CN102288834B - 充电系统及用于充电系统的接地监测器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种接地监测器。接地监测器可被配置成基于确定的接地电阻进行接地连续性测试。接地监测器可以可操作为根据测试电流的应用过程中检测到的电压差来确定接地电阻。

Description

充电系统及用于充电系统的接地监测器
技术领域
本发明涉及可操作评估网络的接地电阻的接地监测器，例如但不限于适于在评估单相、AC家用/商用电力网的接地电阻时使用的那些接地监测器。 
背景 
可在三线式、AC电力网上执行接地连续性测试，以测试由地线或接地平面提供的接地的质量，其取决于被测量的网络接地电阻。接地的接地质量和/或接地合适的可能性可通过将被测量的接地电阻与预定阈值相比较来确定。接地连续性测试仪或接地监测器可被用来进行测量/评估。然而，由于连接到被测量的电力网的电器设备造成的噪声和其它干扰，所以对于这样的设备准确地测量接地电阻可能是有问题的。 
发明内容
本发明提供一种充电系统，该充电系统用于交通工具且可操作为便于用从家用电力网的三叉型壁装电源插座提供的能量对所述交通工具充电，所述系统包括： 
三叉型终端，其可操作为连接到所述壁装电源插座的中性插头、火线插头和接地插头中的每个； 
供电电路，其可操作为操纵在所述三叉型终端处接收的能量，用于在对所述交通工具充电中使用； 
信号发生器，其可操作为将具有一种或多种特征的多个测试电流传输到所述壁装电源插座，所述信号发生器还可操作为使所述多个测试电流的所述一种或多种特征发生变化；以及 
控制器，其可操作为基于所述多个测试电流的传输过程中至少两个所述三叉型终端之间的、被检测的电压差来确定所述家用电力网的接地电阻； 
所述控制器还可操作为选择所述多个测试电流的所述一种或多种特征，并评估所述被检测的电压差的质量，用于识别导致所述接地电阻的最可靠评估的所述多个测试电流的所述一种或多种特征；以及 
所述控制器可操作为，如果在具有被识别为导致所述最可靠评估的所述一种或多种特征的所述多个测试电流的应用过程中所述接地电阻被评估时，所述接地电阻大于预定阈值，则阻止所述供电电路对所述交通工具充电。 
本发明还提供一种接地监测器，该接地监测器可操作地耦合到具有AC电力网的火线插头、中性插头和接地插头的三叉型电源插座，以基于所述电源插座的所述中性插头和所述接地插头之间的电压差来检测所述电力网的接地电阻，所述接地监测器包括： 
信号发生器，其可操作为将第一频率的测试电流应用到所述中性插头，其中，所述电源插座的所述火线插头接收流过其的第二频率的电流，并且所述第一频率不同于所述第二频率； 
滤波器，其可操作为移除具有所述第二频率的信号并输出经滤波的信号；以及 
电压传感器，其可操作为基于所述经滤波的信号测量所述中性插头和所述接地插头之间的电压差，在所述测试电流的应用过程中，所述电压差代表所述接地电阻。 
本发明还提供另一种接地监测器，该接地监测器用于AC电力网的三叉型电源插座且可操作为根据所述电源插座的中性插头和接地插头之间的电压差来检测所述电力网的接地电阻，所述接地监测器包括： 
信号发生器，其可操作为在流至所述电源插座的火线插头的电流在预定的过零范围内的特定情况的时间期间，将脉冲测试电流应用到所述中性插头；以及 
电压传感器，其可操作为在所述特定情况的时间期间测量所述中性插头和所述接地插头之间的电压差，在所述测试电流的应用过程中，所述电压差代表所述接地电阻。 
附图简要说明 
在所附的权利要求中，以特性指出本发明。然而，通过结合附图参考下面的详细描述，本发明的其它特征将变得更加明显并且本发明将被最好地理解，在附图中： 
图1示出根据本发明的一个非限制性方面的充电系统； 
图2示意性地示出根据本发明的一个非限制性方面的接地监测器的操作； 
图3示出根据本发明的一个非限制性方面的用于测试接地连续性的基于滤波器的方法；以及 
图4示出根据本发明的一个非限制性方面的用于测试接地连续性的基于定时的方法。 
详述 
图1示出根据本发明的一个非限制性方面的充电系统10。系统10示出使用家用电力网12将能量传递到机载交通工具充电器14，交通工具充电器可以然后使用其而对交通工具(未示出)充电，例如通过对交通工具的电池(未示出)或其它能量储存设备(例如，电容)充电。根据本发明的一个非限制性方面，在机载充电器14和家用电力网的壁装电源插座20之间互联的接地监测器16被配置成便于将能量从壁装电源插座20安全地传递到包括在交通工具内的电连接插座22。 
接地监测器16可被配置成测量壁装电源插座20的接地连续性，并根据接地连续性测量结果，例如通过控制继电器24的打开和关闭，来允许或阻止壁装电源插座20和交通工具之间的能量转移。接地监测器16被示 出包括继电器24，展示一种类型的控制，其可被实施，以在发生不可接受的接地连续性测量结果时，阻止交通工具充电。接地监测器16可省略继电器，有助于简单地向交通工具系统控制器或其它元件发出关于接地连续性测量结果的命令或其它信息，使得信息接收元件可以然后执行任何数量的其它操作，以阻止交通工具充电或以其它方式阻止能量转移到交通工具。 
为了示例性目的，被设想便于交通工具的充电的家用电力网12被描述为标准三线式、单相AC网络，其中转换杆(transform pole)30将三相、AC转换成单相AC。在通过连接到至少一个家庭配电板36的第一和第二线32、34传输之前，单相AC可被设置在120V且相移180°。可选地经由熔断器或其它开关，家庭配电板36可反过来在家庭网络(未示出)上将AC传递给若干其它住所负载，其可连接到相应数目的额外壁装电源插座。为了示例性目的，只有接地监测器16被示出连接到一个壁装电源插座20，然而，很容易理解，任何数量的其它设备可在住所内连接并连接到其它住所。 
构成接地监测器16的元件(继电器等)可被包括在外壳内，外壳被配置成便于到壁装电源插座20和包括在交通工具上的插座22的电连接。第一和第二延长线40、42可被分别包括在接地监测器的输入侧和输出侧上以便于此电连接。延长线40、42每个包含三叉型终端(阳或阴)，以便于连接到壁装电源插座20和交通工具插座22。延长线40、42可具有不同的长度，并且可选地，如果外壳被直接安装到住所的墙壁或以其它方式直接插入壁装电源插座20，例如，如果外壳靠在墙壁上并包括集成的火线(hot)、中性(neutral)和接地凸出物(projection)，则第一延长线40可具有很短的长度，实质上是三叉型终端的长度。 
图2示意性地示出根据本发明的一个非限制性方面的接地监测器16的操作。接地监测器根据计算的接地电阻评估接地连续性。根据在至少两个壁装电源插座终端之间测量的电压差来测量接地电阻，为了示例性目的，至少两个壁装电源插座终端被示出为是与接地和中性插头有关的那些壁装电源插座终端。根据下列公式确定接地电阻： 
接地电阻＝测试电流/电压差 
测试电流被信号发生器50应用到中性插头。响应于测试信号的、所测量到的电压差取决于测试电流与包括中性插头和接地插头之间的电流路径的接线的电阻，其可根据长度、使用年限、负载等而不同。然而，由于来自交通工具(IV)和连接到家用电力网的其它负载(IL1、IL2)的电流作用，所产生的电压差可比测试电流自身所产生的电压差大。这些电流作用一般是附加到来自其它电器设备的电流路径的噪声和其它干扰的结果。为了尽可能准确地评估接地电阻，附加到测试电流的电流影响应尽可能被限制。 
可能难以限制额外的电流(噪声)对电压差测量的影响，因为由每个设备引起的噪声可以根据设备的操作条件和任何数量的其他不一致事件而变化。本发明的接地监测器16包括控制器52，其可操作以便于控制信号发生器50，使得由测试电流产生的电压差以被认为是提供接地电阻的最可靠指标的方式，即导致该电压差具有最少量噪声影响的方式来实现。这可包括控制器52可按照评估质量模式操作，其中控制器反复应用不同的测试电流，直到被认为提供最可靠结果的测试电流被识别。 
例如，评估质量模式可包括控制器选择多个测试电流的一种或多种特征，其被应用为用于识别最可靠结果的过程的部分。虽然不排除可变特征，但是本发明的一个非限制性方面设想，当识别关于测试电流的更可靠特征时，控制器52使测试电流应用的频率、振幅和/或定时变化。一旦最可靠的特征被识别，那么控制器52可以选择地和/或连续地应用测试电流，以测试接地连续性。 
可选地，当识别最可靠的特征集时，控制器52可被配置成使至少两种特征发生变化，以便确认一种变化的特征相对于另一种的影响。通过随着振幅变化，至少改变频率或定时，控制器52能够评估哪些条件导致电压差测量中出现的噪声最少。控制器52可通过在给定频率或定时比较电压差测量结果与振幅变化相关的程度来实现此。 
电压差应与测试电流振幅中的改变成比例来改变。例如，如果测试电流增加一倍，则电压差应增加一倍。因此，最密切相关的测试电流特征集对应于与振幅变化最密切相关的集，即最密切导致电压差的加倍的特征 集。控制器52可以随着振幅变化来反复地改变频率或定时，以确定最可靠的测试电流特征集。电力网中的噪声可根据当时正在操作的设备而变化，使得被认为是最可靠的测试电流特征集可随时间改变。控制器52可被配置成根据需要调整测试电流特征，和/或其可被配置成在特定事件发生时，例如基于接地电阻中的变化、充电循环的数量等来重新评价特征。 
如果接地连续性不适当，则接地监测器16可被配置成打开继电器24(或根据接地监测器的配置采取一些其它操作)。当计算的接地电阻大于预定阈值时，接地连续性可被认为不适当。阈值传感器54可被配置成输出故障信号，以指示控制器52接地电阻是否已超过阈值。控制器52可以可操作地将阈值编程为单一值的界限和/或范围界限。控制器52也可以可操作地根据需要改变阈值，以支持测试标准的变化、不同电力网等。 
在打开继电器24或以其他方式以导致阻止使用来自壁装电源插座20的能量的方式指示故障之前，控制器52可能需要在同一时间发生的某些其它条件。例如，控制器52可能需要在以最可靠的测试电流特征集应用测试电流时接收发生的故障信号。控制器52可记录或以其它方式追踪导致接地电阻故障的条件。为了确保故障由噪声或真实接地故障造成，控制器52可被配置成将由信号发生器50应用的测试电流限制至低于将会触发包括在壁装电源插座20内的接地故障中断器的那些电流水平的电流水平。 
图3示出根据本发明的一个非限制性方面的、用于测试接地连续性的基于滤波器的方法。当接地监测器16被配置成便于基于滤波器的方法时，接地监测器16包括被配置成过滤电压差测量结果的滤波器60。滤波器60根据测试信号的频率操作，以便来自滤波器60的滤波信号输出消除在不同于对应滤波频率的那些电流的电流处的电压测量，所述滤波频率即为当试图识别频率为测试电流特征之一时由控制器52选定的频率。控制器52可以可操作地将滤波频率选择为不同于住所内的其它负载使用的频率(即60Hz)。 
图4示出根据本发明的一个非限制性方面的、用于测试接地连续性的基于定时的方法。当接地监测器16被配置成便于基于定时的方法时，接地监测器16包括控制定时的开关64，以该定时，测试电流被引入到中性 插头。控制器52可以控制开关64，使得测试电流在相对于由火线插头上携带的电流的频率所设定的过零点限定的预定范围内被应用到中性插头。控制器52可以可操作地测量过零定时和/或将过零定时(在真实的过零点之前、期间或之后的时间量)选择为导致了引起最紧密相关的电压变化的振幅变化的定时。 
正如上面所支持的，本发明的一个非限制性方面设想控制电路和算法，其允许用于电动交通工具充电的安全接地连接的完整性的检测。该电路可使测试电流穿过中性线到接地线的回路，用于标准110AC电压接地中性应用。此测试电流可以按照可与出现在AC中性线上的其它噪声源容易区分的方式设置。 
本发明的一个非限制性方面可包括将连续AC测试电流送入中性到接地的回路，其偏离典型的110V电源的60或50Hz的频率。对测试电流的响应可被同步过滤并被放大，以在高水平噪声上检测低水平信号。此过程可连续地监测接地连接的质量。 
本发明的一个非限制性方面可包括把与电源电压的低噪声部分同步的脉冲测试电流送入中性到接地的回路。对测试电流的响应可由微型控制器监测，以在测试脉冲之前、期间和之后进行测试，从而确定接地连接的质量。 
按照要求，本发明的详细实施方式在本文被公开，然而，应当理解，所公开的实施方式只是本发明的示例，而本发明可以按不同的和可选的形式体现。图形不一定按比例绘制，一些特征可以被放大或被最小化，以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构性和功能性细节不能被解释为限制性的，而只是作为关于权利要求的代表性基础和/或作为关于教导本领域的技术人员不同地采用本发明的代表性基础。各种实现实施方式的特征可以被组合，以形成本发明的进一步的实施方式。 
虽然上面描述了示例性实施方式，但是意图不是这些实施方式描述了本发明的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词汇是描述性的词汇，而非限制性的词汇，并且应当理解，可以进行各种变化而不偏离本发明的主旨和范围。此外，各种实现实施方式的特征可以被组合，以形成本发明的进一步的实施方式。 

Claims (20)

1.一种充电系统，该充电系统用于交通工具且可操作为便于用从家用电力网的三叉型壁装电源插座提供的能量对所述交通工具充电，所述系统包括：
三叉型终端，其可操作为连接到所述壁装电源插座的中性插头、火线插头和接地插头中的每个；
供电电路，其可操作为操纵在所述三叉型终端处接收的能量，用于在对所述交通工具充电中使用；
信号发生器，其可操作为将具有一种或多种特征的多个测试电流传输到所述壁装电源插座，所述信号发生器还可操作为使所述多个测试电流的所述一种或多种特征发生变化；以及
控制器，其可操作为基于所述多个测试电流的传输过程中至少两个所述三叉型终端之间的、被检测的电压差来确定所述家用电力网的接地电阻；
所述控制器还可操作为选择所述多个测试电流的所述一种或多种特征，并评估所述被检测的电压差的质量，用于识别导致所述接地电阻的最可靠评估的所述多个测试电流的所述一种或多种特征；以及
所述控制器可操作为，如果在具有被识别为导致所述最可靠评估的所述一种或多种特征的所述多个测试电流的应用过程中所述接地电阻被评估时，所述接地电阻大于预定阈值，则阻止所述供电电路对所述交通工具充电。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述一种或多种特征包括振幅、频率和过零定时中的至少两个，所述控制器还可操作为，当根据评估质量模式进行操作时，选择所述振幅、频率和过零定时的所述至少两个的组合，以便识别导致所述接地电阻的最可靠评估的所述多个测试电流的所述一种或多种特征。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还可操作为控制所述信号发生器以不同于从所述家用电力网流至所述火线插头的电流的第二频率的频率应用所述多个测试电流中的每个。
4.如权利要求3所述的系统，还包括滤波器，所述滤波器可操作为移除具有所述第二频率的信号，所述滤波器还可操作为输出经滤波的信号供所述控制器在确定所述电压差中使用。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还可操作为控制所述信号发生器，以在流至所述火线插头的电流在预定的过零范围内的特定情况的时间处，应用所述多个测试电流中的每个。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还可操作为选择所述多个测试电流的所述一种或多种特征，以防止触发所述壁装电源插座的上游接地故障中断器。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述三叉型终端是在所述交通工具内的插座，该插座可操作为用延长线连接到所述壁装电源插座的所述中性插头、所述火线插头和所述接地插头中的每个。
8.如权利要求1所述的系统，还包括外壳、继电器、第一延长线、以及第二延长线，所述外壳包含所述控制器和所述信号发生器，所述第一延长线可操作为将所述壁装电源插座电连接到所述信号发生器、控制器、以及继电器，所述第二延长线可操作为将所述继电器连接到包括在所述交通工具内的插座用于充电，所述控制器通过打开所述继电器阻止对所述交通工具充电。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述供电电路可操作为将从所述壁装电源插座提供的AC输入整流为适于对所述交通工具充电的DC输出。
10.一种接地监测器，该接地监测器可操作地耦合到具有AC电力网的火线插头、中性插头和接地插头的三叉型电源插座，以基于所述电源插座的所述中性插头和所述接地插头之间的电压差来检测所述电力网的接地电阻，所述接地监测器包括：
信号发生器，其可操作为将第一频率的测试电流应用到所述中性插头，其中，所述电源插座的所述火线插头接收流过其的第二频率的电流，并且所述第一频率不同于所述第二频率；
滤波器，其可操作为移除具有所述第二频率的信号并输出经滤波的信号；以及
电压传感器，其可操作为基于所述经滤波的信号测量所述中性插头和所述接地插头之间的电压差，在所述测试电流的应用过程中，所述电压差代表所述接地电阻。
11.如权利要求10所述的接地监测器，还包括频率传感器和控制器，所述频率传感器可操作为感测流至所述火线插头的所述电流的所述第二频率，所述控制器借助所述频率传感器可操作为选择所述测试电流的不同于所述第二频率的所述第一频率。
12.如权利要求11所述的接地监测器，其中，所述控制器还可按照频率测试模式操作，在所述频率测试模式过程中，所述测试电流在多个频率处被应用，并且选择所述第一频率作为所述多个频率中导致所述电压差的最高质量测量的一个频率。
13.如权利要求12所述的接地监测器，其中，所述控制器在所述频率测试模式过程中还可操作为还针对所述多个频率中的每个使所述测试电流的振幅发生变化，当确定所述最高质量测量时，所述控制器还可操作为检测所述测试电流的变化的振幅。
14.如权利要求13所述的接地监测器，其中，所述控制器还可操作为确定在所述变化的振幅中的每个变化的振幅处引起的电压变化，并且选择对应于所述多个频率中的一个频率的所述最高质量测量，在所述多个频率的所述一个频率处，所述电压变化实质上与所述变化的振幅相关。
15.如权利要求10所述的接地监测器，其中，在终端连接到所述中性插头和所述接地插头时，所述信号发生器连续地应用所述测试电流。
16.如权利要求10所述的接地监测器，其中，所述信号发生器在流过所述火线插头的电流处于过零的时刻应用所述测试电流。
17.一种接地监测器，该接地监测器用于AC电力网的三叉型电源插座且可操作为根据所述电源插座的中性插头和接地插头之间的电压差来检测所述电力网的接地电阻，所述接地监测器包括：
信号发生器，其可操作为在流至所述电源插座的火线插头的电流在预定的过零范围内的特定情况的时间期间，将脉冲测试电流应用到所述中性插头；以及
电压传感器，其可操作为在所述特定情况的时间期间测量所述中性插头和所述接地插头之间的电压差，在所述测试电流的应用过程中，所述电压差代表所述接地电阻。
18.如权利要求17所述的接地监测器，还包括控制器，所述控制器可按照过零测试模式操作，在所述过零测试模式过程中，在流至所述火线插头的电流的过零之前和之后的多个时段处，所述测试电流被应用，所述控制器选择所述特定情况的时间作为所述多个时段中导致所述电压差的最高质量测量的一个时段。
19.如权利要求18所述的接地监测器，其中，所述控制器还可操作以在所述过零测试模式过程中还关于所述多个时段中的每个而使所述测试电流的振幅发生变化，当确定所述最高质量测量时，所述控制器考虑所述测试电流的变化的振幅。
20.如权利要求19所述的接地监测器，其中，所述控制器还可操作以确定在所述变化的振幅中的每个变化的振幅处引起的电压变化，并选择对应于多个频率的一个频率的所述最高质量测量，在所述多个频率的所述一个频率处，所述电压变化最密切地与所述变化的振幅相关。
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