CN102948029A

CN102948029A - 电动车辆的接地故障中断电路

Info

Publication number: CN102948029A
Application number: CN2011800294137A
Authority: CN
Inventors: 艾伯特·弗拉克; 斯科特·伯曼
Original assignee: Aerovironment Inc
Current assignee: Wibasto Charging Systems Inc.
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: US20140176236A1; CN103141003A; CN103141003B; US9024685B2; WO2011130569A1; US20130119933A1; WO2011130571A1; US8618877B2; US20130187716A1; CN102948029B

Abstract

在一个实施中，提供一种用于至电动车辆充电单元的公用电源连接的接地故障中断电路。所述接地故障中断电路可包括增益放大器和比较器，所述增益放大器具有连接后能够从电流检测互感器接收差动电流的输入，且所述比较器具有连接到参考电压的输入。接地故障中断电路包括连接在增益放大器与比较器之间的整流器电路，电荷存储器电路耦接在整流器和比较器之间。

Description

电动车辆的接地故障中断电路

相关申请案的交叉引用

本申请案主张以下美国临时专利申请案的益处，所述以下申请案以引用的方式全部并入本文：

申请于2010年4月14日、Albert Flack的标题为“GROUND FAULTINTERRUPT CIRCUIT FOR ELECTRIC VEHICLE”的美国临时申请案第61/324,296号；

申请于2010年8月18日、Albert Flack的标题为“GROUND FAULTINTERRUPT AUTOMATIC TEST METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE”的美国临时申请案第61/374,612号；和

申请于2010年4月14日、Albert Flack的标题为“PILOT SIGNALGENERATION CIRCUIT”的美国临时申请案第61/324,293号。

技术领域

本发明涉及电动车辆的接地故障中断电路。

背景技术

充电电动车辆的一种方式是向车辆供电，以便车辆中的充电器可将车辆中的电池充电。如果在汽车的电气系统中存在接地故障并且有人在接地时接触汽车，那么此人可能会受到电击。

避免此情况所需要的是接地故障中断或GFI电路，以当检测到接地故障时断开连接到车辆的电力。

发明内容

在一个实施中，为至电动车辆充电单元的公用电源连接提供一种接地故障中断电路。接地故障中断电路可包括增益放大器和比较器，所述增益放大器具有连接后能够从电流检测互感器接收差动电流的输入，所述比较器具有连接到参考电压的输入。接地故障中断电路包括连接在增益放大器与比较器之间的整流电路，电荷存储器电路耦接在整流器与比较器之间。

一些实施方式可包括在增益放大器和电荷存储器电路之间的倒相器。

在一个可能实施中，为至电动车辆充电单元的公用电源连接提供GFI电路。GFI电路包括具有输入的增益放大器，所述输入连接后能够从电流检测互感器接收差动电流。滤波器连接到增益放大器的输出。在各种实施方式中，滤波器是半波整流双级滤波器。比较器连接到滤波器的输出。比较器的输出连接到闭锁电路。接触器控制电路连接到故障闭锁的输出。接触器控制电路可包括接触器控制继电器。接触器控制电路的输出连接到公用电源线路接触器以便能够连接/断开公用电源。在各种实施方式中，微处理器连接到故障闭锁的复位输入。

附图说明

参考以下描述、附加权利要求书和附图将较好地理解本发明的特征和优点，在所述附图中：

图1图示将公用电源连接到电动车辆（未图示）的电缆以及一些相关联电路的示意图。

图2图示图1的GFI电路的放大视图的示意图。

图3图示接触器控制电路的示意图。

图4图示图示于图1的部分示意图中的导频电路的放大更多的完整示意图。

图5是图示微处理器的部分示意图，所述微处理器可用以控制GFI电路的输出。

图6图示通过二级滤波器的可能的电荷积聚的实例的简图，所述二级滤波器通过比较器引起故障检测。

图7图示图2的GFI电路的一部分的替代实施方式的示意图。

具体实施方式

图1图示将公用电源连接到电动车辆（未图示）以及一些相关联电路的电缆100的示意图。在图1的实施方式中，电缆100包含L1线、L2线和接地G线。电缆100在一端100u连接到公用电源，且电缆100在另一端100c连接到电动车辆（未图示）。电动车辆（未图示）可具有车载充电器，或电缆100的电动车辆端100c可连接到单独、可选的独立式充电器（未图示）。单独的充电器（未图示）将又连接到电动车辆用于将车载电池，或其他电荷存储装置充电。在未图示的其他实施方式中，充电器可集成到电缆100中。

电缆100包含变流器110和变流器120。变流器110连接到GFI电路130，GFI电路130经设置以检测线L1和线L2中的差动电流且指示何时检测到接地故障。回应于检测到接地故障，接触器140可为开路以将在线L1和线L2上的公用电源至车辆（未图示）的电流中断。

图2图示图1的GFI电路130的放大视图的示意图。在图2的实施方式中，根据UL 2231标准，GFI电路130经设计以对于GFI在5mA至20mA的范围中跳闸。

在GFI电路130的插脚3和插脚4处变流器110（图1）提供的信号是通过运算放大器132放大至电压参考。此电压参考是由二级阻容(resistance-capacitance;RC)滤波器134滤波以消除寄生噪声尖峰。

为了通过比较器136比较，将变流器110（图1）检测到的故障电流通过增益放大器134转换为电压。在增益放大器132的输出被提供给比较器136之前，使用二级RC滤波器134将所述输出滤波以去除可能引起麻烦的关闭的寄生噪声。使用触发器138将比较器136的输出闭锁，以便接触器140（图1）在已检测到故障之后不关闭。比较器136提供GFI_TRIP信号输出，GFI_TRIP信号输出为到故障闭锁138的输入以产生闭锁GFI_FAULT信号。

二级滤波器134提供一延迟，以便关闭电路在检测到故障时不立即关闭。二级滤波器134是半波整流电路，所述半波整流电路允许在一些实施方式中小于50%的输入脉冲宽度，或甚至在一些实施方式中小至约38%的输入脉冲宽度随着时间累积，以便半波整流电路将以比所述半波整流电路放电的速率更快的速率充电。双级滤波器134累积电荷且充当能量积分器。因此，GFI电路130在引起关闭之前等待一段时间。这是因为并不需要有一个可能由线L1或线L2，或GFI电路130中的噪音触发的瞬时关闭。只有当尖峰具有某预定持续时间时，GFI电路130才会跳闸。在所图示的实施方式中，此持续时间为一至两个周期。

滤波器134通过R102和R103充电。当滤波器134放电时，滤波器134仅通过R102放电，所以随着时间相较于滤波器134放电而言，滤波器134将充电更多电流。二级滤波器134由于二极管D25而为半波整流电路。

二极管D4提供电涌抑制保护。在典型实施方式中，增益放大器132可实际上具有电涌抑制保护。尽管如此，也添加二极管D4以提供外部冗余保护以避免对增益放大器132的任何损坏。所述冗余保护是非常重要，因为如果增益放大器132损坏，那么GFI保护电路130可能不运行，产生对于系统的不充分的GFI保护。例如，在没有冗余电涌抑制二极管D4的情况下，如果电源电涌将损害增益放大器132以致增益放大器132不再提供输出，那么GFI电路130将不再能够检测到故障。因为UL 2231允许公用电源L1和L2的电源在GFI电路检测到接地故障电涌之后被重新连接，所以公用电源L1和L2可设想在增益放大器132已损坏之后可重新连接。重要的是，请注意二极管D4分别地连接到电路的上参考电压总线和下参考电压总线，即接地和3伏特，以便二极管D4可在不引起对电路的损坏的情况下轻易地将电涌电流消散。因此，冗余电涌抑制二极管D4为GFI保护电路130提供了附加安全功能。

图3图示接触器控制电路170的示意图。接触器控制电路170开启或关闭接触器140（图1）以将公用电源L1和L2从车辆连接器100c断开，或将公用电源L1和L2连接到车辆连接器100c。如参考图2如上所论述，GFI_TRIP信号是由比较器136输出且GFI_TRIP信号为至故障闭锁138的输入以产生GFI_FAULT信号。由故障闭锁138输出的GFI_FAULT信号为至图3中所示的接触器控制电路170的输入，所述输入用以控制接触器控制继电器K1。接触器控制继电器k1用以开启或关闭接触器140（图1）以将公用电源L1和L2从车辆连接器100c断开，或将公用电源L1和L2连接到车辆连接器100c。由接触器控制继电器K1输出的CONTACTOR_AC信号通过连接器181（图1）的接脚1连接到接触器线圈141（图1），所述连接器181与公用提供电路180（图1）相关联。

由比较器136（图2）输出的GFI_TRIP信号不仅提供至接触器控制电路170（图3），而且GFI_TRIP信号输出也作为输入提供至图示于图4中的接触器禁用闭锁152以产生CONTACTOR_FAULT_DISABLE信号。图4图示图示于图1的部分示意图中的导频电路150的放大更多的完整示意图。另外，接触器禁用闭锁152（图4）为至接触器控制电路170（图3）的输入以控制接触器控制继电器K1（图3）。CONTACTOR_FAULT_DISABLE信号被用以断开接触器控制继电器K1（图3），接触器控制继电器K1断开接触器140（图1）以断开至公用电源L1和L2的电路，或闭合至公用电源L1和L2的电路。如此为这个重要的安全控制电路提供了冗余电路。此外，所述冗余电路需要复位闭锁138（图2）和闭锁152（图4）两者以将L1和L2公用电源重新连接到车辆连接器100c。如此为这个重要的安全控制电路提供了进一步软件冗余。

图5是图示微处理器500的部分示意图，微处理器500可用以控制GFI电路130（图2）的输出。参看图2和图5，来自故障闭锁138的GFI FAULT输出信号在接脚552处作为输入提供至微处理器500。根据诸如UL 2231的预定标准，微处理器500在接脚538处将GFI_RESET信号输出至GFI电路130以控制GFI电路130的复位。此举可通过将GFI_RESET信号输出至故障闭锁138，且将CONTACTOR_RESET输出至接触器禁用闭锁152来完成（图4）。

同时，微处理器500也可在接脚81处输出GFI_TEST信号，GFI_TEST信号引起GFI测试电路139模拟接地故障，用于测试接触器140（图1）的功能。GFI测试电路139输出AC_1通过连接器181的接脚2提供路径至接触器线圈141（图1）以使用接触器140。

另外，微处理器500提供CONTACTOR_CLOSE信号输出至接触器闭合电路以闭合接触器控制继电器K1（图3）。

图6图示通过二级滤波器134（图2）的可能的电荷积聚的实例的简图600，所述二级滤波器134通过比较器136（图2）引起故障检测。参看图2和图6，因为二级滤波器134的放电比二级滤波器134的充电要慢，所以将需要若干连续电流脉冲检测601、602和603引起足够的电荷累积一电压电平，所述电压电平将引起比较器指示GFI_TRIP。因此，可将寄生噪声故障最小化。在这个简化示例性的图中，三个连续循环的约38%的工作循环的1.5伏特的脉冲引起足够的电荷累积GFI_TRIP信号。其他实施方式通过适当选择R102、R103和C51是可能的。

图7是图2的GFI电路130的一部分的替代实施方式730的示意图。在此实施方式中，GFI电路730的输入730i通过可选EMI保护电路731连接到增益放大器732。因此，由变流器110提供的信号通过EMI保护电路731，EMI保护电路731包括分别为约50微亨和50欧姆的串联的电感器L7和电阻器R71，以及各自约0.001微法的电容器C34、电容器C33、电容器C20，所述电容器横跨差动输入730i耦接且耦接至接地。

此外，在此实施方式中，输入730i通过约10微法的串联电容器C17，和串联电阻器R23（约50欧姆）连接到放大器732，连接到放大器732的倒相输入。运算放大器732的非倒相输入参考至1.5伏特。放大器732的输出通过分别约50K欧姆和0.01微法的平行耦接的反馈电阻器R24和可选反馈电容器C15反馈至放大器732的倒相输入。可选电容器C15提供滤波以减少噪音。放大器733的输出通过电阻器R18（约10k欧姆）提供至放大器733的倒相输入。向放大器733的非倒相输入供应1.5伏特的参考电压。放大器733的输出通过电阻器R15（约10K欧姆）反馈。因此，放大器733具有单位增益，所以仅自增益放大器732的增益提供倒相输出。

因而，串联电容器C17传递差动电流输入730i的交流部分，所述交流部分为正的或负的。输入730i通过增益放大器732参考至1.5V。增益放大器732的输出通过倒相放大器733倒相。

放大器732的输出和放大器733的输出分别通过二极管D2和二极管D1连接到电荷存储器734。二极管D2和二极管D1提供全波整流输出（相对于1.5V）至电荷存储器734。二极管D2的阳极和二极管D1的阳极形成全波整流电路，且所述阳极经连接以在电荷存储器734的输入处相加。二极管D2的阴极连接到增益放大器732的输出，且二极管D1的阴极连接到倒相放大器733的输出。因此，在此情况下，如本文中所使用，电荷存储器734事实上“累积”耗尽的电荷。

电荷存储器734包括约25k欧姆的串联连接的电阻器R10，所述电阻器R10连接在二极管D2和二极管D1与比较器736的非倒相输入之间。电荷存储器734进一步包括约1M欧姆的电阻器R7，所述电阻器R7连接在参考电压1.5V与比较器736的非倒相输入之间。约0.1微法的电容器C1连接在比较器736的非倒相输入与接地之间。

R72和R73分压器将0.5伏特的参考电压提供至比较器736的倒相输入。将约20K欧姆的电阻器R72连接在参考1.5V与比较器736的倒相输入之间。将约10K欧姆的电阻器R73连接在比较器736的倒相输入与接地之间。

比较器736的输出可直接或间接地供应至微处理器500（图5）、闭锁138（图2）和/或闭锁152（图4），诸如上文关于第2图至第5图所论述。

值得注意的是，如果需要，对“一个实施方式”或“一实施方式”的任何引用意味着结合所述实施方式描述的特定特征、结构或特性可包括在一实施方式中。在本说明书中的不同位置出现的短语“在一实施方式中”不必全部表示相同实施方式。

在本文中提供的说明和实例是用于说明的目的且不意欲限制附加权利要求书的范畴。本案将被视为对本发明的原理的例证且本案不意欲限制本发明的精神及范畴和/或所说明的实施方式的权利要求书。

本领域技术人员将针对本发明的特定应用对本发明进行修改。

包括在本专利中的论述旨在作为基本描述。读者将应知道特定论述可能不明确地描述所有可能的实施方式，并且隐含替代的实施方式。同时，本论述可能不会完全地解释本发明的概括性质，且本论述可能不明确地展示各特征或元件可如何实际地为典型或等效的元件。此外，这些隐含地包括在本案中。在本发明以面向装置的术语描述的情况下，装置的各元件隐含地执行功能。还应理解，在不偏离本发明的本质的情况下可进行各种变化。所述变化也隐含地包括在本描述中。所述变化仍属于本发明的范围。

此外，本发明和权利要求书的各种元件中的每一元件还可以各种方式实现。将应理解本案涵盖各个所述变化，所述变化为任何设备实施方式、方法实施方式的变化，或所述变化甚至仅为所述设备实施方式或方法实施方式的任何元件的变化。特别地，应将理解，因为本案涉及本发明的元件，所以各个元件的措词可通过同等设备术语来表达，即使仅功能或结果是相同的也是如此。所述同等、更广泛，或甚至更通用的术语应视为包含于各个元件或动作的描述中。在希望使本发明所赋予的隐含的广阔范围明显的情况下，可将所述术语取代。应理解，所有动作皆可表达为采取所述动作的手段或表达为引起所述动作的元件。同样地，揭示的各个物理元件应理解为涵盖所述物理元件促进的动作的揭示。应理解所述改变和替代术语应明确地包括在本描述中。

已结合数个实施方式描述了本发明，本领域技术人员将肯定会想到实施方式的修改。本文的示例性实施方式並非旨在限制，各种配置和特征的组合是可能的。因而，除非如附加权利要求书所要求，否则本发明不限于所揭示的实施方式。

Claims

1.一种用于至电动车辆充电单元的公用电源连接的接地故障中断电路，所述接地故障中断电路包含：

a)增益放大器，具有连接后能够从电流检测互感器接收差动电流的输入；

b)滤波器，具有连接到所述增益放大器的输出的输入；

c)比较器，具有连接到半波整流双级滤波器的输出的输入；

d)故障闭锁，具有连接到所述比较器的输出的输入；

e)接触器控制电路，具有连接到所述故障闭锁的输出的输入；以及

f)公用电源线路接触器，具有连接到所述接触器控制电路的输出的接触器控制输入。

2.如权利要求1所述的电路，其中所述滤波器为半波整流双级滤波器。

3.如权利要求1所述的电路，其中所述增益放大器包含电涌保护电路，且进一步包含冗余电涌保护电路，所述冗余电涌保护电路连接到所述增益放大器的输入。

4.如权利要求3所述的电路，其中所述冗余电涌保护电路包含一对二极管，所述一对二极管连接到下参考总线和上参考总线。

5.如权利要求1所述的电路，进一步包含微处理器，所述微处理器连接到所述故障闭锁的输出以便检测故障跳闸，并且所述微处理器连接到所述故障闭锁的故障闭锁复位输入。

6.如权利要求1所述的电路，其中所述接触器控制电路进一步包含接触器控制继电器，所述接触器控制继电器连接到所述公用电源线路接触器。

7.如权利要求6所述的电路，进一步包含回应于所述比较器的所述输出的接触器禁用闭锁，所述接触器禁用闭锁连接到与故障闭锁的所述输出平行的所述接触器控制电路的输入，以便提供用于控制所述接触器控制继电器的冗余控制信号。

8.如权利要求1所述的电路，进一步包含耦接至公用电源线的差动电流检测互感器。

9.一种用于检测电动车辆充电的接地故障的方法，包含：

检测公用电源供应中的差动电流；

从所述检测到的差动电流产生接地故障信号；

随着时间累积所述接地故障信号；以及

将所述累积的接地故障信号与阈值电压比较；以及

当所述累积的接地故障信号超过所述阈值电压时，引起接地故障中断。

10.如权利要求9所述的方法，其中随时间累积所述接地故障信号的步骤包含：将所述接地故障信号滤波。

11.如权利要求10所述的方法，其中将所述接地故障信号滤波的步骤包含：使用二级滤波器。

12.如权利要求11所述的方法，其中将所述接地故障信号滤波的步骤包含：使用半波整流二级滤波器。

13.如权利要求9所述的方法，其中随时间累积所述接地故障信号的步骤包含：累积具有低于所述阈值电压的电压电平的接地故障信号，以便在所述阈值电压处引起所述接地故障中断。

14.如权利要求9所述的方法，其中随时间累积所述接地故障信号的步骤包含：累积具有低于所述阈值电压的电压电平的多个离散信号，以便在所述阈值电压处引起所述接地故障中断。

15.如权利要求14所述的方法，其中随时间累积所述接地故障信号且引起所述接地故障中断的步骤包含：当所述多个离散信号具有低于工作循环的持续时间时引起所述接地故障中断。

16.如权利要求9所述的方法，其中从所述检测到的差动电流产生所述接地故障信号的步骤包含：使用增益放大器。

17.如权利要求9所述的方法，包含：当所述累积的接地故障信号超过所述阈值电压时，闭锁接地故障中断信号。

18.如权利要求9所述的方法，包含：当所述累积的接地故障信号超过所述阈值电压时，断开公用电源线路接触器。

19.如权利要求9所述的方法，进一步包含：产生倒相接地故障信号；且其中累积的步骤进一步包含：随着时间累积所述接地故障信号和所述倒相接地故障信号两者。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包含：在累积之前将所述接地故障信号和所述倒相接地故障信号整流。

21.如权利要求19所述的方法，其中产生所述接地故障信号的步骤包含：产生约为参考电压的所述接地故障信号；且其中产生所述倒相接地故障信号的步骤包含：产生约为参考电压的接地故障信号。

22.如权利要求21所述的方法，进一步包含：在累积之前将所述接地故障信号和所述倒相接地故障信号整流。

23.一种用于检测电动车辆充电的接地故障的方法，包含：

检测公用电源供应中的差动电流；

从所述检测到的差动电流产生接地故障信号；

将所述接地故障信号滤波；以及

将所述滤波的接地故障信号与阈值电压比较；以及

当所述滤波的接地故障信号超过所述阈值电压时，断开所述公用电源供应。

24.如权利要求23所述的方法，其中将所述接地故障信号滤波的步骤包含：使用半波整流二级滤波器。

25.如权利要求23所述的方法，包含：当所述滤波的接地故障信号超过所述阈值电压时，产生闩锁故障信号。

26.如权利要求25所述的方法，包含：回应于所述闩锁故障信号断开公用电源接触器以断开所述公用电源供应。

27.如权利要求26所述的方法，其中产生所述闭锁故障信号的步骤包含：产生接地故障中断故障信号和产生接触器故障禁用信号；且进一步包含：回应于所述接地故障中断故障信号或所述接触器故障禁用信号中的任一信号断开所述公用电源接触器。

28.一种用于至电动车辆充电单元的公用电源连接的接地故障中断电路，所述接地故障中断电路包含：

a)增益放大器，具有连接后能够自电流检测互感器接收差动电流的输入；

b)比较器，具有连接到参考电压的输入；

c)整流器电路，连接在所述增益放大器和所述比较器之间；以及

d)电荷存储器电路，耦接在所述整流器和所述比较器之间。

29.如权利要求28所述的电路，进一步包含连接在所述增益放大器和所述整流器电路之间的倒相器。

30.如权利要求28所述的电路，进一步包含具有输入的倒相器，所述输入连接到所述增益放大器的输出，并且其中所述整流器电路是全波整流电路，所述全波整流电路连接到所述增益放大器的所述输出且连接到所述倒相器的输出，并且其中所述全波整流电路的输出连接到所述电荷存储器电路。

31.如权利要求28所述的电路，其中所述电荷存储器包含所述整流器电路，且其中所述整流器电路是连接到所述增益放大器的半波整流器电路。

32.如权利要求28所述的电路，进一步包含：在所述接地故障中断电路的输入处的EMI保护电路。

33.如权利要求32所述的电路，其中所述EMI保护电路包含串联连接的电感器和电阻器，以及横跨差动输入连接且连接到接地的至少一个电容器。

34.如权利要求28所述的电路，进一步包含故障闭锁，所述故障闭锁具有连接到所述比较器的输出的输入。

35.如权利要求34所述的电路，进一步包含接触器控制电路，所述接触器控制电路具有连接到所述故障闭锁的输出的输入。

36.如权利要求35所述的电路，进一步包含公用电源线路接触器，所述公用电源线路接触器具有接触器控制输入。

37.如权利要求36所述的电路，进一步包含具有输入的倒相器，所述输入连接到所述增益放大器的输出，并且其中所述整流器电路是全波整流电路，所述全波整流电路连接到所述增益放大器的所述输出且连接到所述倒相器的输出，并且其中所述全波整流电路的输出连接到所述电荷存储器电路。

38.如权利要求36所述的电路，其中所述电荷存储器包含所述整流器电路，且其中所述整流器电路是连接到所述增益放大器的半波整流器电路。