DE102017110955A1

DE102017110955A1 - Detektion eines Schutzleiterausfalls mittels aktiver Schirmung

Info

Publication number: DE102017110955A1
Application number: DE102017110955.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Steve Zander
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108957166B; US20180335463A1; CN108957166A; US11404860B2

Abstract

Verfahren zur Detektion eines Schutzleiterausfalls innerhalb eines mehrere Leiter (108, 110, 112, 118) umfassenden Kabels, bei dem mindestens ein Leiter (112) eine Schirmung (114) besitzt und diese Schirmung (114) an einem ersten Ende und an einem zweiten Ende des Kabels jeweils an ein Potential angeschlossen ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Schirmung (114), um deren Potential auf einen vorgegebenen Potentialwert zu treiben, an mindestens einem Ende des Kabels aktiv elektrisch gespeist wird. Das Kabel kann dabei ein Ladekabel sein, das mit dem ersten Ende an einer Ladesäule (102) und mit dem zweiten Ende an einer Batterie, welche in einem Elektrofahrzeug (104) verbaut sein kann, angeschlossen ist, und die aktive Speisung (402, 404, 406, 408) der Schirmung (114) an dem an der an der Ladesäule (102) angeschlossenen ersten Ende des Kabels erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Detektion eines Schutzleiterausfalls mittels aktiver elektrischer Speisung einer Schirmung.
Batterien heutiger Elektrofahrzeuge erlauben in der Regel zwei Lademodi. Bei einem ersten Lademodus für ein Laden an einer gewöhnlichen Wechselspannungs- oder Drehstromsteckdose - ein sogenannter AC-Lademodus - verfügt das Elektrofahrzeug über ein On-bord-Ladegerät, das sowohl eine nötige Wandlung in Gleichstrom vornimmt als auch einen Ladebetrieb steuert. Dieser AC-Lademodus ist jedoch aufgrund einer geringen verfügbaren Anschlussleistung von in der Regel nicht mehr als 16 A oder 32 A und aufgrund von beschränkten Installationsmöglichkeiten des On-bord-Ladegerätes mit ausreichend Leistung in einer Ladegeschwindigkeit enorm eingeschränkt. Hieraus ergeben sich Ladezeiten von mehreren Stunden je 100 km zu erwartender Fahrleistung.
Aufgrund der hohen Ladezeiten wurde ein zweiter Lademodus mit Gleichspannung - ein sogenannter DC-Lademodus - entwickelt. Im Gegensatz zum AC-Laden verfügt das Elektrofahrzeug hierbei nicht über ein eigenes Ladegerät. Stattdessen führt eine fahrzeugexterne Ladesäule einen Ladevorgang durch und formt Spannung und Strom so, wie es für das Laden der Batterie notwendig ist. Eine DC-Ladestromleitung wird dabei während des Ladevorganges direkt mit einem Pol einer Hochvoltbatterie des Elektrofahrzeuges verbunden. Eine galvanische Trennung findet zwischen den DC-Ladestromleitungen und der Batterie nicht statt. Die Leistung von DC-Ladestationen liegt bei derzeit bis zu 50 kW. Um die Ladezeit in Größenordnungen zu bringen, die dem Tanken von Verbrennungsfahrzeugen entsprechen, sind allerdings Leistungen von mehr als 300 kW bei Ladespannungen von bis zu 1000 V notwendig. Details zum DC-Laden und den entsprechenden Vorgängen in einem Ladesystem und Elektrofahrzeug sind beispielsweise in DIN EN 61851 beschrieben.
Der Ladevorgang wird in großen Teilen vom Fahrzeug gesteuert. Eine Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug findet dabei auf digitalem Wege, zumeist über separate Signalleiter in einem Ladekabel statt. Die Signalleiter verlaufen in unmittelbarer Umgebung zu den DC-Ladestromleitungen, die sehr hohe Ströme und Spannungen sowie Transienten beider aufweisen können, wodurch insbesondere aufgrund der hohen Spannungen die Gefahr kapazitiver Einkopplungen besteht.
Um Störungen auf den Signalleitern zu minimieren werden diese zumeist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit mindestens einer Schirmung versehen. Für eine optimale Unterdrückung von Einstreuungen werden die Schirmungen ferner zumeist beidseitig angeschlossen, das heißt auf dem einen Ende mit einem metallischen Gehäuse der Ladesäule, einer Komponente der Ladesäule oder einem Schutzleiter (im Fachjargon als PE - protective earth - bezeichnet), auf der anderen Seite mit einer Karosserie oder einem PE-Anschluss einer Ladedose des Elektrofahrzeuges verbunden. Diese Verbindung kann auch mittelbar, beispielsweise über einen Steckerpin oder ein Steckergehäuse erfolgen, wenn diese eine Verbindung mit einem PE-Leiter oder einem zugehörigen Gehäuse aufweisen.
Während Elektrofahrzeuge im gewöhnlichen Betrieb (Ausnahmen bilden Rettungsfahrzeuge, die für die mitgeführten Medizingeräte eine Erdung mit der Straße vornehmen) in der Regel keine Erdung oder einen PE-Leiter aufweisen, sondern galvanisch isoliert sind, müssen sie gemäß derzeitigen Regularien (beispielsweise EN 61851) während des Ladevorganges geerdet werden. Zu diesem Zweck wird die Karosserie des Elektrofahrzeuges, die auch als Bezugspotential für das 12-V-Bordnetz dient, mit dem PE-Leiter des Ladesystems verbunden. Bei einem Ausfall muss der Ladevorgang abgebrochen werden, um eine Gefährdung von Personen auszuschließen. Entsprechend muss eine Erkennung des Ausfalls einer PE-Verbindung vorliegen.
Zu diesem Zweck umfasst das Ladekabel in der Regel neben den bereits beschriebenen Ladestromleitungen, Signalleitungen und Schirmungen auch einen PE-Leiter.
Derartige PE-Leiter und die beidseitig angeschlossenen Schirmungen verlaufen nun allerdings näherungsweise elektrisch parallel. Widerstandsunterschiede zwischen elektrischen Pfaden über PE-Leiter und Schirmungen sind dabei entweder sehr klein oder undefiniert. Im Gegensatz zum PE-Leiter, der mit sehr hohem Querschnitt und guten Kontaktierungen auf beiden Seiten ausgeführt sein muss, um hohe Potentialausgleichsströme und im Fehlerfall hohe Fehlerströme zu ermöglichen, handelt es sich bei den Schirmungen in der Regel lediglich um dünne Metallfolien oder Schirmungsgeflechte. Kommt es in ihnen zu einem hohen Stromfluss, können sie einerseits thermisch überlastet werden, andererseits droht eine Aufprägung induktiver Störungen in die Signalleiter.
Während der Stromfluss im Regelbetrieb auf Schirmungen unterbunden oder vermindert werden kann, übernimmt im Fehlerfall bei Unterbrechung des PE-Leiters im Ladekabel oder dessen Anbindung an einer Seite die Schirmung automatisch, aber ungewollt dessen Funktion. Aufgrund der Verpflichtung der Fahrzeugerdung über den PE-Leiter gemäß EN 61851 muss eine Unterbrechung dieser Verbindung im Ladesystem fehlerlos erfolgen. Bisherige Verfahren können jedoch die Funktion der Unterbrechung der Verbindung im Ladesystem nicht mehr erfüllen, wenn gleichzeitig eine beidseitig angeschlossene Schirmung existiert, die faktisch innerhalb ihrer Belastungsgrenzen die Funktion des PE-Leiters aufrecht erhalten kann, aber in keiner Weise eine notwendige Stromtragfähigkeit aufweist.
Konventionell wird ein Verlust der PE-Verbindung über eine Potentialverschiebung des Elektrofahrzeuges oder einer Isolationsüberwachung detektiert. In letzterem Fall liegt beispielsweise eine weitere Verbindung mit der Karosserie vor. Bei Ausfall der PE-Verbindung lässt sich entweder die Karosserie messbar kapazitiv aufladen, wodurch eine elektrische Spannung zwischen dem Fahrzeug und dem Erdpotential der Ladestation entsteht, die über einen zusätzlichen Überwachungsleiter detektierbar wird, oder ein in den zusätzlichen Überwachungsleiter eingeprägter Strom fließt nicht mehr über die PE-Verbindung zurück in die Ladesäule.
Als Beispiel für eine Schutzschaltvorrichtung zum Detektieren eines Fehlerstroms in einem dreiadrigen Stromversorgungssystem wird Druckschrift DE 102012219457 angeführt, wobei zwei Stromversorgungsleiter und ein Schutzleiter jeweils einen Schalter aufweisen. Die Schutzschaltvorrichtung stellt zusätzlich eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Fehlerstroms in dem System der drei Leiter und zum Erzeugen eines entsprechenden Erfassungssignals bereit. Außerdem besitzt sie eine Steuereinrichtung zum Steuern des jeweiligen Schalters in Abhängigkeit von dem Erfassungssignal, wobei nur dann der Schalter des Schutzleiters geöffnet wird, wenn bei jeweils geöffnetem Schalter der Stromleitungen ein Fehlerstrom erfasst wird.
Die Druckschrift EP 3034350 offenbart ein Sicherheitsverfahren für ein Ladesystem von Elektrofahrzeugen, bei dem die Unterbrechung des Schutzleiters während eines Ladevorgangs dadurch erkannt wird, dass bestimmte Ströme innerhalb des Ladesystems einen Schwellwert überschreiten.
Die Druckschrift US 2013258531 offenbart ein ähnliches System, bei dem ein Schutzleiterfehler durch Erfassen der Spannung am Schutzleiter selber erkannt wird.
Bei gleichzeitigem Vorliegen einer beidseitig mit dem PE-Leiter verbundenen Schirmung können jedoch Verfahren aus dem Stand der Technik einen Ausfall des PE-Leiters nicht mehr detektieren. Ebenso fehlen jegliche weiteren detektierbaren Symptome eines ausfallenden PE-Leiters, da weiterhin ein - wenn auch unzureichender - Potentialausgleich über die Schirmung vorliegt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Detektion eines Ausfalls eines Schutzleiters bereitzustellen, wenn an dessen beiden Enden eine Schirmung eines weiteren Leiters angeschlossen ist.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Detektion eines Schutzleiterausfalls innerhalb eines mehrere Leiter umfassenden Kabels vorgestellt. Das Kabel umfasst ein erstes Ende und ein zweites Ende. Mindestens ein Leiter des Kabels besitzt eine Schirmung, die an mindestens einem Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen ist. Um das Potential der Schirmung auf einen vorgegebenen Potentialwert zu treiben, wird sie an mindestens einem Potentialanschluss aktiv elektrisch gespeist. Der Schutzleiterausfall wird dadurch detektiert, dass eine bei der aktiven Speisung auftretende elektrische Größe mindestens einen Grenzwert überschreitet.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Schirmung mindestens an dem ersten Ende des Kabels aktiv gespeist wird, wird sie am zweiten Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen, wobei der Potentialanschluss mittelbar durch elektrische Bauteile oder unmittelbar erfolgen kann.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schirmung an dem ersten Ende des Kabels aktiv gespeist und bleibt an dem zweiten Ende des Kabels frei hängend, also ohne Anschluss.
Das Kabel kann ein Ladekabel sein, das mit dem ersten Ende an einer Ladesäule und mit dem zweiten Ende an einer Batterie, welche in einem Elektrofahrzeug verbaut sein kann, angeschlossen ist. Bei einem Elektrofahrzeug wird das zweite Ende des Ladekabels durch einen Stecker gebildet, der in eine Ladedose des Elektrofahrzeugs gesteckt wird. Die aktive Speisung der Schirmung erfolgt vorteilhaft an dem an der an der Ladesäule angeschlossenen ersten Ende des Kabels. Das Ladekabel kann mehrere Leiter umfassen, darunter mindestens zwei stromführende Leiter, mindestens einen Schutzleiter, und mindestens einen weiteren Leiter, der zu einer Signalübermittlung benutzt wird. Vorteilhaft wird ein Signalleiter mit einer Schirmung versehen.
Ein mittelbarer elektrischer Anschluss der Schirmung bzw. des Schirmes kann über elektrische Bauelemente mit frequenzselektiver Filterwirkung erfolgen. Vorzugsweise ist die Filterwirkung so ausgelegt, dass im Frequenzbereich mindestens eines Signals, das über den mindestens einen geschirmten Signalleiter übertragen wird, eine niedrige Impedanz vorliegt. Ferner kann mindestens an einer Stelle außerhalb des Frequenzbereiches des mindestens einen über den mindestens einen geschirmten Signalleiter übertragenen Signals eine hohe Impedanz vorliegen. In besonders bevorzugter Weise ist die Gesamtbandbreite des Frequenzbereiches mit hoher Impedanz größer als die Bandbreite des Frequenzbereiches mit niedriger Impedanz. Der Frequenzbereich mit hoher Impedanz der elektrischen Bauelemente kann insbesondere den Gleichanteil mit etwa 0 Hz einschließen. Ebenso kann der Frequenzbereich mit hoher Impedanz näherungsweise den überwiegenden Teil des Frequenzbereiches oberhalb des Frequenzbereiches des mindestens einen über den mindestens einen geschirmten Signalleiter übertragenen Signals umfassen und somit in diesem Bereich eine Tiefpassfilterwirkung aufweisen.
Eine niedrige Impedanz liegt vorzugsweise im Bereich der Leitungsabschlussimpedanz des mindestens einen Signalleiters, beispielsweise liegt eine niedrige Impedanz vorzugsweise unterhalb von 1000 Ohm, besonders bevorzugt ist eine niedrige Impedanz unter 120 Ohm oder gar unterhalb von 50 Ohm. Eine hohe Impedanz im Sinne der Erfindung beträgt mindestens ein Zehnfaches der niedrigen Impedanz, besonders bevorzugt mindestens das Hundertfache. Der Frequenzbereich des mindestens einen Signals kann beispielsweise gemäß derzeitigen Regularien in den USA und Europa (IEC 61851, IEC 62196, SAE J1772) bei 1 kHz für den sogenannten Control-Pilot (CP) und bei 1-30 MHz für die sogenannte Power-Line-Communication liegen.
Erfindungsgemäß wird das Potential des Schutzleiters durch aktive Speisung auf einen vorgegebenen Potentialwert getrieben, wobei das Potential auf ein Erdpotential als Referenz bezogen wird. Vorteilhaft kann es diesem auch entsprechen. Als Referenzen für ein weiteres Bezugspotential können Potentiale aus der Ladestation oder dem Elektrofahrzeug herangezogen werden
Die aktive Speisung der Schirmung erfolgt über eine elektrische Schaltung, welche im einfachsten Fall eine Spannung regelt. Vorteilhaft handelt es sich dabei um eine Verstärkerschaltung, bei der ein Verstärker, insbesondere ein Operationsverstärker, das Potential mit dem vorgegebenen Potentialwert in die Schirmung einprägt. Um auf Einstreuungen aus Störfeldern nicht mit voller Amplitude zu reagieren und nicht schwingungsfähig zu sein, kann eine Verstärkung relativ zu einem Bezugspotential kleiner als 1 gewählt werden.
Ferner kann die zur aktiven Speisung verwendete elektrische Schaltung einen zur Erreichung des vorgegebenen Potentialwertes notwendigen Strom regeln. Dadurch wird bei starken Potentialschwankungen und Einstreuungen aus Störfeldern für die aktive Speisung eine erhöhte Stabilität erreicht.
Erfindungsgemäß erlaubt die elektrische Schaltung eine spektrale Filterung des über eine Spannungsregelung zu stellenden Potentials oder des zu treibenden Stromes. Die elektrische Schaltung kann so geregelt werden, dass die Schirmung auf eine gefilterte Form des Potentials getrieben wird.
Des Weiteren kann die spektrale Filterung verwendet werden, um vor allem jenen Spektralbereich abzudecken, der auch in der Signalübermittlung verwendet wird. Tiefere und höhere Frequenzbereiche können entsprechend gedämpft werden. Damit können gegenüber induktiven Einstreuungen anfällige Erdschleifen (dem Fachmann auch als Brummschleifen bekannt) mit möglicherweise vorhandenen weiteren Schirmungen oder dem PE-Leiter gedämpft werden. Derartige Erdschleifen werden insbesondere auf jenen Frequenzen angeregt, die mit ausreichender elektromagnetischer Leistung in der Umgebung vorhanden sind. Dies betrifft insbesondere die Netzfrequenz von 50 Hz in Europa und 60 Hz in den USA, was beispielsweise als 50-Hz- bzw. 60-Hz-Brummen bei Audiosystemen oder sensitiven Messverstärkern bekannt ist. Ferner tragen einige wenige Hochfrequenzbänder aus der Kommunikationstechnik ausreichend Leistung für eine solche Anregung, beispielsweise Langwellen- und Mittelwellenfunk in der Nähe von Sendeeinrichtungen. Ferner erzeugt insbesondere eine Ladeelektronik des Ladesystems Schaltstörungen, die ausreichend Leistung für eine Anregung von Erdschleifen erzeugen können. Werden entsprechende Frequenzanteile bei der aktiven Speisung des Schirmes durch den Verstärker gedämpft oder unterdrückt, kann eine Resonanzfähigkeit der Einstreuung unterbunden werden oder die Einstreuung sogar vollständig unterdrückt werden.
Allgemein muss eine Schirmung hauptsächlich Störungen in dem Spektralbereich der Signalübermittlung abschirmen. Weisen Einstreuungen nur eine geringe Bandbreite auf, so lassen sie sich mit einfachen bekannten Techniken in den Eingangsstufen einer Signalempfangselektronik der elektrischen Schaltung zur aktiven Speisung der Schirmung effektiv unterdrücken oder separieren. Die spektrale Filterung kann dabei passiv erster Ordnung, höherer Ordnung oder aktiv ausgestaltet sein (beispielsweise durch die Schaltbilder in den 4, 5 und 6 gezeigt).
Die zur aktiven Speisung der Schirmung benutzte elektrische Schaltung ermöglicht vorteilhaft sowohl eine genaue Überwachung des zum Erreichen des vorgegebenen Potentialwertes zu treibenden Stromes, als auch mittels einer aktiven Regelung dessen Kontrolle. Eine in der elektrischen Schaltung aufgebrachte Leistung sowie eine Verlustleistung und Erwärmung der Schirmung können auf diese Weise begrenzt und abgeregelt werden. Dadurch kann ein Treiben des Stromes in einen Kurzschluss oder in die bei Schutzleiterausfall unbeabsichtigt als Ersatz dienende Schirmung vermieden werden. Außerdem sind so weitere Fehlermöglichkeiten wie ein Kurzschluss zwischen Schirmung oder Schutzleiter und einer anderen Leitung oder der Verlust einer Schutzleiterverbindung zum Elektrofahrzeug detektierbar.
Des Weiteren kann die Verstärkerschaltung eine Amplitude des zur aktiven Speisung verwendeten Stroms durch eine Skalierung und/oder eine Transformierung, die insbesondere nichtlinear erfolgt, beeinflussen. Beispielsweise kann eine klassische Kompression vorgenommen werden, die die Verstärkung für hohe Amplituden verringert oder im Grenzfall sogar bei einem gewünschten Maximum sättigt. Diese Sättigung oder Kompression kann bei einer Unterbrechung des Schutzleiters verhindern, dass sich ein großer Strom an der Schirmung ausbildet. Eine solche nichtlineare Amplitudentransformation wird auch als Dynamic-Range-Transformation bezeichnet.
Hohe Amplituden im zu stellenden Strom der aktiven Speisung deuten entweder auf leistungsstarke Einstreuungen in die Schirmung, auf eine Masseschleife oder auf einen Schutzleiterausfall hin. Dies gilt insbesondere, wenn es sich dabei um Ströme mit hoher Amplitude aber kleinen Frequenzen handelt. Durch eine beidseitig direkt angeschlossene Schirmung könnte ein Strom fließen, der lediglich in der Impedanz der Verbindung seine Grenzen finden würde und damit eine Anbindung der Schirmung überlasten könnte. Dagegen erlaubt die erfindungsgemäße aktive Speisung des Stroms eine Begrenzung auf Amplituden, für welche die Schirmung ausgelegt ist und/oder eine Verringerung des zu stellenden Stroms je mehr er für den fehlerfreien Fall ungewöhnliche Amplituden erreicht (beispielsweise durch die Übertragungsfunktion in 3 realisiert).
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Überwachung und/oder Kontrolle des zu treibenden Stromes direkt über ein Stellsignal erfolgen, das als Ergebnis einer Rückkopplungsschleife direkt die durch den Verstärker zu treibende Stromstärke widerspiegelt. Alternativ kann der getriebene Strom über einen Shunt-Widerstand gemessen werden, der sehr groß sein darf und somit hohe Genauigkeit bietet. Ein großer Shunt-Widerstand ist deshalb möglich, da der Verstärker diesen Widerstand bei geeigneter Rückkopplung nahezu vollständig kompensieren kann, so dass sich eine virtuelle Impedanz zwischen Schutzleiter und Schirmung, beispielsweise in 2 gezeigt, nicht verschlechtert.
Erfindungsgemäß kann ein Schutzleiterausfall durch ein Überschreiten von Grenzwerten im zu treibenden Strom festgestellt werden. Der zu speisende Strom der Schirmung spiegelt dabei direkt eine Güte der PE-Verbindung wider. Reißt die PE-Verbindung zum Fahrzeug ab, muss der Ausgleichsstrom zwangsweise über die Schirmung fließen. Ein von der elektrischen Schaltung angeforderter oder gemessener Strom kann somit bei Überschreiten gewisser Grenzen als verlässlicher Indikator einer verlorenen PE-Verbindung dienen. Derartige Grenzen können einzeln oder in Kombination beispielsweise wie folgt gebildet werden:
Absolute Abschaltschwelle: Wenn momentaner Strom vorgegebenen Absolutwert überschreitet, wird ein Fehler in der PE-Verbindung angenommen. Es folgt ein Abschalten des Ladevorgangs und ein Entladen der Spannung am Stecker.
Maximal zulässige Ladung (Ladungsschwelle): Wenn Integral über den momentanen Strom einen vorgegebenen Absolutwert überschreitet, wird ein Fehler in der PE-Verbindung angenommen. Es folgt das Abschalten des Ladevorganges und das Entladen der Spannung am Stecker.
Maximal zulässiger Stromanstieg bei gleichzeitigem Vorliegen einer hohen Stromamplitude (Stromanstiegsschwelle): Wenn Strom von einem bereits erhöhten Wert (der i. A. niedriger ist als der vorgegebene Absolutwert bei absoluter Abschaltschwelle) mit hoher Steilheit ansteigt, wird ein Fehler in der PE-Verbindung angenommen. Es folgt das Abschalten des Ladevorganges und das Entladen der Spannung am Stecker.
Vorteilhaft wird neben der Spannungsregelung eine zusätzliche Stromregelung derart gestaltet, dass die jeweilige Regelung mit einer jeweiligen Grenze für Spannung und für Strom arbeitet, und jeweils diejenige Grenze den zu treibenden Strom determiniert, die im Absolutbetrag (also unabhängig von einem möglichen Vorzeichen bei Spannung oder Strom) zu einem kleineren Ausgangsstrom führt.
Weitere mögliche Grenzen bei der aktiven Regelung des zu treibenden Stroms werden durch eine weitgehend stabile, auf eine Belastbarkeit der Schirmung ausgelegte Stromgrenze, eine von der maximalen Verlustleistung der elektrischen Schaltung abgeleitete maximale Stromgrenze, eine von einer Temperatur eines elektrischen Bauteils der elektrischen Schaltung abgeleitete maximale Stromgrenze, oder eine Stromgrenze, die wenig über der Grenze, die zum eindeutigen Detektieren eines PE-Verlustes nötig ist, gebildet. Die Werte der Stromgrenzen können an die Grenzen der Belastbarkeit aller beteiligten Komponenten angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vor Beginn des Ladevorganges eine testweise Bestromung der Schirmung durch die aktive Speisung, wobei eine dadurch sich einstellende Änderung des Potentials der Schirmung auf einen Schutzleiterausfall hinweist. Die testweise Bestromung wird unabhängig vom Referenzpotential, auf das die elektrische Schaltung gewöhnlich treibt, durchgeführt. Wenn keine Ableitung dieses Stromes beispielsweise durch einen intakten PE-Leiter stattfindet, lädt sich die Karosserie des Elektrofahrzeugs gegenüber dem Erdpotential bzw. einem weiteren Potential der Ladestation auf. Ein erfolgreiches Aufladen der Karosserie des Elektrofahrzeuges deutet damit auf einen Schutzleiterausfall hin. Die damit einhergehende Potentialänderung der Schirmung kann durch Überschreiten eines Grenzwertes in einem Differenzierglied innerhalb der elektrischen Schaltung festgestellt werden.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin auf einen Schutzleiterausfall getestet werden, indem die Schirmung durch die aktive Speisung testweise bestromt wird und in der Ladesäule eine Verbindung des Schutzleiters zum Erdpotential aktiv unterbrochen wird. Im Falle eines intakten PE-Leiters wird daraufhin ein ansteigendes Potential der Karosserie des Elektrofahrzeugs und ferner im PE-Leiter detektierbar, bzw. auch hier durch Überschreiten eines Grenzwertes an einem Differenzierglied feststellbar.
Ferner wird ein System beansprucht, dass dergestalt ausgebildet ist, das beschriebene Verfahren in geeigneter Weise auszuführen.
Es wird ein System zur Detektion eines Schutzleiterausfalls innerhalb eines mehrere Leiter umfassenden Kabels, bei dem das Kabel ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst und bei dem mindestens ein Leiter eine Schirmung besitzt und diese Schirmung an mindestens einem Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen ist, bereitgestellt. Das System umfasst mindestens ein elektrisches Modul, das dazu ausgelegt ist, die Schirmung an mindestens einem Potentialanschluss aktiv zu speisen, und eine Detektionseinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Schutzleiterausfall zu detektieren, wenn eine bei der aktiven Speisung auftretende elektrische Größe mindestens einen Grenzwert überschreitet.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist das elektrische Modul als ein IC (integrierter Schaltkreis) oder durch eine Mehrzahl von gekoppelten ICs realisiert.
In weiterer Ausgestaltung umfasst das elektrische Modul mindestens ein elektrisches Bauelement aus der Gruppe bestehend aus: Integrierglied, Differenzierglied, Verstärkerglied, Schwellwertüberschreitungsglied.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Komponenten sind gleichen Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik einen Leitungsverlauf zwischen Ladesäule und Elektrofahrzeug, bei dem der Schutzleiter unterbrochen ist.
2 zeigt in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik einen Leitungsverlauf zwischen Ladesäule und Elektrofahrzeug, bei dem sich durch Leitungsschluss von Schirmung und Schutzleiter eine Impedanz ausbildet.
3 zeigt eine Übertragungsfunktion für den zu treibenden Strom, die ein diesbezüglich gestaltetes elektrisches Bauteil ausführt.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine Einbringung einer elektrischen Schaltung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, im Leitungsverlauf auf Seiten der Ladesäule.
5 zeigt ein erstes elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer ersten Spannungsregelung mit Stromlimitierung.
6 zeigt ein zweites elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer zweiten Spannungsregelung mit Stromlimitierung.
7 zeigt ein drittes elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine noch weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer dritten Spannungsregelung mit Stromlimitierung.

In 1 wird ein aus dem Stand der Technik bekannter möglicher Leitungsverlauf zwischen Ladesäule 102 und Elektrofahrzeug 104 schematisch dargestellt. Das von Ladesäule 102 zu einer Ladedose 106 verlaufende Kabel umfasst dabei zwei Ladestrom führende Leitungen 108 und 110, einen mit einer Schirmung 114 umgebenen Leiter 112, sowie einen Schutzleiter 118. Ein elektrischer Schluss zwischen der Schirmung 114 und dem Schutzleiter 118 kann auf der Seite des Elektrofahrzeuges 104 unmittelbar oder mittelbar auch außerhalb der Ladedose 106 über eine Karosseriestelle 122 erfolgen. Ist der Schutzleiter im Kabel an der Stelle 120 unterbrochen, fließt ein möglicher Fehlerstrom ersatzweise über die Schirmung zurück zur Ladesäule 102, schematisch dargestellt durch eine virtuelle Leitung 116, da das Elektrofahrzeug 104 gegenüber dem Erdpotential 124 elektrisch isoliert ist (insulé terre). Mit den bisherigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist ein solcher Schutzleiterausfall daher nicht detektierbar.
2 zeigt in schematischer Darstellung einen gleichen Leitungsverlauf wie in 1, jedoch ohne eine Unterbrechung des Schutzleiters 118 im Kabel. Durch einen Leitungsschluss an der Karosseriestelle 122 und einer an der Ladesäule 102 stattfindenden Erdung der Schirmung 114 und des Schutzleiters 118 besteht eine sogenannte Masseschleife, die eine Induktivität 220 aufweist.
3 zeigt in Schaubild 300 eine nichtlineare Übertragungsfunktion 306, auch als Dynamic-Range-Transformation bezeichnet, mit Input 302 und Output 304, welche im elektrischen Ersatzschaltbild 310 vom elektrischen Bauteil 316 mit Inputstrom 312 und Outputstrom 314 ausgeführt wird. Um das Potential des Schutzleiters auf einen vorgegebenen Potentialwert zu treiben, wird ein Strom 302 bzw. 312 benötigt. Die erfindungsgemäße aktive Speisung des Stroms realisiert durch das elektrische Bauteil 316 eine Begrenzung auf Amplituden, für welche die Schirmung ausgelegt ist und/oder eine Verringerung des zu stellenden Stroms je mehr er für den fehlerfreien Fall ungewöhnliche Amplituden erreicht.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine prinzipielle Einbringung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung im Leitungsverlauf auf Seiten der Ladesäule. Ein Signal eines Referenzpotentials des Schutzleiters 118 wird durch die Dynamic-Range-Transformation 402, die beispielsweise eine Signalkompression umsetzt, nichtlinear in einem Frequenzfilter 404 übertragen, wird dort einer spektralen Filterung unterzogen und zum Verstärker (oder Treiber) 406 geführt. Der im Ausgang an die Schirmung 114 angeschlossener Verstärker 406 erzeugt einen Speisestrom 410, der in einem Abschaltungsbauteil 408 hinsichtlich gewählter Abschaltregeln überprüft wird, was im Verletzungsfall im Sicherheitsabschaltsystem 412 zu einem Abbruch des Ladevorgangs führt.
5 zeigt ein erstes elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer ersten Spannungsregelung mit Stromlimitierung. Die in 4 beschriebenen elektronischen Bauteile 402, 404, 406 und 408 können in einen die Dynamic-Range-Transformation 512 und das Abschaltungsbauteil, das aus einer Schwellwertabschaltung 506, einer Ladungsabschaltung 508 mit einer vorausgehenden Kurzzeitintegration 514, und einem weitere Sicherheitsgrenzen berücksichtigenden Bauteil 510 bestehen kann, umfassenden Überwachungsteil 528 und einen ein beispielhaftes Frequenzfilter 520, den Verstärker oder Treiber 522, und eine optionale Stromlimitierung und Schutzimpedanz 518 umfassenden Aktorteil 530 aufgeteilt werden. Am Eingang 504 der Dynamic-Range-Transformation 512 liegt ein Anschluss zum Schutzleiter 118 als näherungsweise zu treibendes Referenzpotential vor. Das Frequenzfilter 520, dessen hier gezeigte elektronische Bauelemente beispielhaft für ein beliebiges Frequenzfilter stehen, verfügt über einen Anschluss 524 zu einem Bezugspotential. Der vom Verstärker 522 ausgehende Speisestrom 516 wird in dem Abschaltungsbauteil hinsichtlich der mit den Bauteilen 506, 508, 510, und 514 realisierten Abschaltregeln überprüft, was im Verletzungsfall im Sicherheitsabschaltsystem 502 in der Ladesäule zu einem Abbruch des Ladevorgangs führt. Das vom Verstärker 522 ausgehende Signal wird über eine Stromlimitierung und Schutzimpedanz 518, was optional erfolgen kann, zum Schirmanschluss 526 der Schirmung 118 geführt.
6 zeigt ein zweites elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer zweiten Spannungsregelung mit Stromlimitierung. Der vom Verstärker 522 gelieferte Speisestrom 516 wird zusammen mit dem aus Stromlimitierung und Schutzimpedanz 518 erhaltenen Signal einem Differenzverstärker oder Instrumentenverstärker 602 zugeführt, dessen Ausgang zu den aus den Bauteilen 506, 508, 510 und 514 bestehenden Abschaltungsbauteil geführt wird.
7 zeigt ein drittes elektrisches Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine noch weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, zu einer dritten Spannungsregelung mit Stromlimitierung. Der vom Verstärker 522 ausgehende Speisestrom 516, bzw. das nach Stromlimitierung und Schutzimpedanz 518 erhaltene Signal wird weiteren Widerständen/Impedanzen 704, 706, 710 unterworfen, bzw. auf ein Bezugspotential 702 referenziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219457 [0010]
EP 3034350 [0011]
US 2013258531 [0012]

Claims

Verfahren zur Detektion eines Schutzleiterausfalls innerhalb eines mehrere Leiter (108, 110, 112, 118) umfassenden Kabels, bei dem das Kabel ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst und bei dem mindestens ein Leiter (112) eine Schirmung (114) besitzt und diese Schirmung (114) an mindestens einem Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Schirmung (114), um deren Potential auf einen vorgegebenen Potentialwert zu treiben, an mindestens einem Potentialanschluss aktiv elektrisch gespeist wird, und ein Schutzleiterausfall detektiert wird, wenn eine bei der aktiven Speisung auftretende elektrische Größe mindestens einen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schirmung mindestens an dem ersten Ende des Kabels aktiv gespeist wird und an dem zweiten Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen wird, wobei der Potentialanschluss mittelbar durch elektrische Bauteile oder unmittelbar erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das zweite Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen wird, wobei der Potentialanschluss mittelbar durch elektrische Bauteile mit frequenzselektiven Filtereigenschaften erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die elektrischen Bauteile mit frequenzselektiven Filtereigenschaften des mittelbaren Potentialanschlusses am zweiten Ende des Kabels in einem genutzten Spektralbereich von elektrischen Signalen des mindestens einen Leiters (112) eine niedrige elektrische Impedanz und in mindestens einem Frequenzbereich außerhalb des genutzten Spektralbereiches der elektrischen Signale des mindestens einen Leiters (112) eine hohe elektrische Impedanz aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schirmung an dem ersten Ende des Kabels aktiv gespeist wird und an dem zweiten Ende des Kabels frei hängend ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Kabel ein Ladekabel ist, das mit dem ersten Ende an einer Ladesäule (102) und mit dem zweiten Ende an einer Batterie, welche in einem Elektrofahrzeug (104) verbaut sein kann, angeschlossen ist, die Schirmung (114) sich um einen zur Signalübermittlung zwischen Ladesäule (102) und Elektrofahrzeug (104) verwendeten Leiter (112) befindet, und die aktive Speisung (402, 404, 406, 408) der Schirmung (114) an dem an der an der Ladesäule (102) angeschlossenen ersten Ende des Kabels erfolgt.
Verfahren nach einem der oberen Ansprüche, bei dem der vorgegebene Potentialwert auf ein Erdpotential (124) des Schutzleiters (118) bezogen wird, wodurch insbesondere das Potential der Schirmung (114) dem des Schutzleiters (118) entsprechen kann.
Verfahren nach einem der oberen Ansprüche, bei dem die aktive Speisung (402, 404, 406, 408) über eine elektrische Schaltung spannungsgeregelt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die elektrische Schaltung mittels einer Verstärkerschaltung (406, 522), die insbesondere einen Operationsverstärker enthält, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die zur aktiven Speisung (402, 404, 406, 408) verwendete elektrische Schaltung einen zur Erreichung des vorgegebenen Potentialwertes notwendigen Strom (410, 516) regelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die elektrische Schaltung eine spektrale Filterung (404, 520) des über eine Spannungsregelung zu stellenden Potentials oder des zu treibenden Stroms (410, 516) durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem durch die zur aktiven Speisung (402, 404, 406, 408) der Schirmung (114) benutzte elektrische Schaltung eine Überwachung und/oder Kontrolle (528) des zum Erreichen des vorgegebenen Potentialwertes zu treibenden Stromes realisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Verstärkerschaltung (402, 404, 406, 408) eine Amplitude des zur aktiven Speisung verwendeten Stroms (410, 516) durch eine Skalierung und/oder eine Transformierung (402, 512), die insbesondere nichtlinear erfolgt, beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Überwachung und/oder Kontrolle (528) mittels eines am Verstärker abgeleiteten Stellsignals (516) oder einer Messung des getriebenen Stromes an einem Shunt-Widerstand durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Schutzleiterausfall durch ein Überschreiten von Grenzwerten (408, 506, 508, 510, 514) im zu treibenden Strom (410, 516) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Grenzwerte gewählt werden aus einer Gruppe bestehend aus: Abschaltschwelle (506), Ladungsschwelle (508), Stromanstiegsschwelle.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schirmung (114) testweise bestromt wird, wobei eine Änderung des Potentials der Schirmung (114) auf einen Schutzleiterausfall hinweist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem eine Verbindung zum Schutzleiter (118) im Kabel mit seinem Ende an der Ladesäule (102) vom Erdpotential (124) getrennt wird, die Schirmung (114) testweise bestromt wird, und ein Anstieg ihres Potentials auf einen intakten Schutzleiter (118) hinweist.
System zur Detektion eines Schutzleiterausfalls innerhalb eines mehrere Leiter (108, 110, 112, 118) umfassenden Kabels, bei dem das Kabel ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst und bei dem mindestens ein Leiter (112) eine Schirmung (114) besitzt und diese Schirmung (114) an mindestens einem Ende des Kabels an ein Potential angeschlossen ist, wobei das System mindestens ein elektrisches Modul, das dazu ausgelegt ist, die Schirmung an mindestens einem Potentialanschluss aktiv zu speisen, und eine Detektionseinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Schutzleiterausfall zu detektieren, wenn eine bei der aktiven Speisung auftretende elektrische Größe mindestens einen Grenzwert überschreitet, umfasst.
System nach Anspruch 19, bei dem das elektrische Modul als ein IC oder durch eine Mehrzahl von gekoppelten ICs realisiert ist.
System nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das elektrische Modul mindestens ein elektrisches Bauelement aus der Gruppe bestehend aus: Integrierglied, Differenzierglied, Verstärkerglied, Schwellwertüberschreitungsglied umfasst.
System nach einem der Ansprüche 19 bis 21, das dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auszuführen.