確定局部短路的裝置和方法
2023-09-10 00:27:45 4
專利名稱：確定局部短路的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用來確定局部短路的裝置和方法，特別涉及一種局部短路的確定裝置和一種局部短路的確定方法，它能夠檢測流過汽車電子電路的異常電流。
背景技術：
美國專利第4,023,264號描述了安裝在汽車保險絲盒內的一種片狀保險絲。片狀保險絲常常用於汽車電子電路內，具有一種慢熔特性。由於這種慢熔特性，片狀保險絲不會被短暫的過載電流熔斷，而是會被維持一段時間的過載電流熔斷。
片狀保險絲在發生完全短路的時候會熔化和斷開，但是發生局部短路故障的時候不會斷開。完全短路會導致大量的電流連續不斷地流過電子電路。而當振動導致汽車的電線接觸汽車車體的時候，局部短路現象則會導致電流以間歇方式在較短的時間內出現。當局部短路電流不間斷地流過汽車電線的時候，電線會發熱。
日本公開特許公報(Japanese unexamined patent publication)第61-191231和7-131925號描述了確定局部短路的方法。但是，這些方法只考慮了電流值，而沒有正確地考慮防止電線發熱。
第7-131925號公開中描述的方法是在單位時間內過載電流累加值的基礎之上確定異常電流電平的。這樣，這種方法不能夠正確地識別局部短路。根據單位時間的長短，異常現象的確定會延遲或者提前。這樣，如果過早地確定異常現象，當燈用作負載電路的時候常常出現的湧流可能會被當作異常現象。
本發明的發明人之一在第2001-45651號日本公開特許公報(第11-21553號日本專利申請)上公開了一種確定局部短路的方法。在這種方法中，局部短路現象的發生是在至少四個特徵值的基礎之上確定的。這些特徵值涉及到超過預先確定的電流門限值的異常負載電流，異常電流的持續時間和工作比(ON-duty)以及異常負載電流超過預先確定的電流門限值的次數，這個工作比是異常電流持續的時間與預先確定的時間的比值。這樣做能夠準確地確定是否發生了局部短路現象。但是，這一確定方法非常複雜。所以，需要一種簡單方法來確定是否發生了局部短路現象。
發明內容
本發明的一個目的是提供能夠一種很容易和非常精確地確定是否發生局部短路現象的裝置和方法。
為實現上述目的，本發明提供一種局部短路現象確定裝置，用於根據產生的熱量是否超過預先確定的值，確定負載電路中是否發生了局部短路現象。這種局部短路確定裝置包括一個傳感器，用於檢測流過負載電路的負載電流，並產生一個檢測信號。將一個確定電路與這個傳感器連接，用於確定是否發生了局部短路現象。這個確定電路根據檢測信號，每隔一段預先確定的時間間隔，計算第一個參數和第二個參數中的一個參數。第一個參數涉及負載電流超過預先確定的基準電流值的第一個時間段。第二個參數涉及負載電流小於或者等於預先確定的基準電流值的第二個時間段。這個確定電路每隔預先確定的一個時間間隔累加計算出來的參數之一，以便計算累加參數值，並且在這個累加參數值的基礎之上確定是否發生了局部短路現象。
本發明還進一步提供一種方法，用於根據產生的熱是否超過預先確定的值，確定負載電路中是否發生了局部短路現象。該方法包括檢測流過負載電路的負載電流以便產生一個檢測信號，根據該檢測信號將這個負載電流與一個基準電流值進行比較，並且在這個檢測信號的基礎之上每隔預先確定的時間間隔計算第一個參數和第二個參數中的一個參數。第一個參數涉及第一個時間段，在這段時間內負載電流超過預先確定的基準電流值，第二個參數涉及第二個時間段，在這段時間內負載電流小於或者等於預先確定的基準電流值。該方法還包括每隔預先確定的一個時間段累加計算出來的參數之一，從而計算累加參數值，確定累加參數值是否超過預先確定的累加值，當這個累加參數值超過預先確定的累加值的時候，停止為負載電路提供負載電流。
通過以下描述，同時參考附圖，本發明的其它方面和本發明的其它優點將會變得非常清楚，這些附圖以實例的形式說明本發明的原理。
通過參考對優選實施方案的詳細描述，同時參考附圖，能夠獲得對本發明以及它的目的和優點最好的理解。在這些附圖中圖1是本發明局部短路確定裝置的一個原理圖；圖2A是圖1所示局部短路確定裝置的正視剖面圖；圖2B是圖1所示局部短路確定裝置的側視剖面圖；圖3是說明圖1所示局部短路故障確定裝置中確定電路執行的局部短路確定程序的流程圖；和圖4是說明過載電流的時間圖。
具體實施例方式
圖1是本發明最佳實施例中局部短路故障確定裝置的原理圖。局部短路確定裝置安裝在汽車保險絲單元50中，以確定是否發生局部短路。保險絲單元50包括一個傳感器(保險絲)2和一個確定電路(控制電路)6。
圖2A是保險絲單元50的正視剖面圖，圖2B是保險絲單元50的側視剖面圖。如圖2A和2B所示，保險絲單元50有一個機殼100。機殼100是由機殼盒子100a、100b組成的，它們是由耐熱絕緣合成樹脂做成的。兩個互相分開的導電端子102a、102b，陽性端子104、105、106和控制電路6排列在機殼盒子100a、100b之間。陽性端子104、105、106位於導電端子102a、102b之間。導電端子102a、102b和陽性端子104、105、106從機殼100向外延伸。
兩個導電端子102a、102b完整地用細保險絲2相連，其特性取決於電流容量。
控制電路6有一個開關輸入端6a、第一個輸出端6b、第二個輸出端6c、兩個輸入端6d、6e和一個電源輸入端6f。輸入端6d、6e分別與導電端子102a、102b的內側放置的連接片2a、2b連接。開關輸入端6a與陽性端子106連接，通過它輸入一個SW信號。第一個輸出端6b與陽性端子104連接，用作關機信號。第二個輸出端(接地端)6c與陽性端子105連接，被用作接地端。電源輸入端6f與連接片2a連接。
保險絲單元50與一個端子座(沒有畫出)連接，這個端子座包括在汽車的電路中。根據流過保險絲2的負載電流IL，一個檢測信號(電壓)通過連接片2a、2b和輸入端6d、6e被不間斷地提供給控制電路6。保險絲2有一個預先確定的阻抗Z。
附屬(subject)負載的開關15與SW信號輸入陽性端子106連接。當開關15處於斷開狀態的時候，控制電路6收到一個開關斷開信號，當開關15處於接通狀態的時候，會收到開關接通信號。
如圖1所示，汽車的電池BT通過保險絲單元50和功率MOSFET(以後簡單地將它稱為場效應管)4或者關閉電路與負載電路5連接。負載電路5包括，例如，一個頭燈或者收音機。此外，負載電路5還包括與頭燈或者收音機連接的電線。
下面討論保險絲單元5的控制電路6。這個控制電路6包括一個微型計算機8。微型計算機8包括一個CPU(中央處理器)8a、一個ROM(只讀存儲器)8b和一個RAM(隨機存取存儲器)8c。ROM 8b中儲存著程序和數據，用於確定是否發生了局部短路故障。RAM 8c用於臨時儲存與計算相關的數據，該計算是用於確定局部短路是否發生的。
保險絲2有一個端子與控制電路6的輸入端6d連接，另外一個端子與控制電路6的輸入端6e連接。當負載電流(檢測到的電流)IL流過負載電路5，保險絲2有一個電流值Id的時候，在保險絲2的兩個端子之間產生一個電位差V，這一點將在下面加以描述。
V＝電源電壓E1-負載電壓E2＝阻抗Z×電流值Id電位差V正比於電流值Id，阻抗Z基本上是常數。這樣，從電位差V就能檢測出電流值Id。
控制電路6的第一個輸出端6b通過關機信號陽性端子104與場效應管4的柵極連接。當場效應管4從控制電路6收到場效應管接通信號的時候，場效應管4的漏極和源極之間的部分導通。這樣就為負載電路5提供負載電流IL。當場效應管4從控制電路6收到場效應管斷開信號的時候，漏極D和源極S之間的部分就截止。這樣就能夠使負載電流IL停止流向負載電路5。
下面描述保險絲單元50的工作過程。圖3是確定局部短路是否發生的程序的流程。這個程序由微型計算機8的中央處理單元8a執行。
根據負載電路5中產生的熱是否超過預先確定的值，這個程序被用於確定是否發生了局部短路故障。當它認為發生局部短路故障的時候，就切斷供給負載電路5的負載電流IL。
在控制電路6收到開關接通信號和中央處理單元8a啟動以後，開始執行這個程序。在初始化以後，中央處理單元8a為場效應管4的柵極提供場效應管接通信號，接通場效應管4。隨後，在周期性的中斷過程中執行這個程序，該周期性的中斷每隔預定長度的時間出現一次，例如每隔0.1毫秒出現一次。預先確定的時間間隔比產生湧流的時間間隔要短得多。當使用燈的時候，湧流的產生是正常現象。
在步驟S1中，中央處理單元8a讀取負載電流值Id。在步驟S2中，中央處理單元8a確定是否出現了過載電流。過載電流的產生是通過將負載電流值Id與預先確定的電流門限值進行比較來確定的。預先確定的電流門限值儲存在只讀存儲器8b中。如果負載電流值Id小於或者等於預先確定的門限值，中央處理單元8a就認為沒有出現過載電流。如果這個電流值Id超過預先確定的門限值，中央處理單元8a就認為出現了過載電流。
如果在步驟S2中認為沒有出現過載電流，中央處理單元8a就進入步驟S9。如果在步驟2中它認為出現了過載電流，中央處理單元8a就進入步驟S3。
在步驟S3中，中央處理單元8a確定過載電流檢測標誌F是否是0(復位)。過載電流檢測標誌F用於確定當前的過載電流檢測是不是初始檢測。如果過載電流標誌F是0，中央處理單元8a就認為當前的過載電流檢測是初始檢測。然後中央處理單元8a進入步驟S4，並且將過載電流檢測標誌F設置為1。
然後在步驟S5中，中央處理單元8a計算接通時間(第一個時間段)，這個時間是過載電流持續的時間，並且根據接通時間計算焦耳熱J。中央處理單元8a隨後進入步驟S6。接通時間用例如接通時間計數器來測量(沒有畫出)。中央處理單元8a根據接通時間計數器的計數值計算接通時間。
如果在步驟S3中過載電流檢測標誌F是1，那麼當前的過載電流檢測就不是初始檢測。這個時候，中央處理單元8a進入步驟S5。
在步驟S9中，沒有產生過載電流的時候，中央處理單元8a確定過載電流檢測標誌F是不是1。如果它發現過載電流檢測標誌F是1，中央處理單元8a就認為在前一次執行這個程序的時候檢測到過載電流，並且在這一次執行的時候沒有檢測到過載電流。於是中央處理單元8a進入步驟S10，並且將過載電流檢測標誌F復位為0。於是，在步驟S11中，中央處理單元8a從只讀存儲器8b讀取代表電弧熱(arc heat)A的值，並且進入步驟S6。
如果在步驟S9中發現過載電流檢測標誌F不是1，中央處理單元8a就認為在前一次執行這個程序的時候沒有檢測到過載電流，並且進入步驟S12。
在步驟S12中，中央處理單元8a從只讀存儲器8b讀取代表輻射熱L的一個值，並且進入步驟S6。
在步驟S6中，中央處理單元8a計算總熱量N。下面討論計算總熱量N的過程。
總熱量N是通過將焦耳熱J、電弧熱A或者輻射熱L相加或者相減而計算出來的，它是從到前一次執行這個程序的時候為止累加起來的熱值，在當前這一次執行這一程序的過程中計算出來的。
總熱量N是焦耳熱J、電弧熱A和輻射熱L的函數，用公式1表示N＝F(J，A，L)＝前一個周期的累加值+當前的熱量(1)焦耳熱J與接通時間和檢測到的電流值Id有關。在這個最佳實施例中，事先測量焦耳熱J，焦耳熱J與接通時間和檢測到的電流值Id構成的一個三維圖儲存在只讀存儲器8b中。
在步驟S5中，中央處理單元8a在檢測到接通時間和過載電流值Id的時候，利用這個圖計算對應於當前檢測到的過載電流的焦耳熱J。如果接通時間繼續下去，中央處理單元8a就在每次執行這個程序的時候從步驟S5進入步驟S6。在步驟S6中，中央處理單元8a將焦耳熱J，其對應於檢測到的電流值Id，與步驟S6中前一個周期裡的累加值加起來，中央處理單元8a利用等式(2)進行計算。在這種情況下，電弧熱A和輻射熱L都是0。
F(J，A，L)＝前一個周期的累加值+當前的焦耳熱J(2)電弧熱A是過載電流產生的電弧產生的熱。電弧是在電路線接觸導體的時候在電路線和導體之間產生的。汽車電路上的電壓是恆定的，電弧時間極短。所以，一個單獨的電弧產生的電弧熱的值A是一個常數。
在這個最佳實施例中，汽車電池BT的電壓值是12伏，它是一個常數。所以，事先測量出產生的電弧熱的值。預先確定的電弧熱A儲存在只讀存儲器8b中。
當在前一次而不是在這一次檢測到過載電流的時候，中央處理單元8a確定已經產生了電弧，並且從步驟S11進入步驟S6。在步驟S6中，中央處理單元8a將預先確定的電弧熱A與累加值N加起來。中央處理單元8a利用等式(3)進行計算。在這種情況下，焦耳熱J和輻射熱L的值都是0。
F(J，A，L)＝前一個周期的累加值+預先確定的電弧熱A (3)輻射熱L是在過載電流的斷開時間(沒有過載電流流動的時間)內輻射出來的熱，它正比於斷開時間。每個單位時間(在這個最佳實施例中，就是程序中斷的間隔)的輻射熱L是事先測量出來的一個值。預先確定的輻射熱L儲存在只讀存儲器8b中。
當斷開時間繼續下去的時候，每次執行這個程序的時候中央處理單元8a都從步驟S12進入步驟S6。中央處理單元8a將預先確定的輻射熱L從前一個周期中的累加值中減去。中央處理單元8a利用等式(4)進行計算。在這種情況下，焦耳熱J和電弧熱A的值都是0。
F(J，A，L)＝前一個周期的累加值-預先確定的輻射熱L (4)在步驟S6中，中央處理單元8a將當前的熱量從前一個周期的累加值中減去或者加到它上面去，以計算總熱量(當前的累加值)。中央處理單元8a隨後暫時將總熱量儲存在隨機存取存儲器8c中。
在步驟S7中，中央處理單元8a確定總熱量N是否小於或等於預先確定的值K。預先確定的值K小於或者等於電線能夠承受的熱量。對應於使用的電線的預先確定值K是事先通過試驗來確定的。例如這樣來設置預先確定的值K，從而使電線的外皮不會冒煙。
當中央處理單元8a在步驟S7中認為總熱量N小於或者等於預先確定的值K的時候，中央處理單元8a就暫時中止這一程序。當中央處理單元8a認為總容量N超過預先確定的值K的時候，中央處理單元8a就認為在負載電路5中出現了局部短路。
當認為出現了局部短路故障的時候，中央處理單元8a進入步驟S8，並且給場效應管輸出一個斷開信號。這個場效應管斷開信號使得場效應管4的漏極和源極之間的部分成為不導電的，並使電流停止流向負載電路5。這樣就會保護負載電路5。此時，中央處理單元8a完成這一程序。
下面將參考圖4所示的時間圖來描述這一程序。
圖4用條形圖說明過載電流IK1和IK2。在圖4中，時間段t0-t13中的每一段都表示一段預先確定的時間。在時間段t0-t13中的每一個時間段內以中斷方式執行圖3所示的程序。
在圖4中，過載電流IK1在時間段t1-t5中超過預先確定的門限值，過載電流IK2在時間段t8-t9中超過預先確定的門限值。
在時間段t1-t5中，對過載電流IK1執行程序的步驟S1-S6，在時間段t8-t9中為過載電流IK2執行程序的步驟S1-S6。在這些時間段t1-t5和t8-t9中的每一個段內將焦耳熱J加到前一個周期的累加值上去。
在時間段t5-56和t9-t10之間，過載電流IK1、IK2的電流值分別從D1、D2降到0。這樣，中央處理單元8a識別到產生了電弧。中央處理單元8a執行程序的步驟S2、S9-S11和S6，並且將電弧熱A加到前一個周期的累加值上去。
時間段t6-t7和t10-t13中的每一個都對應於一個斷開時間。在斷開時間裡，中央處理單元8a認識到電線正在輻射熱量。中央處理單元8a重複程序的步驟S2、S9、S12、S6，並且將輻射熱L從前一個周期的累加值中減去。
這個最佳實施例中的局部短路確定裝置或者保險絲單元50具有以下優點。
(1)無論什麼時候執行程序，保險絲單元50的控制電路6(中央處理單元8a)都將焦耳熱J、電弧熱A或者輻射熱L加到累加熱中或者從累加熱中減去，這個累加熱是在前一個周期中獲得的。中央處理單元8a確定當前的總熱量N(負載電路總的累加熱)是否處於能夠承受的範圍之內。如果總熱量N超過門限值K，控制電路6根據產生的熱超過一預定的值，而確認負載電路5中出現了局部短路故障，並且停止提供電流給負載電路5。
這樣，在這個最佳實施例中，滿足以下條件之一時停止給負載電路5提供電流。這樣做能保護負載電路5和它的電線。
a)產生了大量的焦耳熱J。
例如，當過載電流的持續時間(接通時間)相對較長的時候就會滿足這一條件。或者，當過載電流在一個較短的時間周期內產生多次，從而使總的接通時間很長的時候會滿足這一條件。
b)產生大量的電弧熱A。
例如，在很短的時間周期內過載電流出現很多次的時候會滿足這一條件。電弧熱隨著產生過載電流的次數增加成正比地增加。
c)產生大量的焦耳熱J和大量的電弧熱A。
(2)根據需要改變總的累加熱的預先確定值K，從而保護負載電路5，使它不會被各種過載電流熔斷保險絲。
(3)在保險絲單元50中，用於確定是否發生局部短路的參數是總熱量N，這個總熱量N是從焦耳熱J、電弧熱A和輻射熱L計算出來的。因此，將總熱量N作為確定是否發生局部短路的參數能夠以最佳的方式檢測電線的發熱，從而確定是否發生了局部短路故障而不需要複雜的裝置。
(4)在保險絲單元50中保險絲2被用作一個傳感器。這樣，如果在負載電路5中出現了完全短路故障，保險絲2就會熔斷，從而保護負載電路5。此外，負載電流IL能用一個簡單的裝置檢測出來。
(5)這個最佳實施例針對的主要是局部短路現象。但是，這個保險絲單元50也可以用於不產生電弧的完全短路現象。
對於本領域裡的技術人員而言，本發明顯然可以用許多其它的具體形式來實現而不會偏離本發明的實質和範圍。特別是，應當明白本發明可以用以下形式來實現。
可以將一個電阻器或者熱敏電阻用作傳感器2。或者，傳感器2可以是能夠檢測負載電流IL的任意一種類型的單元或者電路，比方說安培計。
局部短路確定裝置的應用並不局限於汽車中的保險絲單元50，而是還可以用於其它電路。
這些實例和實施方案是說明性的而不是限制性的，本發明並不局限於這裡給出的細節，而是可以在下面的權利要求給出的範圍中進行修正。
權利要求
1.一種局部短路確定裝置，用於根據產生的熱量是否超過預先確定的值，確定在負載電路中是否出現局部短路，這種局部短路確定裝置包括一個傳感器，用於檢測流經負載電路的負載電流，並且用於產生一個檢測信號；以及一個確定電路，其與傳感器相連，用於確定是否出現了局部短路，其中確定電路根據檢測信號每隔一段預先確定的時間間隔，計算第一個參數和第二個參數中的一個參數，第一個參數與第一個時間段有關，在該時間段中負載電流值超過一個預先確定的基準電流值；第二個參數與第二個時間段有關，在該時間段中負載電流值小於或者等於預先確定的基準電流值，其中該確定電路每隔預先確定的時間段累加計算出來的這些參數中的一個，以便計算出累加參數值，並且根據累加參數值來確定是否發生了局部短路。
2.如權利要求1所述的局部短路確定裝置，其中確定電路與一個斷開電路連接，用於停止從電源提供負載電流給負載電路，當確認出現了局部短路的時候，其中的確定電路控制斷開電路停止為負載電路提供負載電流。
3.如權利要求1所述的局部短路確定裝置，其中第一個參數是第一個時間段內在負載電路中產生的焦耳熱和電弧熱中的一個，第二個參數是在第二個時間段內負載電路中輻射出來的輻射熱，並且該確定電路計算焦耳熱、電弧熱和輻射熱中間的一個。
4.如權利要求3所述的局部短路確定裝置，其中確定裝置將計算出來的熱量之一累加起來計算總熱量，並且根據這個總熱量來確定是否發生了局部短路。
5.如權利要求4所述的局部短路確定裝置，其中，當總熱量超過一個預先確定的值的時候，其確定電路確認發生了局部短路。
6.如權利要求5所述的局部短路確定裝置，其中該確定裝置在計算總熱量的時候將焦耳熱或電弧熱加起來，並且減去輻射熱。
7.如權利要求6所述的局部短路確定裝置，其中確定裝置與斷開電路連接，用於停止從電源提供負載電流給負載電路，當確認出現了局部短路時，其中所述的確定電路控制斷開電路停止將負載電流提供給負載電路。
8.一種確定局部短路的方法，其根據產生的熱量超過一個預先確定的值，確定負載電路中是否發生局部短路，其方法包括以下步驟檢測流經負載電路的負載電流，產生一個檢測信號；在所述檢測信號的基礎之上將負載電流與基準電流值進行比較；在所述檢測信號的基礎之上，每隔預先確定的一段時間計算第一個參數和第二個參數中的一個參數，其中的第一個參數與第一個時間段有關，在這個時間段中負載電流超過了預先確定的基準電流值，第二個參數與第二個時間段有關，在這個時間段中負載電流小於或者等於預先確定的基準電流值；每隔預先確定的一段時間累加計算出來的參數之一，以計算一個累加參數值；確定所述的累加參數值是否超過了一個預先確定的累加值；和當所述的累加參數值超過預先確定的累加值的時候，停止提供負載電流給負載電路。
9.如權利要求8所述的方法，其中第一個參數是在負載電路中產生的與第一個時間段相關的焦耳熱和電弧熱中間的一個，第二個參數是在第二個時間段內從負載電路輻射出來的輻射熱，其中，該計算步驟包括計算焦耳熱、電弧熱和輻射熱中間的一個；累加步驟包括累加計算出來的熱量之一，並且計算一個總熱量；以及停止步驟，包括當總熱量超過預先確定的熱量的時候，停止提供負載電流給負載電路。
10.如權利要求9所述的方法，其中的累加步驟包括計算總熱量的時候將焦耳熱或者電弧熱加起來，並且減去輻射熱。
全文摘要
一種很容易地確定是否發生局部短路的裝置,用於根據產生的熱量是否超過預先確定的值,來確定在負載電路中是否發生局部短路。這個裝置包括一個保險絲,用於檢測流經負載電路的負載電流,並且產生一個檢測信號;一個控制電路,其與這個保險絲連接,從而確定是否發生局部短路。根據該檢測信號該確定電路計算第一個參數和第二個參數中的一個。第一個參數涉及負載電流超過一個預先確定的基準電流值的第一個時間段。第二個參數涉及負載電流小於或者等於預先確定的基準電流值的第二個時間段。控制電路每隔預先確定的一段時間累加這些參數之一,計算一個累加參數值,並且根據這個累加參數值來確定是否發生了局部短路。
文檔編號H02H5/00GK1341860SQ0113076
公開日2002年3月27日 申請日期2001年8月23日 優先權日2000年9月4日
發明者太田學, 柴田秀樹 申請人:太平洋精工株式會社