16、供电线路还包括电压检测器件，用于检测电流流过供电线路时的电压降。使用电压放大器来放大电压检测器件两端的电压降，该电压检测器件根据本发明因此被设置为布置在所述供电线路中，该电压放大器在其输出端提供放大的(电压降)信号。电压放大器的输出信号或(未放大的)电压降信号被提供给监控单元，该监控单元例如检查信号的幅度，以便在紧急情况下生成用于电子开关的关断信号。例如，当用电器处于其激活状态时，给出监控单元的功能。然而，如果用电器处于其空闲或待机状态，则根据本发明，监控单元可以被停用或显著地限制其功能，以便在监控用电器在其空闲或待机操作状态下的电流消耗时减少对电能的需求。就目前而言，监控单元可以从其激活模式(其中它承担对一个或更多个用电器的完全安全监控)转换到待机模式(或者甚至几乎关断模式)，在待机模式中能量供应减少，特别是显著减少，反之亦然。在上文和下文中，涉及监控单元的“停用”或“被停用”因此意味着其待机或关断模式，其中监控单元通过信号、内部存储的状态、没有时钟信号或者通过改变或断开供应电压以低电流消耗(可能接近于零的电流消耗)操作。

17、具有电气开关和电压检测器件的供电线路所通向的一个或更多个用电器所处于的状态通常由更高系统级报告给监控单元，但是也可以由一个或更多个用电器直接报告。

18、根据本发明，根据用电器的电流消耗的幅值/幅度的动态变化，监控用电器的电流消耗，特别是当用电器处于其空闲或待机操作模式时。然而，如果有利地仅持续很短的时间，那么还可以在用电器处于激活状态的情况下执行处于停用状态的监控单元对用电器的这种监控。在这两种情况下，评估此类变化发生的速度。直流(dc)分量以及对电压放大器的输出信号的偏移影响和相对“缓慢”的温度相关影响在这里并不重要。与此相比，仅考虑电压放大器的输出信号的较高频率变化，因为这种变化可能是用电器的负载状态变化或短路发生的典型指示。为此，电压放大器的输出信号被提供给高通或带通滤波器。根据本发明，该滤波器的输出信号在(第一)比较器中与第一阈值进行比较。如果高通或带通滤波器的输出信号达到或超过该第一阈值，则比较器生成提供给监控单元的(第一)激活信号，于是监控单元从其先前假定的待机模式转变为其监控模式以展现其全部功能。因此，可以说，激活信号用于“唤醒”监控单元。可以从“停用”切换到“激活”的电路部件(例如逻辑电路、用于电压降测量的adc和/或温度补偿电路和/或电压供应电路和/或电压调节电路和/或具有参考电压生成电路的比较器，用于电压降测量的adc例如确定由于增加的电流消耗而导致的供电线路和/或至少一个用电器的热负荷)，现在被“唤醒”使得监控单元进行操作，使得其电路部件提供线上的电流和/或电力和/或电压随时间变化的绝对或综合评估，这对于旨在保护激活的用电器免于接收过电流的电子熔断器来说是众所周知的。然而，对于本发明的本质，只有这些电路部件的停用在以下情况下是相关的：由于用电器的电流需求无论如何都是低的，例如在其空闲或待机操作状态下，这样的评估对于能够在潜在需要的情况下激活电路部件是不必要的。在该“唤醒过程”期间，用电器可能仍处于其待机或空闲状态。

19、例如，达到或超过第一比较器的第一阈值被视为用电器可能已经切换到其激活状态的指示。在这种状态下，出于潜在安全关断的目的对用电器的电流消耗监控的需求明显高于用电器处于其空闲或待机操作状态的情况。由此“被唤醒”的监控单元保持在该状态的程度可能受到其他的、可能是更高级别的用电器状态检查的影响。因此，如果检测到用电器仍处于空闲或待机操作状态，则监控单元可以在一定时间之后恢复到电流消耗减少的操作(待机模式)，这是由更高级的系统控制的或者在监控单元本身的控制下根据时间条件或类似状态条件。这样，如果在例如0.1秒、1秒或高达10秒的可预定时间内(例如，根据可预定的标准，诸如检测到的电流、电流路线或电流分布)没有检测到用电器的电流消耗增加，则监控单元可以在时间控制下或者根据另一状态条件“唤醒”，以再次呈现其先前的低电流消耗状态。

20、作为替选，可以例如通过时间条件周期性地唤醒监控单元。另外的唤醒条件可以与外部环境有关。这些外部环境也可以导致监控单元不时地被周期性唤醒。这用于检查监控单元的正确功能。此外，车辆电气系统中可能出现的电压降可以用作唤醒条件。

21、根据本发明的装置的上述控制可以预先配置地存储在配置存储器中，例如监控单元中。具体地，如果电子开关被设计成保护用电器免受过电流的影响，则更高级的系统使监控单元在时间相关的基础上或者由于其他规范而再次接通电子开关，这可以在例如当由于关断的电子开关而也被关断的用电器再次接通时执行，即再次呈现其激活状态或其空闲或待机状态。

22、因此，本发明的一个优点在于，在用电器的空闲或待机状态下，电流消耗监控所需的电能也减少。然而，本发明的另一优点主要在于当用电器处于空闲或待机状态时评估电压检测器件两端的电压降的方式。在该操作状态下，评估电压检测器件两端所测量和放大的电压降的相关动态变化的幅度。因此，诸如静态误差贡献的直流分量是无关紧要的。有利地，这种类型的监控自动地适应当前电流消耗，作为转换到待机状态期间的参考。换言之，对于不同大小的(空闲)电流，在用电器的空闲或待机操作状态下电流消耗实际上有多高是无关紧要的。因此，在这方面不需要任何信息，使得不需要针对用电器在其空闲或待机操作状态下的不同大小的电流预先设计或限定监控。

23、在本发明的改进中，第一比较器还可以检查是否维持或超过或低于电压范围，为此目的，第一比较器被设计为一种窗口鉴别器。因此，可以检查动态变化的极性以及超出或低于范围限制。因此，可以检测例如在与其他电压供应源或与其他用电器短路的情况下可能发生的反向流动电流。例如，如果电流消耗从直流电平下降到零，则还可以使负载或用电器的“打开”可检测。

24、在本发明的有利改进中，安全关断装置可以包括连接到至少一个电压放大器的输出端的紧急关断比较器，用于将至少一个电压放大器的输出端处的信号(包括dc分量)的绝对幅度与紧急关断阈值进行比较，如果至少一个电压放大器的输出端处的信号的幅度达到或超过紧急关断阈值，则紧急关断比较器生成用于电子开关的关断信号。根据本发明的该改进的措施用于在紧急情况下为用电器的关断提供额外的安全性。如果出于某种原因，在用电器的空闲或待机操作状态下出现过大电流且该电流上升相对缓慢，则紧急关断比较器可以生成用于电气开关的关断信号。当用电器的电流消耗超过紧急关断阈值时，就会发生这种情况。在该上下文中，相关的是紧急关断的响应时间短于上述监控单元的唤醒或初始化时间。紧急关断阈值可以根据用电器来设置或者对应于在用电器的激活状态下也用于紧急关断的阈值。用电器在其激活状态下的标称功耗通常是已知的。因此，紧急关断阈值应被设置成高出一定的百分比值。这可以例如通过检测用电器在从激活状态转变到其空闲或待机操作状态期间的电流消耗并且使用其作为紧急关断阈值的基础来自动地完成。

25、在根据本发明的安全关断装置中，可以有利地进一步设置：监控单元连接到至少一个电压放大器的输出端，并且当其可切换电路部件被激活时，根据用于电子开关的接通信号和关断信号的选择性生成来评估至少一个电压放大器的输出端处的信号。当监控单元在接收到第一激活信号之后已经呈现其全部功能并因此呈现监控模式时，使用电压放大器的输出端和监控单元之间的该连接。然后，监控单元基于电压放大器的输出信号的幅度进行操作；根据本发明，频率和幅度，即该输出信号的动态变化的幅值基本上是不相关的。

26、在本发明的另一有利实施例中，可以设置：高通或带通滤波器的输出端连接到第二比较器，该第二比较器用于将高通或带通滤波器的输出信号的幅度与高于第一阈值的第二阈值进行比较；如果高通或带通滤波器的输出端处的信号大于第二阈值或等于第二阈值，则第二比较器输出第二激活信号，其中第二激活信号可以被提供给监控单元以激活其可切换的电路部件，以便进一步应对和处理以可能转换成用于电子开关的关断信号和/或被设计作为电子开关的关断信号。这里，高通或带通滤波器的输出信号因此与高于或等于第一阈值的第二阈值进行比较。如果在空闲或待机操作状态下用电器的电流消耗的变化率(即动态变化的幅度)非常高，则这可以表明存在短路或其他危险情况。如有必要，可以通过关断电子开关来防止这种情况发生。

27、因此，根据本发明上述实施例提供的上述紧急关断比较器和第二比较器当然可以得到相同的结果，即关断电子开关。虽然该事件是由于电压放大器的放大输出信号的幅度而由紧急关断比较器引起的，但是由于动态性，即用电器在其空闲或待机操作状态下的电流消耗变化的速度，该事件是通过第二比较器发生的。

28、在本发明的另一合适的实施例中，可以提供单个电压放大器，其可以在具有高能量需求的操作和具有低能量需求的操作之间切换，即，其可以被切换为例如至少一个用电器处于激活状态并且该用电器处于其至少一个另外的操作状态或其另外的操作状态之一的操作。该切换是在监控单元的控制下实现的。因此，电压放大器也可以被配置为可切换的，以便使对于电压放大的精度和电压放大器的灵敏度的要求适应于监控单元是处于监控模式还是处于待机模式或者适应于用电器是处于其激活状态还是处于电流消耗减少的其他操作状态之一。例如，在监控单元的待机模式下，放大系数可以改变，通常可以增加，和/或电压放大器的带宽可以减小到与高通或带通滤波器的带宽对齐的水平，因此通常比用电器的潜在安全相关激活操作慢。有利地，直流去耦会降低关于电压放大精度的要求。由于车辆在驾驶模式下通常需要比在关断模式或待机模式下更高的安全水平，因此在安全检查水平方面可以存在允许的牺牲。

29、根据本发明的有利实施例，安全关断装置可以包括单个电压放大器，其中电压放大器具有例如由监控单元控制的可变放大系数，当监控单元的电路部件被停用时，较之监控单元的电路部件被激活时，可变放大系数更高，或者高通或带通滤波器包括当监控单元的电路部件被停用时可连接的电压放大器，用于输出被进一步放大并因此与电压放大器的放大相比更高的输出信号。

30、作为上述的替选，可以提供第一电压放大器和第二电压放大器，第一电压放大器适于在监控单元的电路部件被停用时操作，因此例如至少一个用电器处于其至少一个另外的操作状态，或者至少一个用电器处于其另外的操作状态之一，或者换句话说，监控单元处于待机模式，并且第二电压放大器可以在监控单元的激活的电路部件(即，在其监控模式中)的情况下操作并且因此例如至少一个用电器处于激活状态，高通或带通滤波器连接到第一电压放大器的输出。因此，第一电压放大器应该更适于例如在用电器的空闲或待机操作状态下处理电压检测器件两端的低电压降，同时接受较低的带宽、精度和安全监控测试等。

31、在本发明的该另一替选的有利实施例中，可以提供具有第一放大系数的第一电压放大器和具有小于第一放大系数的第二放大系数的第二电压放大器，其中第一电压放大器是可以在监控单元的电路部件停用的情况下操作，并且第二电压放大器可以在监控单元的电路部件激活的情况下操作，并且高通或带通滤波器连接到第一电压放大器的输出端。

32、如上所述，电压检测器件布置在供电线路中。这可以是分流电阻器或者优选地是电子开关的电流路径。电子开关的电流路径在接通状态下具有极低的电阻，这对于最小化功率损耗也是所期望的。作为电子开关的替选而提供的分流电阻器也应相对小。因此，在这两种情况下，对电压放大器的要求都会增加，特别是当用电器的电流消耗减少时。另一方面，如果流过相对大的电流，如通常在用电器的激活状态下给出的那样，则电压降也相对大，使得关于激活状态下的用电器的潜在安全关断的评估不如用电器处于空闲或待机操作状态的情况重要。

33、根据本发明，上述目的还通过一种用于安全关断车辆中的用电器的方法来实现，该用电器直接或间接地连接到设置有电子开关的供电线路，在所述方法中：

34、-通过主监控单元，其操作能够从监控模式切换到待机模式，反之亦然，在主监控单元的监控模式下根据安全关断阈值监控用电器的电流消耗，当达到或超过安全关断阈值时，导致主监控单元生成用于关断电子开关的关断信号,

35、-当用电器的电流消耗的动态变化的幅值达到或超过第一阈值(38)和/或低于或超过第一值范围和/或与第一阈值成比例的电压值或与第一值范围成比例的电压范围时，主监控单元从待机模式切换到监控模式，以及

36、-在主监控单元的待机模式下由辅助监控单元根据潜在动态变化的幅值监控用电器的电流消耗，并且当达到或超过第一阈值时和/或低于和/或超过第一值范围和/或与第一阈值成比例的电压值或与第一值范围成比例的电压范围时，触发主监控单元从待机模式切换到监控模式。

37、主监控单元是上面结合本发明的安全关断装置描述和讨论的监控单元。辅助监控单元基本上包括上面结合本发明的安全关断装置分别描述的高通和带通滤波器以及第一和第二比较器的特征。

38、在根据本发明的方法的另一有利实施例中，可以设置，在主监控单元处于待机模式的情况下，当用电器的电流消耗的动态变化的幅值达到或超过大于第一阈值的第二阈值时，生成用于关断电子开关的关断信号。

39、最后，在根据本发明的方法的另一有利实施例中，可以设置，当主监控单元处于待机模式时，布置在供电线路中的电压检测器件的信号的幅度与紧急关断阈值进行比较，当达到或超过紧急关断阈值时，生成用于关断电子开关的关断信号。

40、监控单元或主监控单元的操作从其监控模式到其待机模式的转变的触发可以由外部实现。例如，当用电器主动或被动转变到其空闲或待机模式时，可以触发这样的转变，这可以取决于当前驾驶操作和驾驶操作的要求。触发所述转变的其他时刻可以从对车辆整体状态(驾驶操作、驻车)的评估生成。导致监控单元或主监控单元的操作的这种切换的各个事件是多种多样的并且依赖于应用，并且这里不应该详细讨论，因为本发明的主要目的是在需要时“唤醒”监控单元或主监控单元，以便当它必须满足较少的要求并因此处于待机模式时预防性地发挥其全部功能。