CN109387700B - 用于充电电缆中的接地电阻识别的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻的设备(17)，其特征在于，所述设备(17)包括：用于解耦合的电源整流器(1)、用于电压测量的构件(3)、用于限制所述测试电流并且在过压情况下转化能量的至少一个电阻(4)、用于将导通相减少到正电源电压半波的至少一个二极管(5)、用于操控的有源开关元件(6)、用于测量值检测的构件(7)、用于限制过压的过压保护装置(8)以及分析处理单元(9)。

Description

用于充电电缆中的接地电阻识别的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻的一种方法和一种设备。

在此，本发明属于用于电池电动车辆的充电电子装置技术领域。

背景技术

为了给电池电动车辆充电，需要专用于此的基础设施。除了到本地电网的连接以外，该基础设施主要包括多种插头类型和充电模式，借助这些插头类型和充电模式可以给相应的电池电动车辆充电。根据关于电池电动车辆导电充电的国际标准IEC 61851，规定了许多充电模式，而IEC 62196则参考了各种插头模式。在此，充电模式包括四个不同模式，其在模式1中给家用插座提供直至16A电流强度的慢速充电，并且在模式2中提供直至32A的单相或三相配置的充电。其他模式3和4包括借助直至250安培的快速充电以及借助直至400安培的直流快速充电。模式1和2允许使用标准插头系统、例如Schuko，由此能够连接到普通家用插座。在模式2中，需要存在所谓的IC-CPD，其缩写是“In Cable Control andProtection Device：缆上控制和保护装置”，也称为ICCB，缩写是“In Cable Control Box：电缆控制箱”。该设备承担用于通过电网的充电过程的安全功能和通信功能。在快速充电模式3和4的情况下不需要这种IC-CPD，因为这些功能在此由快速充电站承担。

IC-CPD相应地承担与车辆电子装置的通信，其中，例如从车辆的充电位置得知端口充电器的最大可能充电电流。然后通过IC-CPD相应地控制遵守该最大可能充电电流，由此，始终给电池电动车辆的充电位置提供最佳充电功率。此外，在借助Schuko连接到家用插座的情况下，IC-CPD还承担其他功能、例如确定极性、监视保护导体、检查PE导体与金属车身之间的电连接、用于避免电气事故的故障电流断路器(Fehlerstromschutzschalter)功能、在充电出现异常(例如电流波动)时监视或关断充电过程、以及在需要关断充电过程时对插头温度进行一般监视。

为了使IC-CPD能够实现这些功能，IC-CPD通常具有集成电路——大多数情况下带有相应固件的确定微控制器。

在标准IEC 62752中，该标准用于规定电动车辆的模式2充电运行中的标准，要求值为1.6kOhm的接地电阻识别，并且要求最大接地导体RMS电流为1mA。

然而，从现有技术中已知的解决方案允许小电流高阻地(大于1MOhm)地流向PE。这种解决方案是由德国专利申请DE 196 01 880A1所已知的用电器网络装置(Verbrauchernetzanordnung)，其具有至少一个外导体、承担保护功能的导体(在此通常称为保护导体)、必要时中性导体以及用于在其功能有效性方面监视保护导体的装置。

另一方面，在德国专利申请DE 10 2012 219 542A1中描述一种方法，该方法能够使测试电流间歇(intermittierend)流动，该方法使用借助至少一个电容器或二极管产生的参考电位，并且该方法不在每个周期中实施测试。

在欧洲专利申请中，描述了由FI开关与PE监视相结合的组合，该组合能够使测试电流高阻地持续流向PE。附加地，该电路具有传感器表面用户通过该传感器表面建立接地参考，由此可以检查保护导体的电压自由度。

然而，所有这些方案都没有解决如下问题：当接地电阻改变了1.6kOhm时，电流几乎不发生变化(仅变化0.16％)。因此，无法识别保护导体的低阻故障。

发明内容

因此，本发明的任务是研发一种电路以及一种用于使用该电路的方法，借助该方法满足所述标准在接地电阻识别和最大接地导体电流方面的要求。

该任务通过根据本发明的设备来解决，该设备用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻，其特征在于，该设备包括：用于解耦合的电源整流器、用于电压测量的构件、用于限制测试电流并且在过压情况下转化能量的至少一个电阻、用于将导通相减少到正电源电压半波的至少一个二极管、用于操控的有源开关元件、用于测量值检测的构件、用于限制过压的过压保护装置以及分析处理单元。此外，该电路的优点是：借助能够确定低接地阻抗的可能性，该电路能够在全世界范围内适用，其中，所确定的阻抗的值远低于常见方法。此外，可以通过触发测量脉冲和输入电路(Eingangsbeschaltung)来补偿负面效应。为了进行操控，可以使用有源开关元件、例如MOSFET或光电三端双向可控硅开关(Opto-TRIAC)。

根据本发明的方法的有利以及因此优选的扩展方案由具有所属附图的说明书得出。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，该充电电路是模式2充电电缆的一部分，该充电电缆具有用于给电池电动车辆充电的ICCPD。借助根据本发明的电路，相应地实现了标准IEC 62752所要求的接地电阻识别。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，用于电压测量的构件要么通过级联、要么从电源电隔离地运行，并且该构件如此设置，使得该构件在带有或不带有峰值检测的情况下工作。其他重要部件是：用于限制测试电流并且在过压情况下转化能量的至少一个电阻以及用于将导通相减少到正电源电压半波的至少一个二极管。该二极管相应地实施成至少确保对PE基本绝缘。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，在连续接地情况下电耦合地或在独立接地(separate Erdung)情况下电隔离地通过光电耦合器实现有源开关元件的操控。借助这种操控可以在超过峰值之后、例如在超过所需阈值之后立即关断测试电流。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，用于检测测量值的构件在连续接地时通过分流电阻、或在独立接地时通过光电耦合器连接。在此，独立接地意味着，PE网络≠电子装置接地。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，过压保护由至少一个齐纳二极管-二极管或至少一个变阻器构成。为了限制过压，使用齐纳二极管或抑制二极管或变阻器。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，分析处理单元以硬件电路形式通过比较器实现，或以微控制器形式实现。在此，由电压的峰值产生用于测量值电压的比较阈值。在接地良好的情况下，则产生脉冲模式。期望值与实际值的计算比较可以以硬件电路形式通过比较器实现，或以微控制器形式实现。在这两种分析处理的情况下，在大于1秒的时间上借助至少两次分析处理进行滤波，直到触发故障。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，该设备具有带有过零点识别的至少一个光电三端双向可控硅开关，该光电三端双向可控硅开关如此设置，使得可以通过给操控二极管通电来电隔离地操控该光电三端双向可控硅开关。通过该光电三端双向可控硅开关，可以通过安全认证的构件解锁该电路。然后，通过MOSFET形式的有源开关元件来实现测试电流的准确控制。因此可以简化操控，因为无须再确定电源电压的极性。

在此，根据本发明的设备的一种优选扩展方案是，该设备包括继电器，以便保护电路免受高电压要求影响，其中，该继电器如此设置，使得其在探测到高电压时断开并且将电路隔离。通过微控制器可以重新建立原始状态，其方式是：该微控制器重新将继电器闭合。在这种情况下，使用微控制器优于使用比较器电路。附加地，通过继电器可以在较长的时间段上确保高耐压强度(Spannungsfestigkeit)。这也可以与光电三端双向可控硅开关结合。

所提出的任务的另一解决方案是一种用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻的方法，该方法用于上面提出的设备，其特征在于，在负边沿的任意时刻，对于至少一个周期时间，借助频率小于或等于2Hz的低频脉冲模式来操控有源开关元件，并且在达到如此产生的测试脉冲的阈值或峰值情况下，重新删除该操控，由此实现脉冲式地接入测试电流。该测量方法的基础是脉冲式地接入测试电流。这是必要的，因为充电电子装置的总漏电电流必须保持低于1mA RMS。结合接地电阻识别的1.6kOhm的低阈值得出对电路的高要求。

在此，根据本发明的方法的一种优选扩展方案是，为了避免在接入测试电流之后的过冲效应，在测试信号的过零点执行有源开关元件的操控。为了避免过冲效应，必须明显在相最大值之前就进行操控。理想地，在过零点就已经进行操控，以便在滤波器电容较大的情况下抑制振荡过程。

根据本发明的方法的一种优选扩展方案是，通过软件识别或通过相应的硬件结构来实现过零点中的操控。

附图说明

以下参考所属附图根据至少一个优选的实施例进一步描述根据本发明的方法以及该方法的功能上有利的扩展方案。在附图中，相互对应的元件分别设有相同的附图标记。附图示出：

图1以第一变型方案示出根据本发明的电路的示例；

图2以第二变型方案示出根据本发明的电路的示例；

图3以第三变型方案示出根据本发明的电路的示例；

图4示出用于电压测量实现示例；

图5示出用于操控的实现示例；

图6示出用于测量值检测的实现示例；

图7示出用于分析处理的实现示例；

图8示出根据本发明的对测试电流的脉冲式接入；

图9示出0/1.6kOhm情况下的在导通相中的操控；

图10示出0/1.6kOhm情况下的在过零点中的操控；

图11示出根据本发明的设备的使用环境的示意性结构。

具体实施方式

在图11中列出根据本发明的设备的或借助该设备所执行的方法的使用环境。在此示出充电电缆15，其给电池电动车辆16提供来自电网18的能量。充电电缆15具有IC-CPD14，在该IC-CPD中集成有用于实现接地电阻识别的电路17。

在此，电路17存在三种不同版本。图1中示出第一优选实施方式。在此，该电路由以下元件构成：

1通过电源整流器的解耦合，其中，真正的电源2与其电解电容解耦合。

3带有或不带有峰值检测的电压测量；要么通过级联、要么从电源2电隔离。

4用于限制测试电流并且在过压情况下转化能量的至少一个电阻。

5用于将导通相减少到正电源电压半波的至少一个二极管。该二极管相应地实施成至少确保对PE的基本绝缘。

6具有操控的MOSFET/晶体管；由此可以在超过峰值之后、例如在超过所需阈值之后关断测试电流。可以在连续接地的情况下电耦合地或在独立接地(PE电网≠电子装置接地)的情况下通过光电耦合器来实现操控。

7在连续接地的情况下通过分流电阻或在独立地接地的情况下通过光电耦合器/变压器(PE电网≠电子装置接地)的测量值检测。

8借助至少一个齐纳二极管/抑制二极管或至少一个变阻器的过压保护，以便限制过压。

9分析处理单元。该分析处理单元可以以硬件形式通过比较器实施。在此，由电压的峰值产生用于测量值电压的比较阈值。在良好接地的情况下，产生脉冲模式。替代地，期望值与实际值的计算比较也可以在MCU中进行。在这两种分析处理的情况下，滤波器在大于1秒的时间上(至少两次分析处理)进行滤波，直到触发故障。

在负边沿的任意时刻，对于持续至少一个周期持续时间，操控MOSFET6。在达到阈值时重新删除该操控。借助低频脉冲模式19(小于2Hz)来进行操控，以便防止超过1mA的漏电电流。对于操控12、13，必须能够确定电源电压的极性。

因为极性确定是不利的，所以在图2所示的第二优选实施方式中消除了这一点。在此，附加地存在以下电路元件：

10具有过零点识别的至少一个光电三端双向可控硅开关。通过给操控二极管通电来电隔离地实现操控。

通过光电三端双向可控硅开关10，可以通过安全认证的构件解锁该电路。然后通过MOSFET 6实现测试电流的准确控制。因此可以简化操控，因为无须再确定电源电压的极性。

在图3中示出第三优选实施方式。在此还添加有其他电路元件：

11继电器，用于保护电路免受极端的高电压要求的影响。高电压识别由电压测量实现。在检测到高电压时，继电器11断开并且将电路隔离。通过微控制器可以重新建立原始状态。

附加地，通过继电器11可以在较长时间段上确保高耐压强度。附加地，可以借助第二优选实施变型方案中的光电三端双向可控硅开关10来补充该电路。

图4、5、6和7示出针对所提出的电路的各个功能块的确定的特别优选的实现方式，所述电路在之前附图中以“黑盒”示出。在此，图4公开用于电压测量3的两种特别优选的实现方案：一种是以级联电路的形式，一种是与电源2电隔离。在图5中，分别在左侧示出通过MOSFET6的电耦合的操控，并且在右侧示出通过MOSFET6的电隔离的操控。另一方面，图6再次在左侧示出电耦合的测量值检测7，并且在右侧示出电隔离的测量值检测7，而图7则公开了分析处理单元9的硬件实施方案。分析处理单元9还可以以数字实施方案通过微控制器实现。

该测量方法在其优选实施方式中的基础在图8中作为测试电流19的脉冲式接入示出。该脉冲式接入19是必要的，因为充电电子装置的总漏电电流必须保持低于1mA RMS。与接地电阻识别的1.6kOhm的低阈值结合得出对电路17的高要求。为了能够由电源电压确定该电阻值，在该电路中必须有显著超过1mA的电流流动。因此，必须中断(aussetzen)这些测试电流，以便遵守1mA的极限值。图8中示例性示出频率为2Hz的脉冲式测试变化过程19。该信号是在分流电阻上量取的并且与测试电流成比例。

在图9中，在导通相处于相最大值期间的操控情况下，示出一个测试脉冲期间的电流变化过程。在此，在模拟中一次将接地阻抗考虑为0Ohm12，一次将其考虑为1.6kOhm 13。由于在接入测试电流之后在1.6kOhm信号13上出现过冲，所以无法在峰值或脉冲宽度方面来对这两个变化过程进行区分。该峰值由PE识别电路的阻抗所预给定。在接地连接不良的情况下，充电电子装置和车辆中的Y电容器通过该PE识别电路的阻抗放电。因此，峰值始终是相同的。为了抑制这种效应，必须明显在最大值之前进行操控、理想地在过零点就已经进行操控，以便即使在滤波器电容较大的情况下也抑制振荡过程。

在图10中所示的分别针对0Ohm 12和1.6kOhm 13接地阻抗的两个信号的在过零点中的操控中，能够清楚地看出该解决方案。可以看出，测量信号不再叠加有由于滤波器电容器放电而引起的负面效应。通过脉冲宽度测量和峰值分析处理，可以求取偏差的阻抗值。过零点中的操控可以通过软件识别或相应的硬件结构来实现。

附图标记列表

1 通过电源整流器的解耦合

2 电源

3 带有或不带有峰值检测的电压测量

4 用于限制测试电流的电阻

5 用于将导通相减少到正电源电压半波的二极管

6 具有操控的MOSFET

7 在连续接地的情况下通过分流电阻的测量值检测或通过光电耦合器的测量值检测

8 借助至少一个齐纳二极管/抑制二极管的过压保护

9 分析处理单元

10 具有过零点识别的光电三端双向可控硅开关

11 用于高电压保护的继电器

12 在0Ohm接地阻抗情况下的在导通相中的操控

13 在1.6kOhm接地阻抗情况下的在导通相中的操控

14 IC-CPD

15 包括IC-CPD的充电电缆

16 电池电动车辆

17 用于接地电阻识别的集成电路

18 电网基础设施

19 脉冲式测试信号

Claims (12)

1.一种用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻的设备(17)，其特征在于，

所述设备(17)包括：用于解耦合的电源整流器(1)、用于电压测量的构件(3)、用于限制测试电流并且在过压情况下转化能量的至少一个电阻(4)、用于将导通相减少到正电源电压半波的至少一个二极管(5)、用于操控的、通过其实现脉冲式地接入测试电流的有源开关元件(6)、用于测量值检测的构件(7)、用于限制过压的过压保护装置(8)以及分析处理单元(9)。

2.根据权利要求1所述的设备(17)，

其特征在于，

所述充电电路是模式2充电电缆(15)的一部分，所述充电电缆具有用于给电池电动车辆(16)充电的IC-CPD(14)。

3.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述用于电压测量的构件(3)要么通过级联运行，要么从所述电源(2)电隔离地运行，并且所述用于电压测量的构件如此设置，使得所述用于电压测量的构件在带有或不带有峰值检测的情况下工作。

4.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

在连续接地的情况下电耦合地或在独立接地的情况下电隔离地通过光电耦合器实现所述有源开关元件(6)的操控。

5.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述用于测量值检测的构件(7)在连续接地的情况下通过分流电阻或在独立接地的情况下通过光电耦合器连接。

6.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述过压保护装置(8)由至少一个齐纳二极管-二极管或至少一个变阻器构成。

7.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述分析处理单元(9)以硬件电路形式通过比较器实现或以微控制器形式实现。

8.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述设备(17)具有带有过零点识别的至少一个光电三端双向可控硅开关(10)，所述光电三端双向可控硅开关如此设置，使得能够通过给所述操控二极管通电来电隔离地操控所述光电三端双向可控硅开关。

9.根据权利要求1或2所述的设备(17)，

其特征在于，

所述设备(17)包括继电器(11)，以便保护所述电路(17)免受高电压要求影响，其中，所述继电器(11)如此设置，使得所述继电器在探测到高电压的情况下断开并且将所述电路(17)隔离。

10.一种用于确定电池的充电电路中的保护导体的接地电阻的方法，所述方法用于根据以上权利要求中任一项所述的设备(17)，

其特征在于，

在负边沿的任意时刻，对于至少一个周期持续时间，借助频率小于或等于2Hz的低频脉冲模式(19)来操控所述有源开关元件(6)，并且在达到如此产生的测试脉冲的阈值或峰值的情况下重新删除所述操控，由此实现脉冲式地接入所述测试电流(19)。

11.根据权利要求10所述的方法，

其特征在于，

为了避免在接入所述测试电流(19)之后的过冲效应，在所述测试信号(19)的过零点中执行所述有源开关元件(6)的操控。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于，

通过软件识别或通过相应的硬件结构来实现所述过零点中的操控。