CN106936177B - 用于机动车的高压电池的充电装置和充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车(1)的高压电池(6)的充电装置(7)，其包括用于耦联车辆外部的充电站(2)的充电缆线(3)的第一联接装置(C1)和用于联接高压电池(6)的第二联接装置(C2)。要保护高压电池(6)的充电过程。为此提供：连接在第一联接装置和第二联接装置之间的二极管元件(14)，其设定成用于，自动地允许从充电站到电池中的充电电流(I)通过并阻断从高压电池朝向充电站的放电电流(I’)；以及监控单元(18)，其设定成用于，探测预定的回馈情形(20)并在探测到回馈情形(20)时触发预定的紧急切断措施，在回馈情形中，二极管元件阻断放电电流(I’)或者放电电流(I’)在二极管元件自身故障时流过二极管元件。

Description

用于机动车的高压电池的充电装置和充电方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的高压电池的充电装置。在本发明方面，高压理解为大于60伏的电压。充电装置设置成用于安装到机动车中，并且具有用于耦联车辆外部的充电站的充电缆线的第一联接装置和用于联接高压电池的第二联接装置。具有该充电装置的机动车以及用于保护充电过程的方法也属于本发明。
背景技术
用于机动车的充电装置也被称为车载充电器(On-board-Charger)。在这种充电装置上可以耦联用于传递单向的或多相的交变电压的充电缆线，例如通过充电插口进行耦联。然后，充电装置将交变电压转换成直流电压，借助于该直流电压可为机动车的高压电池充电。
在此，必须提供故障电流保护。尤其地，在为电动车充电时，根据IEC62752标准规定以全电流敏感的方式探测小于6毫安的DC故障电流(DC：直流电流)，以便可靠地抑制高压电池的DC故障电流回馈到车辆外部的供给电网中。通常，通过FI-B型的故障电流探测器进行为此所需的DC故障电流探测，该故障电流探测器必须在充电站的三相电流联接端或交变电压联接端中提供。这使得提供这种充电站的成本很高。
从文献DE 10 2011 118 716 A1中已知一种用于电能的储存系统，其具有正极联接端和负极联接端，在正极联接端和负极联接端处分别提供用于中断充电电流和放电电流的接触器/继电器，其中，附加地设置有用于双向封锁的半导体开关。该半导体开关可与空载二极管并联，以便在接通电感时防止过压。
从文献DE 296 08 208 U1中已知一种电池充电设备，其具有恒定电流控制电路，在其中，晶闸管与线圈串联，并且通过节拍式的接通而与线圈共同作用地从交变电压中产生DC充电电流。
从文献DE 10 2011 006 096 A1中已知一种充电调节系统，其具有用于联接机动车外部的充电站的充电缆线的第一联接装置和用于联接高压电池的第二联接装置。为了可靠地使高压电池与充电缆线的第一联接装置断开，不仅在充电装置的正极导线中而且在接地导线中分别提供用于电流地中断电连接的机械开关。
发明内容
本发明提出的目标是，在具有高压电池的机动车中保护充电过程不受DC故障电流的影响。
该目标通过独立权利要求的主题实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求的特征、以下的说明和附图给出。
通过本发明，为机动车的高压电池提供一种充电装置。以所描述的方式，充电装置具有用于与车辆外部的充电站的充电缆线相耦联的第一联接装置和用于联接高压电池的第二联接装置。
为了使该充电装置具有防止DC故障电流回馈的保护，根据本发明设置成，提供有连接在第一联接装置和第二联接装置之间的二极管元件，二极管元件设定成用于，自动地允许从充电站到高压电池中的充电电流通过并阻断从高压电池朝向充电站的放电电流。例如，二极管元件可以是单个的被动/无源的二极管或者由多个被动二极管组成的并联电路。二极管元件例如可连接到用于直流电流或DC充电电流的接地导线或者正极导线中。
附加地，设置有监控单元，其设定成用于，探测预先规定的回馈情形。回馈情形描述这样的情况，即，二极管元件阻断放电电流或者放电电流在二极管元件自身故障时实际上流过二极管元件。此外，监控单元设定成用于，在探测到回馈情形时触发预先规定的紧急切断措施。为此，监控单元例如可作为监控电路或者具有所描述的功能性的集成电路提供，或者借助于微控制器或微处理器提供。
通过本发明得到的优点是，以冗余的方式通过在机动车中的充电装置本身来防止直流电流形式的DC故障电流可从高压电池中流出且朝向第一联接装置流入充电缆线中。一方面，二极管元件阻断可能的放电电流，并且另一方面，如果从高压电池朝向充电站的放电电流被二极管元件阻断或者甚至流过故障的二极管元件，则通过监控单元探测相应的回馈情形，并根据紧急切断措施触发紧急切断。在此，充电装置具有的附加的优点是，车辆外部的充电站本身不需要FI-B型保险部件。即，由此，也可在较为不安全的充电站处为机动车充电，而由此不给使用者的安全性带来风险。
通过其特征得到附加的优点的改进方案也属于本发明。
一种改进方案设置成，二极管元件由主动/有源的二极管电路来提供，当在二极管元件上的电压降为正时，二极管电路使可控的开关元件切换到导电的开关状态中以允许充电电流通过，而当在二极管元件上的电压降为负时，二极管电路使可控的开关元件切换到电封锁的开关状态中以阻断放电电流。在该定义中，正的充电电流得到正的电压降。开关元件例如可以是半导体开关元件、尤其是晶闸管。主动的二极管电路是从现有技术已知的，例如与主动的整流相结合其关键词为“主动整流”。相对于被动的二极管元件，主动的二极管元件具有的优点是，其可根据理想的二极管特性曲线运行，并且由此也可在0伏的电压降时实现在导电的开关状态和封锁的开关状态之间的切换，而在被动的二极管元件中，在约0.7伏时才进行切换，并且之后也还存在不理想的体积电阻系数。
在充电装置中，为了引导DC充电电流，能以已知的方式设置正极导线和接地导线，它们与用于联接高压电池的第二联接装置电连接。本发明的一种改进方案设置成，在充电装置的正极导线和/或接地导线中分别提供机械开关元件，并且所述紧急切断措施包括，监控单元使每个机械开关元件切换到电封锁的状态中。例如可分别设置接触器作为机械开关元件。通常，机械开关元件在电封锁的状态中设置成电流隔断。该改进方案具有的优点是，充电装置可利用合适的器件执行紧急切断措施，从而充电装置不依赖于附加的开关元件。
本发明的一种改进方案设置成，提供有用于对在二极管元件上下降的电压进行检测的电压测量装置。借助于这种电压测量装置可提供本发明的多种有利的设计方案。但是，测量装置与二极管元件的组合本身已具有的优点是，在充电装置中不需要附加的分流电阻元件以产生与充电电流和/或放电电流的电流强度相关联的电压降。
根据本发明的一种改进方案，基于电压测量装置，识别所述的回馈情形。在此，监控单元设定成用于，通过例如以所描述的方式探测在二极管元件上的电压降是负电压还是0伏，根据所获取的电压来识别回馈情形。在此，作为回馈情形，例如可探测高压电池中的过压。
在本发明的一种改进方案中，监控单元设定成用于，根据所获取的电压识别二极管元件的故障，确切地说这样的故障，即，其可被识别成所获取的电压的电压值在充电装置预定的开关状态中与预定的理论值范围的偏差。换句话说，对于预定的开关状态，预先规定电压的理论值范围，并且检查：所获取的电压的当前电压值是否在该理论值范围中。由此，可根据电压降与例如充电电流或另一开关状态的比率来识别二极管元件的不确定的、改变的性能。由此，也可探测二极管元件的未知故障。这是对于二极管元件来说特别普遍/通用的故障功能识别。
本发明的一种改进方案设置成，电流调节装置设定成用于，根据所获取的电压确定充电电流的电流强度并且控制充电单元用以调整充电电流的电流强度。例如可提供主动的电流转换器、例如主动的整流器作为充电单元。即，为了确定充电电流的实际值，在此使用电压测量装置，其在没有附加的分流电阻元件的情况下且基于二极管元件检测电流强度。由此，借助于所述电压测量装置也可低成本地实现或完成电流强度调节。
原则上，根据本发明的充电装置也可以用于将直流电流充电站联接到机动车上。但是优选地设置成，用于联接充电缆线的第一联接装置具有至少一个用于接收相应的交变电压以产生充电电流的电接触元件。换句话说，充电装置设计成用于从交变电压到直流电压的电压转换。由此，充电装置可在联接到交变电流供电网络上的通常的充电站处工作。
本发明也包括一种机动车，该机动车具有高压电池、例如用于电的行驶驱动部的牵引电池和根据本发明的充电装置的实施形式。充电装置的第一联接装置与用于供充电站的所述充电缆线插入的充电插座或充电插口相连接。根据本发明的机动车优选地设计成汽车、尤其是乘用车，或者设计成电驱动的自行车(所谓的E-Bike)。
最后，一种用于保护机动车的高压电池的充电过程的方法也属于本发明。在根据本发明的充电装置运行时使用根据本发明的方法。由此，连接在第一联接装置和第二联接装置之间的二极管元件可自动地允许从车辆外部的充电站到高压电池中的充电电流通过并且阻断从高压电池到充电站的放电电流。当然，在同一时间内仅仅存在两种情况中的一种。监控单元探测预定的回馈情形，其中二极管元件阻断放电电流或者在二极管元件故障时放电电流流过二极管元件。在探测到这样的回馈情形时，监控单元触发预定的紧急切断措施，其方式为：例如以所述方式使至少一个用于使高压电池与充电缆线电流断开的机械开关元件切换到电封锁的状态中。
根据本发明的方法的下述改进方案也属于本发明，即，其具有例如已经结合根据本发明的机动车的改进方案描述过的特征。出于该原因，在此不再次描述根据本发明的方法的相应的改进方案。
附图说明
下面说明本发明的实施例。为此，唯一的附图(图1)示出了根据本发明的机动车的一种实施形式的示意图。
具体实施方式
以下详细解释的实施例为本发明的优选的实施形式。在该实施例中，实施形式的所描述的各部件分别为本发明的单个的、被视为彼此独立的的特征，这些特征也可分别彼此独立地改进本发明并且由此也可单个地或者以与所示出的组合不同的组合被视为本发明的组成部分。此外，也可通过本发明的已经描述的特征中的其它特征补充所描述的实施形式。
图1示出了机动车1，其在静态的、在车辆外部的充电站2处充电。机动车1例如可为汽车、尤其是乘用车。机动车1通过充电缆线3与充电站2相连接。充电站2例如可设计成充电柱。在充电缆线3的电接触元件4中，可提供三相电流交变电压的相L1、L2、L3，其可由充电站2从(未示出的)公共供电网络中接收。此外，在充电缆线3中可设置中性导体N和/或保护导体PE。充电缆线3可联接在机动车1的充电插口5处，即，例如在那里被插入。借助于充电站2，可利用电能为机动车1的高压电池6充电。为此，高压电池6通过充电装置7与充电插口5相连接。为此，充电装置7具有用于联接充电插口5的联接装置C1。充电装置7可具有电流转换器或整流器或AC-DC转换器8，通过该AC-DC转换器将相L1、L2、L3的交变电压转换成直流电压U，该直流电压U在正极导线9和接地导线10之间提供。AC-DC转换器8是充电单元。正极导线9和接地导线10将充电电流I从AC-DC转换器8传递到高压电池6中。充电装置7为此具有用于联接高压电池6的电池极的联接装置C2。为了接通充电电流I，在两个导线9、10中的每一个中分别设置机械的开关元件11、12，其例如分别可为接触器/继电器。可设置保险部件13作为紧急切断元件，保险部件例如可为保险丝或热熔断器(Pyrosicherung)。
在机动车1中，充电站2不需要具有FI-B型保险部件。通过充电装置7，机动车1本身保证了防止从高压电池6朝向充电站2的DC故障电流。为此，在充电装置7中提供二极管元件14。二极管元件14尤其地为主动的二极管电路。可通过电压测量装置16检测由于充电电流I在二极管元件14上下降的电压15，电压测量装置16能以已知的方式设计。
充电装置7此外可具有控制装置17，其例如基于微控制器或微处理器或集成电路、例如ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)实现。通过控制装置17可实现监控单元18和电流调节装置19。
通过用二极管元件14防止放电电流I’从高压电池6向充电站2流回，通过二极管元件14自身实现了DC回馈保护。与此并行地或附加地，通过监控单元18根据通过电压测量装置16获取的电压15确定，究竟是否出现回馈情形20。例如，用于识别回馈情形20的监控标准可为：电压15给出在二极管元件14上的负的电压值或者0伏的电压值，这意味着，或者刚好通过二极管元件14阻断了反向电流或放电电流I’，或者因为二极管元件14由于故障而未封锁，所以反向电流或放电电流I’流过二极管元件14。在此，监控单元18于是做出反应，即，监控单元18例如使开关元件11、12从导电的开关状态切换到电封锁的开关状态中。引起放电电流I’的原因例如可在于，高压电池6的电池电压大于充电站2的充电电压，也就是说，大于得到的直流电压U。
附加地，通过监控单元也可借助所确定的电压15来探测二极管元件14的未确定的改变的性能，并且然后同样作为紧急切断措施，触发开关元件11、12的开关状态向电封锁状态的转变。监控单元18也可实施成冗余的，以实现更高的ASIL水平(ASIL：汽车安全完整性等级)。
二极管元件14具有在通过电流造成的电压降方面确定的、可复制的性能，由此能代替否则要使用的通常的分流方式以所描述的方式测量充电电流I。由此，以有利的方式，调节装置19借助于AC-DC转换器8根据通过电压测量装置16检测到的电压15进行充电电流I的电流强度调节。
通过将二极管元件14实施成主动二极管电路，作为附加的优点得到，可主动地防止直至微安范围以下的、从高压电池6朝向AC-DC转换器和所联接的充电设施的DC故障电流流。
为了提供防止DC故障电流的保护，在机动车1中、也就是说尤其地在充电装置7中，仅需要增加通过二极管元件14的半导体元件带来的成本，因为可使用控制装置17和机械的开关元件11、12以实现根据本发明的充电保护功能。在成本方面，可通过以下方式平衡二极管元件14的提供，即，基本上可考虑省去用于电流测量的昂贵的功率分流，因为以所描述的方式通过二极管元件14自身实现了电流测量。
由于现在与充电站2的保护机构无关，所以能可靠地使用每个国家和地区的现有充电设施，这是因为通过机动车自身以其充电装置7的形式提供了安全性。
总地来说该示例示出了，如何通过本发明可提供具有冗余的DC故障电流保护和集成的电流测量的高压直流电流充电器。

Claims (8)

1.一种用于机动车(1)的高压电池(6)的充电装置(7)，包括：
第一联接装置(C1)，该第一联接装置用于耦联车辆外部的充电站(2)的充电缆线(3)，以及
第二联接装置(C2)，该第二联接装置用于联接所述高压电池(6)，
其特征在于，
设有连接在所述第一联接装置(C1)与第二联接装置(C2)之间的二极管元件(14)，所述二极管元件被设定成用于，自动地允许从所述充电站(2)流到高压电池(6)中的充电电流(I)通过并且阻断从所述高压电池(6)流向充电站(2)的放电电流(I’)，
设有监控单元(18)，所述监控单元被设定成用于，探测预先规定的回馈情形(20)并在探测到回馈情形(20)时触发预先规定的紧急切断措施，在所述回馈情形中，所述二极管元件(14)阻断放电电流(I’)或者所述放电电流(I’)在二极管元件自身故障时流过所述二极管元件(14)，
设有电压测量装置(16)，该电压测量装置用于获取在所述二极管元件(14)上下降的电压(15)，其中，所述监控单元(18)被设定成用于，根据所获取的电压(15)识别所述回馈情形(20)。
2.根据权利要求1所述的充电装置(7)，其特征在于，提供主动的二极管电路作为所述二极管元件(14)，当在所述二极管元件上的电压降为正的时，所述二极管电路使可控开关元件切换到导电的开关状态中以允许充电电流(I)通过，而在所述二极管元件(14)上的电压降为负的时，所述二极管电路使所述可控开关元件切换到电封锁的开关状态中以阻断放电电流(I’)。
3.根据权利要求1或2所述的充电装置(7)，其特征在于，在所述充电装置(7)的正极导线(9)和/或接地导线(10)中分别提供机械开关元件(11，12)，所述紧急切断措施包括，所述监控单元(18)使每个机械开关元件(11，12)切换到电封锁的状态中。
4.根据权利要求1或2所述的充电装置(7)，其特征在于，所述监控单元(18)被设定成用于，根据所获取的电压(15)将所述二极管元件(14)的故障识别成：在所述充电装置(7)的预先确定的开关状态中，所获取的电压的电压值与预定的理论值范围存在偏差。
5.根据权利要求1或2所述的充电装置(7)，其特征在于，电流调节装置(19)被设定成用于，根据所获取的电压(15)确定充电电流(I)的电流强度并控制充电单元(8)以调整充电电流(I)的电流强度。
6.根据权利要求1或2所述的充电装置(7)，其特征在于，所述第一联接装置(C1)具有至少一个用于接收相应的交变电压(L1，L2，L3)以产生充电电流(I)的电接触元件。
7.一种机动车(1)，所述机动车具有高压电池(6)和根据上述权利要求中任一项所述的充电装置(7)，其中，所述充电装置(7)的第一联接装置(C1)与用于插入充电缆线(3)的充电插口(5)相连接。
8.一种用于保护机动车(1)的高压电池(6)的充电过程的方法，其中，连接在第一联接装置(C1)与第二联接装置(C2)之间的二极管元件(14)自动地允许从车辆外部的充电站(2)流到高压电池(6)中的充电电流(I)通过并阻断从高压电池(6)流向充电站(2)的放电电流(I’)；监控单元(18)探测预先规定的回馈情形(20)，在所述回馈情形中，所述二极管元件(14)阻断放电电流(I’)或者所述放电电流(I’)在二极管元件自身故障时流过所述二极管元件(14)；在探测到回馈情形(20)时，监控单元(18)触发预先规定的紧急切断措施，电压测量装置(16)获取在所述二极管元件(14)上下降的电压(15)，其中所述监控单元(18)被设定成用于根据所获取的电压(15)识别所述回馈情形(20)。
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