CN103842203B - 具有七个电触点的车辆充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有蓄能器(1)的车辆的充电装置，所述充电装置包括充电源(2a)、充电插头(3a)、充电插座(4c)、充电控制器(5)、交流电充电器(6)和功率开关器件(7)，所述充电插座具有七个可被电气占用的触点，第一触点(11)作为控制触点通过控制导线(Pilot)与充电控制器连接，第二触点(12)作为接近触点通过接近导线(Proxy)与充电控制器连接，第三触点(13)作为地线触点通过地线导线(PE)与车辆接地端连接，第四触点(14)作为零线触点通过零线导线(N)与交流电充电器连接，并且第五触点(15)作为单相触点通过单相导线(L1)与交流电充电器连接，并且第六触点(16)作为直流正极触点可通过直流正极导线(DC+)和通过功率开关器件与蓄能器连接，第七触点(17)作为直流负极触点可通过直流负极导线(DC‑)和通过功率开关器件与蓄能器连接，直流正极导线通过第一分支电线(N”)与零线导线或单相导线连接，并且直流负极导线通过第二分支电线与零线导线或单相导线(L1”)连接。

Description

具有七个电触点的车辆充电装置
技术领域
本发明涉及一种用于具有蓄能器的车辆的充电装置，所述充电装置包括充电源、充电插头、充电插座、充电控制器、交流电充电器和功率开关器件并且所述充电插座具有七个可被电气占用的触点，第一触点作为控制触点通过控制导线与充电控制器连接，第二触点作为接近触点通过接近导线与充电控制器连接，第三触点作为地线触点通过地线导线与车辆接地端连接，第四触点作为零线触点通过零线导线与交流电充电器连接，并且第五触点作为单相触点通过单相导线与交流电充电器连接。
背景技术
具有电气化动力系统的车辆在全世界被视为未来个人汽车的关键。现代汽车发展致力于车辆内部的用于电气牵引能量的储能器的充电解决方案。目前有线的、分散的充电方法受到青睐。这意味着，为车辆用户提供与面积有关的密度的车辆外部充电源，在此车辆的平均有效距离至少对应于两个充电源之间的平均距离。高充电舒适性的特点是高充电速率、即短的充电时间，以及车辆充电源的高度可用性、即外部充电源与车辆的高度兼容性。
根据现有技术设置车辆侧的充电插座用于有线充电器插头(例如参见国际标准草案IEC62196)。在标准草案IEC62196中被称为1型的五极插头允许用户通过单相交流电网以交流电为车辆电池充电和/或以直流电为车辆电池充电，只要充电源提供这两种充电类型。在此在以直流电充电时功率限制为在电压最大为300V～480V时最大约80A的电流强度。当充电源提供电流强度最大200A并且电压最大600V～850V的直流电充电并且因此允许更迅速的充电时，根据标准 草案IEC62196使用被称为组合1型的插头－插座系统，其具有专用的直流触点。
当车辆配有用于1型插头的充电插座时，用户不能在具有组合1型插头的充电源上以超过80A的直流电为蓄能器充电。
发明内容
本发明的任务在于提出一种改进的用于为车辆蓄能器充电的充电装置。
该任务通过本发明的充电装置得以解决，所述充电装置用于具有蓄能器的车辆，所述充电装置包括充电源、充电插头、充电插座、充电控制器、交流电充电器和功率开关器件，所述充电插座具有七个可被电气占用的触点，其中，第一触点作为控制触点通过控制导线与充电控制器连接，第二触点作为接近触点通过接近导线与充电控制器连接，第三触点作为地线触点通过地线导线与车辆接地端连接，第四触点作为零线触点通过零线导线与交流电充电器连接，并且第五触点作为单相触点通过单相导线与交流电充电器连接，其特征在于，第六触点作为直流正极触点可通过直流正极导线和通过功率开关器件与蓄能器连接，第七触点作为直流负极触点可通过直流负极导线和通过功率开关器件与蓄能器连接，直流正极导线通过第一分支电线与零线导线或单相导线连接，并且直流负极导线通过第二分支电线与零线导线或单相导线连接。
根据本发明，第六触点作为直流正极触点可通过直流正极导线和功率开关器件与蓄能器连接，第七触点作为直流负极触点可通过直流负极导线和功率开关器件与蓄能器连接，直流正极导线通过第一分支电线与零线导线或单相导线连接，并且直流负极导线通过第二分支电线与零线导线或单相导线连接。
这带来下述优点：位于第四触点和第五触点之间的外部直流电压也可施加在直流正极导线和直流负极导线之间。当在此第四触点和第五触点之间的电位差的较高电位处于第五触点上时，则直流正极导线 通过第一分支电线与第五触点连接并且直流负极导线通过第二分支电线与第四触点连接。当第四触点和第五触点之间的电位差的较高电位处于第四触点上时，则直流正极导线通过第一分支电线与第四触点连接并且直流负极导线通过第二分支电线与第五触点连接。
根据本发明一种优选实施方式，充电插座具有可通过充电控制器或通过操作者操作的保护盖，该保护盖可占据打开状态并且该保护盖可占据关闭状态。在关闭状态中直流正极触点和直流负极触点被遮盖。
保护盖具有下述优点：可遮盖直流正极触点和直流负极触点，使得在充电装置的按规定的使用范围中在保护盖关闭时用户不能自由接近这两个触点。
根据本发明的另一种方案，充电插座具有盖传感器，该盖传感器可检测保护盖的状态。另外，根据该方案本发明在盖传感器和充电控制器之间还具有数据连接，并且检测到的保护盖状态可通过数据连接从盖传感器被传输给充电控制器。
盖传感器可识别保护盖所处特定状态。充电控制器可在必要时使保护盖进入另一状态中。或者可向操作者显示保护盖的错误位置。
优选第一充电插头可以以插头－插座连接的形式在保护盖打开时或在保护盖关闭时插接到充电插座上，第一充电插头至少构造成3极并且最多构造成5极。第一充电插头的至少三个核心极被电气占用，在与第一充电插头形成插头－插座连接时所述前三个触点占用相同地与第一充电插头的核心极连接并且所述最多五个极占用相同地与插座的前五个触点连接。在与第一充电插头形成插头－插座连接时保护盖可关闭或被关闭。
第一充电插头在其几何基本形状方面例如可构造为根据国际标准草案IEC62196的1型插头并且车辆的充电插座在其几何造型方面可构造为组合1型的充电插座。充电插头的核心极是指在按规定地形成插头－插座连接时与控制触点、接近触点和地线触点电气接触的插头极。
根据本发明的另一种实施方式，在与第一充电插头形成插头－插 座连接时、在功率开关器件断开功率连接时并且在充电源以交流电压电气占用第四触点和第五触点时可通过交流电充电器为电池充电。
这表示，充电装置的用户可通过第一充电插头将车辆与提供单相交流电的充电源连接以便向蓄能器充电。
作为替换方案，在与第一充电插头形成插头－插座连接时并且在充电源以直流电压电气占用第四触点和第五触点时可在功率开关器件形成功率连接时并且在保护盖关闭时以直流电为电池充电。
当根据标准草案IEC62196第一充电插头构造为1型插头并且充电插座构造为组合1型充电插座、充电源提供直流电并且用户将车辆通过第一充电插头与充电源连接时，蓄能器可在保护盖关闭的情况下被充以直流电。根据标准草案IEC62196借助1型插头以直流电充电的直流电最大为80A。这种充电类型被称为直流低充电。通过充电控制器可检测出保护盖处于关闭状态，从而不能从外部自由接近地接触直流正极触点和直流负极触点，这是借助1型插头进行直流低充电的前提条件。
当充电源不仅可提供单相交流电而且也可提供直流电时，由充电控制器基于蓄能器和充电源的不同参数选择并且实施两种充电类型之一。这尤其是涉及功率开关器件的调节。由充电控制器根据现有技术控制或调节所选择的充电过程。
根据本发明的另一种实施方式，第二充电插头可以以插头－插座连接的形式在保护盖打开时插接到充电插座上。根据该实施方式，第二充电插头至少构造成三极并且最多构造成七极，第二充电插头的至少三个核心极被电气占用。在与第二充电插头形成插头－插座连接时所述前三个触点占用相同地与第二充电插头的核心极连接并且所述最多七个极占用相同地与插座的七个触点连接。
第二充电插头和充电插座在其几何基本形状方面例如可构造为根据国际标准草案IEC62196的组合1型插头和组合1型的充电插座。充电插头的核心极是指在按规定地形成插头－插座连接时与控制触点、接近触点和地线触点电气接触的插头极。插座的其余四个触点占 用相同地与插头的最多四个其它极接触，即针对插座的确定的其余触点，插头可具有预规定的极。
优选在与第二充电插头形成插头－插座连接时并且在充电源以直流电压电气占用第六触点和第七触点时可在功率开关器件形成功率连接时为电池充电。
当充电源为充电提供直流电压时，在与第二充电插头形成插头－插座连接时也可在电流强度大于80A时以直流电为蓄能器充电。这种充电类型被称为直流高充电。
作为替换方案，在与第二充电插头形成插头－插座连接时并且在充电源以交流电压电气占用第四触点和第五触点时可通过交流电充电器在功率开关器件断开功率连接的情况下为电池充电。
这意味着，借助第二充电插头也可以以交流电为蓄能器充电，只要充电源提供单相交流电压。当在与第二充电插头形成插头－插座连接时充电源不仅可提供单相交流电而且也可提供用于直流高充电的直流电时，由充电控制器基于蓄能器和充电源的不同参数选择并且实施一种充电类型。尤其是对功率开关器件进行相应调节。由充电控制器根据现有技术控制或调节所选择的充电过程。在直流充电时也施加在交流电充电器上的直流电压以交流电充电器的耐压设计为前提。
该充电装置具有下述优点：可通过两个不同的插头形成插头－插座连接并且因此在车辆和充电源之间建立充电连接。与充电源所支持的充电类型(交流电、低直流、高直流)和所使用的插头(1型或组合1型)无关，可通过车辆的用户建立充电连接。根据充电源所支持的充电类型(交流电、低直流、高直流)和所使用的插头(1型或组合1型)可由充电控制器实施充电过程，该充电过程基于当前不同影响参数看起来是适合的。
本发明基于下述考虑：
对于电动车辆和混合动力车辆在外部充电源上存在不同的传导式、即有线充电技术。这些有线充电方案之一是AC充电、即交流充电，在此充电器位于车辆内部。另一种有线充电方案是DC充电、即 直流充电，在此充电器设置在外部充电站中。直流充电通常被称为快速充电，因为充电功率通常高于交流充电的充电功率。
国际插头标准草案IEC62196描述了一种新型插头-插座-系统，其也被称为组合式插接系统。籍此可在一个唯一的车辆充电插座上连接允许交流充电的插头。在该车辆充电插座上也可连接允许直流充电的插头。具有这种基于组合式插接系统的充电拓扑结构的车辆不仅可在交流充电站上而且也可在直流充电站上充电，并且车辆只须具有一个内置充电接口。
组合式插接系统包括充电插座和充电插头。充电插座安装在车辆上。充电插头、亦称为耦合器在直流充电时与充电站通过充电电缆固定连接。
标准草案IEC62196描述了不同的插头-插座-方案。这例如涉及被称为1型的插头和被称为组合1型的插头。根据充电源车辆可借助1型插头以直流电充电，并且该插头被设计用于直至80A的充电电流。该充电方案被称为直流低充电。借助组合1型插头车辆可以以直流电充电，并且该插头被设计用于直至200A的充电电流。这种充电方案被称为直流高充电。为此，组合1型插头包括两个具有高电流承载能力的极，所述极亦称为高直流极。组合1型插头的其它极被称为核心极。根据充电站借助这两种插头也可以以交流电为车辆充电。
与要插接到车辆上的插头无关(根据IEC62196例如1型插头、2型插头、组合1型插头或组合2型插头)车辆具有充电结构，该充电结构包括交流电充电器、通信单元和用于功率接通的直流接触器系统。交流电充电器仅用于交流充电。直流接触器系统确保在充电插座上不存在危险电压。要保证的安全目标是，在有接触危险的部件、如充电插座的空出的触点上不存在高电压。
根据现有技术用于车辆不同外部充电可能性正在扩展，这些充电可能性允许根据不同充电方案进行充电。不利的是，必须在车辆中设置复杂的充电结构，该充电结构允许以尽可能多的充电方案进行充电。所述充电结构尤其是应允许直流低充电和直流高充电并且可与1型插 头和组合1型插头兼容。
因此提出一种改进的充电结构，其具有用于组合1型插头的充电插座，从而可进行直流高充电。由于用于组合1型插头的充电插座兼容1型插头，所以也可借助所建议的充电插座进行直流低充电。在该充电插座中用于直流低充电的针与配置给高直流极的用于直流高充电的针电气连接。因此该充电插座具有可检测的保护盖，借助该保护盖可遮盖充电插座的配置给高直流极的针。这确保在直流低充电时不能从外部自由接近地接触配置给高直流极的针。通过这种方式无需为用于直流低充电的针设置单独的接触器。在使用组合1型插头时保护盖被打开，在使用1型插头时保护盖优选关闭。
附图说明
下面借助附图说明本发明的实施例。由此给出本发明的其它细节、优选实施方式和扩展方案。相同附图标记表示相同特征。示意性附图具体如下：
图1为具有最多7极的充电插头和保护盖的充电装置，在保护盖关闭时进行直流低充电；
图2为具有最多7极的充电插头和保护盖的充电装置，在保护盖打开时进行直流高充电。
具体实施方式
图1和2示出本发明的实施例，其描述了一种用于车辆蓄能器(1)的充电装置。
充电源(2a或2b)位于车辆外部。根据充电源的设计和构造通过充电源提供单相交流电和/或直流电用于为蓄能器充电。充电源例如可构成为公共充电站或安装在车辆用户住宅区域中的壁箱。
车辆具有充电插口或充电插座(4c)，其大多集成在车辆外壳区域中并且必要时可通过类似于常见油箱盖的盖板从外部接近。
车辆还具有充电控制器(5c)、在图1和2中构造为单相交流电充电器的充电器(6)、具有两个接触器(7)的接触器盒，所述接触器用 作功率开关器件。替换地，为了功率接通和功率断开也可使用MOSFET电路，以便在需要时将蓄能器与充电装置电气分离或将蓄能器电气连接到充电装置上。不失一般性，下面以使用接触器电路为出发点。
车辆的充电插座在图1和2中具有七个被电气占用的触点。第一电触点(11)通过控制导线(Pilotleitung)(Pilot)与充电控制器连接并且被称为控制触点(Pilotkontakt)。第二电触点(12)通过接近导线(Proximityleitung)(Proxy)与充电控制器连接并且被称为接近触点(Proximitykontakt)。第三电触点(13)通过保护导线(PE，接地保护)与车辆接地端连接并且被称为地线触点。第四电触点(14)构造为零线触点并且通过零线导线(N)与充电器连接。第五电触点(15)构造为相触点(单相触点)并且通过相线(L1)与充电器连接。第六电触点(16)通过直流电导线(DC+)与接触器盒的两个接触器之一连接并且称为直流正极触点。第七电触点(17)通过直流电导线(DC-)与接触器盒的两个接触器的未与直流电导线(DC+)连接的接触器连接。该第七触点称为直流负极触点。
直流正极触点通过分支电线(L1”)与单相触点短路。直流负极触点通过分支电线(N”)与零线触点短路。单相触点与直流正极触点之间的短路和零线触点与直流负极触点之间的短路优选在充电插座内通过与触轨连接或通过压接相关导线实现。
图1和图2中的充电插座具有保护盖，该保护盖可占据关闭状态(图1中的20b)或打开状态(图2中的20a)。该盖的状态通过盖传感器(21)检测并且可向充电控制器传输关于盖状态的信息。盖状态的识别可基于借助霍尔传感器检测盖的或盖一部分的磁场。另外，可通过充电控制器机械调节盖状态。
在图1中在充电插座上可连接充电插头(3a)。该充电插头通过电缆与充电源(2a)连接。充电插头最多具有五个极。在此应注意，并非每个充电插头极都必须被电气占用。例如可使用构造为7极的充电插头并且该充电插头具有五个被占用的极、即五个电有效的极。未被 占用的极可由导电或非导电材料制成并且最好为示意性说明的。充电插头通过电缆与充电源连接。常见的充电插头至少具有三个电极，它们在充电连接时与控制触点、接近触点和地线触点连接。通过接近触点充电控制器可辨别充电连接和充电插头并且例如可激活车辆的防盗锁。在充电连接时控制导线允许充电控制器和充电源之间的通信并且允许充电过程的控制或者说调节。
在充电插头和充电插座之间只能形成占用相同的插头－插座－连接。在图1中这表示，在充电连接时在按规定的使用中插头的每个电极可与充电插座的七个触点的一个唯一的预规定的触点电气连接。
不失一般性，在图1中使用用于电动车辆有线充电的国际标准草案IEC62196的1型插头。据此可进行电流直至80A并且电压直至300V～480V的直流充电。这种类型的直流充电在本文中被称为直流低充电。
当在图1中通过充电源例如在充电连接时在第四触点(14)和第五触点(15)之间施加单相交流电压时，蓄能器可通过充电器在接触器打开的情况下充电。
当充电源通过零线触点和单相触点提供用于直流低充电的直流电时，则蓄能器可在闭合的接触器下以这样的前提充电，即保护盖被充电控制器关闭并且盖传感器向充电控制器发送关于保护盖关闭状态的信息。如此接触器才可通过充电控制器闭合以便进行充电。
为了直流低充电关闭保护盖确保在直流低充电时不能相对于车辆外壳从外部自由接近地接触直流负极触点和直流正极触点。这对于车辆充电装置的使用者或用户的人身安全是必要的。
由于直流电导线(DC+和DC-)是设计用于直流高充电的，所以根据设计可借助所述直流电导线进行直流低充电。二条分支导线设计用于直流低充电。
在图2中在保护盖打开时可在充电插座上连接充电插头(3b)。该充电插头通过电缆与充电源(2b)连接。该充电插头最多具有七个极。在此应注意，并非每个充电插头极都必须被电气占用。因此例如可使 用构造为7极的充电插头并且该充电插头具有五个被占用的极、即五个电有效的极。未被占用的极可由导电或非导电材料制成并且最好为示意性说明的。
最后，在充电插头和充电插座之间只能形成占用相同的插头－插座－连接。在图2中这表示，在充电连接时插头的每个电极可与充电插座的七个触点中的一个预规定的触点电气连接。
“占用相同”可理解为，在所形成的占用相同的插头－插座连接中，插头的每个电极可与充电插座的七个电触点中的一个预规定的电触点电气连接。这例如可通过插头借助突出部、凸鼻和轨道在充电插座中的机械导向来保证。
在图2中不失一般性使用国际标准草案IEC62196的用于电动车辆有线充电的组合1型插头。据此，可进行电流为200A并且电压直至600V～850V的直流充电。这种类型的直流充电在本说明书中被称为直流高充电并且与直流低充电相比可更迅速地为蓄能器充电。
当在图2中通过充电源例如在充电连接时在第四触点(14)和第五触点(15)之间存在单相交流电压时，蓄能器可通过充电器在接触器打开的情况下充电。
当充电源通过直流正极触点和直流负极触点提供直流高充电时，则蓄能器可在接触器闭合的情况下充电。交流电充电器设计成耐压的，使得施加在交流电充电器输入端上的直流电压既不会引起电效应也不会导致充电器的功能损害。
具有根据图1或图2的充电插座的充电装置的优点在于，与充电源所提供的是1型插头还是组合1型插头无关并且与充电源所提供的充电类型(交流电充电、直流低充电或直流高充电)无关，车辆蓄能器不仅能被充电，而且也可通过充电控制器选择由充电站提供的充电时间最短的充电类型。对于用户来说产生高度的灵活性和众多不同充电源的高度可用性。图1和2中的技术解决方案可低成本并且节约空间地实施。对于用户而言该充电装置操作简单。此外，该充电装置为用户实现高度的身体保护以避免接触高压部件。
此外，所描述的充电装置还适合用于向车辆中传输电能，以便在车辆静止时并且在形成充电连接时向车辆的电消耗器供应电力。这些消耗器的电气连接例如可通过蓄能器的极和可能连接在中间的直流调节器进行。在蓄能器故障时或在具有有限充电量的蓄能器中(例如在充满状态中)这尤为有利。

Claims (9)

1.充电装置，用于具有蓄能器(1)的车辆，所述充电装置包括充电源(2a)、充电插头(3a)、充电插座(4c)、充电控制器(5)、交流电充电器(6)和功率开关器件(7)，所述充电插座具有七个可被电气占用的触点，其中，第一触点(11)作为控制触点通过控制导线(Pilot)与充电控制器连接，第二触点(12)作为接近触点通过接近导线(Proxy)与充电控制器连接，第三触点(13)作为地线触点通过地线导线(PE)与车辆接地端连接，第四触点(14)作为零线触点通过零线导线(N)与交流电充电器连接，并且第五触点(15)作为单相触点通过单相导线(L1)与交流电充电器连接，其特征在于，第六触点(16)作为直流正极触点可通过直流正极导线(DC+)和通过功率开关器件与蓄能器连接，第七触点(17)作为直流负极触点可通过直流负极导线(DC-)和通过功率开关器件与蓄能器连接，直流正极导线通过第一分支电线(N”)与零线导线或单相导线连接，并且直流负极导线通过第二分支电线与零线导线或单相导线(L1”)连接。
2.根据权利要求1的充电装置，其特征在于，所述充电插座具有保护盖，该保护盖可占据打开状态(20a)，并且该保护盖可占据关闭状态(20b)，并且在关闭状态中直流正极触点和直流负极触点被遮盖。
3.根据权利要求2的充电装置，其特征在于，所述充电插座具有盖传感器(21)，该盖传感器可检测保护盖的状态，所述充电装置在盖传感器和充电控制器之间具有数据连接，并且检测到的保护盖状态可通过数据连接从盖传感器被传输给充电控制器。
4.根据权利要求3的充电装置，其特征在于，第一充电插头以插头－插座连接的形式可在保护盖打开时或在保护盖关闭时插接到充电插座上，第一充电插头构造成至少三个极并且构造成最多五个极，第一充电插头的至少三个核心极被电气占用，在与第一充电插头形成插头－插座连接时所述充电插座的前三个触点占用相同地与第一充电插头的核心极连接，在与第一充电插头形成插头－插座连接时所述最多五个极占用相同地与充电插座的前五个触点连接，并且在与第一充电插头形成插头－插座连接时保护盖是可关闭的或是已关闭的。
5.根据权利要求4的充电装置，其特征在于，在与第一充电插头形成插头－插座连接时、在功率开关器件断开功率连接时并且在充电源以交流电压电气占用第四触点和第五触点时可通过交流电充电器为电池充电。
6.根据权利要求4的充电装置，其特征在于，在与第一充电插头形成插头－插座连接时并且在充电源以直流电压电气占用第四触点和第五触点时可在功率开关器件形成功率连接时并且在保护盖关闭时为电池充电。
7.根据权利要求3的充电装置，其特征在于，第二充电插头以插头－插座连接的形式可在保护盖打开时插接到充电插座上，第二充电插头构造成至少三个极并且构造成最多七个极，第二充电插头的至少三个核心极被电气占用，在与第二充电插头形成插头－插座连接时所述充电插座的前三个触点占用相同地与第二充电插头的核心极连接，在与第二充电插头形成插头－插座连接时所述最多七个极占用相同地与充电插座的七个触点连接。
8.根据权利要求7的充电装置，其特征在于，在与第二充电插头形成插头－插座连接时并且在充电源以直流电压电气占用第六触点和第七触点时可在功率开关器件形成功率连接时为电池充电。
9.根据权利要求7的充电装置，其特征在于，在与第二充电插头形成插头－插座连接时并且在功率开关器件断开功率连接时并且在充电源以交流电压电气占用第四触点和第五触点时可通过交流电充电器为电池充电。
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