CN104094126A - 用于由供电网络对机动车辆的电池充电的车载安全系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由供电网络(2)对机动车辆的电池(3)充电的安全系统(1)，该系统被放置在该机动车辆上并且包括用于测量该网络(2)的频率的装置(4)、用于将多个电流脉冲注入该网络(2)中的注入装置(5)、用于测量该网络(2)的地线与零线之间电压的装置(6)、用于对这些测量的电压以高的频率滤波的一个模拟滤波器(7)、用于对这些模拟滤波过的电压以低的频率滤波的一个数字滤波器(8)、以及用于基于这些数字滤波过的电压和这些电流脉冲的幅值来确定该网络(2)的地线与零线之间电阻的装置(9)。该数字滤波器(8)包括基于由一个时间间隔T+T/N间隔开的N次电压测量确定一个平均值的一个均值滤波器，其中T是由用于测量该供电网络(2)的频率的装置(4)来确定的该供电网络(2)的周期。

Description

用于由供电网络对机动车辆的电池充电的车载安全系统
技术领域
本发明涉及用于对机动车辆的电池充电的车载设备的用户安全性，并且更具体地讲涉及估算联接到用于对机动车辆的电池充电的设备上的供电网络的地线质量。
背景技术
在对电动式机动车辆的电池充电的过程中，强烈的电流通过供电网络朝向该车辆的电池行进。为了能够对车辆正确充电，这些电流被斩波，其方式为以便符合该供电网络的限制因素。
这些电流的斩波导致泄漏电流的出现，这些泄漏电流必须通过该供电网络的地线连接件连接物来消除。这个地线连接件被连接到该车辆的底盘并且因此为所有不希望的电流提供了一条路径。
为了确保完全安全的充电，就必须确保该地线连接件具有良好的质量，即，该地线路径的等效电阻与接触机动车辆的底盘的人将提供的电阻相比是低的。没有这个地线连接件，可能出现触电现象。如果一个人碰巧接触该车辆底盘，则他的身体将在充电器与大地之间建立连接，并且因此所有潜在危险的泄漏电流会穿过他而没有任何附加的控制设备。
差质量的、即其电阻相当于一个人的电阻的地线还允许一部分泄漏电流穿过个人的身体。的确，如果一个人碰巧接触充电车辆的底盘，在这种情况下，泄漏电流会具有相同电阻的两个平行的路径，因此一半的泄漏电流可能通过该个体返回至大地。
为了确保不可能出现触电，有必要确保在对机动车辆的电池充电之前该地线连接件的电阻值低于某一阈值。
为了能够估算供电网络的地线与零线之间的电阻，有可能将电流脉冲直接注入地线路径并且通过该网络零线回路折返，并且测量该零线与地线之间的电压。
在理想的情况下，注入到地线的电流以及电压被测量，该电压是所注入的电流根据欧姆定律的图像。于是通过将所测量的电压除以所测量的电流来获得该电阻值。
不幸的是，这不可能得到正确的结果，这是容易理解的，因为该零线与地线之间的电压非常紊乱。确实，如以上以及提及的，任何电气应用都会产生一定量的泄漏电流。由于这些电流还通过地线，它们扰乱了该零线与地线之间电压的测量。
例如，在其中驻车空间配备有充电点的住宅的情况下，有必要在由相邻的驻车空间运行的所有电池充电器严重扰动的环境中估算电阻。与该供电网络相关联的引起该零线和地线之间的电压随时间变化的缺陷可能添加到这些扰动电流中。
对于所有这些扰动而言，某些数据是已知的。在低频率时，尤其是对于低于1kHz的频率而言，这些扰动在供电网络的谐波(即，例如50Hz，100Hz，等)处生成并且具有最大幅值7V的有效电压和最大幅值6.6mA的电流。这些扰动水平是由EDF标准限定的。对于较高的频率而言，EDF标准预测扰动电流的幅值在1.5kHz时的6.6mA与15kHz时的66mA之间连续变化，该电流的幅值在高达150kHz时保持在66mA。
最终，最后的限制因素来自于一个事实，即人们不可能只是将任何电流送入地线中。尤其重要的是不会使这个电路连接到的网络跳闸。因此不可能发生幅值太高和/或持续时间太长的脉冲。
因此，挑战是不管所有的误差源而成功估算地线电阻，同时观察由必须将该系统嵌入到机动车辆上的约束所强加的限制因素，该机动车辆的处理器以10kHz的最大频率运行。
市场上存在对地线电阻进行估算的器具。这些器具含有远高于在机动车辆上可使用的计算能力，并且价格太高以致不能设想在每台机动车辆上都设置一个。
然而，这些器具并非配置成用于管理个体安全性的目的。确实，这些器具仅仅被配置成提供关于地线电阻值的信息。
专利申请CN 201 508 392描述了一种用于测量地线电阻的方法，使得有可能消除零线-地线电压中的单一频率。然而，由其他谐波产生的扰动不会被消除并且进一步干扰该地线-零线电压的测量并且因此干扰地线电阻的确定。
专利申请EP 1 482 317描述了一种用于注入非常高幅值的电流的方法，其方式为以便改善地线-零线电压的测量的信噪比。然而，该方法需要能够承受地线中的高电流峰值的合适环境，并且因而只适用于工厂，在那里跳闸装置容忍比通常在超过33mA就跳闸的家庭网络的跳闸装置高十倍至一千倍的泄露。
专利申请EP 642 027描述了一种依赖于注入地线与零线之间的电压的方法。然而，这样一种方法的实施需要对于结合到车辆中尺寸太过大的并且能够向网络强加电压的系统。
发明内容
本发明提出使用机动车辆上的车载系统并且使用一种用于估计车载地线电阻的方法使得有可能对由供电网络导致的扰动进行滤波来缓和这些缺点。
根据本发明的一个方面，根据一个实施例提出的是一种用于由供电网络对机动车辆的电池充电的安全系统。该系统被放置在该机动车辆上并且包括用于测量该供电网络的频率的装置、用于将多个电流脉冲注入该供电网络中的注入装置、用于测量该供电网络的地线与零线之间电压的装置、用于对这些测量的电压以高的频率滤波的一个模拟滤波器、用于对这些模拟滤波过的电压以低的频率滤波的一个数字滤波器、以及用于基于这些数字滤波过的电压和这些电流脉冲的幅值来确定该供电网络的地线与零线之间电阻的装置。
根据本发明的一个总体特征，该数字滤波器包括基于由一个时间间隔T+T/N间隔开的N次电压测量来确定一个平均值的一个均值滤波器，其中T是由用于测量该供电网络的频率的装置来确定的该供电网络的周期。
因此，对于一个常规的50Hz供电网络以及对40次测量取平均值而言，该均值滤波器将基于40次电压测量来确定一个平均值，这些测量是以两次测量之间间隔20.5ms来进行的。
高频率包括超过2kHz的频率并且特别是超过5kHz的那些。低频率包括低于5kHz的频率并且特别是位于50Hz和2kHz之间的频率。
在一个具有60Hz频率的供电网络以及基于40次测量取平均值的情况下，这些测量将由四舍五入到最接近的0.1ms的时间间隔17.1ms来间隔开(T＝16.7ms)的。
优选地，该模拟滤波器是具有一个位于800Hz和1.2kHz之间的、并且优选是1kHz的截止频率以及一个位于0.6和0.8之间的、并且优选是0.7的阻尼系数的一个二阶模拟滤波器，其方式为以便获得在3kHz时-20dB的衰减。
选择具有这些特征的一个模拟滤波器使得有可能尽可能多得减少注入该供电网络的这些电流脉冲的持续时间以便采取这些测量。这些电流脉冲的持续时间的减少使得有可能增大这些电流脉冲的幅值并且因此改善信噪比。
有利地，为了使测量的电压是这些注入的脉冲的真实电流图像，即考虑该模拟滤波器的响应时间，已知该模拟滤波器的通带，则这些电流脉冲具有至少超过0.8ms的、并且优选是1ms的持续时间以及位于18mA和22mA之间的、并且优选是20mA的最大幅值。
该车载安全系统有利地可以包括安全命令装置，该安全命令装置能够仅仅在这个测量的地线电阻低于一个激活阈值时激活由该供电网络对该电池充电。
因此，如果该供电网络的地线具有一个大于该激活阈值的电阻(即被看作至少等于人体电阻的电阻)，则该供电网络不联接到该车辆的电池并且不启动该充电。这样做以便避免出现触电的危险。
为了做到这一点，该激活阈值有利地可以对应于一个位于20欧姆和600欧姆之间的、并且优选是200欧姆的电阻值。
根据另一个方面，在一个实施例中提出了一种用于由供电网络对机动车辆的电池充电的、估算该供电网络的地线与零线之间电阻的安全方法，其中测量了该供电网络的频率，将多个电流脉冲注入该供电网络中，响应于每个脉冲来进行该供电网络的地线与零线之间电压的测量，这些测量的电压被以高的频率滤波，这些模拟滤波过的电压被以低的频率滤波，并且基于这些数字滤波过的电压和这些电流脉冲的幅值来确定该地线与零线之间的电阻。
根据本发明的一个总体特征，该数字滤波包括基于由一个时间间隔T+T/N间隔开的N次电压测量确定一个平均值，其中T是基于该供电网络的频率的测量来确定的该供电网络的周期。
优选地，该模拟滤波包括具有一个位于800Hz和1.2kHz之间的、并且优选是1kHz的截止频率以及一个位于0.6和0.8之间的、并且优选是0.7的阻尼系数的一种二阶滤波。
优选地，这些电流脉冲具有至少超过0.8ms的、并且优选是1ms的持续时间以及位于18mA和22mA之间的、并且优选是20mA的最大幅值。
优选地，注入到该供电网络中的这些电流脉冲的持续时间至少对应于该供电网络的周期。
有利地，有可能进行N＝40次对该地线与零线之间电压的测量以消除该供电网络的主要的39个一次谐波。
优选地，只有在这个测量的地线电阻低于一个激活阈值的情况下将该供电网络联接到该电池上。
附图说明
在检查对绝非限制性的实施例和实现方式的详细说明以及这些附图时，本发明的其他优点和特征将变得清楚，在附图中：
-图1示意性地示出了根据一个实施例的用于对机动车辆的电池充电的车载安全系统；
-图2示出了根据一种实现方式的用于估算一个供电网络的地线电阻的方法的流程表；
-图3表示两张幅值和相位的伯德图，展示了图1中的系统的两个滤波器的作用。
具体实施方式
图1表示根据本发明的一个实施例的一个安全系统1。该安全系统1是在一台机动车辆上并且旨在是当对该机动车辆的一个电池3充电时被联接在一个供电网络2与该电池之间。
该系统1包括用于测量供电网络2的频率的装置4以及用于将电流脉冲注入供电网络2的装置5。用于测量频率的装置4被联接到用于注入电流脉冲的装置5上，其方式为使得该供电网络2的频率值输送到用于注入电流脉冲的装置5。用于注入电流脉冲的装置5将这些脉冲的最短持续时间调整到来自供电网络2的信号的周期T。在50Hz的供电网络2的情况下，这些电流脉冲的最短持续时间将是1ms。
系统1还包括用于测量供电网络2的地线与零线之间的电压的装置6，该装置响应于注入到地线中并且通过供电网络2的零线而回路折返的每个电流脉冲执行一次电压测量。
机动车辆的处理器是以最大频率10kHz运行。从香农(Shannon)定理已知使用数字滤波器，由于频率高于5kHz将完全不可能过滤扰动。为了能够在电压测量中除去高频扰动，系统1包括联接在电压测量装置6的输出处的一个模拟滤波器7。
此实施例中使用的模拟滤波器7是一个截止频率为1kHz和阻尼系数为0.7的二阶模拟滤波器，以便获得3kHz时-20dB的衰减。优选的是使用带有这些特征的滤波器而不是任何其他的模拟滤波器，因为该滤波器使得有可能尽可能多地减少这些注入的电流脉冲的持续时间变迁因此允许增大这些注入的电流脉冲的幅值。
系统1包括联接到模拟滤波器7的输出的一个数字滤波器8。数字滤波器8使得有可能消除由于50Hz和2kHz之间的供电网络2的谐波导致的扰动。超过2kHz时，该模拟滤波器已经充分地衰减了这些扰动。
为了使测量的电压是这些注入的脉冲的真实电流图像，已知该模拟滤波器的通带，则优选的是使这些注入的电流脉冲的最小持续时间对应于该模拟滤波器在高频率下滤波有效的响应时间。为此目的，这些注入脉冲的持续时间必须至少对应于供电网络2的一个信号周期。因此，对于频率50Hz的供电网络3而言，这些注入的电流脉冲的最短持续时间必须是1ms。
更长的电流脉冲持续时间将使得为避免造成系统跳闸就必需减少这些电流脉冲的幅值。然而，重要的是发出具有可能的最高幅值的脉冲，因为它们在响应时产生的电压是较高，并且因此在噪声中是更加可见的。
在50Hz的供电网络2的情况下，对于1ms的脉冲而言，这些电流脉冲的幅值可以达到至多20mA而不存在任何系统跳闸的风险。20mA的脉冲通过50欧姆的电阻将产生嵌入50V噪声(在该供电网络的谐波处的噪声总和)中的1V电压。在数字意义上，因此有必要尽可能多地消除供电网络2的谐波。
为了做到这一点，数字滤波器8包括一个具有无限衰减目标频率优点的均值滤波器。例如，存储由10ms间隔开的两个点并且取其平均值使得有可能完全消除该50Hz。
该数字滤波器被联接到用于测量供电网络2频率的装置4上以便接收与该供电网络2的电周期T相关的信息。
通过记录在20ms的电周期上均匀分布的四十个电压测量点，有可能消除该网络的高达39次谐波，即在以50Hz运行的供电网络2上高达频率1950Hz。
然而，使1ms的由500μs间隔开的两个脉冲各自具有20mA的脉冲幅值是不可能做到的。无论如何为了能够计算这个平均值，该系统通过在每一次以来自供电网络2的信号的电周期T的新的测量时移位加上等于d＝T/N的测量移位d来进行测量，其中N是在一个电信号周期T中进行的测量次数。
因此，在一种50Hz的供电网络以及一个基于40次测量作出的平均值的情况下，第一次测量是在t＝0时作出的，并且第二次是在t＝20.5ms时作出的，该间隔对应于一个电周期T＝1/50＝20ms与一个测量移位d＝20/40＝0.5ms之和。这第二次测量应等同于在第一次测量之后进行的一次仅仅500μs的测量，因为噪声信号是周期性的，其周期T＝20ms。
因此通过在这些由20.5ms间隔开的脉冲结束时作出四十次获取电压测量值并且通过取这四十次测量上的测量电压值的平均值，数字滤波器8消除了由于注入到该供电网络2的这些电流脉冲导致的在该网络的这些谐波处的扰动并且而使得有可能恢复连续的分量。
因此数字滤波过的平均值电压被传送到用于确定供电网络2的地线与零线之间的电阻的装置9。该地线电阻的值是通过用所述平均电压除以这些注入供电网络2的电流脉冲的幅值来确定的。
系统1包括安全命令装置10，该安全命令装置在输入处被联接到确定装置9并且在输出处联接到该机动车辆的电池3。如果确定的该地线电阻的值低于500欧姆的阈值，则进行与该机动车辆的电池3的联接，并且可以开始充电。否则的话，电池3并不被电联接到供电网络2并且不发生充电。
图2示出了根据一种实施方式的一种用于估算对机动车辆的电池充电所用的供电网络的地线与零线之间的电阻的方法的流程图。
在第一步骤210中，测量了联接到该机动车辆以对该机动车辆的电池3再充电的供电网络2的频率。
在一个随后的步骤220中，将多个电流脉冲注入供电网络2中。这些脉冲的持续时间取决于所选择的模拟滤波器7，该模拟滤波器本身取决于该供电网络2的周期。
然后，在一个步骤230中，在这些注入的电流脉冲中的每一个结束时进行供电网络2的地线与零线之间的电压测量。
在一个随后的步骤240中，每一个测量电压都被以高的频率模拟滤波。
在一个步骤250中，接下来获取该测量值，然后在一个步骤260中测试进行的测量的次数。如还没有进行40次电压测量，再次从在步骤220的一次以随后的电周期T的新的电流脉冲注入开始一次测量，并且在一个步骤270中已经使该测量时刻移位了一个移位时间d＝T/N，即在一个50Hz供电网络2的情况下时间d＝0.5ms。
一旦已经进行了第40次测量，就在一个随后的步骤280中以低的频率进行数字滤波同时取这四十个测量电压的平均值，并且最后在一个步骤290中，通过将该平均值除以这些电流脉冲的幅值来确定该地线与零线之间的电阻。
图3以两个伯德图示出了针对50Hz供电网络2的频率的以虚线示出的模拟滤波器作用的幅值和相位以及以实线示出的数字滤波器作用的幅值和相位。
安全系统1被适配成该机动车辆的限制因素并且使得有可能在对该安全系统嵌入到其上的机动车辆的电池开始充电之前检验一个家庭网络的地线质量。

Claims (10)

1.一种用于由供电网络(2)对机动车辆的电池(3)充电的安全系统(1)，该系统(1)是在该机动车辆上并且包括用于测量该供电网络(2)的频率的装置(4)、用于将多个电流脉冲注入该供电网络(2)中的装置(5)、用于测量该供电网络(2)的地线与零线之间电压的装置(6)、用于对这些测量的电压以高的频率滤波的一个模拟滤波器(7)、用于对这些模拟滤波过的电压以低的频率滤波的一个数字滤波器(8)、以及用于基于这些数字滤波过的电压和这些电流脉冲的幅值来确定该供电网络(2)的地线与零线之间电阻的装置(9)，其特征在于，该数字滤波器(8)包括基于由一个时间间隔T+T/N间隔开的N次电压测量确定一个平均值的一个均值滤波器，其中T是是由用于测量该供电网络(2)的频率的装置(4)来确定的该供电网络(2)的周期。
2.如权利要求1所述的系统(1)，其中该模拟滤波器(7)是具有一个位于800Hz和1.2kHz之间的、并且优选是1kHz的截止频率以及一个位于0.6和0.8之间的、并且优选是0.7的阻尼系数的一个二阶模拟滤波器。
3.如权利要求2所述的系统(1)，其中这些电流脉冲具有至少超过0.8ms的、并且优选是1ms的持续时间以及位于18mA和22mA之间的、并且优选是20mA的最大幅值。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统(1)，包括安全命令装置(10)，该安全命令装置能够仅仅在这个测量的地线电阻低于一个激活阈值时激活由该供电网络(2)对该电池(3)充电。
5.如权利要求4所述的系统(1)，其中该激活阈值对应于一个位于20欧姆和600欧姆之间的、并且优选是200欧姆的电阻值。
6.一种用于由供电网络(2)对机动车辆的电池(3)充电的、估算该供电网络(2)的地线与零线之间电阻的安全方法，其中测量了该供电网络(2)的频率，将多个电流脉冲注入该供电网络中(2)中，响应于每个脉冲来进行该供电网络(2)的地线与零线之间电压的测量，这些测量的电压被以高的频率滤波，这些模拟滤波过的电压被以低的频率滤波，并且基于这些数字滤波过的电压和这些电流脉冲的幅值来确定该供电网络(2)的地线与零线之间的电阻，其特征在于，该数字滤波包括基于由一个时间间隔T+T/N间隔开的N次电压测量确定一个平均值，其中T是基于该供电网络(2)的频率的测量来确定的该供电网络(2)的周期。
7.如权利要求6所述的方法，其中该模拟滤波包括具有一个位于800Hz和1.2kHz之间的、并且优选是1kHz的截止频率以及一个位于0.6和0.8之间的、并且优选是0.7的阻尼系数的一种二阶滤波。
8.如权利要求7所述的方法，其中这些电流脉冲具有至少超过0.8ms的、并且优选是1ms的持续时间以及位于18mA和22mA之间的、并且优选是20mA的最大幅值。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中注入到该供电网络(2)中的这些电流脉冲的持续时间至少对应于该供电网络(2)的周期。
10.如权利要求6至9中任一项所述的方法，其中只有在这个测量的地线电阻低于一个激活阈值的情况下将该供电网络(2)联接到该电池(3)上。
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