用于联锁系统的监控电路、联锁系统、具有联锁系统并且具有功能单元的组件以及操作联锁系统的方法

摘要

本发明涉及一种用于联锁系统(1)的监控电路(2)。该联锁系统包括第一监控线路(3)、第二监控线路(4)和至少一个线路桥(5)，监控线路(3、4)通过该线路桥在联锁系统(1)的闭合状态下导电连接。监控电路包括信号生成装置(11),该信号生成装置设计为生成用于第一监控线路(3)的监控信号，该监控信号在第一监控电压和第二监控电压之间交替并且相对于参考电势，以及信号评估装置(17)，通过该信号评估装置可以捕获第二监控线路(4)上相对于参考电势的电压曲线(43、48‑51)。信号评估装置(17)设计成通过将电压曲线(43、48‑51)与第一监控电压周围的预定第一容差区间(46)和第二监控电压周围的预定第二容差区间(47)进行比较来确定监控线路(3、4)之一上由相对于参考电势的干扰电压引起的干扰和/或监控电路(2)的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于联锁系统的监控电路，所述联锁系统包括第一监控线路、第二监控线路和至少一个线路桥，监控线路通过该线路桥在联锁系统的闭合状态下导电连接，所述监控电路包括信号生成装置,该信号生成装置配置为生成用于第一监控线路的监控信号，该监控信号在第一监控电压和第二监控电压之间交替并且参考参考电势，以及信号评估装置，参考参考电势的电压分布通过该信号评估装置在第二监控线路上是可检测的。

此外，本发明涉及联锁系统、包括联锁系统和功能单元的装置以及用于操作联锁系统的方法。

背景技术

联锁系统用于检测电网中的故障，例如车辆的高压网络。这种故障可能是不希望的插头连接松动或未经授权的人工干预，例如未经授权打开保护盖，其结果是带电部件可能会被暴露。通常，当检测到这种故障时，电网断电。为此，联锁系统包括通过至少一个线路桥连接的监控线路，其中提供监控电路，该监控电路检测例如与前述插头连接器相关的线路桥的移除。

文献DE102010045990A1公开了一种用于操作机动车辆的方法，该机动车辆包括用于向高压车辆电气系统的部件供应电力的高压源，其中脉冲宽度调制信号被施加到连接部件的信号回路，其中信号的存在由至少一个测量装置检测，并且在信号不存在的情况下，高压源通过至少一个电气断开装置与高压车辆电气系统断开。

通过使用借助于脉冲宽度调制信号实现的两个监控电压，可以将通过感应散布到监控线路中的噪声信号与脉冲宽度调制信号区分开。然而，只有在非常有限的程度上才能更精确地确定故障。

发明内容

因此，本发明的目的是规定一种改进的操作车辆的联锁系统的可能性。

为了实现该目的，根据本发明，在上述类型的监控电路中，提出信号评估装置配置为通过将电压分布与第一监控电压周围的预定第一容差区间和第二监控电压周围的预定第二容差区间进行比较来检测监控线路之一上由参考参考电势的故障电压引起的故障和/或监控电路中的故障。

本发明基于定义两个容差区间的思想，在这两个容差区间中，第二监控线路上的电压分布交替地处于无故障操作，从而可以基于检测到的电压分布和无故障操作中的电压分布之间的差异来更准确地确定故障比如对故障电压的短路。可替代地或另外，监控电路本身的故障例如所谓的“停滞”故障也可以通过基于容差区间的比较来确定。

通常，当检测到故障时，信号评估装置配置为输出触发信号，通过该触发信号可以致动断开装置，以便将电压源从与线路桥相关的功能单元断开。监控信号的占空比通常为50％。然而，也可以提供与此不同的占空比。信号评估装置还可以配置为输出更详细地描述所确定的故障的一条故障信息。这有助于在确定故障后进行故障诊断。监控电压通常不会形成其各自容差区间的极限。容差区间有利地选择成使得在操作期间正常且特别是不指示故障的电压分布的波动位于相应的容差区间内。

特别是相对于参考电势的电势差(其具有低内阻，因此可被认为是“硬”电压)可以被认为是故障电压。换句话说，故障电压可被认为是具有如此低的内阻使得如果存在对该电压的短路则电压分布呈现故障电压的值的那些电压。监控电压被方便地选择成使得信号评估装置可以容易地将它们产生的电压分布与故障电压区分开。

容差区间方便地定义为不重叠。换句话说，在容差区间之间存在电势区间I，其中在联锁系统无故障运行期间，电压分布不会停留更长的时间周期。可替代地或另外，容差区间不包括为检测故障电压而提供的电压值。

例如，根据容差区间，可以确定以下故障：

信号评估装置可以配置为基于不位于容差区间之间并且位于容差区间之外的电压分布的检测值来确定监控线路上的故障。由此可以断定存在短路形式的故障，该短路具有施加在联锁系统内部或外部的电势，所述电势相对于参考电势的电势差形成故障电压。为此，信号评估装置可以配置为输出描述短路的一条故障信息。

信号评估装置还可以配置为基于位于容差区间之间的电压分布的至少两个连续检测值来确定监控线路上的故障。由此也可以得出，在联锁系统内部或外部存在具有前述电势的短路。然而，在这种情况下，有利地，评估电压分布的至少两个连续检测值。位于容差区间之间的电压分布的仅一个值的检测可能是由在监控电压之间的交替期间已经检测到的值引起的，并且电压分布具有有限的边缘陡度。然而，如果检测到位于容差区间之间的电压分布的至少两个连续值，假设边缘陡度与采样区间的比率足够大，则可以假设故障电压永久存在于监控线路之一上。在这种情况下，信号评估装置可以配置为输出描述短路的一条故障信息。

信号评估装置还可以配置为基于位于容差区间内达预定周期或长于预定周期的电压分布的多个连续检测值来确定监控电路中的故障。因此，可以得出：如果电压分布的连续检测值不再离开容差区间之一，则存在“停滞”故障。预定周期优选地由信号生成装置根据相应监控电压的预期生成周期来选择。信号评估装置可以配置为输出描述监控电路中的故障的一条故障信息。

根据信号评估装置的一实施例变型，为了比较电压分布，所述装置包括多个比较器，其参考值对应于容差区间的极限。根据替代实施例变型，为了比较电压分布，信号评估装置包括用于将电压分布转换成二进制数据的模数转换器。信号评估装置可以包括评估单元，其接收比较器的输出信号，或者接收二进制数据。

在根据本发明的监控电路中，可以规定，描述监控信号的信号状态的一条信号信息可以从信号生成装置传输到信号评估装置，并且信号评估装置配置为基于电压分布的检测值与监控信号的接收信号状态的比较来检测故障。当确定故障时，假设该条信号信息的信号传播时间足够小，因此可以进行由该条信号信息描述的设定点电压分布与由检测值描述的(实际)电压分布的比较。结果，监控电路也可以有利地以第一电源电势和第二电源电势的不规则序列操作。

在根据本发明的监控电路中，可以规定，信号生成装置配置为从参考参考电势并且具有第一电源电势和第二电源电势的电源电压生成监控信号。

在这方面，电源电压也构成硬电压。监控电压被方便地选择成使得由它们产生的电压分布可以容易地与用于信号评估装置的电源电势区分开。方便地，第二电源电压是参考电势。第一电源电势通常高于第二电势。

特别有利的是，信号生成装置配置成从电源电压生成监控信号以使得监控电压位于电源电势之间。通常，第二监控电压位于第一监控电压和第二电源电势之间。

信号评估装置可以配置用于基于不位于容差区间之间且就第一电源电势而言位于第一容差区间之外的电压分布的检测值来确定监控线路上的故障。由此，可以得出：由于监控线路之一和第一电源电势之间的短路，故障以故障电压的形式存在。信号评估装置可以配置为输出描述对第一电源电势的短路的一条故障信息。

可替代地或另外，信号评估装置可以配置用于基于不位于容差区间之间且就第二电源电势而言位于第二容差区间之外的电压分布的检测值来确定监控线路上的故障。在这种情况下，可以得出：由于第二电源电势，故障以故障电压的形式存在。信号评估装置可以配置为输出描述对第二电源电势的短路或者线路桥对监控线路的连接的中断的一条故障信息。事实上，监控线路中的中断通常由电压分布处于第二电源电势的事实来识别。在这方面，对第二电源电势的短路通常不能与由于移除线路桥而导致的监控线路中的中断区分开。

优选地，根据本发明的监控电路的信号生成装置包括生成器单元，其配置为输出描述监控电压之间的交替的生成器信号，以及电压转换单元，其配置为根据生成器信号转换电源电压。因此，如果信号评估装置的生成器单元和/或模数转换器和/或评估单元通过公共微控制器来实现，则有可能实现监控电路的特别紧凑、廉价和省力的实现。

电压转换单元可以包括连接在电源电势之间的分压器，以及开关元件，其可以通过生成器信号被致动，并且通过开关元件可以改变分压器的分支的电阻值。这允许信号生成装置的低成本电路实现。优选地，开关元件和电阻元件串联连接，并且依次与分支的电阻元件并联连接，通过该电阻元件可以改变电阻值。

此外，信号生成装置可以包括阻抗转换器，其配置为将电压转换单元的输出信号转换成监控信号。阻抗转换器使得可以在电压转换单元中使用高阻抗电压转换器成为可能，因为阻抗转换器驱动监控线路上所需的电流。

在根据本发明的监控电路中，还方便地规定，信号评估装置包括分压器，在分压器的抽头处，表示电压分布的电压分布信号是可检测的。特别是关于阻抗转换器的使用，与信号生成装置的分压器的电阻值相比，信号评估装置的分压器可以具有低电阻。借助于分压器，电压分布信号也可被调整到模数转换器的检测范围。

信号评估装置还可以包括电阻元件，其连接在第二监控线路的输入和第二电源电势之间，并且与分压器的电阻值之和相比具有低电阻。结果，如果第一监控线路和第二监控线路被中断，则信号评估装置处的电势可被定义并迅速达到容差区间之外的预定值。可替代地，信号评估装置可以包括电流吸收器(sink)，其使得可以保持监控线路上的电流。

此外，本发明涉及一种用于车辆的联锁系统，包括第一监控线路、第二监控线路和至少一个线路桥，监控线路通过该线路桥在联锁系统的闭合状态下导电连接，以及根据本发明的监控电路，其中信号生成装置连接到第一监控线路，并且信号评估装置连接到第二监控线路。

特别地，联锁系统包括至少一个另外线路桥。线路桥可以串联连接在第一和第二监控线路之间。可替代地，监控电路可以包括用于每个另外线路桥的另外对应信号评估单元。

本发明还涉及一种装置，该装置包括根据本发明的联锁系统，并且包括功能单元，其可以通过一个或多个线路桥被监控并且配置为在其操作期间提供参考参考电势的电压作为故障电压，其中该电压在容差区间之外。功能单元例如可以是用于车辆的逆变器。线路桥特别布置成使得当覆盖功能单元的带电部分的盖打开时或者当插头连接器被移除时它们断开监控线路。

该装置还可以包括断开装置，该断开装置可以通过在确定故障的情况下输出的触发信号被致动，用于将高压电池从功能单元断开。

此外，本发明涉及一种用于操作联锁系统的方法，该联锁系统包括第一监控线路、第二监控线路和至少一个线路桥，监控线路通过该线路桥在联锁系统的闭合状态下导电连接，该方法包括以下步骤：

-生成用于第一监控线路的监控信号，该监控信号在第一监控电压和第二监控电压之间交替并且参考参考电势，

-检测第二监控线路上参考参考电势的电压分布,

-通过将电压分布与第一监控电压周围的预定第一容差区间和第二监控电压周围的预定第二容差区间进行比较来确定监控线路之一上由参考参考电势的故障电压引起的故障和/或监控电路中的故障。

根据本发明的监控电路的所有实施例可以以类似的方式转移到根据本发明的联锁系统、根据本发明的装置以及根据本发明的方法，使得上述优点也可以通过这些实现。

附图说明

参考附图，从下面描述的示例性实施例中，本发明的其他优点和细节将变得显而易见。所述附图是示意性表示，并且描绘了：

图1：根据本发明的装置的示例性实施例的电路图，包括根据本发明的联锁系统的示例性实施例，所述联锁系统包括根据本发明的监控电路的示例性实施例；

图2：在图1所示的联锁系统运行期间随时间的电压分布；

图3和3a：分别是根据本发明的监控电路的另一示例性实施例的电路图；

图4：根据本发明的监控电路的另一示例性实施例的信号评估装置的电路图。

具体实施方式

图1描绘了装置100的示例性实施例的电路图，包括联锁系统1，该联锁系统包括监控电路2的示例性实施例，并且包括两个功能单元10。

联锁系统1包括第一监控线路3、第二监控线路4、两个线路桥5和DC电压源6，监控线路3、4通过线路桥5在联锁系统1的闭合状态下导电连接。在本示例性实施例中，联锁系统1用于车辆的高压电气系统8中。装置100还包括高压车辆电气系统8的高压电池9和断开装置7，通过该断开装置7，高压电池9可以与功能单元10断开。

线路桥5之一与每个功能单元10相关。可替代地，线路桥5与单个功能单元10相关。举例来说，一个线路桥5与功能单元10的插头相关，一个线路桥5与功能单元10的装置壳体的盖相关。功能单元10的示例是用于将由高压电池9提供的电压转换成用于驱动车辆(未示出)的电机(未示出)的AC电压的逆变器。相关可以这样实现，即当盖打开或插头被移除时，线路桥5断开监控线路3、4。由于断开装置7和高压电池9布置在与装置壳体分开的公共电池壳体中，联锁系统1可以理解为是关于多个或一个功能单元10的局部联锁系统。

监控电路2包括信号生成装置11，其配置为生成用于第一监控线路3的监控信号，该监控信号在第一监控电压和第二监控电压之间交替。为此，第一监控线路3直接连接到监控电路2的输出12。信号生成装置11配置成从DC电压源6在监控电路2的电源端子13、14处提供的电源电压生成监控信号。电源电压包括第一电源电势15和较低的第二电源电势16，其是车辆的接地电势和/或壳体的壳体电势，并且在这方面被选择作为参考电势。监控信号被生成使得监控电压位于电源电势15、16之间，其中第一监控电压高于第二监控电压。

监控电路2还包括信号评估装置17，借助于其可在第二监控线路4上检测参考参考电势的电压分布，并且其配置为基于电压分布来确定监控线路3、4的中断、监控线路3、4之一上由参考电源电压的故障电压引起的故障以及监控电路2中的故障，这将在下面更详细地描述。

详细地，信号生成装置11包括：生成器单元18，其配置为输出描述监控电压之间的交替的生成器信号19；以及电压转换单元20，其配置为根据生成器信号19转换监控电压。此外，信号生成装置11包括阻抗转换器21，其配置为根据电压转换单元20的输出信号22生成监控信号。

生成器信号19描述了监控电压之间的时钟交替，在该情况下，监控电压具有例如50％的占空比。电压转换单元20包括连接在电源电势15、16之间的分压器23，并且包括处于第一电源电势15的第一电阻元件24和处于第二电源电势16的第二电阻元件25。此外，电压转换单元20包括开关元件26，其可以由生成器信号19致动，并且在该情况下通过晶体管27实现，该晶体管27在其基极端具有串联电阻器28。第三电阻元件29与开关元件26串联连接，其中开关元件26和第三电阻元件29与第二电阻元件25并联连接。结果，包括第二电阻元件25和第三电阻元件29的分压器23的分支的电阻值根据生成器信号19是可变的。如果生成器单元18致动开关元件26用于阻断，则输出信号22被施加到分压器23的抽头30，这导致在输出12处提供第一监控电压。如果生成器信号19致动开关元件26导通，那么由于第二电阻元件25和第三电阻元件29在抽头30处的并联连接，产生输出信号22，其导致在输出12处提供第二监控电压。此外，电压转换单元20包括连接在抽头30和第二电源电势16之间的电容器31，以便在监控电压之间交替时抑制过冲，并且在监控电压之间交替时设置边缘陡度。

电压转换单元20的输出信号22被馈送到阻抗转换器21。所述阻抗转换器在输出12处提供第一监控电压和第二监控电压。

信号评估装置17包括分压器32，其第一电阻元件33连接到监控电路2的输入34，第二监控线路4也连接到所述输入。分压器32的第二电阻元件35连接到第二电源电势16。因此，可以在分压器32的抽头36处分接以比例形式描述电压分布的电压分布信号。由于阻抗转换器21可以驱动足够高的电流通过监控线路3、4，所以信号评估装置17的分压器32被选择为与信号转换单元20的分压器23相比具有相对低的电阻。阻抗转换器21因此使得可以分压器23、32不必彼此匹配，因为所述阻抗转换器很大程度上排除了信号生成装置11受到信号评估装置17影响的可能性。

信号评估装置17还包括模数转换器37，其将由分压器32缩放的电压分布转换成二进制数据。这些二进制数据可被提供给信号评估装置17的评估单元38，其通过评估由二进制数据描述的电压分布来检测监控线路3、4上的故障和监控电路2中的故障，并且在监控电路2的输出39处提供触发信号40和在监控电路2的输出41处提供一条故障信息42。

联锁系统1能够检测由于移除一个线路桥5而导致的监控线路3、4的断开。在这种情况下，监控信号不再到达监控电路2的输入34，结果是电压分布处于第二电源电势16，于是评估单元38输出触发信号40。借助于触发信号40，断开装置7被致动以将高压电池9从功能单元10断开，因为作为监控线路3、4中断的结果，预期带电部分暴露在功能单元10上，并且存在人与之接触的风险。

下面将参考图2详细描述通过监控电路2来确定故障，图2描绘了电压U随时间t的分布。

图2描绘了电压分布43，其由实线表示，并且参考施加到输入34并且由信号评估单元17检测的第二电源电势16。电压分布43在对应于第一监控电压的电压44和对应于第二监控电压的电压45之间交替。

第一容差区间46定义在第一监控电压周围，第二容差区间47定义在第二监控电压周围。容差区间46、47是不重叠的，并且不包括电源电势15、16形式的任何故障电压或功能单元10中常见的任何其他硬电压。在根据图2的特定示例中，监控电压或电压44、45位于容差区间46、47的中心。

模数转换器37以比Nyquist准则所要求高得多的频率对通过分压器32缩放的电压分布43进行采样。基于周期性地位于容差区间46、47内的样本，评估单元38检测到监控线路3、4通过线路桥5连接，结果是触发信号40的输出没有出现。由于图2中示意性描绘的电压分布43的无限边缘陡度在实际应用中是不可实现的，所以如果在监控电压的交替期间采集的样本位于容差区间46、47之间，并且监控电压之间的交替与采样间隔相比较短，则评估单元38也确定无故障操作。

下面将参考虚线电压分布48至51来解释可以通过监控电路2识别的可能故障，虚线电压分布48至51描述了偏离电压分布43的电压分布：

电压分布48与电压分布43的不同之处在于，在某个时间点，它位于第一容差区间46之外，在第一电源电势15处。这通常表示监控线路3、4之一和承载第一电源电势15的部分之间的短路。基于位于第一容差区间46之上的样本的第一采集，评估单元38确定存在由作为故障电压的第一电源电势引起的故障，并输出触发信号40。此外，评估单元38输出描述监控线路3、4之一和第一电源电势15之间存在短路的一条故障信息42。

电压分布49与电压分布43的不同之处在于，在某个时间点，它位于相对于第二电源电势16的第二容差区间47之外。这表明在监控线路3、4之一和第二电源电势16之间存在短路，或者线路桥5之一不再将监控线路3、4彼此连接。在借助于评估单元38首次获取这种样本时，所述评估单元输出触发信号40和描述在监控线路3、4之一和第二电源电势16之间存在短路或者线路桥5已被移除的一条故障信息42。

电压分布50与电压分布43的不同之处在于，在某个时间点，它位于公差区间46、47之间。这表示监控线路3、4之一和位于电源电势15、16之间的故障电压之间短路。然而，由于位于容差区间46、47之间的单个样本仅指示在监控电压交替期间的采样，所以评估单元38仅在获取位于容差区间46、47之间的两个连续样本之后才输出触发信号40。同时，所述评估单元输出描述监控线路3、4之一和位于电源电势15、16之间的故障电压之间存在短路的一条故障信息42。该故障电压例如是在功能单元10运行期间在壳体内部产生或存在的电压。

电压分布51与电压分布43的不同之处在于，在某个时间点，它没有完成容差区间46、47之间的交替，因此保持在容差区间46、47之一，在该情况下是第一容差区间46。这表示信号生成装置11和/或信号评估装置17特别是其模数转换器37中的故障。例如，一个这种故障是所谓的“停滞”故障。如果评估单元38基于位于容差区间46、47之一内达预定周期或更长的多个连续获取的样本检测到监控电路2中的故障，则所述评估单元输出触发信号40和描述监控电路2中的故障的一条故障信息42。

图3是与图1所示相对应的监控电路2的另一示例性实施例的电路图，除了下面描述的偏差之外。相同或类似作用的部件具有相同的参考符号。

信号生成装置11不具有阻抗转换器。相反，分压器23的抽头30直接连接到输出12。与信号评估装置17的分压器32相比，分压器23具有低电阻；因此，它能够沿着监控线路3、4本身驱动电流。在这方面，在根据图3的示例性实施例中，省略了阻抗转换器21(参见图1)。分压器32将输入34处的信号电压范围调节到模数转换器37的输入电压范围。此外，分压器32确保在监控线路3、4断开的情况下，测量的电压适当地快速下降。

图3a描绘了图3中描绘的电路的另一示例性实施例。这里，输入34处的信号的电压范围已经在模数转换器37的输入电压范围内。代替分压器32，电阻元件52在这里是足够的，这使得在监控线路3、4断开的情况下输入34处的电压能够限定且快速地下降。

图4描绘了与前述示例性实施例之一相对应的根据监控电路的另一示例性实施例的信号评估装置17，除了下面描述的偏差之外。相同或类似作用的部件具有相同的参考符号。

信号评估装置17包括四个比较器53至56，其输出连接到评估单元38。比较器53至56的正输入连接到分压器32的抽头36。此外，信号评估装置17包括在另一电势58和第二电源电势16之间的多个电阻元件的串联连接57。串联连接57的相应一对相邻电阻元件之间的抽头连接到比较器53至56的负输入，并提供对应于图2所示的容差区间46、47的极限的参考电压。评估单元38可以相应地基于比较器53至56的输出信号确定先前描述的故障，类似于关于图2执行的评估。

根据与图4所示的示例性实施例相对应的另一示例性实施例，信号评估装置17也可以包括电阻元件52，而不是根据图3或3a的分压器32。

根据与前述实施例之一相对应的另一示例性实施例，描述监控信号(参见图1、3和4)的信号状态的一条信号信息59可从信号生成装置11传输到信号评估装置17，如由生成器单元18和评估单元38之间的连接所描绘。信号评估装置17还配置用于基于电压分布48至51的检测值与监控信号的接收信号状态的比较来检测故障。借助于该条信号信息59，监控电压之间发生交替的时间点对于评估单元38是已知的，从而也可以提供监控电压之间的不规则交替，和/或在电压分布50、51的情况下，考虑到该条信号信息59的足够短的信号传播时间，可以仅用一个样本来确定相应的故障。

在根据图1和3的示例性实施例中，生成器单元18、评估单元38和模数转换器37通过微控制器来实现。在根据图4的示例性实施例中，生成器单元18和评估单元38通过微控制器来实现。

图1所示的联锁系统1包括由线路桥5形成的电流回路，其中断由监控电路2监控。在联锁系统1的替代示例性实施例中，所述系统包括用于相应线路桥5的单独电流回路，这些电流回路分别由监控电路2或由包括多个信号评估装置17的监控电路2单独监控。

在与前述实施例相对应的另一示例性实施例中，联锁系统不是局部联锁系统，而是中央联锁系统。这里，监控电路2与断开装置7一起布置在电池壳体中。