CN109997048A - 检测保护导体的阻抗的监测设备、方法和充电控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监测保护导体的阻抗的监测设备和方法。第一分压器布置在第一输入端子和第二输入端子之间，其可以连接到电压源。第一分压器包括串联连接的第一电阻器和第二电阻器，第二电阻器对应于保护导体的阻抗的阈值。第二分压器包括串联连接的第三电阻器和桥式二极管，并且通过第三电阻器的第一端连接到第一电阻器，并且可通过第二端连接到保护导体。测量设备连接在布置在第一电阻器和第二电阻器之间的第一节点与布置在第三电阻器和桥式二极管之间的第二节点之间。如果保护导体的阻抗大于第二电阻器，则在第一和第二节点之间检测桥电压。

Description

检测保护导体的阻抗的监测设备、方法和充电控制单元
技术领域
本发明涉及监测保护导体的阻抗的监测设备和方法。本发明还涉及一种用于控制机动车辆中的电池的充电过程的充电控制单元，以及一种用于连接机动车辆的电池与电压源的充电电缆，特别是用于电动车辆的充电。
背景技术
电动车辆可以以各种充电模式充电。这些充电模式尤其在安全设备、与车辆的通信以及充电容量方面不同。出于安全原因，大多数车辆制造商选择模式3充电。然而，模式2充电涉及传统的家用插头和插座设备，构成了一种与车辆兼容的充电形式。这些充电模式在国际标准IEC 61851-21:2010中定义如下：模式3充电是对车辆充电的最安全的方式。该操作在具有符合IEC 61851的特殊充电设备的充电站或“电动车辆供电设备”(EVSE)，即充电基础设施中完成。充电设备安装在车辆中。在充电站中，规定了PWM通信、故障电流和过载电流保护、切断设施以及特定充电插座。
如果没有可用的充电基础设施，则模式2充电代表模式3充电的最安全的替代方案。使用传统的家用插头和插座设备(例如Schuko或EC插头和插座)完成充电，其中控制和保护功能集成在充电电缆中。充电设备安装在车辆中。
在模式3充电的情况下，明确定义了充电基础设施的需求。然而，在模式2充电中，通过家用、工业或“营地”插头和插座设备提供连接。使用标准家用安装来为电动车辆提供充电连接涉及在现有解决方案中未被全面考虑的危险。充电端子及其馈线必须具有高达16A的额定连续电流。然而，在实际中，并未全面保证该额定值。仍然存在没有故障电流保护设施的家用设备，并且由于横截面尺寸不足，插座和馈线在这种连续负载下易于发生过热危险。后果可能很严重。用户必须能够依赖充电过程安全可靠地进行的事实，因为车辆经常在夜间充电。因此，已知模式2充电电缆，其超出标准所定义的需求，监测各种参数，包括例如：基础设施侧的Schuko插头上的温度、或保护导体的存在，从而显著地使模式2充电更安全。对于模式2，IEC标准61851规定了用于增强保护级别的移动设备(SPE-PRCD)。另外，为了设定容量和满足安全需求，需要用于与车辆通信的设备(PWM模块)。这些组件组合在“电缆内控制和保护设备”(IC-CPD)中。IC-CPD永久集成在充电电缆中，监测保护导体连接，并向车辆通信传达充电电流的上限。在故障或断电的情况下，充电过程将立即中断，以保护用户和电动车辆。智能IC-CPD还检测基础设施侧插座的错误接线，并在充电开始之前另行监测进入的保护导体。
为了检查保护导体，检查公共电网系统中的保护导体PE和中性导体N之间的PME(保护性多重接地)电阻是否达到最大值。在这种情况下，必须能够在宽范围内改变电源电压(mains voltage)，而不显著影响评估。此外，出于安全原因，评估必须单独执行。目前，可将监测设备用于此目的，其生成电流脉冲，并测量流经保护导体的电流。此外，已知电路，其中使用光耦合器测量测量电流的脉冲宽度。
然而，已知的布置有缺点，其在于它们强烈地依赖于电源电压。此外，光耦合器电路易发生显著的老化和温度漂移，因此必须确保这些影响不包含在测量结果中。
因此，需要用于监测保护导体的阻抗的监测设备，其消除已知解决方案的缺点，并且可以安全可靠地生产，但仍然具有成本效益。
该目的由独立权利要求的主题(subject)实现。本发明的实施例的有利形式是从属权利要求的主题。
本发明基于使用改进的惠斯通电桥来监测保护导体的阻抗的概念。通常，惠斯通测量电桥的特征在于与平衡状态下的零电桥电压相关联的高灵敏度，以及与电路对称性相关联的杂散效应(例如温度影响)的广泛补偿。
发明内容
具体地，根据本发明，一种用于监测保护导体的阻抗的监测设备具有第一分压器，布置在第一输入端子和第二输入端子之间，其可以连接到电压源，其中第一分压器包括串联连接的第一电阻器和第二电阻器。此外提供第二分压器，其包括串联连接的第三电阻器和桥式二极管，其中第二分压器通过第三电阻器的第一端连接到第一电阻器，并且能够通过第二端连接到保护导体。根据本发明，监测设备包括测量设备，该测量设备连接在布置在第一电阻器和第二电阻器之间的第一节点和布置在第三电阻器和桥式二极管之间的第二节点之间，其中第二电阻器具有对应于保护导体的阻抗的阈值的电阻值，并且其中如果保护导体的阻抗大于第二电阻器的值，则测量设备能够用于检测第一和第二节点之间的桥电压。
换句话说，如果保护导体的阻抗不超过被认为是参考值的第二电阻器的值，则惠斯通电桥是平衡的并且桥电压为零。IEC标准61851指定阻抗不得超过1.6kΩ的值。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以根据本发明的监测设备的具体应用随意选择该值。
出于安全原因，连接到电压源的测量电桥和输出信号应电隔离。为此，测量设备可以有利地包括具有阳极端子、阴极端子、集电极端子和发射极端子的光耦合器，其阳极端子连接到第一节点，并且阴极端子连接到第二节点，其中如果保护导体的阻抗大于第二电阻器的值，则信号出现在发射极端子上。
为了准确且无噪声地读出在电阻过冲(overshoot)的情况下所生成的输出信号，可以将光耦合器的发射极端子连接到第三分压器，其包括第四电阻器和第五电阻器的串联电路，其中监测设备的输出端子连接到布置在第四电阻器和第五电阻器之间的第四节点。
根据实施例的另一有利形式，还提供整流桥电路，其由例如四个整流二极管组成，并且布置在第一和第二输入端子之间以及电压源的第一和第二外部导体之间。以这种方式，可以进行全波整流，使得惠斯通电桥在实际应用环境中的定位保持灵活，并且不需要预先确定。
此外，根据本发明的监测设备可以包括用于监测设备与待监测电压源的限时连接的开关部件。这种仅适用于有限且精确限定时间间隔的测试例程的优点在于考虑了增强的安全性。
为了确保用于这些开关部件的控制电路与电力承载组件的安全电隔离，开关部件可包括第一光电三端双向可控硅开关元件(opto-triac)，其布置在第一输入端子和第一电阻器之间，以及第二光电三端双向可控硅开关元件，其布置在桥式二极管和保护导体之间，其中第一和第二光电三端双向可控硅开关元件可通过公共控制线控制。可替换地，开关部件可包括第一和第二光电三端双向可控硅开关元件，其中第一光电三端双向可控硅开关元件布置在第一输入端子和第二光电三端双向可控硅开关元件的第一主端子之间，第二光电三端双向可控硅开关元件的第二主端子连接到第一电阻器，并且其中第一和第二光电三端双向可控硅开关元件可通过公共控制线控制。
可以以简单的方式实现两个光电三端双向可控硅开关元件的同时触发，其中第一和第二光电三端双向可控硅开关元件分别具有阳极端子和阴极端子，其中第一光电三端双向可控硅开关元件的阳极端子连接到供电电压(supply voltage)，第一光电三端双向可控硅开关元件的阴极端子连接到第二光电三端双向可控硅开关元件的阳极端子，第二光电三端双向可控硅开关元件的阴极端子经由能够控制的半导体开关连接到参考电位。
本发明还涉及用于控制机动车辆中的电池的充电过程的充电控制单元，其中该充电控制单元包括根据本发明的监测设备。
此外，本发明可以特别有利地用于用来连接机动车辆的电池和电压源的充电电缆，其中充电电缆包括具有根据本发明的监测设备的充电控制单元。
本发明还涉及用于监测保护导体阻抗的相关方法，包括以下步骤：
连接第一分压器与电压源的第一和第二外部导体，其中第一分压器包括串联连接的第一电阻器和第二电阻器，其中第二电阻器具有对应于保护导体的阻抗的阈值的电阻值；
连接第二分压器，包括串联连接的第三电阻器和桥式二极管，第三电阻器的第一端连接到第一电阻器，并且第二端连接到保护导体；
如果保护导体的阻抗大于第二电阻器的值，则检测第一节点与第二节点之间的桥电压，第一节点布置在第一电阻器和第二电阻器之间并且第二节点布置在第三电阻器和桥式二极管之间。
如前所述，借助于这种惠斯通电桥，可以以非常准确和可靠的方式确保保护导体的阻抗不超过预定阈值。因此可以确认保护导体是否完全起作用——具体地，可以排除中断的存在。以这种方式，增强了用户的(例如充电过程的)安全性。
根据本发明方法的有利发展，如果保护导体的阻抗大于作为参考值的第二电阻器的值，则可以生成警告信号和/或中断电池充电过程。可以相应地避免与未正常操作的保护导体相关联的潜在危险。自然地，可以另外实施任何其他用于增强保护的措施。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面参考附图中表示的示例性实施例更详细地描述本发明。这里，相同的参考符号和相同的组件名称应用于相同的组件。此外，来自所表示和所描述的不同形式的实施例的若干特征或特征的组合也可以构成独立的、创造性的解决方案或根据本发明的解决方案。这里：
图1示出了配置为惠斯通电桥的监测设备的基本原理的示意图；
图2示出了可在图1中使用的测量设备的示意图；
图3示出了根据本发明的第一有利形式的实施例的监测设备的电路图；
图4示出了根据本发明的第二有利形式的实施例的监测设备的电路图。
具体实施方式
在下文中参考附图、特别是首先参考图1更详细地描述具有根据本发明的监测设备100的本发明。
从基本原理出发，根据本发明，为了监测输入端子E1、E2之间的电阻和保护导体PE的阻抗RE，采用惠斯通电桥电路。电桥电路由两个并联连接的分压器组成，它们通过施加在输入端子E1和E2两端的输入电压工作。第一分压器包括电阻器R1和R2。第二分压器包括作为分立组件的电阻器R3和二极管D5。此外，保护导体PE的阻抗构成虚拟电阻元件RE。
如在惠斯通测量电桥中通常已知的，如果在节点K1和K2之间的桥接分支上不存在电压，则存在平衡状态。测量仪器M确定处于非平衡状态的电压的存在。
根据本发明，选择第一串联电路中的电阻器R2，使得它对应于第二串联电路中的电阻器RE的阈值。电阻器R1和R3具有相同的电阻值。以这种方式，节点K1和K2之间存在可测量的电压表明电桥不平衡，因此电阻RE与阈值之间存在偏差。如下文进一步描述的，借助于适当的电路布置，可以确保仅在R2的值过冲的情况下而不是在其下冲的情况下在测量设备M上生成测量信号。
如果保护导体PE的阻抗值RE超过由参考电阻器R2限定的阈值，则可以假设存在故障。在这种情况下，测量部件M可以实施适当的措施以排除任何危险。在应用监测设备100的特定情况下，借助于例如集成在车辆的充电电缆中的电缆内控制和保护设备(IC-CPD)，可以中断充电过程和/或可以生成危险信号。
如果在输入端子E1、E2上存在高电压，或者在有高电流将流经测量电桥的风险的情况下，如果测量部件M生成与测量电桥其余部分电隔离的输出信号，则这是有利的。
图2示出了适当的测量电路M的有利配置，如果在电桥不平衡的情况下，在节点K1、K2之间存在电压，则该测量电路M传递与节点K1、K2电隔离的输出信号。为此，测量电路M包括光耦合器OK1。在其输入端，光耦合器OK1在阳极端子A和阴极端子K之间具有发光二极管102。如果阳极端子A和阴极端子K之间存在沿发光二极管的正向的电压，则二极管向光电晶体管104发送辐射(radiation)。因此使得光耦合器OK1的集电极C和发射极E之间的连接导通。
借助于光耦合器OK1的这种单极连接，可以确保仅评估超过阻抗阈值的电压，而不是指示该值的下冲(在正常操作中发生)的电压。
为了读出输出端子106上的输出信号(PE阻抗)，根据测量电路M的实施例的当前形式，发射极端子E连接到第三分压器，该第三分压器包括电阻器R4和R5，并且接地。集电极端子C连接到例如+5V的DC供电电压。因此，如果光电晶体管104导通，则可以在电阻器R4和R5之间的节点K3上读取输出信号。输出端子106与节点K1和K2电隔离。
图3以详细电路图的形式表示根据本发明的第一有利形式的实施例的监测设备100。在所示实施例的形式中，相对于图2中所示的变型，测量电路M不变。在用于监测与电压源(例如电源电压)的外部导体L1、L2相关的保护导体PE的阻抗的应用的特定情况下，监测设备的输入端子E1、E2通过全波整流器D1-D4连接到外部导体L1、L2。在这种布置中，外部导体L1、L2的每一个都可以是中性导体。根据本发明的电路的输入电压是整流的电源电压，使得相导体和中性导体可以互换，而不会对监测设备100的功能产生影响。
出于示例性目的，以所示实施例的形式，已经为电阻器R1和R2选择了50kΩ的电阻值，而按照IEC标准62752(2016年版)，第120页，第9.7.7.5段的图12，作为参考值的电阻器R2的值假设为1.6kΩ。
此外，根据图3的电路布置仅允许模拟测量功能的短时间接通，使得流向保护导体的电流仅以临时方式接通。主要出于安全原因，这是有利的。为此，第一光电三端双向可控硅开关元件108布置在节点E1和电阻器R1的第一端子之间。第二光电三端双向可控硅开关元件110布置在二极管D5的阴极和保护导体PE之间。
光电三端双向可控硅开关元件108、110各自具有两个主端子，如果三端双向可控硅开关元件已经通过来自与相应的三端双向可控硅开关元件相关联的发光二极管的光信号触发，则电流可以在这两个主端子之间以本领域技术人员熟悉的方式流动。三端双向可控硅开关元件保持导通，直到发生保持电流的下冲为止。有利地，光电三端双向可控硅开关元件的控制电路与待验证的电压源电隔离。
在图3所示的实施例的形式中，光电三端双向可控硅开关元件108、110的发光控制二极管在+5V的供电电压和地电位之间串联连接。可以从控制端子PE Test切换到导通状态的开关晶体管TR1允许电流流经发光控制二极管，并因此允许光电三端双向可控硅开关元件108、110的触发。在测试例程终止之后，立即再次中断通过发光二极管的电流流动，并且三端双向可控硅开关元件108、110不再导通。因此，根据本发明的监测设备不再以激活状态连接到待测试电压源。
在测试期间，存在通过测量电桥到保护导体PE的短期电流通量，并且如果保护导体PE的阻抗值RE超过电阻器R2的阈值1.6kΩ，则光耦合器OK1的发光二极管102产生通过第三分压器的电阻器R4、R5的电流通量。
有利地，光耦合器OK1的切换值可在广泛的范围内变化，与网络电压无关，并且此外非常清楚地定义切换点。此外，在光耦合器OK1的输出端生成的电压特性也基本上与光耦合器的老化和任何漂移效应无关。
如所指示的，根据本发明的布置可以用于电动车辆的充电电缆。然而，原则上，监测设备通常可用于对即使在连接到电源时也需要这种阻抗监测的其他设备或传感器进行阻抗监测。
图4示出了根据本发明的第二有利形式的实施例的监测设备200。与图3中所示的布置的区别在于，两个光电三端双向可控硅开关元件108、110直接一个接一个地布置为电阻器R1和R3的上行电路。此外，由两个齐纳二极管Z1、Z2和Z3、Z4组成的串联电路与三端双向可控硅开关元件108、110的主端子并联连接。这些齐纳二极管的功能是防止静电放电(ESD)。
除了该修改之外，根据第二形式的实施例的监测设备200以与根据第一形式的实施例的监测设备100相同的方式运作，如图3所示。
参考符号列表
参考符号 说明
100 监测设备，第一形式的实施例
102 发光二极管
104 光电晶体管
106 输出端子
108 第一光电三端双向可控硅开关元件
110 第二光电三端双向可控硅开关元件
200 监测设备，第二形式的实施例
M 测量设备
OK1 光耦合器
E1，E2 输入端子
D1-D4 整流二极管
D5 测量桥式二极管
D6 与光耦合器并联连接的二极管
R1，R3-R8 电阻器
R2 参考电阻器
L1，L2 外部导体
PE 保护导体
RE 保护导体的阻抗
Z1-Z4 齐纳二极管
TR1 开关晶体管

Claims (15)

1.一种监测设备，用于监测保护导体(PE)的阻抗(RE)，其中所述监测设备包括：
第一分压器，布置在第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)之间，其可以连接到电压源，其中所述第一分压器包括串联连接的第一电阻器(R1)和第二电阻器(R2)，
第二分压器，包括串联连接的第三电阻器(R3)和桥式二极管(D5)，其中所述第二分压器通过所述第三电阻器(R3)的第一端连接到所述第一电阻器(R1)，并且能够通过第二端连接到所述保护导体(PE)，
测量设备(M)，其连接在第一节点(K1)和第二节点(K2)之间，所述第一节点(K1)布置在所述第一电阻器(R1)和所述第二电阻器(R2)之间，所述第二节点(K2)布置在所述第三电阻器(R3)和所述桥式二极管(D5)之间，
其中所述第二电阻器(R2)具有对应于所述保护导体(PE)的阻抗(RE)的阈值的电阻值，并且其中如果所述保护导体(PE)的阻抗(RE)大于所述第二电阻器(R2)的值，则所述测量设备能够用于检测所述第一节点(K1)和所述第二节点(K2)之间的桥电压。
2.根据权利要求1所述的监测设备，其中所述测量设备(M)包括具有阳极端子、阴极端子、集电极端子和发射极端子的光耦合器(OK1)，其所述阳极端子连接到所述第一节点(K1)，并且其所述阴极端子连接到所述第二节点(K2)，其中如果所述保护导体的阻抗大于所述第二电阻器(R2)的值，则信号出现在所述发射极端子上。
3.根据权利要求2所述的监测设备，其中所述发射极端子连接到包括第四电阻器(R4)和第五电阻器(R5)的串联电路的第三分压器，并且所述监测设备的输出端子连接到布置在所述第四电阻器(R4)和第五电阻器(R5)之间的第四节点。
4.根据前述权利要求之一所述的监测设备，还包括整流桥电路(D1、D2、D3、D4)，其布置在电压源的第一外部导体(L1)和第二外部导体(L2)之间以及所述第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)之间。
5.根据前述权利要求之一所述的监测设备，还包括用于监测设备与待监测电压源的限时连接的开关部件。
6.根据权利要求5所述的监测设备，其中所述开关部件包括第一光电三端双向可控硅开关元件以及第二光电三端双向可控硅开关元件，所述第一光电三端双向可控硅开关元件布置在所述第一输入端子(E1)和所述第一电阻器之间，所述第二光电三端双向可控硅开关元件布置在所述桥式二极管(D5)和所述保护导体之间，其中所述第一光电三端双向可控硅开关元件和第二光电三端双向可控硅开关元件能够通过公共控制线控制。
7.根据权利要求5所述的监测设备，其中所述开关部件包括第一光电三端双向可控硅开关元件和第二光电三端双向可控硅开关元件，其中所述第一光电三端双向可控硅开关元件布置在所述第一输入端子(E1)和第二光电三端双向可控硅开关元件的第一主端子之间，所述第二光电三端双向可控硅开关元件的第二主端子连接到所述第一电阻器(R1)，并且其中所述第一光电三端双向可控硅开关元件和第二光电三端双向可控硅开关元件能够通过公共控制线控制。
8.根据权利要求6或7所述的监测设备，其中所述第一光电三端双向可控硅开关元件和第二光电三端双向可控硅开关元件分别具有阳极端子和阴极端子，并且其中所述第一光电三端双向可控硅开关元件的阳极端子连接到供电电压，所述第一光电三端双向可控硅开关元件的阴极端子连接到所述第二光电三端双向可控硅开关元件的阳极端子，并且所述第二光电三端双向可控硅开关元件的阴极端子经由能够控制的半导体开关连接到参考电位。
9.一种用于控制机动车辆中的电池的充电过程的充电控制单元，其中所述充电控制单元包括根据前述权利要求之一所述的监测设备。
10.一种用于连接机动车辆的电池和电压源的充电电缆，其中所述充电电缆包括根据权利要求9所述的充电控制单元。
11.一种用于监测保护导体(PE)的阻抗(RE)的方法，包括以下步骤：
将第一分压器连接到电压源的第一外部导体(L1)和第二外部导体(L2)，其中所述第一分压器包括串联连接的第一电阻器(R1)和第二电阻器(R2)，其中所述第二电阻器(R2)具有对应于所述保护导体(PE)的阻抗(RE)的阈值的电阻值；
连接包括串联连接的第三电阻器(R3)和桥式二极管(D5)的第二分压器，通过所述第三电阻器(R3)的第一端连接到所述第一电阻器(R1)，并且通过第二端连接到所述保护导体(PE)；
如果所述保护导体(PE)的阻抗(RE)大于所述第二电阻器(R2)的值，则检测第一节点(K1)与第二节点(K2)之间的桥电压，所述第一节点(K1)布置在所述第一电阻器(R1)和第二电阻器(R2)之间，所述第二节点(K2)布置在所述第三电阻器(R3)和桥式二极管(D5)之间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中借助于整流桥电路(D1，D2，D3，D4)对所述第一外部导体(L1)和第二外部导体(L2)的电压进行整流。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，仅在短的测试间隔期间进行对所述保护导体(PE)的阻抗(RE)进行监测。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中如果所述保护导体(PE)的阻抗(RE)大于所述第二电阻器(R2)的值，则生成警告信号和/或中断电池充电过程。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，桥电压构成光耦合器(OK1)的输入信号，使得如果所述保护导体(PE)的阻抗(RE)大于所述第二电阻器(R2)的值，则在所述光耦合器的发射极端子上传递输出信号。
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