-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer Fehlerstromdetektion bei einem AC-Onboard-Ladegerät, welches zu kompensierende Leckströme von sicherheitsgefährdenden Fehlerströmen unterscheidet. Ferner wird ein AC-Onboard-Ladegerät beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
-
Aufladungssysteme zur Aufladung einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs umfassen eine lokale Ladequelle, wie bspw. eine Ladesäule, mit einem Anschluss an ein Stromversorgungsnetz, sowie ein Lademanagement-System im Elektrofahrzeug, welches, wie bspw. bei einem Wechselstrom laden, ein AC-Onboard-Ladegerät aufweist. Das AC-Onboard-Ladegerät des Elektrofahrzeugs wandelt einerseits einen Wechselstrom der Ladequelle in einen Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie. Andererseits übernimmt das AC-Onboard-Ladegerät im Allgemeinen auch eine Steuerung eines Ladebetriebs. Auch weist aus Sicherheitsgründen das AC-Onboard-Ladegerät eine Reihe von Sicherungsmaßnahmen auf, welche einen Nutzer vor gefährdenden Bedingungen schützen. So stellen Berührungsspannungen oder -ströme für den Nutzer eine außerordentliche Gesundheitsgefahr dar und müssen unter allen Umständen vermieden werden, bspw. indem man sie vorzeitig aufspürt und das Ladesystem in einen gesicherten Zustand überführt.
-
Vielfach wird als Schutzmaßnahme eine als Differenzstromschaltkreis bezeichnete Messvorrichtung eingesetzt. Da neuere Entwicklungen bei einem Betrieb von Onboard-Ladegeräten eine galvanische Verbindung zwischen einer Wechselstromseite und einer Gleichstromseite vorsehen, treten intrinsisch zwischen einer Ladeelektronik und einem Gehäuse/Erdpotential sogenannte Ableitströme auf, die nicht durch einen Isolationsfehler oder sonstige Fehler im System verursacht sind. Diese Ableitströme stellen keine gesundheitsgefährdenden Fehlerströme dar, und müssen unterdrückt bzw. kompensiert werden, damit Überwachungsgeräte weiterhin nur bei einem Auftreten von Fehlerströmen, nicht aber bei den Ableitströmen anschlagen.
-
Hierzu schlägt der Stand der Technik die Überwachung eines Differenzstrom von mit dem Versorgungsnetz der Ladequelle verbundenen Netzleitern vor.
-
In der Druckschrift
US 6,392,422 B1 wird ein durch vektorielle Addition gebildeter Differenzstrom zwischen zumindest zwei Netzleitern erfasst. Eine Lastabschaltung wird dann durchgeführt, wenn der Differenzstrom einen bestimmten Ansprechwert übersteigt.
-
Präzise Stromsensoren überwachen also Stromleitungen und messen einen Ableitstrom, welcher in gleicher Höhe kompensiert wird. Ein solches Kompensationsverfahren erfordert ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, um die Leckströme bis auf eine vernachlässigbare Größe auszugleichen, um Schutzmaßnahmen auch nach zukünftigen möglicherweise niedriger angesetzten Normen auszuschließen.
-
Die Druckschrift
US 9,768,610 B2 beschreibt eine Photovoltaikanlage mit zu kompensierenden Ableitströmen, bei der von mindestens einer Stromleitung über eine Kapazität ein nach Erde abfließender Referenzstrom erfasst wird und anhand diesem der Kompensationsstrom mit angepasster negativer Amplitude generiert wird. Mit Hilfe des Differenzstromsensors wird eine Stromsumme erfasst und diese Stromsumme mit oder ohne Kompensationsstrom minimiert.
-
Ein Problem entsteht nun darin, dass durch die Kompensation nicht nur systematisch bedingte Ableitströme unter das Detektionsniveau für Fehlerstrom-Schutzmaßnahmen gedrückt werden. Auch tatsächlich auftretende und einen Nutzer gefährdende Fehlerströme werden den Ableitströmen gleich gesetzt und kompensiert, so dass Überwachungseinrichtungen aus dem Stand der Technik nicht auslösen.
-
In der US-amerikanischen Druckschrift
US 8,854,846 B2 wird der Fehlerstromanteil eines an einem Wechselrichter gemessenen Differenzstroms bestimmt, indem in Abhängigkeit von einer an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters anliegenden Wechselspannung eine periodische Referenzfunktion wechselnden Vorzeichens generiert wird. Ein über eine ganze Zahl von Perioden der Referenzfunktion gemitteltes Produkt von Differenzstrom und Referenzfunktion wird für diejenige Referenzfunktion erhalten, welche mit einem vorgegebenen Phasenversatz zur Wechselspannung und/oder mit einer Frequenz generiert wird, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung ist.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für ein AC-Onboard-Ladegerät zur Verfügung zu stellen, welches neben einer Kompensation eines Ableitstromes einen Fehlerstrom detektiert. Bei einer kritischen Höhe des Fehlerstroms sollen sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden. Ferner soll eine Vorrichtung beansprucht werden, welche eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
-
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Fehlerstromdetektion bei einem AC-Onboard-Ladegerät vorgeschlagen, wobei das AC-Onboard-Ladegerät Teil eines Ladesystems mit einer Ladequelle und einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges ist. Das AC-Onboard-Ladegerät wird von der mit einem Versorgungsnetz verbundenen Ladequelle mittels mindestens zweier Netzleiter mit einem Wechselstrom versorgt. Der Wechselstrom wird durch das AC-Onboard-Ladegerät in einen Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie umgewandelt. An den mindestens zwei Netzleitern wird ein Differenzstromschaltkreis zur Ausgabe eines Differenzstromsignals angeordnet, wobei ein Differenzstrom einer Summe aus einem Ableitstrom und einem Fehlerstrom entspricht. Das AC-Onboard-Ladegerät wird als erstes in einem Initialisierungsmodus betrieben. Im Initialisierungsmodus wird der Differenzstrom anhand des Differenzstromsignals kompensiert, in einem Emulationsschaltkreis ein emuliertes Ableitstromsignal mit gleicher Phase wie das Differenzstromsignal erzeugt und mittels eines Verstärkers an eine Amplitude des Differenzstromsignals angepasst. Nach Abschluss der Amplitudenanpassung wird der Initialisierungsmodus beendet. Als zweites wird das AC-Onboard-Ladegerät in einem Detektionsmodus betrieben. Im Detektionsmodus wird in fortgeführter Ausführung ein Detektionssignal für den Fehlerstrom durch eine Differenz von niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitsignals und niederfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals gebildet. Das Detektionssignal zeigt damit eine Änderung eines Phasenwinkels zwischen dem Ableitstrom und dem Fehlerstrom auf. Weiter wird im Detektionsmodus in fortgeführter Ausführung eine Summe aus niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitstromsignals und hochfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals kompensiert. Dadurch bleiben niederfrequente Anteile des Fehlerstroms unkompensiert und sind somit vorteilhaft für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren detektierbar. Die zusätzlichen Fehlerstromdetektoren können bei Auftreten des Fehlerstroms damit ebenfalls Sicherungsmaßnahmen einleiten. Der Differenzstromschaltkreis zur Ausgabe des Differenzstromsignals und der Emulationsschaltkreis zur Erzeugung des emulierten Ableitstromsignals werden im Initialisierungsmodus und im Detektionsmodus in fortgeführter Ausführung betrieben.
-
Die Ladequelle ist bspw. eine Ladesäule, eine Ladestation oder ein Wandladegerät für eine Garage, und wird aus dem Versorgungsnetz versorgt, bspw. aus einem Niederspannungsnetz mit einphasigem oder dreiphasigem Strom. Das AC-Onboard-Ladegerät ist über mindestens zwei Netzleiter mit der Ladequelle verbunden, d. h. über einen Neutralleiter und bspw. ein oder drei Phasenleiter mit der Ladequelle verbunden. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom durch das AC-Onboard-Ladegerät führt technisch bedingt zu dem Ableitstrom, der kompensiert werden muss, damit Feherstromdetektoren nicht anschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert nicht nur diesen Ableitstrom und detektiert bei Auftreten den Fehlerstrom, sondern lässt vorteilhaft auch den Fehlerstrom unkompensiert, so dass zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren den Fehlerstrom detektieren.
-
Der Emulationsschaltkreis nutzt für das emulierte Ableitstromsignal bspw. Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren sind im AC-Onboard-Ladegerät mit Leitungen verbunden, welche auch Folienkondensatoren des AC-Onboard-Ladegerätes mit einem Erdpotential verbinden. Ein dergestalt emuliertes Ableitstromsignal stimmt mit einem tatsächlich fließenden Ableitstrom bereits in Phase überein, muss aber noch mittels des Verstärkers in seiner Amplitude angepasst werden. Hierzu dient der Initialisierungsmodus, der im Vergleich zum Detektionsmodus nur eine kurze Zeitdauer ausmacht.
-
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichungsgrenze durch das Detektionssignal ein Sicherungszustand des Ladesystems eingeleitet. Dies wird bspw. über ein Spannungsfenster mit einer Spannungsuntergrenze und einer Spannungsobergrenze erreicht, wobei überwacht wird, wann ein Spannungswert im Detektionssignal außerhalb dieses Spannungsfensters liegt. Das Spannungsfenster wird in seiner Größe vorgegeben, was auch durch Vorgabe von Spannungsuntergrenze und Spannungsobergrenze möglich ist.
-
In einer fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Einleitung des Sicherungszustandes alle Relais stromführender Einheiten im Ladesystem geöffnet. Ein Wechsel von einem geschlossen Zustand bis zu einem geöffneten Zustand aller Relais ist mit einer technisch bedingten Öffnungszeitdauer verbunden. Während dieser Öffnungszeitdauer wird der gesamte Differenzstrom kompensiert, wodurch der Fehlerstrom für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren nicht detektierbar ist. Nach Verstreichen der Öffnungszeitdauer bleiben niederfrequente Anteile des Fehlerstroms unkompensiert. Damit ist der Fehlerstrom für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren detektierbar.
-
Damit wird vermieden, dass zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren bei Auftreten eines sicherheitsrelevanten Fehlerstroms Maßnahmen ergreifen, welche der Einleitung des Sicherungszustandes gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zuwiderlaufen bzw. einer ansonsten schnelleren Öffnung aller Relais hinderlich sind. Diese Maßnahmen können bspw. ein sofortiges Unterbrechen aller Steuerleitungen des Ladesystems zu den zusätzlichen Fehlerstromdetektoren beinhalten, was nachteilig ist, wenn über die gleichen Steuerleitungen eines der Relais angesteuert wird und die Öffnung dieses Relais zwar dann von einem der zusätzlichen Fehlerstromdetektoren angefordert wird, dies aber zeitlich verzögert zu den gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zuerst eingeleiteten Sicherungsmaßnahmen geschieht.
-
Gleichfalls wird durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt, dass bei einer Störung der Einleitung des Sicherungszustandes zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren prinzipiell in der Lage sind, wenn auch um die vorgegebene Öffnungszeitdauer verzögert, selbsttätig Sicherungsmaßnahmen einzuleiten.
-
In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in fortgeführter Ausführung das Differenzstromsignal für eine vorgegebene Zeitspanne gespeichert und durch eine Computereinheit überwacht. Im Falle, dass in der Zeitspanne keine Überschreitungen der vorgegebenen Abweichungsgrenze stattgefunden haben, wird die Verstärkung der Amplitude des emulierten Ableitsignals anhand des gespeicherten Differenzstromsignals readjustiert. Es ist auch denkbar, dass nach einer vorgegebenen Zeitspanne erneut der Initialisierungsmodus ausgeführt wird, um eine Readjustierung des Differenzstromsignals sicherzustellen. Die Readjustierung ist nur unter engen Vorgaben möglich, welche eine kurze Zeitspanne und begrenzte Änderungen vorausgegangener Einstellungen beinhalten.
-
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Übergang zwischen Initialisierungsmodus und Detektionsmodus durch ein Überblenden der damit jeweilig verbundenen Kompensation des Differenzstromes durchgeführt. Dabei wird die mit dem Initialisierungsmodus verbundene Kompensation, welche auf dem Differenzstromsignal beruht, über einen vorgegebenen Zeitrahmen ausgeblendet, und die mit dem Detektionsmodus verbundene Kompensation im gleichen Zeitrahmen eingeblendet. Technisch erfolgt ein solcher Vorgang in einem Multiplexer, welcher an einem ersten Eingang das Differenzstromsignal und an einem zweiten Eingang die Summe aus niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitstromsignals und hochfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals erhält und je nach Betriebsart (Initialisierungsmodus, Detektionsmodus) ein jeweiliges Signal des ersten oder des zweiten Eingangs an einen Kompensationsverstärker weiterleitet. Der Übergang in der Betriebsart kann im Multiplexer durch erfindungsgemäßes Überblenden von dem einen Signal auf das andere Signal begleitet werden.
-
Ferner wird ein AC-Onboard-Ladegerät mit Fehlerstromdetektion beansprucht, wobei das AC-Onboard-Ladegerät Teil eines Ladesystems mit einer Ladequelle und einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges ist. Das AC-Onboard-Ladegerät ist dazu konfiguriert, von der mit einem Versorgungsnetz verbundenen Ladequelle mittels mindestens zweier Netzleiter mit einem Wechselstrom versorgt zu werden und den Wechselstrom in einen Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie umzuwandeln. Das AC-Onboard-Ladegerät umfasst neben einem Umrichter einen Differenzstromschaltkreis, einen Emulationsschaltkreis, einen Multiplexer und einen Kompensationsstromverstärker, wobei der Multiplexer dazu konfiguriert ist, Signale aus dem Differenzstromschaltkreis oder dem Emulationsschaltkreis an den Kompensationsstromverstärker weiterzugeben. An den mindestens zwei Netzleitern ist der Differenzstromschaltkreis zur Ausgabe eines Differenzstromsignals angeordnet, wobei ein Differenzstrom einer Summe aus einem Ableitstrom und einem Fehlerstrom entspricht. Das AC-Onboard-Ladegerät ist dazu konfiguriert, in zeitlicher Abfolge als erstes in einem Initialisierungsmodus betrieben zu werden. Im Initialisierungsmodus gibt der Multiplexer das Differenzstromsignal an den Kompensationsstromverstärker zur Kompensation des Differenzstroms weiter, in dem Emulationsschaltkreis wird ein emuliertes Ableitstromsignal mit gleicher Phase wie das Differenzstromsignal erzeugt und das emulierte Ableitstromsignal wird mittels eines Verstärkers an eine Amplitude des Differenzstromsignals angepasst. Nach Abschluss der Amplitudenanpassung wird der Initialisierungsmodus beendet. Das AC-Onboard-Ladegerät ist dazu konfiguriert ist, als zweites in einem Detektionsmodus betrieben zu werden. Im Detektionsmodus wird ein Detektionssignal für den Fehlerstrom durch eine Differenz von niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitsignals und niederfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals gebildet; der Multiplexer gibt eine Summe aus niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitstromsignals und hochfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals an den Kompensationsstromverstärker weiter. Dadurch bleiben niederfrequente Anteile des Fehlerstroms unkompensiert und sind für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren detektierbar.
-
Die Fehlerstromdetektion des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes ist vorteilhaft mit elektronischen Bauteilen, bspw. integrierten Schaltungen, in Hardware umsetzbar, und leitet bei Auftreten eines sicherheitsrelevanten Fehlerstroms bereits innerhalb von etwa 300 Mikrosekunden Sicherheitsmaßnahmen, wie bspw. Öffnen von Relais, ein. Stellwerte einzelner elektronischer Bauteile werden in Software justiert. Eine Verarbeitung der Software auf einer dem AC-Onboard-Ladegerät zugeordneten Computereinheit ergänzt die Fehlerdetektion der Hardware, bspw. durch Steuerung von Initialisierungs- und Detektionsmodus, aber auch durch Einleitung von Sicherungsmaßnahmen bei Feststellung eines sicherheitsrelevanten Fehlerstroms, sei es als Wechselstrom (Netzseite des Umrichters im erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerät) oder als Gleichstrom (Batterieseite des Umrichters im erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerät).
-
Das erfindungsgemäße AC-Onboard-Ladegerät bietet vorteilhaft durch ein Multiplexing des Differenzstromsignals und eines durch die Summe aus niederfrequenten Anteilen des emulierten Ableitstromsignals und hochfrequenten Anteilen des Differenzstromsignals gebildeten Detektionsmodulsignals ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Messschema, da in beiden Betriebsmodi durch den Kompensationsstromverstärker mindestens der Ableitstrom kompensiert wird und, falls kein Fehlerstrom auftritt, in beiden Modi das Ladesystem aktiv ist, und im Detektionsmodus auch mit Hilfe zusätzlich angeordneter Fehlerstromdetektoren eine höhere Sicherheit vor gesundheitsgefährdenden Fehlerströme erreicht wird.
-
Durch das gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Messschema und dem Multiplexing, welches auf die Kompensation von Leckströmen und nicht von Fehlerströmen ausgerichtet ist, reduziert das erfindungsgemäße AC-Onboard-Ladegerät ein Gefährdungspotential für einen Nutzer beträchtlich. Die erfindungsgemäße selektive Kompensation versteckt eine Sicherheitsgefährdung daher nicht vor zusätzlich angeordneten Schutzeinrichtungen, welche im Rahmen ihrer Spezifikation ohne Einschränkung arbeiten können. Auch eine mögliche Fehlfunktion des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes, welches ja ebenfalls dazu ausgelegt ist, Fehlerströme zu erkennen und Sicherheitsmaßnahmen einzuleiten, kann somit vorteilhaft abgefangen werden.
-
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen Ableitstrom und Fehlerstrom ist ihr Phasenwinkel. Das erfindungsgemäße Messschema ermöglicht vorteilhaft eine schnelle und adäquate Detektion einer Änderung dieses Phasenwinkels zwischen Ableitstrom und Fehlerstrom. Die schnelle Detektion verhindert, dass Kompensationsmaßnahmen zur Kompensation des Ableitstroms auch den Fehlerstrom ausgleichen und somit die Gefährdung verdecken oder kaschieren. Vorteilhaft wird daher eine Funktionsfähigkeit zusätzlicher Fehlerdetektoren zum Schutz des Nutzers vor einer Gefährdung durch Berührungsspannungen und/oder Berührungsströmen nicht eingeschränkt.
-
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes ist das AC-Onboard-Ladegerät dazu konfiguriert, bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichungsgrenze durch das Detektionssignal einen Sicherungszustand des Ladesystems einzuleiten. Durch eine Feinadjustierung der vorgegebenen Abweichungsgrenze werden vorteilhaft nichtgesundheitsgefährdende Fehlerströme ignoriert.
-
In einer fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes ist das AC-Onboard-Ladegerät dazu konfiguriert, mit Einleitung des Sicherungszustandes alle Relais stromführender Einheiten im Ladesystem zu öffnen. Ein Wechsel von einem geschlossen Zustand bis zu einem geöffneten Zustand aller Relais ist mit einer technisch bedingten Öffnungszeitdauer verbunden. Das AC-Onboard-Ladegerät ist dazu konfiguriert, während dieser Öffnungszeitdauer den gesamten Differenzstrom zu kompensieren, wodurch der Fehlerstrom für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren nicht detektierbar ist. Das AC-Onboard-Ladegerät ist weiter dazu konfiguriert, nach Verstreichen der Öffnungszeitdauer niederfrequente Anteile des Fehlerstroms an einen Kompensationsstromverstärker weiterzugeben. Damit ist der Fehlerstrom für zusätzlich im Ladesystem angeordnete Fehlerstromdetektoren detektierbar.
-
Das AC-Onboard-Ladegerät ist bspw. über Steuerleitungen, mit allen Relais zur Herstellung des Sicherungszustandes verbunden. Der Sicherungszustand umfasst mindestens eine Trennung stromführender Einheiten von der Stromversorgung mittels Relais. Als weitere Sicherungsmaßnahme ist ein Herunterfahren des Ladesystems denkbar.
-
In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes weist das AC-Onboard-Ladegerät eine Computereinheit mit einem Speichermedium auf. Das AC-Onboard-Ladegerät ist dazu konfiguriert, in fortgeführter Ausführung das Differenzstromsignal für eine vorgegebene Zeitspanne abzuspeichern und zu überwachen. Im Falle, dass in dieser Zeitspanne keine Überschreitungen der vorgegebenen Abweichungsgrenze stattgefunden haben, ist das AC-Onboard-Ladegerät dazu konfiguriert, anhand des gespeicherten Differenzstromsignals die Verstärkung der Amplitude des emulierten Ableitsignals zu readjustieren.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes ist das AC-Onboard-Ladegerät dazu konfiguriert, im Multiplexer einen Übergang zwischen Initialisierungsmodus und Detektionsmodus durch ein Überblenden der damit jeweilig verbundenen Kompensationen des Differenzstromes durchzuführen. Solch ein Übergang wird vom Fachmann auch als Fading bezeichnet.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten 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, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt ein Messschema zur Fehlerstromdetektion in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt schematisch einen Initialisierungsmodus in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt schematisch einen Detektionsmodus in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt einen Signalverlauf bei einer Betriebssimulation in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In 1 wird ein Messschema 100 zur Fehlerstromdetektion in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerät gezeigt. Der Differenzstromschaltkreis 120 ist ein Differenzstromwandler mit einem Verstärker, wobei ein Differenzstromsensor alle mit einem Versorgungsnetz (bspw. über eine Ladesäule) verbundenen Netzleitungen 110, also einen Neutralleiter und bspw. ein oder drei Phasenleiter, erfasst. Differenzströme werden in einem Frequenzbereich oberhalb von bspw. 20 Hz detektiert, was auch ein Aufkommen von Gleichspannungs-Ableitströmen abdeckt. Eine Ableitstromemulation 130 setzt Y-Kondensatoren ein. Solche Y-Kondensatoren sind im AC-Onboard-Ladegerät mit Leitungen verbunden, welche auch Folienkondensatoren des AC-Onboard-Ladegerätes mit einem Erdpotential verbinden. Ein dergestalt emuliertes Ableitstromsignal stimmt mit einem tatsächlich fließenden Ableitstrom bereits in Phase überein, muss aber noch in einer Amplitude mittels eines Verstärkers 131 einem tatsächlich fließendem Ableitstrom angepasst werden, indem ein Verstärkungswert in einem Multiplikator 132 aufmultipliziert wird. In einem Initialisierungsmodus (s. 2) wird das Signal 102 aus dem Differenzstromschaltkreis 120, welches einem Differenzstrom entspricht, genutzt, um den Verstärkungswert so einzustellen, dass sich Amplitudenhöhen des emulierten Ableitstromsignals und des Differenzstromsignals 102 entsprechen. Hierzu wird ein vom Differenzstromschaltkreis 120 kommendes Signal von einem Tiefpass 121 als ein rauschunterdrücktes Signal 105 an einen Analog-Digital-Wandler 122 weitergegeben. Der Analog-Digital-Wandler 122 ermöglicht einer Computereinheit des AC-Onboard-Ladegerätes eine weitere Verarbeitung in Software. Hierzu wird vom Analog-Digital-Wandler 122 das rauschunterdrückte Differenzstromsignal 123 in einem Frequenzbereich nahe zur Netzfrequenz des Versorgungsnetzes ausgegeben. Ebenfalls wird das mit dem Verstärkungswert multiplizierte emulierte Ableitstromsignal in einem Tiefpass 133 als rauschunterdrücktes Signal 106 von einem Analog-Digital-Wandler 134 zu einem rauschunterdrückten Signal 135 ebenfalls nahe zur Netzfrequenz verarbeitet. Beide Signale 123 und 135 können somit softwaremäßig verarbeitet werden und darauf basierend eine Fehlerdetektion des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes ermöglichen. Der Verstärkungswert wird im Initialisierungsmodus durch den Verstärker 131 solange angepasst, bis das Signal 123 und das Signal 135 übereinstimmen. Während dieser Anpassung schaltet ein Multiplexer 101 das Differenzstromsignal 102 auf einen Kompensationsstromverstärker 111 durch. Der mit den Netzleitungen 110 verbundene Kompensationsstromverstärker 111 leitet einen Kompensationsstrom einerseits zum Chassis 112, andererseits wird über einen Tiefpass 113 und einem Analog-Digital-Wandler 114 ein rauschunterdrücktes Signal 115 gebildet, welches für eine Software-Auswertung bereitsteht. In einem Detektionsmodus (s. 3) wird das aus dem Tiefpass 121 kommende Signal auch einem Addierer 124 zugeleitet, und dort, mit negativen Vorzeichen versehen, mit einem Signal 104, welches dem ungefilterten Differenzstromsignal 102 entspricht, addiert. Der dabei erhaltene hochfrequente Anteil des Differenzstroms wird in einem weiteren Addierer 125 mit dem aus dem Tiefpass 133 kommenden Signal des emulierten Ableitstroms addiert. Das resultierende Kompensationssignal 103 entspricht nur dem Differenzstrom ohne einen niederfrequenten Anteil eines möglicherweise auftretenden Fehlerstroms und wird im Detektionsmodus vom Multiplexer 101 alleinig (ohne Differenzstromsignal 102) an den Kompensationsstromverstärker 111 weitergegeben. Damit bleiben Fehlerströme in einem von den Netzleitern 110 an einen Umrichter des erfindungsgemäßen AC-Onboard-Ladegerätes fließenden Versorgungsstrom unkompensiert und sind vorteilhaft von zusätzlich angeordneten Fehlerdetektoren feststellbar.
-
In 2 wird schematisch ein Initialisierungsmodus 200 in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Multiplexer 101 schaltet solange alleinig das Differenzstromsignal 102 auf einen Verstärker 111 durch, solange der Verstärkungswert für die Amplitude des emulierten Ableitstromsignals ermittelt wird, bzw. Filter zur Zeitverzögerung abgestimmt werden. Wird währenddessen eine Fehlfunktion festgestellt, so wird ein Befehl zum Öffnen der Relais stromführender Einheiten im Ladesystem gegeben und detektiert, ob die Relais in Funktion sind und tatsächlich öffnen. Ein Fehlverhalten beim Öffnen führt das Ladesystem in den Sicherheitszustand zurück. Einzelne Signale sind beispielhaft in Panel 201 für den Initialisierungsmodus und Panel 202 für den Detektionsmodus (s. 3) dargestellt. Zuoberst ist ein Stromsignal zu Masse 211 dargestellt. Dieses führt den Ableitstrom, intrinsisch durch den Umrichter bedingt, und sicherheitsgefährdende Fehlerströme. Im Initialisierungsmodus werden diese Ströme auf ein Minimum kompensiert. Darunter ist ein Differenzstromsignalverlauf 212 zu sehen, welcher, mit römisch „I“ bezeichnet, einen beispielhaften Signalverlauf des Differenzstromsignals 102 im schematischen Initialisierungsmodus 200 darstellt. Dieses Signal zeigt den nach Durchgang durch Tiefpass 121 und A/D-Wandler 122 dargestellten rauschunterdrückten A/D-Differenzstromsignalverlauf 213, mit römisch „II“ markiert. Ebenfalls nach Durchgang durch Tiefpass 133 und A/D-Wandler 134, nimmt das emulierte Ableitstromsignal den dargestellten rauschunterdrückten A/D-Ableitstromsignalverlauf 216, mit römisch „III“ markiert, an. Der Verstärkungswert des Verstärkers 131 wird solange angepasst, bis die mit römisch „II“ und „III“ bezeichneten Verläufe die gleichen Amplituden aufweisen, woraufhin der Detektionsmodus gestartet werden kann, welcher, abhängig vom Auftreten von Fehlerströmen, von wesentlich längerer Zeitdauer ist. Ein Differenzstromsignalverlauf ohne niederfrequente Anteile 214 und ein Kompensationssignalverlauf 215 werden erst in der nächsten 3 benötigt.
-
In 3 wird schematisch ein Detektionsmodus 300 in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Einzelne Signale sind beispielhaft in Panel 301 für den Initialisierungsmodus (s. 2) und Panel 302 für den hier adressierten Detektionsmodus dargestellt. Der Multiplexer 101 schaltet alleinig das Kompensationssignal 103, mit römisch „V“ markiert, auf den Verstärker 111 durch. Ein beispielhafter Kompensationssignalverlauf 315 ist auf der linken Seite in Panel 302 dargestellt. Das Kompensationssignal 103 resultiert aus dem hochfrequenten Anteil des Differenzstroms, in 3 mit römisch „IV“ bezeichnet und in Panel 302 als Differenzstromsignalverlauf ohne niederfrequente Anteile 314 gezeigt, addiert zu dem niederfrequenten Anteil des emulierten Ableitstroms. Damit entspricht das Kompensationssignal 103 nur dem Differenzstrom ohne den niederfrequenten Anteil eines möglicherweise auftretenden Fehlerstroms. Wie im an Masse fließenden Stromsignal 311 sichtbar, bleiben niederfrequente Anteile von Fehlerströmen unkompensiert und sind damit vorteilhaft für zusätzlich angeordnete Fehlerdetektoren feststellbar. Das erfindungsgemäße AC-Onboard-Ladegerät etabliert seine eigene Fehlerdetektion mittels Differenzbildung aus den mit römisch „II“ und „III“ markierten Signalen 123, 135, welche, durch die jeweiligen Tiefpässe 121, 133 von hochfrequenten Rauschanteilen befreit, einen jeweiligen Signalverlauf 313, 316 in der Nähe der Netzfrequenz liefern.
-
In 4 werden Signalverläufe 400 bei einer Betriebssimulation in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Nach rechts ist eine Zeitachse aufgetragen, welche in mehrere Zeitabschnitte 401, 402, 403, 404, 405 aufgeteilt ist. In Graph 410 werden ein rauschunterdrückter A/D-Differenzstromsignalverlauf 412 und ein rauschunterdrückter A/D-Ableitstromsignalverlauf 413 gezeigt, wobei die Differenz beider Signale 412, 413 das Detektionssignal 421 in Graph 420 bildet. Der Initialisierungsmodus mit der Anpassung des Verstärkungswertes auf das emulierte Ableitstromsignal wird im Zeitabschnitt 401 ausgeführt. Mit Zeitabschnitt 402 beginnt der Detektionsmodus. Hierzu öffnet sich in Graph 430 ein durch eine Spannungsuntergrenze 431 und eine Spannungsobergrenze 432 gebildetes Spannungsfenster. Werte für Spannungsuntergrenze 431 und Spannungsobergrenze 432 werden durch eine vorab durchzuführende Justierung vorgegeben, welche diese Werte als ein unteres Maß für sicherheitsgefährdende bzw. gesundheitsgefährdende Fehlerströme festlegt. Ein aus dem Detektionssignal 421 gewonnenes Spannungsdifferenzsignal 433, begrenzt auf Spannungswerte des Spannungsfensters, wird auf Erreichen von Spannungsuntergrenze 431 und Spannungsobergrenze 432 hin detektiert. Nachdem die Signale 412 und 413 im Zeitabschnitt 402 gleich verlaufen, tritt im Zeitabschnitt 403 ein kleiner, nicht sicherheitsrelevanter Fehlerstrom 407 auf, für den das Spannungsdifferenzsignal 433 aber innerhalb des Spannungsfensters verläuft. Nach erneut gleichem Verlauf der Signale 412 und 413 in Zeitabschnitt 404, tritt mit Beginn 406 von Zeitabschnitt 405 ein starker, sicherheitsrelevanter Fehlerstrom auf, woraufhin das Spannungsdifferenzsignal steil 408 auf die Spannungsobergrenze 432 steigt und im weiteren Verlauf solange auf diese begrenzt bleibt, solange das unbegrenzte Spannungsdifferenzsignal die Spannungsobergrenze 432 übersteigt (gesamter Zeitabschnitt 405).
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 6392422 B1 [0005]
- US 9768610 B2 [0007]
- US 8854846 B2 [0009]
