DE102011083877A1 - Circuit breaker i.e. in-cable control box, for power supply of electrically propelled vehicle i.e. electric car, has ground fault circuit interrupter comprising bistable switching element for closing and interrupting power supply of vehicle - Google Patents

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Abstract

The circuit breaker (S) has a ground fault circuit interrupter (FI) comprising a bistable switching element (BI) e.g. bistable relay or bistable lifting magnet, for closing and interrupting a power supply of an electrically propelled vehicle, where the circuit breaker is integrated into a charging cable (L) of the vehicle. The switching element is arranged on a printed circuit board. A controller (ST) supplies a current pulse to the switching element in a fault-free condition and supplies another current pulse to the switching element in a fault condition for interrupting the power supply.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter für die Stromversorgung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, insbesondere Elektroautos. The invention relates to a circuit breaker for the power supply of an electrically driven vehicle, in particular electric cars.

In Zukunft ist mit einem immer größeren Stellenwert von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, Elektroautos bzw. Elektromobils, in der Gesellschaft zu rechnen. Hierfür ist es erforderlich eine dazu passende Infrastruktur zu schaffen, wozu geeignete, sichere Ladesysteme gehören. Die Sicherheit beim Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges muss gewährleistet sein. Bei einem Isolationsfehler oder sonstigen Fehler kann es sonst passieren, dass Netzspannung am Gehäuse des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges anliegt, was zu tödlichen Personenschäden führen kann. In the future, an ever greater significance of electrically powered vehicles, in particular electric vehicles, electric cars and electric vehicles, can be expected in society. For this it is necessary to create a suitable infrastructure, which includes suitable, secure charging systems. The safety when loading an electrically driven vehicle must be guaranteed. In the event of an insulation fault or other fault, it may otherwise happen that mains voltage is applied to the housing of the electrically driven vehicle, which can lead to fatal personal injury.

Um diese Gefahr zu vermeiden, ist es notwendig, in der Stromversorgung einen Schutzschalter zu integrieren. Dieser weist einen Fehlerstromschutzschalter auf. Wenn ein Fehlerstrom auftritt wird die Stromversorgung unterbrochen, was dazu führ, dass das elektrisch angetriebene Fahrzeug vom Netz getrennt wird. To avoid this danger, it is necessary to integrate a circuit breaker in the power supply. This has a residual current circuit breaker. When a fault current occurs, the power supply is interrupted, causing the electrically powered vehicle to be disconnected from the mains.

Da der Ladevorgang von Elektrofahrzeugen sehr lange dauert, findet er meist unbeaufsichtigt statt. Um zu verhindern, dass der Ladevorgang durch einen kurzeitigen, ungefährlichen Fehler (z. B. Spannungsschwankungen im Netz) abgebrochen wird, kann eine Autotest Funktion vorgesehen werden. Diese prüft zyklisch ob noch ein Fehler vorliegt und schließt im fehlerfreien Fall die Stromversorgung, so dass der Ladevorgang fortgesetzt werden kann. Since the charging process of electric vehicles takes a long time, it usually takes place unattended. In order to prevent the charging process being interrupted by a short, harmless error (eg voltage fluctuations in the network), an autotest function can be provided. This checks cyclically if there is still a fault and closes in the error-free case, the power supply, so that the charging process can be continued.

Zum Schließen der Stromversorgung / des Stromflusses wird ein Schaltelement benötigt, wie beispielsweise ein Aktor, der die Energie zum Schließen von Kontakten für den Stromfluss aufbringt. Häufig ist ferner eine Schaltmechanik, das die Kontakte schließt, mit umfasst. Dieser Aktor mit Kontakten kann ein Relais, Schütz oder ähnliches sein. To close the power supply / current flow, a switching element is needed, such as an actuator, which applies the energy to close contacts for the flow of current. Frequently, a switching mechanism that closes the contacts is also included. This actuator with contacts can be a relay, contactor or similar.

Beim Schließen des Kontaktes durch einen Aktor, des Schaltelementes fließt ein elektrischer Strom durch den Aktor, wie die Relais- bzw. Schützspule etc., der eine Erwärmung des Schutzschalters verursacht. Da Schutzschalter häufig unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, ist eine robuste und kompakte Bauform für das Gehäuse nötig. When closing the contact by an actuator, the switching element, an electric current flows through the actuator, such as the relay or contactor coil, etc., which causes heating of the circuit breaker. Because circuit breakers are often used in harsh environments, a rugged and compact package design is required.

Insbesondere die Erwärmung innerhalb des Gerätes bei geschlossener Stromversorgung im Ladefall über den langen Zeitraum ist deshalb nicht unerheblich. In particular, the heating within the device with the power supply in the case of charge over the long period is therefore not insignificant.

Häufig erfolgt ein Schalten mittels Hochleistungsrelais, um die gewünschte Schaltleistung zu realisieren, die von einem Microcontroller gesteuert werden. Diese Hochleistungsrelais müssen während des gesamten Betriebes von einem Strom durchflossen werden, was zu einem Anstieg der Temperatur im Inneren des Schutzschalter / der Schutzvorrichtung führt. Frequently, switching takes place by means of high-power relays in order to realize the desired switching power, which are controlled by a microcontroller. These high-performance relays must be traversed by a current throughout the operation, which leads to an increase in the temperature inside the circuit breaker / the protection device.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für das Wärmeproblem aufzuzeigen. Object of the present invention is to show a solution to the heat problem.

Dieses Problem wird durch einen Schutzschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This problem is solved by a circuit breaker with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Schließen bzw. Unterbrechen der Stromversorgung, d.h. dass ein- und ausschalten des elektrischen Stromes durch ein bistabiles Schaltelement, wie ein bistabiles Relais, bistabilen Schütz, bistabilen Hubmagneten oder bistabilen Aktor zu realisieren. Dies hat den Vorteil, dass eine Relais-, Schütz-, Aktor-Spule in einem geschalteten Zustand nicht permanent vom Strom durchflossen wird, so dass die Verlustleistung reduziert bzw. so gering wie möglich gehalten wird. According to the invention it is provided that closing or interrupting the power supply, i. to turn on and off the electric current by a bistable switching element, such as a bistable relay, bistable contactor, bistable solenoid or bistable actuator to realize. This has the advantage that a relay, contactor, actuator coil in a switched state is not permanently flowed through by the current, so that the power loss is reduced or kept as low as possible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schutzschalter eine hohe Schutzklasse wie IP65 auf. Diese hohen Anforderung bedeutet, dass das Design des Gehäuses den Forderungen aus den jeweiligen Schutzklassifikationen gerecht werden muss und eine hohe Schirmung aufweist, die physikalisch auch eine hohe temperaturseitige Abschirmung mit sich bringt, welche erstmals mit einem bistabilen Schaltelement geringer Wärmeentwicklung realisiert werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, the circuit breaker on a high protection class such as IP65. This high requirement means that the design of the housing must meet the requirements of the respective protection classifications and has a high shielding, which physically also brings a high temperature-side shielding, which can be realized for the first time with a bistable switching element low heat.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das bistabile Schaltelement durch einen bistabilen Hubmagneten realisiert, der in einfacher Weise auf einer Platine angeordnet werden kann sowie über nur eine Leitung durch entgegengesetzte Stromstöße steuerbar ist. In an advantageous embodiment of the invention, the bistable switching element is realized by a bistable solenoid, which can be arranged in a simple manner on a circuit board and can be controlled via only one line by opposite current surges.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt: An embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Hereby shows:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges, das an eine Stromversorgung angeschlossen ist, 1 a schematic representation of a vehicle which is connected to a power supply,

2 eine schematische Darstellung eines Schutzschalters für die Stromversorgung 2 a schematic representation of a circuit breaker for the power supply

3 einen Hubmagneten mit Schaltwerk, 3 a lifting magnet with derailleur,

4 einen Hubmagneten in erster Schnittdarstellung 4 a solenoid in the first sectional view

5 einen Hubmagneten in zweiter Schnittdarstellung. 5 a solenoid in the second sectional view.

1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug E, dass über ein Ladekabel L, welches einen Schutzschalter S aufweist, an eine Stromquelle I angeschlossen ist. 1 shows an electrically driven vehicle E, that is connected via a charging cable L, which has a circuit breaker S, to a power source I.

2 zeigt einen Schutzschalter S, aufweisend einen Fehlerstromschutzschalter FI, eine Autotest-Funktion A, eine Steuerung ST und ein bistabiles Schaltelement BI. Der elektrische Strom von der Stromquelle I fließt über den Schutzschalter S, in dem zuerst ein Fehlerstromschutzschalter FI passiert wird und dann ein bistabiles Schaltelement BI, weiter zum elektrisch angetriebenen Fahrzeug E. 2 shows a circuit breaker S, comprising a residual current circuit breaker FI, an Autotest function A, a controller ST and a bistable switching element BI. The electric current from the current source I flows through the circuit breaker S, in which first a leakage circuit breaker FI is passed and then a bistable switching element BI, on to the electrically driven vehicle E.

Der Schutzschalter S weist einen Autotest-Funktion A auf, die im Fehlerfall zyklisch das Vorliegen desselben prüft. Im fehlerfreien Fall veranlasst es über die Steuerung ST ein schließen des bistabilen Schaltelementes durch einen Stromstoß. Im Fehlerfall gibt der Fehlerstromschutzschalter direkt oder über die Steuerung ST ein Signal an die bistabile Schalteinrichtung, um den elektrischen Stromkreis zu öffnen. The circuit breaker S has an autotest function A, which cyclically checks the presence of the same in the event of an error. In the fault-free case, it causes via the controller ST to close the bistable switching element by a surge. In the event of a fault, the residual current circuit breaker directly or via the controller ST a signal to the bistable switching device to open the electrical circuit.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubmagneten (1) mit Schaltwerk (7). 3 shows a lifting magnet according to the invention ( 1 ) with derailleur ( 7 ).

4 zeigt den erfindungsgemäßen Hubmagneten (1) gemäß 3 im Schnitt mit geöffneten Kontakten. Im Grundzustand ist der Hubmagnet (1) nicht bestromt. Er übt keine Kraft auf das Schaltwerk aus. Kontaktdruck- und Aufreißfedern (2 / 3) sind entspannt. Ein Bewegkontaktträger (4) ist geöffnet, der Stromkreis somit getrennt. 4 shows the lifting magnet according to the invention ( 1 ) according to 3 on average with opened contacts. In the ground state, the solenoid ( 1 ) not energized. He exerts no force on the rear derailleur. Contact pressure and tearing springs ( 2 / 3 ) are relaxed. A moving contact carrier ( 4 ) is open, the circuit thus separated.

Zum Schließen des Schaltwerks wird der Hubmagnet (1) bestromt. Die resultierende Kraft zieht seinen Tauchkern in die Spule. Der Druckstab fährt nach unten und drückt gegen die Anpressplatte (5). Diese bewegt sich im Führungszylinder (6) abwärts und nimmt über die Kontaktdruckfeder (2) den Bewegkontaktträger (4) mit. Dabei wird die wesentlich weichere Aufreißfeder (3) gestaucht. Treffen Bewegkontakte (8) des Bewegkontaktträgers auf Festkontakte (9) einer Platine ist das Schaltwerk geschlossen. Mit dem restlichen Verfahrweg wird die Aufreißfeder gestaucht. Ist die Endposition des Tauchkerns erreicht ist das Schaltwerk geschlossen und mittels eines Permanentmagneten in energiefreier Selbsthaltung, wie in 5 dargestellt, das den erfindungsgemäßen Hubmagneten (1) gemäß 4 im Schnitt mit geschlossenen Kontakten zeigt. To close the derailleur, the solenoid ( 1 ) energized. The resulting force pulls its core into the coil. The push rod moves down and presses against the pressure plate ( 5 ). This moves in the guide cylinder ( 6 ) down and takes over the contact pressure spring ( 2 ) the moving contact carrier ( 4 ) With. This is the much softer Aufreißfeder ( 3 ) compressed. Meet moving contacts ( 8th ) of the moving contact carrier on fixed contacts ( 9 ) of a board, the rear derailleur is closed. With the remaining travel the Aufreißfeder is compressed. If the end position of the plunger core is reached, the rear derailleur is closed and by means of a permanent magnet in energy-free latching, as in 5 shown, which the lifting magnet according to the invention ( 1 ) according to 4 in section with closed contacts shows.

Solange kein Fehler erkannt wird, bleibt das Schaltwerk energiefrei in dieser geschlossenen Position. Die Kontaktdruckfeder erzeugt den Kontaktdruck. Die Aufreißfeder ist gespannt. As long as no fault is detected, the rear derailleur remains energy-free in this closed position. The contact pressure spring generates the contact pressure. The tear-open spring is taut.

Im Fehlerfall wird durch einen Spannungsimpuls die permanentmagnetische Kraft des Hubmagneten (1) geschwächt. Dadurch fährt der Stößel des Hubmagneten ein. Dadurch können sich die Kontaktdruckfeder (2) und die Aufreißfeder (3) entspannen. Dadurch wird der Bewegkontaktträger nach oben geschoben. Dies öffnet die Kontakte (8 / 9). Der Ladekreis wird getrennt und das Schaltwerk ist wieder im Grundzustand. In the event of a fault, the permanent magnetic force of the lifting magnet ( 1 ) weakened. As a result, the plunger of the solenoid drives. This allows the contact pressure spring ( 2 ) and the tearing spring ( 3 ) relax. As a result, the moving contact carrier is pushed upwards. This opens the contacts ( 8th / 9 ). The charging circuit is disconnected and the rear derailleur is back to normal.

Als Aktor zum Betätigen der Kontakte wird ein bistabiler Hubmagnet verwendet. Diese Hubmagneten haben neben einer Spule zur dynamischen Bewegung des Tauchkerns einen Permanentmagneten verbaut. Dies führt dazu, dass der Tauchkern völlig energiefrei in der Endlage arretiert und eine Haltekraft aufnehmen kann. Zum Lösen der Selbsthaltung wird er mit einem gegengerichteten Stromimpuls angesteuert. Die Festkontakte können direkt auf eine Platine gelötet werden. Die Bewegkontakte sind auf einem Bewegkontaktträger befestigt welcher schwimmend zwischen 2 Federn eingespannt ist. Die obere Feder liefert die benötigte Kontaktkraft, die untere die Aufreißkraft. Die Federn sind so ausgelegt, dass die Ausfahrbewegung des Druckstabs zunächst nur die untere Feder staucht. Das Schaltwerk schließt somit mit max. Geschwindigkeit. Treffen die Kontakte aufeinander wird die restliche Ausfahrstrecke von der Kontaktdruckfeder kompensiert was die Kontaktkraft erzeugt. As actuator for actuating the contacts, a bistable solenoid is used. These solenoids have installed a permanent magnet in addition to a coil for dynamic movement of the plunger core. As a result, the plunger core locks completely energy-free in the end position and can absorb a holding force. To release the latching it is controlled by a counter-current current pulse. The fixed contacts can be soldered directly onto a circuit board. The moving contacts are mounted on a moving contact carrier which is floatingly clamped between 2 springs. The upper spring provides the required contact force, the lower the tearing force. The springs are designed so that the extension movement of the push rod initially only upsets the lower spring. The rear derailleur thus closes with max. Speed. If the contacts meet each other, the remaining extension distance is compensated by the contact pressure spring, which generates the contact force.

Der Aktor muss nur für den Schließ- und Aufreißvorgang kurzzeitig bestromt werden. Im Betrieb wird die Kontaktkraft stromlos aufgebracht, was keine Verlustleistung und unnötige Wärmeentwicklung verursacht. Das Schaltwerk kann große mechanische Kräfte energiefrei halten und bei Bedarf schnell wieder freigeben. Da bei dieser Schaltmechanik auf eine Verklinkung verzichtet werden kann, ist hierbei mit einem verringerten Verschleiß zu rechnen, welches eine erhöhte Lebensdauer ermöglicht. The actuator only has to be briefly energized for the closing and tearing process. In operation, the contact force is applied de-energized, causing no power loss and unnecessary heat. The derailleur can keep large mechanical forces energy-free and release them quickly when needed. Since it can be dispensed with a latching in this switching mechanism, this is to be expected with a reduced wear, which allows an increased life.

Der Schutzschalter kann in Form einer In Cable Control Box, kurz ICCB im Ladekabel integriert werden. The circuit breaker can be integrated into the charging cable in the form of an In Cable Control Box, or ICCB for short.

Claims (16)

Schutzschalter für die Stromversorgung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges aufweisend einen Fehlerstromschutzschalter der zum Schließen und zur Unterbrechung der Stromversorgung ein bistabiles Schaltelement umfasst. Circuit breaker for the power supply of an electrically driven vehicle comprising a residual current circuit breaker comprising a bistable switching element for closing and interrupting the power supply. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung für den Ladevorgang des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges vorgesehen ist. Circuit breaker according to claim 1, characterized in that the power supply is provided for the charging of the electrically driven vehicle. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch angetriebene Fahrzeug ein Elektroauto ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically driven vehicle is an electric car. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter eine Autotest-Funktion aufweist, die nach einem Fehlerfall das weitere Vorliegen desselben zyklisch prüft und bei fehlerfreiem Zustand das Schließen der Stromversorgung veranlasst. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit breaker has an auto-test function, which cyclically checks the further existence of the same after an error, and causes the closing of the power supply in a fault-free state. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter eine hohe Schutzklasse aufweist. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit breaker has a high degree of protection. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter in einem Ladekabel integriert ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit breaker is integrated in a charging cable. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter im elektrisch angetriebenen Fahrzeug integriert ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the circuit breaker is integrated in the electrically driven vehicle. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter in einer ortsfesten Einrichtung integriert ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the circuit breaker is integrated in a stationary device. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschalter eine Steuerung aufweist, die im fehlerfreien Zustand das bistabile Schaltelement mit einem ersten Stromstoß zum Schließen und im Fehlerfall mit einem zweiten Stromstoß zum Unterbrechen der Stromversorgung versorgt. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit breaker has a control that supplies the bistable switching element in the error-free state with a first surge for closing and in the event of a fault with a second surge to interrupt the power supply. Schutzschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das der erste und zweite Stromstoß entgegengesetzte Stromrichtungen aufweisen. Circuit breaker according to claim 10, characterized in that the first and second current pulse have opposite current directions. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Schaltelement ein bistabiles Relais ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims, characterized in that the bistable switching element is a bistable relay. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Schaltelement ein bistabiler Schütz ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the bistable switching element is a bistable contactor. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Schaltelement ein bistabiler Hubmagnet ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the bistable switching element is a bistable solenoid. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Schaltelement ein bistabiler Aktor mit einer Schaltmechanik ist. Circuit breaker according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the bistable switching element is a bistable actuator with a switching mechanism. Schutzschalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bistabile Hubmagnet oder der bistabile Aktor mit der Schaltmechanik auf einer Leiterplatte mit Kontakten angeordnet ist. Circuit breaker according to claim 13 or 14, characterized in that the bistable solenoid or the bistable actuator is arranged with the switching mechanism on a printed circuit board with contacts. Schutzschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der bistabile Hubmagnet mindestens einen Teil der folgenden Elemente aufweist: eine Anpressplatte, eine Kontaktfeder, einen Bewegkontaktträger, eine Aufreißfeder, einen Führungszylinder, einen Bewegkontakt, einen Permanentmagneten. Circuit breaker according to claim 13, characterized in that the bistable solenoid comprises at least a portion of the following elements: a pressure plate, a contact spring, a Bewegkontaktträger, a Aufreißfeder, a guide cylinder, a moving contact, a permanent magnet.
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