電氣保護系統的製作方法
2023-10-21 01:23:47 2
專利名稱：電氣保護系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種裝有多個正溫度係數(PTC)電路保護器件的電氣系統，特別是汽車和其它帶輪車輛中的這種電氣系統。
PTC器件是眾所周知的。特別實用的PTC器件裝有許多PTC器件，這些PTC器件由PTC導電聚合物組成，即由有機聚合物組成，裡面分散或分布有例如碳黑之類的粒狀導電充填料、金屬或金屬化合物的合成物組成。這裡將這種器件稱之為聚合物PTC或PPTC器件。其它的PTC材料還有例如摻過雜的陶瓷，但沒有象PTC導電聚合物通常那樣實用，主要原因是因為這種陶瓷電阻率較高。PTC器件有多種不同的應用方式，在電路保護的應用中特別有用，在這方面的應用中起可遙控復位的熔絲的作用，保護電氣元件使其不致因過電流和／或過熱而損壞。能如此加以保護的電氣部件包括電動機、電池、揚聲器和汽車中的電氣配線。PPTC器件的這種應用方式近幾年來迅速發展，而且不斷地增加。這方面可參考的文件有美國專利4，237，441、4，238，812、4，315，237、4，317，027、4，426，633、4，545，926、4，689，475、4，724，417、4，774，024、4，780，598、4，800，253、4，845，838、4，857，880、4，859，836、4，907，340、4，924，074、4，935，156、4，967，176、5，049，850、5，089，801、5，378，407、5，451，919、5，451，921、5，645，746、5，831，510、5，852，397和5，864，281。
新近，有人提出將PTC器件和其它電氣部件結合起來構成電氣保護系統，這種電氣保護系統利用PTC器件和電氣部件的特性應付故障。這方面可參看例如美國專利5，666，254和5，689，395以及國際出版物WO97／10636、WO97／20372、WO98／31084、WO98／02946、WO98／02947和WO98／56014，所有這些國際出版物都是在本申請的優先權日之後出版的。
PCT出版物WO98／02946和WO98／02947介紹的保護系統有一個傳感元件(一般為電阻器)和一個斷路元件(一般為繼電器)，與負荷串聯連接，還有一個控制元件(一般為與傳感元件並聯的PTC器件)將傳感元件與斷路元件連接起來，從而由傳感元件檢測過電流，並使控制元件發生變化，反過來使斷路元件發生變化(一般斷開)。視乎這些和其它部件的配置方式，這種系統能(a)在有或沒有微電流的情況下鎖定在斷路狀態，使PTC器件保持跳閘狀態，或(b)若過電流已過去，則重新接通，或若過電流持續著，則在斷路和接通位置之間循環。PCT出版物WO98／56014介紹了一些用在PCT出版物WO98／02946和WO98／02947的保護系統中特別實用的一些器件。
設計汽車等之類的複雜系統的電氣系統時，通常是將電子控制組件(ECM)通過具多個分立觸點的連接條與電氣系統連接起來的。一般結構上的應用原則是採用組件式的結構，這意味著不能輕易改變觸點的數目，而在儘量利用空間的情況下要求觸點的數目儘可能少。因此，希望各電氣系統與連接條連接，從而應用儘可能少的觸點，最好是只有一個觸點。例如，美國專利5，645，746涉及到用LED(發光二極體)或其它電壓傳感器監控PTC器件狀態的可能性。目的是達到了，但需要應用連接條上的兩個位置。
在許多電氣系統中，總希望配備一些至少在發生故障時能就系統的狀況發出信號的診斷元件。特別是在不能立刻覺察到故障出現的汽車等之類的複雜系統中，更是如此。我們發現PCT出版物WO98／02946和WO98／02947中所述的保護系統經過改裝再與其它部件結合起來可以起故障保護作用並具備診斷能力而無需手動操作配合。為簡便起見，這裡把PCT出版物WO98／02946和WO98／02947中所述的那種系統稱之為TLPRR系統(TLPRR為熱連接PTC器件，電阻器和繼電器的縮寫)。
在診斷過程中利用TLPRR系統的第一步是改裝上述專利申請中所述的TLPRR系統，作為激發繼電器線圈從而接通繼電器觸點的遙控作業系統取代上述專利申請中所述的瞬間接通開關。這裡把這個改裝後的TLPRR系統叫做TLPRR(Mod)系統。這個改裝即使不與診斷能力結合起來也能起顯著改進作用，因此構成本發明的一個獨立部分。遙控作業系統最好由一個在配電側的連接條上只佔一個位置的電阻-電容(RC)網絡或其它電氣系統組成。但也可以採用雙線系統只通過往繼電器線圈中通上電流經過充分的時間來激發繼電器線圈。RC電路還有另一個重要的優點。即可以設計得使其產生其它有用的功能。電容器可通過合上線圈迴路側的開關元件(通常也叫做低壓側開關)加以充電，電容器的大小應使放電過程可給繼電器線圈提供電流的時間長得足以使繼電器觸點閉合。接著，電容器一直充電到系統電壓，且在正常工作條件下作為斷開的開關工作。若出現過電流PTC器件脫扣從而使繼電器觸點斷開，則電容器和電阻器的大小是確定TLPRR(Mod)試圖復位之前的一段時間的重要因素。因此，電容器和電阻器可以選擇得使其產生所要求的時延。RC網絡的另一個重要的好處是，若系統接通時發生足以使系統電壓下降到繼電器動作所需要的電壓以下的大電流短路，RC網路就對繼電器各觸點起保護作用。在此情況下，RC網絡的電壓不足以使電容器充分充電到使繼電器閉合。
因此，按照本發明的第一方面，本發明提供一種可在電源與負荷之間連接形成操作電路的電氣保護系統，操作電路具有導通狀態和截止狀態，且由一個載流線路和一個迴路線路組成，電氣保護系統如此連接時對操作電路起過電流保護的作用，這種系統具有正常操作狀態和故障狀態，且包括a．一套繼電器觸點，在系統如此連接時在電源與負荷之間串聯連接，且具有ⅰ閉合狀態，系統處於正常工作狀態時可讓正常電流I正常流過；和ⅱ斷開狀態，系統處於故障狀態時最多只讓減小了的電流(大致小於I正常)流過；b．一個阻性器件，當系統如此連接時與繼電器的該組觸點及負荷串聯連接，且具有ⅰ正常狀態，這些系統電流不會超過正常電流I正常預定的電流量；和ⅱ故障狀態，這時系統電流超過正常電流I正常預定量；c．一個控制元件，由下列各部分串聯組成；ⅰ一個PTC器件，與阻性器件熱耦合；ⅱ一個繼電線圈，與繼電器各觸點耦合；上述串聯組合件連接在電源兩端，在載流線路與迴路線路之間，PTC器件與載流線路連接，繼電器線圈耦合到迴路線路上；PTC器件的電阻根據阻性元件從其正常狀態轉入故障狀態的變化增加預定的阻值時，繼電器的該組觸點從閉合狀態轉入斷開狀態，從而使系統從其正常工作狀態轉入其故障狀態；和d．一個繼電器線圈電流供應器件，給繼電器線圈供應電流，從而如果繼電器各觸點斷開時，唯一使這些觸點閉合的方法是通過繼電器線圈電流供應器件給繼電器線圈供應電流。
如
圖1中所示，本發明在配電側提供電氣保護系統10連接在電源側V+與電氣負荷側RL之間形成一個操作電路，操作電路具有導通狀態和截止狀態，且包括一個載流線路12和一個迴路線路14，系統10如此連接時，對操作電路起過電流保護作用，系統10具有正常工作狀態和故障狀態，且包括a．一組繼電器觸點16，17，18，這些觸點在系統如此連接時串聯連接在電源V+與負荷RL之間，且具有ⅰ閉合狀態，當系統處於正常工作狀態時讓正常電流I正常流過；和ⅱ斷開狀態，當系統處於故障狀態時最多只讓減小了的電流(大致小於I正常)流過；
b．一個阻性器件RS，當系統如此連接時串聯連接在繼電器該組觸點16，17，18與負荷RL之間，且具有ⅰ正常狀態，這時系統電流不超過正常電流I正常預定的電流量；和ⅱ故障狀態，這時系統電流超過正常電流INORMAL預定量；c．一個控制元件20，由下列各部分串聯組成ⅰ一個PTC器件24，與阻性器件RS熱耦合；和ⅱ一個繼電器線圈25，與繼電器各觸點耦合；此串聯組合件連接在電源兩端，在載流線路與迴路線路之間，PTC器件接載流線路，繼電器線圈耦合到迴路線路上；當PTC器件的電阻根據阻性元件從其正常狀態轉入其故障狀態的變化增加預定阻值時，繼電器的該組觸點從其閉合狀態轉入其斷開狀態，從而使系統從其正常工作狀態轉入其故障狀態；和d．一個繼電器線圈電流供應器件，例如RC網絡28，給繼電器線圈供應電流，從而如果繼電器觸點都斷開時，唯一能使這些觸點閉合的方法是通過繼電器線圈電流供應器件給繼電器線圈供應電流。
TLPRR(Mod)系統用作特別是那種裝有可將一個或多個電氣系統(其中一個或多個電氣系統可以是TLPRR(Mod)系統)分別與控制側的電子控制組件(ECM)32連接起來的連接條31的電氣系統中的診斷系統的一部分有好處。ECM在指令V指令的控制下能接通或斷開開關34。開關34控制通過串聯電阻器RD(這裡叫做「診斷電阻器」)與繼電器線圈迴路側連接的線路35(這裡叫做「診斷線路」)。開關34最好是FET(場效應電晶體)，特別是具一定水平的診斷能力(例如過電壓、過熱、過電流狀態)的FET，但也可採用任何其它類型的固態開關，甚至機械式繼電器都可以用。通過檢測診斷線路上的的電壓V檢測，且知道FET(或其它開關)傳送來的系統電壓時，可以診斷出主負荷電路的情況。V檢測可由ECM32檢測出來，並由LED34顯示出來。這樣，診斷線路上的電壓V檢測可以是下列三值之一，即(1)若主負荷電路處在正常斷開狀態則為系統全電壓(例如在一般汽車是通常為12伏)；(2)若主負荷電路處於正常工作狀態則為中間電壓(由診斷電阻器的相對電阻和繼電器線圈的相對電阻確定)；和(3)若(ⅰ)繼電器線圈出故障，(ⅱ)有促使PTC跳閘和繼電器觸點打開的故障，或(ⅲ)出現大電流短路，則大致等於0。此信息必要時可存入ECM中，並在電氣系統裝配期間，維修使用中的系統時，或通過使FET不導通直到故障狀態消除使故障不起作用時或通過例如使用LED通知用戶系統故障時用作系統質詢資料。
因此，如圖1中所示，本發明的第二方面提供一種由下列各部分組成的電氣系統(1)一個電子控制組件(ECM)；(2)一個由ECM控制的開關；(3)一個本發明第一方面的TLPRR(Mod)；(4)一個診斷電阻器，串聯連接在開關與保護系統之間；和(5)一個電壓確定器件，供確定診斷電阻器與保護系統之間線路上的電壓；繼電器線圈和繼電器各觸點可以通過等於系統電壓減去診斷電阻器兩端的電壓降的電壓工作。
診斷電阻器的電阻可以為例如繼電器線圈電阻的0．7至1．3倍。
若繼電器線圈設計得使其只有當系統全電壓降在線圈兩端時使繼電器各觸點閉合(通常的情況就是如此)，則插入診斷電阻器RD會使繼電器各觸點不能閉合。這個困難有兩種不同的解決方法。第一種方法採用繼電器線圈／觸點電路。由系統降在診斷電阻器RD兩端的電壓殘餘使這個電路工作。第二種方法，如圖2中所示，是令電容器CD與診斷電阻器RD並聯連接，從而形成RC網絡使繼電器在指令控制下能夠閉合。
如圖2中所示，本發明第三方面提供的電氣系統由下列各部分組成
(1)電子控制組件(ECM)32；(2)開關34，由ECM控制；(3)TLPRR(Mod)系統，按本發明的第一方面製取，在配電側；(4)RC網絡38，在開關與保護系統之間串聯連接；和(5)電壓確定器件，供確定RC網絡與保護系統之間線路35上的電壓V檢測。
控制側的這種線路還可與配電側的其它電路結構結合起來使用，如PCT出版物WO98／02946的圖2，3，5-8和10中所示。
權利要求
1．一種電氣保護系統，可連接在電源與電氣負荷之間形成一個操作電路，操作電路具有導通狀態和截止狀態，且包括一個載流線路和一個迴路線路，系統如此連接時對操作電路進行過電流保護，系統具有正常工作狀態和故障狀態，系統的特徵在於，它包括a．一組繼電器觸點，當系統如此連接時在電源與負荷之間串聯連接，且具有ⅰ閉合狀態，當系統處於正常工作狀態時可讓正常電流I正常流過；和ⅱ斷開狀態，當系統處於故障狀態時最多只讓大致小於I正常的減小了的電流流過；b．一個阻性器件，當系統如此連接時與繼電器的該組觸點與負荷之間串聯連接，且具有ⅰ．正常狀態，這時系統電流不超過正常電流I正常預定的電流量；和ⅱ．故障狀態，這時系統電流超過正常電流I正常預定量；c．一個控制元件，由下列各部分串聯組成ⅰ．一個PTC器件，與阻性器件熱耦合；和ⅱ．一個繼電器線圈，與繼電器各觸點耦合；這個串聯電路連接在電源兩端，在載流線路與迴路線路之間，PTC器件接載流線路，繼電器線圈耦合到迴路線路上；PTC的電阻根據阻性元件從其正常狀態轉入其故障狀態的變化增加預定阻值時，繼電器的該組觸點從其閉合狀態轉入其斷開狀態，從而使系統從其正常狀態轉入其故障狀態；和d．一個繼電器電流供應器件，給繼電器線圈供應電流，從而如果繼電器各觸點都斷開時，唯一能使這些觸點閉合的方法是通過繼電器線圈電流供應器件給繼電器線圈供應電流。
2．如權利要求1所述的系統，其特徵在於，繼電器線圈的電流供應器件由一個電阻電容(RC)網絡組成，與繼電器線圈連接，當繼電器觸點都斷開時可以加充電，從而通過繼電器線圈供應足夠的電流，使繼電器各觸點閉合。
3．如權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，RC網絡在系統接通時起防止大電流短路的保護作用。
4．一種電氣系統，其特徵在於，它包括(1)一個電子控制組件(ECM)；(2)一個開關，由ECM控制；(3)一個保護系統，如1-3任一權利要求所述的那一種；(4)一個RC網絡，在開關與保護系統之間串聯連接；和(5)一個電壓檢測器件，供檢測RC網絡與保護系統之間線路上的電壓。
5．如權利要求4所述的系統，其特徵在於，ECM在根據檢測出的電壓檢測出系統故障情況時使系統不起作用。
6．如權利要求4或5所述的系統，其特徵在於，它還包括一個指示器，供指示系統故障情況。
7．如4至6任一權利要求所述的系統，其特徵在於，所述開關為場效應電晶體。
8．一種電氣系統，其特徵在於，它包括(1)一個電子控制組件(ECM)；(2)一個開關，由ECM控制；(3)一個保護系統，如1-3任一權利要求所述的那一種；(4)一個診斷電阻，在開關與保護系統之間串聯連接；和(5)一個電壓檢測器件，供檢測RC網絡與保護系統之間線路上的電壓。繼電器線圈和繼電器各觸點能在等於系統電壓減去診斷電阻器兩端電壓降的電壓下工作。
9．如權利要求8所述的系統，其特徵在於，ECM在根據檢測出的電壓檢測出系統的故障情況時使系統不起作用。
10．如權利要求8或9所述的系統，其特徵在於，它還包括一個指示器，供指示系統的故障情況。
全文摘要
一種電氣保護系統,具有一個電阻器和一個與負荷串聯的繼電器連接,還有一個PTC器件與負荷並聯連接,與控制繼電器的線圈串聯連接。PTC器件與電阻器熱耦合,因而繼電器在過電流將電阻器加熱時斷開。繼電器線圈可例如藉助於RC電路遙控激發,使繼電器閉合這種保護系統可與其它部件組合使用,使其具備診斷能力。
文檔編號H02H3/08GK1294769SQ99802600
公開日2001年5月9日 申請日期1999年2月3日 優先權日1998年2月6日
發明者I·米安, W·T·普雷斯利 申請人:泰科電子有限公司