CN108206505A - 用于电动车辆充电期间之突波防护的方法和装置 - Google Patents

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阿南德·帕提尔
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Abstract

本发明提供一种突波防护电路。文中揭示的具体实施例系关于电路之防护，尤其系关于防护电路避免输入突波电压。文中具体实施例揭示当电动车辆(EV)插入以自公用电网充电时，一种用于该EV中的车载充电系统的突波防护电路。

Description

用于电动车辆充电期间之突波防护的方法和装置
技术领域
文中揭示的具体实施例系关于电路之防护，尤其系关于防护电路避免输入突波电压。
背景技术
通常，电动车辆(electric vehicle，EV)需要自电网充电。然而，公用电网并非总是纯净(pure)，原因例如闪电，以及并联运行并可能在该EV插入进行充电时将高电压或电流突波注入该充电系统的高度非线性负载。该电网电源中的该等大突波导致该EV充电器之输入段故障。为防止前述问题，该车载充电系统配备有突波防护电路，其不论经过包括接地端子的任何电源线或在其之间的事件，皆能够吸收高电压或电流突波。
目前可用的突波防护电路具有短使用寿命，因为过电压和电流脉冲之数量定义该防护电路之使用寿命。目前可用的突波防护电路无法操作用于连续供电不平衡，特别是在配电系统具有非所需电压/电流位准的区域中。目前可用的突波防护电路具有较少响应时间，因此防护该车载充电系统之机会较低。
此外，现有解决方案具有更多数量之防护装置。这增加了在该充电系统之正常操作期间的漏电流，也增加了该防护系统之尺寸和成本。
发明内容
文中揭示的具体实施例之主要目的为揭示当EV插入以自公用电网充电时，一种用于该EV中的车载充电系统的突波防护电路。
附图说明
文中揭示的具体实施例在所附图式中例示出，贯穿其中同样的参考字母指示各种图标中的对应部分。文中该等具体实施例将参照所附图式，自下列说明更好地加以理解，其中：
图1依据如文中揭示的具体实施例，描绘出连接在EV之AC电源供电与充电系统之间的突波防护电路；
图2依据如文中揭示的具体实施例，描绘出该突波防护电路；
图3依据如文中揭示的具体实施例，描绘出突波防护电路之范例。
图4依据如文中揭示的具体实施例，描绘出金氧变阻器(MOV)之特性。
图5依据如文中揭示的具体实施例，描绘出气体放电管(GDT)之特性。
图6依据如文中揭示的具体实施例，描绘出MOV和GDT串联组合之特性。通过下面结合附图的详细描述，本发明所述的目的、方案将变得显而易见。
具体实施方式
文中该等具体实施例及其各种特征和具优势细节，参照所附图式中例示的该等非限制性具体实施例更完全地加以解说，且在下列说明中详细说明。省略已习知组件和处理技术之说明，以免不必要地模糊文中该等具体实施例。文中使用的该等范例仅意欲促进理解文中该等具体实施例可能实行的方式，且进一步使得熟习此项技术者能够实行文中该等具体实施例。据此，该等范例不应理解为限制文中该等具体实施例之范畴。
文中该等具体实施例揭示当电动车辆(EV)插入以自公用电网充电时，一种用于该EV中的车载充电系统的突波防护电路。现在参照所附图式，尤其图1至图6，其中类似的参考字符贯穿该等图标前后一致地表示对应特征，从而显示出较佳具体实施例。
如文中定义的电动车辆(EV)为使用至少一个或多个电动马达用于推进的车辆。在文中具体实施例中，该EV可以包括可以用于推进的一个或多个不同的马达和/或引擎。
文中具体实施例揭示当电动车辆(EV)插入以自公用电网充电时，一种用于该EV中的车载充电系统的突波防护电路；其中该电路包括瞬时吸收器，例如金氧变阻器(MetalOxide Varistor，MOV)、气体放电管(Gas Discharge Tube，GDT)、瞬时电压抑制(TransientVoltage Suppression，TVS)、和热熔断器装置。
图1描绘出当EV 104透过沿线控制箱101插入电网102时之车载充电系统。来自电网102的AC电源供电进入沿线控制箱101，其用于在验证安全功能之后，建立AC供电102与车载充电器103之间的连接。来自沿线控制箱101的受控AC输出供应给放置在EV 104内部的车载充电器103。车载充电器103一般是AC-DC转换器107，其为了对电池系统105充电之目的，而将沿线控制箱101之受控AC输出转换为DC电源。在文中具体实施例中，突波防护电路106可以位于是EV 104之一部分的车载充电器103中。在文中具体实施例中，突波防护电路106可以位于EV 104外部的沿线控制箱中。
图2描绘出突波防护电路106。突波防护电路106可以被放置在车载充电器103中。突波防护电路106可以被放置在沿线控制箱101中。突波防护电路106可以被放置在车载充电器103和沿线控制箱101两者中。
两个热熔断器TF1 201和TF2 202串联连接在线路(line，L)和中性(neutral，N)电源线两者中。该等热熔断器在经过突波防护电路106的电流下降至一次电流额定值以下之后，具有恢复特性。突波防护装置(Surge Protection Device，SPD)SPD1 203连接在该等L与N电源线之间。SPD2 204和SPD3 205连接在两条电源线之间，其中该中点经过SPD4 206连接到该接地(earth，E)线路。当SPD2 204和SPD3 205一导通，该突波电流就经过SPD4 206传递到该接地(E)线路。
SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之选择可以基于参数，例如变阻器电压、嵌位电压、和一次电流额定值。举例来说，若该车载充电系统被设计成在高达270V(rms)之最大AC输入电压下操作，则SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之该等值应选择成使得MOV之可允许运作AC电压高于最大AC输入电压。因此，对于低于270V(rms)的该等输入电压，SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205呈现非常高的阻抗(以十亿奥姆为单位)，且流过SPD1 203、SPD2204、和SPD3 205的电流可忽略。SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之工作电压可以被计算为最大AC输入电压之110％或以上，且这将允许该输入AC电压高达320V(rms)。SPD1 203、SPD2204、和SPD3 205之导通自该变阻器电压(510V)开始，其中经过该装置的电流随着该突波电压增加至510V以上而非线性地增加。从产品说明书中，SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之嵌位电压在150A时为840V，但是随着经过SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205的电流增加至150A以上，该嵌位电压逐渐增加。SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205具有20kA之一次电流额定值，使得若经过该MOV的电流到达20kA以上，则SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205可能失效(fail)。考虑其中横过具有2Ω阻抗的S25K320根据IEC 61000-4-5(1.2/50us电压波形)应用6kV之突波电压的范例，经过该S25K320的最大电流将为3kA，且对应地从该产品说明书中，该嵌位电压观察到为接近1000V。此嵌位电压将在短时间内横过SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205出现，由此在SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之后的AC-DC转换器107受到防护避免6kV突波电压。SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205之嵌位电压不应使AC-DC转换器107失效，且其是从要防护的电路之最大耐受电压选择。该选择也取决于该等附加参数，例如SPD1203、SPD2 204、和SPD3 205之能量耗散。
SPD4 206可以是GDT，且其可以基于SPD2 204和SPD3 205之响应时间和降幅曲线进行选择。与SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205相比时，该GDT可以具有较高阻抗，且这些装置之该等特性彼此不同。SPD4 206从高阻抗至非常低阻抗之导通可以由电压之速率(rate)判定，借此该电流流过该装置。举例来说，考虑使用EPCOS A230X GDT的范例，其中该EPCOSA230X GDT具有100V/us速率的500V火花放电电压，以及1kV/us速率的650V脉冲火花放电电压。若该突波电压具有100V/us速率，则若该突波位准超过500V，则SPD4 206进入低阻抗状态。当1.2/50us的6kV突波电压(根据IEC 61000-4-5)横过该等SPD之串联组合施加时，由于其阻抗而出现横过SPD4 206的高电压。在此期间，SPD4 206之阻抗将随着突波电压上升而逐渐下降，同时横过SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205的电压由于其阻抗而开始增加。当横过SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205的电压开始增加超出该变阻器电压时，经过SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205的电流将开始流动，由此使该突波电流经过SPD4 206旁路到该接地。
当该等L与N电源线之间的电压超过SPD1 203之变阻器电压时，经过SPD1 203的电流增加并将该突波电压限制在受防护电压位准。在该等L与N线路之间的电流超过SPD1 203之一次电流额定值时，TF1 201会开路，因而会和要防护的AC-DC转换器107完全断开连接。在线路对接地或中性对接地之间的突波电压期间，SPD4 206开始崩溃(breaking down)(因为其具有较高阻抗)，且该阻抗将非线性地降低，且横过SPD2 204或SPD3 205的该等电压将分别增加。在经过该等热熔断装置的该等电流到达该等一次电流额定值以上之后，对于线路对接地突波TF1 201开路，且对于中性对接地TF2 202开路，因而AC-DC转换器107受到防护避免突波电压和电流。
对于SPD4 206，该等高与低阻抗状态之间的转变取决于突波电压之速率。该火花放电电压应大于充电系统103之正常输入操作电压，且该脉冲火花应低于突波防护电路101可以允许的最大电压。在文中具体实施例中，该火花放电电压可以定义在100V/us。在文中具体实施例中，该脉冲火花放电电压可以定义在1kV/μs。在该崩溃之后，SPD4 206进入维持称为电弧(arc)电压的低阻抗状态。在此状态期间，非常高的电流将流过SPD4 206，且若该电流超过该单一脉冲电流额定值，则SPD4 206将失效。
在图3描绘出的范例具体实施例中，SPD1 203、SPD2 204、和SPD3 205是MOV且SPD4206是GDT。
电源在线的该等突波电压由标准IEC 61000-4-5定义，且文中揭示的具体实施例已根据1.2/50μs的标准突波电压周期和8/20μs的突波电流周期进行设计。
文中具体实施例揭示具有较少数量之用于EV车载充电系统组件的突波防护系统，因此其可以从任何壁挂式插座充电。文中揭示的具体实施例可以抑制多个6kV/3kA电压和电流脉冲。
文中揭示的具体实施例使用独立式热熔断器和MOV装置，以增加TMOV装置上的防护电路之使用寿命。
与该等现有配置相比，如文中揭示的该等具体实施例之该等降幅特性较少，因此该电路之使用寿命将较长。该等防护装置之使用寿命主要取决于突波电流量及其持续时间。图4描绘出具有500V之嵌位电压的MOV之范例特性。当具有2Ω源阻抗的6kV突波电压施加于该MOV时，初期该MOV处于高阻抗状态下，且经过该装置的电流缓慢增加直到该突波电压到达500V。当该突波电压高于该嵌位电压时，该MOV进入低阻抗状态，且经过该装置的电流借由维持该嵌位电压而非线性地增加。该峰值突波电流由该源阻抗(6kV/2＝3kA)定义为3kA，因为该MOV具有非常低的阻抗(以毫奥姆为单位)。单一MOV的突波电流持续时间长，从而降低该使用寿命。
图5为描绘出具有700V之脉冲火花放电电压的GDT之该等特性的范例。当具有2Ω阻抗的6kV输入突波电压横过GDT施加时，该GDT处于高阻抗状态下，且该电流直到该突波电压到达700V才会流过该装置。当该突波电压超出700V时，该装置进入低阻抗状态，且横过该装置的电压将是该发弧电压12V。由于此低的发弧电压，因此该GDT不建议设在线路与中性之间，因为其几乎使该等电源线短路。
图6描绘出串联组合的MOV和GDT之该等特性。其结合了分别来自图4和图5的MOV和GDT两者之该等优势。横过该组合的电压在该突波期间为512V，接近MOV之嵌位电压(500V)。该突波电流持续时间由于该GDT而减少，由此该组合非常缓慢降幅。由此，该防护电路之使用寿命对于施加于单一MOV的相同数量之输入电压突波得以改善。
由于防护装置之数量减少，因此在该正常操作期间的该等漏电流在如文中揭示的具体实施例中几乎可忽略。从图4，经过该MOV的突波电流随着该突波电压而缓慢增加。随着MOV之数量以并联组合方式增加以共享该突波电流，该漏电流也将由于MOV之固有特性而增加。与如图4所示的单一MOV相比时，该漏电流也在如图6所示的串联组合中完全地减少。
文中揭示的具体实施例由于具有GDT、MOV、和热熔断器之组合，因此具有长响应时间。所有这些装置皆具有不同的操作特性，将它们组合在防护电路中将能为任何电源线之间的任何电压突波提供最佳防护。从图2，当该线路与该中性之间发生突波电压时，该等MOV和热熔断器防护该系统，且同样地对于线路对接地和中性对接地，MOV、GDT、和热熔断器之组合防护该系统。
该等特定具体实施例之前述说明将如此完全地显露文中该等具体实施例之一般本质，以致于其他人借由应用目前知识可以很容易地修饰和/或调适此类特定具体实施例之各种应用而不悖离一般性概念，因此，此类调适例和修饰例应当并意欲在该等揭示的具体实施例之相等物之意义和范围内进行理解。应可理解文中采用的措辞或术语是为了说明而非限制之目的。因此，尽管已根据较佳具体实施例说明文中该等具体实施例，但是熟习此项技术者将认可，文中该等具体实施例可以在如文中说明的该等具体实施例之精神和范畴内利用修饰例实作。
【符号说明】
101：沿线控制箱
102：电网；AC供电
103：车载充电器
104：电动车辆
105：电池系统
106：突波防护电路
107：AC-DC转换器
201：热熔断器TF1；TF1；第一热熔断器
202：热熔断器TF2；TF2；第二热熔断器
203：SPD1(突波防护装置)；SPD1；第一突波防护装置(SPD)；第一SPD
204：SPD2；第二SPD
205：SPD3；第三SPD
206：SPD4；第四SPD

Claims (13)

1.一种用于电动车辆(Electric Vehicle，EV)的突波防护电路包括：
一第一热熔断器，其串联连接在一L(line，线路)线路中；
一第二热熔断器，其串联连接在一N(neutral，中性)线路中；
一第一突波防护装置(Surge Protection Device，SPD)，其连接在该L线路与该N线路之间；
一第二SPD，其连接到该L线路；
一第三SPD，其连接到该N线路；以及
一第四SPD，其连接到该第二SPD和该第三SPD与一E(earth，接地)线路之一中点。
2.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中该第一SPD、该第二SPD、和该第三SPD是金氧变阻器(Metal Oxide Varistor，MOV)。
3.如权利要求2所主张之突波防护电路，其中该等MOV之值取决于至少一个变阻器电压、嵌位电压、一次电流额定值、和能量耗散。
4.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中该第四SPD是一气体放电管(GasDischarge Tube，GDT)。
5.如权利要求4所主张之突波防护电路，其中该GDT之值取决于该第二SPD和该第三SPD之响应时间和降幅曲线。
6.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中该第一热熔断器在该等L与N线路之间或L与E线路之间的电流超过同一熔断器之一次电流额定值时开路。
7.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中该第二热熔断器在N与E线路之间的电流超过同一熔断器之一次电流额定值时开路。
8.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中火花放电电压大于连接到该突波防护电路的一车载充电器之正常输入操作电压。
9.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中脉冲火花低于该突波防护电路允许的一最大电压。
10.如权利要求1所主张之突波防护电路，其中该突波防护电路更配置用于
在侦测L至E线路与N至E线路中至少一者之间的一突波电压时，非线性地降低该第四SPD之阻抗；
增加横过该第二SPD和该第三SPD的电压；以及
由该第二SPD、该第三SPD、和该第四SPD进入一低阻抗状态。
11.如权利要求1所主张之突波防护电路，可以位于一车载充电器和一沿线控制箱中至少一者内部。
12.一种使用突波防护电路进行突波防护的方法包括：
一第一热熔断器，其串联连接在一L(线路)线路中；
一第二热熔断器，其串联连接在一N(中性)线路中；
一第一突波防护装置(SPD)，其连接在该L线路与该N线路之间；
一第二SPD，其连接到该L线路；
一第三SPD，其连接到该N线路；以及
一第四SPD，其连接到该第二SPD和该第三SPD与一E(接地)线路之一中点；
该方法包含
在该等L与N线路之间的电流超过同一熔断器之一次电流额定值时，开路该第一热熔断器；以及
在该等E与N线路之间的电流超过同一熔断器之一次电流额定值时，开路该第二热熔断器。
13.权利要求12所主张之方法，其中该方法包括：
在侦测L至E线路与N至E线路中至少一者之间的一突波电压时，非线性地降低该第四SPD之阻抗；
增加横过该第二SPD和该第三SPD的电压；以及
由该第二SPD、该第三SPD、和该第四SPD进入一低阻抗状态。
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