用于保护电导体的电子设备和用于控制这样的设备的方法
【专利摘要】本发明涉及一种设备，包括：电子保护壳体(4)，其被设置有MOSFET的电子开关(40)，可以根据预定周期Tpwm和可变循环比(cyclic ratio)(αpwm)，以脉冲宽度调制模式来控制所述电子开关；电流传感器(42)，其适用于测量在导体(2)中流过的电流的强度(Icond)；温度传感器(6)，其适用于测量在沿所述导体设置的点附近处的环境温度(Tamb)；以及控制模块(41)，其适用于基于从所述温度传感器(6)和所述电流传感器(42)接收的数据，以有规律的间隔来确定并向所述开关(40)发送所述循环比(αpwm)的新值(α_NT)。本发明还涉及一种用于控制这样的电子设备以保护电导体的方法。
【专利说明】用于保护电导体的电子设备和用于控制这样的设备的方法
[0001] 优先权声明
[0002] 本发明要求享有于2012年5月16日递交的法国申请1254471的优先权，该申请 的内容（说明书、附图和权利要求书）以引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003] 概括地说，本发明涉及在短路情况下的电导体的保护，且具体的说，涉及被装配在 机动车辆中的这样的导体的保护。
【背景技术】
[0004] 今天，机动车辆的大多数部件使用不同性质的电组件，例如，电动机、电阻、传感器 或灯。
[0005] 也被称为电负荷的这些组件由电导体中传输的电流来激励，所述电导体通过不同 的绞线被装配在车辆内。这些电导体还形成能够将不同的电负荷电气链接至控制电子壳体 的电路，所述控制电子壳体自身被链接至电源（车辆的电池）。更确切地说，术语电导体意 指电子壳体和负荷之间的互连系统。这样的导体还包括：至少一根导线、被安置在壳体和导 线之间的至少一个第一导体以及被安置在导线和负荷之间的至少一个第二导体。
[0006] 为了避免在短路情况下的过热的危险，安放这些电导体的保护设备是有必要的。 这样的设备通常包括安放在电子壳体中的熔丝，所述电子壳体位于电池和电导体之间，可 以根据配置将熔丝与类型为继电器的开关相关联，所述开关通过电导体来管理负荷的电 源。
[0007] 熔丝被配置为当它经受超出正常工作电流的电流时熔化，有引起敏感导体的大量 发热的危险，敏感导体的大量发热导致它们的老化甚至着火。
[0008] 不幸地，负荷的瞬时性能（特征是大电流相对于短时间），熔丝的电气特性的分布 以及"不确定"区域的存在（由于该区域，该熔丝的性能处于不好控制的状态）同样是在选 择要使用的电导体时应当考虑的约束。
[0009] 这说明，实际上，所选择的导体具有超出尺寸的部分，导致事实上不可忽略的超额 成本。
【发明内容】
[0010] 因此，本发明的目的在于提供针对电导体的更有效保护，能够避免其超出尺寸。
[0011] 为此，本发明提出一种针对电导体的电子保护设备，所述电导体将电负荷电气链 接至电源，所述设备包括位于所述导体和所述电源之间的电子保护壳体，
[0012] 其特征在于，所述设备包括：
[0013] -电流传感器，能够测量在所述导体中流过的电流的强度；
[0014] -温度传感器，能够测量在沿所述导体设置的点附近处的环境温度；
[0015] 以及所述壳体包括：
[0016] -MOSFET型电子开关，可根据预定周期和可变占空比，通过脉冲宽度调制模式来操 控；以及
[0017] -控制模块，能够根据从所述温度传感器和所述电流传感器接收的数据，以有规律 的间隔来确定并向所述开关发送所述占空比的新值。
[0018] 根据本发明将类型为MOSFET的电子开关与关于该开关的占空比（即电子开关停 留在闭合位置的时间与周期的百分比）的控制模块相结合的设备，根据当开关在闭合位置 时经过该导体的电流的强度的演化以及在导体的灵敏点附近处的环境温度的变化来调节 在导体内部流过的电流的有效强度，其中，所述变化直接影响可以被散发到导体外部的热 量。
[0019] 对经过导体的电流的有效强度的这种调节还能够限制导体的发热，尤其是在短路 发生时，并因此避免超出导体该部分的尺寸。
[0020] 根据所述设备的优选特征，采用以下项中一项或其组合：
[0021] -所述设备包括多个环境温度传感器，沿所述导体在受所述导体中流通的过电流 的影响下的最热的敏感点附近处安置所述多个温度传感器；
[0022] -所述设备包括所述电子开关的底座的温度的传感器；
[0023] -所述电源包括机动车辆的电池；
[0024]-所述导体包括导线以及被安置在所述导线两端的两个连接器，第一连接器被连 接在所述电子壳体上，而第二连接器被连接在所述负荷上；和/或
[0025] -所述控制模块可以在实体上被物理插入到位于所述开关外部的电子操控单元 (l'6lectronique de pilotage)之中或甚至所述开关之中，或者在逻辑上通过在存储器中 存储的且与存在于所述壳体包括的电子卡上的计算器相关联的算法来被插入。
[0026] 本发明的目的还在于提供一种用于控制这样的电子设备以保护电导体的方法。
[0027] 所述方法包括：第一估计步骤，根据从所述温度传感器和所述电流传感器接收的 数据来估计所述导体的至少一个灵敏点处的温度值；以及第二保护步骤，在该步骤中，根据 针对所述导体预定义的最高温度与所估计的温度值之间的差来计算电子开关的所述占空 比的值。
[0028] 根据所述方法的优选特征，采用以下项中一项或其组合：
[0029] -根据采样周期周期性地重复所述第一估计步骤；
[0030] -所述第一估计步骤包括子步骤，其根据在前一采样周期计算的占空比的值以及 由所述电流传感器已经发送的、在所述导体中流过的电流的强度的最新值来确定在所述导 体中流过的电流的有效强度值；
[0031] -所述第一估计步骤包括子步骤，其根据所述有效强度值以及所述温度传感器已 经发送的环境温度的最新值来确定在采样周期上由所述导体中的电流产生的焦耳效应所 生成的热量减去在相同周期期间所述导体向周围空气释放的热量后的值；
[0032] -所述第一估计步骤的所述采样周期等于所述电子开关的操控周期；
[0033] -根据等于多倍所述电子开关的操控周期的采样周期来周期性地重复所述第二保 护步骤；
[0034] -所述电子开关的操控周期的多倍优选地大于或等于10 ;
[0035] -所述第二保护步骤具有两种工作模式：被命名为"去激活的熔丝（fusible d6sactiV6)"的第一模式，对于该模式，所述占空比α_的值总是等于1，故此时该开关40 在闭合位置；以及被命名为"激活的熔丝（fusible activ6)"的第二模式，对于该模式，由 调节器根据所述差来计算该值；一旦所述差e变成负的，就执行从所述"去激活的熔丝"模 式到所述"激活的熔丝"模式的切换，并且，一旦由所述调节器计算的这个值变得大于1，就 执行从"激活的熔丝"模式到"去激活的熔丝"模式的切换；
[0036]-所述调节器是由其比例增益和其积分增益所定义的比例积分调节器的离散版 本；
[0037]-所述第二保护步骤具有：被命名为"可用"的第一工作模式，对于该模式，所述占 空比的值总是等于1，以及被命名为"暂时禁用"的第二工作模式，对于该模式，该值总是等 于0 ;-旦所述差变成负的，就执行从"可用"模式到"暂时禁用"模式的切换，并且一旦在所 述"暂时禁用"模式中经过的时间达到预定义的时长，就执行从"暂时禁用"模式到"可用" 模式的反切换；
[0038]-通过指数的增量来记录从所述"可用"模式到所述"暂时禁用"模式的每一次切 换；和/或
[0039]-所述第二保护步骤具有被命名为"最终禁用"的第三工作模式，该模式与"暂时 禁用"相类似，但是不可逆，一旦通过所述指数记录的缺少量的数目超出预定义阈值就执行 向所述第三模式的切换。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 现在通过下面参考附图给出的说明性但非限制性的实施方式的例子的详细描述 来继续进行对本发明的陈述，在附图中：
[0041] -图1根据本发明示出了电导体的电子保护设备的功能框图；
[0042] -图2根据本发明示出了被该设备保护的导体的剖视图；
[0043] -图3根据本发明示出了用于控制设备的方法的简化流程图；
[0044] -图4根据优选的实现方式详细描述了在本方法中实施的第二保护步骤的工作逻 辑；以及
[0045] -图5根据实现方式的变型详细描述了在本方法中实施的第二保护步骤的工作逻 辑。
【具体实施方式】
[0046] 图1示出了包括导体2的电路，导体2将电负荷3 (例如，灯或传感器）电气链接 到电子保护壳体4,电子保护壳体4自身被链接到机动车辆的电池5。
[0047] 导体2包括导线2A以及分别安置在导线2A的第一端和第二端处的两个连接器2B 和2C。
[0048] 第一连接器2B被连接在电子保护壳体4上，而第二连接器2C被连接在负荷3上。
[0049] 电子保护壳体4包括类型为MOSFET的、借助于控制模块41来操控的电子开关40， 控制模块41可以在实体上被物理插入到位于开关40 (被操控的M0SFET)外部的电子操控 单元之中或甚至组件MOSFET之中，或者通过在存储器中存储的且与存在于壳体4的电子卡 上的计算器相关联的算法以软件形式被物理插入；或者以在两个元件中分布的方式被物理 插入以优化成本。
[0050] 壳体4还包括：电流传感器42,其用于测量当开关40在闭合位置时，导体2中流 过的电流的强度I_ d;以及温度传感器43,其用于测量MOSFET开关40的底座的温度T MQS。 优选地，将电流传感器42和温度传感器43直接插入MOSFET 40中。
[0051] 另一方面，用于测量环境温度Tamb的至少一个温度传感器6被安置在电导体2的 导线2A附近。优选地，沿导体2在灵敏点（换言之，在电导体2中的流通的过电流的影响 下最热的敏感点）附近安置多个传感器6。
[0052] 传感器42、传感器43和传感器6收集的数据被发送到控制模块41，控制模块41 估计导体2的温度T_ d(或者如果沿导体安置了多个传感器6,则导体的多个灵敏点处的温 度 Tcond) °
[0053] 根据导体2的温度Trand的估计值T est T，模块41计算占空比α _的值α ρ τ，模块 41能够以还被称为MLI (脉冲宽度调制）模式的PWM(脉冲宽度调制）模式来操控电子开关 40,并且遵守操控周期Tpwm。占空比 α_对应于电子开关40停留在闭合位置的时间与操控 周期Tpwm的百分比。
[0054] 为了说明图3至图5,现在我们将以更详细的方式来推导占空比α_的值α ΝΤ的 计算过程，该过程在控制模块41中实施。
[0055] 过程的第一步100包括估计在电导体2的至少一个灵敏点处的导体2的温度T_d 的值。
[0056] 为此，根据或多或少完善的电热模型来建立导体2的模型，例如集成：连接器2B和 2C的建模，对壳体4、连接器2B、连接器2C与导线2A之间的热耦合的考虑，或者对导线2A 与绞线中存在的其它导线之间的电耦合的考虑。
[0057] 导体2的电热模型还可以包括电导线2A的老化模型，以便于适应根据其损耗的策 略，例如考虑：面对汽车环境的状况的导线的鲁棒性，和/或根据已经遭受的过热、和/或可 能根据其自生产以来的年份的它的损耗。
[0058] 优选地且为了限制必要计算的方次，控制模块41使用简化的电热模型，该模型将 导体2与视作较长导线的导线2A相似地对待。这条导线2A包括半径为R int的导电线芯和 围绕线芯且厚度为Rrait-Rint的几何圆柱的绝缘层i，其中，R μ表示导线的外半径（图2)。
[0059] 导电线芯c的特征在于：其密度为P。，其比热为C。且其电导率为〇。(T)，后者能 够随着导体2的导线2Α的温度而变化。
[0060] 在其旁边，绝缘层i的特征在于：其密度为P i，其比热为Ci,其与空气交换的热对 流系数为h (Ti, TaJ (随着绝缘层i的温度Ti和环境温度T "b而变化）以及其介入由导线 2A发射的辐射而在空气中发射系数为ε。
[0061] 为了简化，使用的模型考虑导电线芯c的温度Τ。与绝缘层i的温度T i是一样的， 换言之，整段导线2A(导电线芯c和绝缘层i)上的温度是一致的。在下文中，将导体2的 温度全部视为唯一变量T_ d。这种简化还能够将导体2的热惯性全部视为：
【权利要求】
1. 一种针对电导体（2)的电子保护设备，所述电导体将电负荷（3)电气链接至电源 巧），所述设备包括位于所述导体（2)和所述电源（5)之间的电子保护壳体（4)， 其特征在于，所述设备包括： -电流传感器（42)，用于测量在所述导体（2)中流过的电流的强度（I。。。。）； -温度传感器化），用于测量在沿所述导体（2)设置的点附近处的环境温度（T"b); W及所述壳体（4)包括： -MOSFET型电子开关（40)，根据预定周期（TpJ和可变占空比（QpJ，通过脉冲宽度调 制模式来操控；W及 -控制模块（41)，根据从所述温度传感器（6)和所述电流传感器（42)接收的数据，W 有规律的间隔来确定并向所述开关（40)发送所述占空比（a pj的新值（a WT)。
2. 根据权利要求1所述的电子保护设备，其特征在于包括多个环境温度（T 传感器 化），沿所述导体（2)在受所述导体（2)中流过的过电流的影响下的最热的敏感点附近处安 置所述多个温度传感器；
3. 根据权利要求1至2中的一项所述的电子保护设备，其特征在于包括所述电子开关 (40) 的底座的温度（TmJ的传感器（43)。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的电子保护设备，其特征在于，所述电源包括机动 车辆的电池（3)。
5. 根据权利要求1至4中的一项所述的电子保护设备，其特征在于，所述导体（2)包括 导线（2A) W及被安置在所述导线（2A)两端的两个连接器（2B、2C)，第一连接器（2B)被连 接在所述电子壳体（4)上，而第二连接器（2C)被连接在所述负荷（3)上。
6. 根据权利要求1至5中的一项所述的电子保护设备，其特征在于，所述控制模块 (41) 在实体上被物理插入到位于所述开关（40)外部的电子操控单元之中或甚至所述开关 (40)之中，或者在逻辑上通过在存储器中存储的且与存在于所述壳体（4)包括的电子卡上 的计算器相关联的算法来被插入。
7. -种针对电导体（2)的保护设备的控制方法，所述保护设备符合权利要求1至6中 的一项，所述方法包括；第一估计步骤（100)，根据从所述温度传感器（6)和所述电流传感 器（4。接收的数据来估计所述导体（2)的至少一个灵敏点处的温度化。。d)的值化; ^及第二保护步骤（200、200')，根据针对所述导体（2)预定义的最高温度订"^与所估计 的温度值（TwtJ之间的差（e)来计算所述电子开关（40)的所述占空比（a pj的值（a NT)。
8. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据采样周期（TgJ周期性地重复所 述第一估计步骤（100)。
9. 根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一估计步骤（100)包括子步 骤，其根据在前一采样周期计算的占空比（UpJ的值（QpT) W及由所述电流传感器（42) 已经发送的、在所述导体（2)中流过的电流的强度（1。。心的最新值来确定在所述 导体似中流过的电流的有效强度值（Ieff_T)。
10. 根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述第一估计步骤（100)包括子步 骤，其根据所述有效强度值（Lfu)W及由所述温度传感器化）已经发送的环境温度（T"b) 的最新值来确定在所述采样周期（TgJ上由所述导体（2)中的电流产生的焦耳效 应咕。uJ所生成的热量减去在相同周期灯期间所述导体（2)向周围空气释放的热量 (QsvawJ后的值。
11. 根据权利要求7至9中的一项所述的控制方法，其特征在于，根据等于多（脚倍所 述电子开关（40)的操控周期（TpJ的采样周期（T,th2)来周期性地重复所述第二保护步骤 (200、200,）。
12. 根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述电子开关（40)的操控周期 (TpJ所述多（脚倍优选地大于或等于10。
13. 根据权利要求7至12中的一项所述的控制方法，其特征在于，所述第二保护步骤 (200)具有两种工作模式，被命名为"去激活的烙丝"的第一模式，对于所述第一模式，所述 占空比（UpJ的值（a 总是等于1 及被命名为"激活的烙丝"的第二模式，对于所述 第二模式，由调节器根据所述差（e)来计算所述值（aWT);-旦所述差e变成负的，就执行 从所述"去激活的烙丝"模式到所述"激活的烙丝"模式的切换，并且，一旦由所述调节器计 算的所述值（aWT)变得大于1，就执行从所述"激活的烙丝"模式到所述"去激活的烙丝" 模式的切换。
14. 根据权利要求7至12中的一项所述的控制方法，其特征在于，所述第二保护步骤 (200')具有被命名为"可用"的第一工作模式，对于所述第一工作模式，所述占空比（QpJ 的值（aWT)总是等于1，W及被命名为"暂时禁用"的第二工作模式，对于所述第二模式，所 述值（aWT)总是等于0 ;-旦所述差（e)变成负的，就执行从所述"可用"模式到所述"暂 时禁用"模式的切换，并且一旦在所述"暂时禁用"模式中经过的时间（t)达到预定义的时 长（t。)，就执行从所述"暂时禁用"模式到所述"可用"模式的反切换。
15. 根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，通过指数（NdgfgJ的增量来记录从 所述"可用"模式到所述"暂时禁用"模式的每一次切换。
【文档编号】H02H6/00GK104471814SQ201380037558
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年5月16日
【发明者】F·吉耶马尔, B·巴武, H·C·阮, C·诺凯, G·帕韦罗, J·P·克卢, J·萨巴捷, X·莫罗 申请人:标致·雪铁龙汽车公司, 国立科学研究中心