DE102022201188A1 - AC charging circuit on the vehicle side with high-pass fault protection impedance between rectifier star point and protective conductor - Google Patents
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Abstract
Es ist eine fahrzeugseitige Wechselstrom-Ladeschaltung (LS) beschrieben mit einer Gleichrichterschaltung (PFC), die mehrphasig ausgebildet ist und die gleichstromseitig einen Sternpunkt (SP) aufweist, der mit einem Neutralleiteranschluss (N) der Wechselstrom-Ladeschaltung (LS) verbunden ist. Die Wechselstrom-Ladeschaltung (LS) ist mit einer Fehlerschutzimpedanz (ZY) ausgestattet, über die der Sternpunkt (SP) mit einem Schutzleiteranschluss (PE) der Wechselstrom-Ladeschaltung (LS) verbunden ist. Die Fehlerschutzimpedanz (ZY) ist als Hochpass ausgebildet.A vehicle-side AC charging circuit (LS) is described with a rectifier circuit (PFC) that is multi-phase and has a star point (SP) on the DC side, which is connected to a neutral conductor connection (N) of the AC charging circuit (LS). The AC charging circuit (LS) is equipped with a fault protection impedance (ZY) via which the star point (SP) is connected to a protective conductor connection (PE) of the AC charging circuit (LS). The fault protection impedance (ZY) is designed as a high-pass filter.
Description
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Hochvolt-Traktionsakkumulator auf, der den Antrieb speist und von einer Wechselstrom-Ladeschaltung aufgeladen werden kann. Zum Aufladevorgang wird eine externe Ladestromquelle (Wechselstrom) an eine fahrzeugseitige Wechselstrom-Ladeschaltung angeschlossen, an die wiederum der Traktionsakkumulator angeschlossen ist. Auf Grund der hohen Hochvoltspannungen, die deutlich über 60 V liegen können, sind besondere Schutzmaßnahmen zum Schutz vor zu hohen Berührspannungen am Fahrzeug erforderlich. Eine dieser Maßnahmen ist die Verwendung eines Schutzleiters, der ein Schutzleiterpotential der Ladestromquelle mit einem Schutzleiterpotential des Fahrzeugs bzw. des Fahrzeugbordnetzes verbindet. Tritt ein Isolationsfehler auf, dann dient der Schutzleiter zur Ableitung des sich ergebenden Fehlerstroms, um dadurch einen gefährlichen Berührstrom zu vermeiden.Vehicles with an electric drive have a high-voltage traction battery that feeds the drive and can be charged by an AC charging circuit. For the charging process, an external charging current source (alternating current) is connected to an on-board alternating current charging circuit, to which in turn the traction battery is connected. Due to the high high-voltage voltages, which can be well over 60 V, special protective measures are required to protect against excessive contact voltages on the vehicle. One of these measures is the use of a protective conductor, which connects a protective conductor potential of the charging current source to a protective conductor potential of the vehicle or the vehicle's electrical system. If an insulation fault occurs, the protective conductor is used to divert the resulting fault current in order to avoid a dangerous contact current.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein Berührstrom verringern lässt, der bei einer fehlerhaften Schutzleiteranbindung oder allgemein bei einem Isolationsfehler den potential gefährlichen Berührstrom verringert.It is an object of the invention to indicate a possibility with which a touch current can be reduced, which reduces the potentially dangerous touch current in the event of a faulty protective conductor connection or generally in the event of an insulation fault.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die fahrzeugseitige Wechselstrom-Ladeschaltung nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by the AC charging circuit on the vehicle side according to
Es wird vorgeschlagen, bei einer mehrphasigen (insbesondere dreiphasigen) Wechselstrom-Ladeschaltung eine Fehlerschutzimpedanz vorzusehen, über die ein Sternpunkt einer Gleichrichterschaltung der Wechselstrom-Ladeschaltung mit einem Schutzleiteranschluss der Ladeschaltung verbunden ist. Bei einer mehrphasigen Gleichrichterschaltung, insbesondere bei einer gesteuerten mehrphasigen Gleichrichterschaltung, können etwa aufgrund von Asymmetrien Wechselstromkomponenten entstehen, die mittels der hier vorgeschlagenen Fehlerschutzimpedanz nicht vollständig an ein Chassis-Potential abgegeben werden, sondern über den Neutralleiteranschluss der Ladeschaltung an die angeschlossene Ladestromquelle zurückgeführt werden können. Ist der Schutzleiteranschluss der fahrzeugseitigen Ladeschaltung nicht oder nicht korrekt mit dem Schutzleiterpotential der Ladestromquelle verbunden, dann würde anderenfalls eine Berührung des Chassis-Potentials dazu führen können, dass diese Wechselstromkomponenten über den berührenden Nutzer an das Schutzleiterpotential (Erde) geleitet wird. Die Fehlerschutzimpedanz ermöglicht für hochfrequente Wechselstromanteile einen Rückpfad, der eine geringe Impedanz aufweist, wodurch Berührströme, die über einen Nutzer zum Erdungspotential führen, verringert werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die von der Fehlerschutzimpedanz zurückgeführten Wechselstromanteile eine Frequenz haben, die höher ist als die Grundfrequenz des von der Ladestation abgegebenen Wechselstroms, insbesondere bei schaltenden Gleichrichtern, deren Schaltfrequenz die Frequenz der Wechselstromanteile definiert, die von der Fehlerschutzimpedanz zurückgeführt werden können. Dies ist auch bei ungeschalteten Gleichrichterschaltungen der Fall. Es können sich durch die Mehrphasigkeit asymmetrische Wechselstromkomponenten ergeben, deren Frequenz über der Grundfrequenz des Wechselstroms liegt, der an die Gleichrichterschaltung angelegt wird. Diese werden mittels der Fehlerschutzimpedanz von dem Sternpunkt zumindest teilweise an die Ladestation zurückgeführt. Die Fehlerschutzimpedanz ist hierzu als Hochpass ausgeführt, um die asymmetrischen, höherfrequenten Anteile vom Chassis-Potential (= fahrzeugseitiges Erdungspotential) über den Neutralleiter zurückzuführen.It is proposed to provide a fault protection impedance in a polyphase (particularly three-phase) AC charging circuit, via which a star point of a rectifier circuit of the AC charging circuit is connected to a protective conductor connection of the charging circuit. In a multi-phase rectifier circuit, in particular in a controlled multi-phase rectifier circuit, AC components can arise as a result of asymmetries, which are not completely output to a chassis potential using the fault protection impedance proposed here, but can be fed back to the connected charging current source via the neutral conductor connection of the charging circuit. If the protective conductor connection of the vehicle's charging circuit is not or not correctly connected to the protective conductor potential of the charging current source, then touching the chassis potential could otherwise result in these AC components being conducted to the protective conductor potential (earth) via the user who is touching them. The fault protection impedance provides a return path for high frequency AC components that has a low impedance, thereby reducing touch currents through a user to ground potential. It should be noted that the AC components fed back by the fault protection impedance have a frequency that is higher than the fundamental frequency of the AC current supplied by the charging station, especially in the case of switching rectifiers whose switching frequency defines the frequency of the AC components that can be fed back by the fault protection impedance. This is also the case with unswitched rectifier circuits. As a result of the multi-phase nature, asymmetrical AC components can arise whose frequency is above the fundamental frequency of the AC current which is applied to the rectifier circuit. These are at least partially returned to the charging station by means of the fault protection impedance from the star point. For this purpose, the fault protection impedance is designed as a high-pass filter in order to feed back the asymmetrical, higher-frequency components from the chassis potential (= earth potential on the vehicle side) via the neutral conductor.
Es wird daher eine fahrzeugseitige Wechselstrom-Ladeschaltung vorgeschlagen, die mit einer mehrphasigen Gleichrichterschaltung ausgestattet ist. Die Gleichrichterschaltung ist insbesondere dreiphasig ausgebildet, um so an ein dreiphasiges Versorgungsnetz (Wechselstrom) angeschlossen werden zu können. Therefore, an on-vehicle AC charging circuit equipped with a multi-phase rectifier circuit is proposed. The rectifier circuit is, in particular, of three-phase design in order to be able to be connected to a three-phase supply network (alternating current).
Die Gleichrichterschaltung weist gleichstromseitig einen (freien) Sternpunkt auf. Die Gleichrichterschaltung weist insbesondere eine Gleichstromseite und eine Wechselstromseite auf, wobei sich der Sternpunkt auf der Gleichstromseite befindet. Dieser Sternpunkt verbindet Potentiale der mehreren Phasen der Gleichrichterschaltung. Der Sternpunkt ist insbesondere mit einem Neutralleiteranschluss der Wechselstrom-Ladeschaltung verbunden, vorzugsweise indirekt, wobei auch direkte Verbindungen in Betracht kommen. Wechselstromseitig weist die Gleichrichterschaltung mehrere Phasen auf, die mit Phasen eines mehrphasigen Wechselstromanschlusses der Ladeschaltung verbunden sind. Die Ladeschaltung umfasst ferner einen Schutzleiteranschluss. Der Neutralleiteranschluss, der Schutzleiteranschluss und die Phasenanschlüsse können als Kontakte einer gemeinsamen Ladebuchse ausgebildet sein. Diese Ladebuchse ist vorzugsweise eingerichtet, von außen kontaktiert zu werden, und kann insbesondere gemäß einem Standard zum konduktiven Wechselstromladen ausgebildet sein.The rectifier circuit has a (free) star point on the DC side. The rectifier circuit has, in particular, a direct current side and an alternating current side, with the star point being located on the direct current side. This star point connects potentials of the multiple phases of the rectifier circuit. The star point is connected in particular to a neutral conductor connection of the AC charging circuit, preferably indirectly, direct connections also being possible. On the AC side, the rectifier circuit has a number of phases which are connected to phases of a multi-phase AC connection of the charging circuit. The charging circuit also includes a protective conductor connection. The neutral conductor connection, the protective conductor connection and the phase connections can be designed as contacts of a common charging socket. This charging socket is preferably set up to be contacted from the outside and can in particular be designed according to a standard for conductive AC charging.
Die Wechselstrom-Ladeschaltung ist wie erwähnt mit einer Fehlerschutzimpedanz ausgestattet. Über diese ist der Sternpunkt der Gleichrichterschaltung mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Der Sternpunkt ist direkt oder indirekt mit dem Neutralleiteranschluss verbunden, um an diesen die Wechselstromkomponenten des Potentials des Schutzleiteranschlusses über die Fehlerschutzimpedanz zumindest teilweise abzuleiten. Die Fehlerschutzimpedanz ist als Hochpass ausgebildet. Der Sternpunkt ist seriell über die Fehlerschutzimpedanz mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Hierbei kann die Fehlerschutzimpedanz den Sternpunkt mit dem Schutzleiteranschluss direkt oder indirekt (insbesondere geschaltet) verbinden. Die Fehlerschutzimpedanz kann einteilig als seriell angeschlossener Kondensator ausgeführt sein, kann jedoch auch in Form einer RC-Schaltung ausgebildet sein, die in Serie zwischen Sternpunkt und Schutzleiteranschluss angeschlossen ist. Insbesondere ist die Fehlerschutzimpedanz zwischen dem Neutralleiteranschluss und dem Schutzleiteranschluss angeschlossen. Vorzugsweise ist die Fehlerschutzimpedanz zwischen dem Schutzleiteranschluss und einem Verbindungspunkt angeschlossen, über den der Sternpunkt des Gleichrichters mit einer Verbindungsimpedanz verbunden ist, die den Verbindungspunkt mit dem Neutralleiteranschluss verbindet.As mentioned, the AC charging circuit is equipped with a fault protection impedance. About this is the star point of the rectifier circuit connected to the protective conductor connection. The star point is connected directly or indirectly to the neutral conductor connection in order to at least partially derive the AC components of the potential of the protective conductor connection via the fault protection impedance. The fault protection impedance is designed as a high-pass filter. The star point is connected in series to the protective conductor connection via the fault protection impedance. In this case, the fault protection impedance can connect the star point to the protective conductor connection directly or indirectly (in particular switched). The fault protection impedance can be designed in one piece as a serially connected capacitor, but can also be in the form of an RC circuit connected in series between the star point and the protective earth connection. In particular, the fault protection impedance is connected between the neutral conductor terminal and the protective conductor terminal. The fault protection impedance is preferably connected between the protective earth connection and a connection point via which the star point of the rectifier is connected to a connection impedance which connects the connection point to the neutral connection.
Die Wechselstrom-Ladeschaltung weist vorzugsweise eine Zwischenkreiskondensatorschaltung auf, die parallel an zwei Gleichspannungsausgänge der Gleichrichterschaltung (gleichstromseitig) angeschlossen ist. Die Zwischenkreiskondensatorschaltung kann einteilig sein, d.h. kann einen Zwischenkreiskondensator umfassen, der die beiden Gleichspannungsausgänge verbindet, oder kann zwei Zwischenkreiskondensatoren umfassen, die über einen Verbindungspunkt der Zwischenkreiskondensatorschaltung miteinander verbunden sind. Hierbei kann dieser Verbindungspunkt direkt oder vorzugsweise geschaltet mit dem Sternpunkt verbunden sein. Insbesondere kann der Verbindungspunkt der Zwischenkreiskondensatorschaltung mit einem Ende der Fehlerschutzimpedanz verbunden sein (direkt oder über einen Schalter), während das andere Ende der Fehlerschutzimpedanz mit dem Schutzleiteranschluss verbunden ist. Die Zwischenkreiskondensatorschaltung kann für eine Gesamtspannung von mindestens 300 oder 350 V bzw. für eine Betriebsspannung von nicht mehr als 900 oder 1000 V ausgelegt sein. Bei einer mehrteiligen Zwischenkreiskondensatorschaltung sind die einzelnen Zwischenkreiskondensatoren ausgelegt auf eine derartige Spannung geteilt durch die Anzahl der seriell geschalteten Kondensatoren in der Zwischenkreiskondensatorschaltung.The AC charging circuit preferably has an intermediate circuit capacitor circuit which is connected in parallel to two DC voltage outputs of the rectifier circuit (DC side). The intermediate circuit capacitor circuit can be in one piece, i.e. it can comprise an intermediate circuit capacitor which connects the two DC voltage outputs, or it can comprise two intermediate circuit capacitors which are connected to one another via a connection point of the intermediate circuit capacitor circuit. In this case, this connection point can be connected directly or preferably in a switched manner to the neutral point. In particular, the connection point of the intermediate circuit capacitor circuit can be connected to one end of the fault protection impedance (directly or via a switch), while the other end of the fault protection impedance is connected to the protective earth terminal. The intermediate circuit capacitor circuit can be designed for a total voltage of at least 300 or 350 V or for an operating voltage of no more than 900 or 1000 V. In a multi-part intermediate circuit capacitor circuit, the individual intermediate circuit capacitors are designed for such a voltage divided by the number of series-connected capacitors in the intermediate circuit capacitor circuit.
Wie erwähnt kann die Zwischenkreiskondensatorschaltung eine Reihenschaltung zweier Zwischenkreiskondensatoren umfassen. Diese sind in Reihenschaltung über einen Verbindungspunkt (der Zwischenkreiskondensatorschaltung) miteinander verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist direkt oder über einen Zwischenkreisschalter mit dem Sternpunkt des Gleichrichters verbunden. Eine Steuereinheit, die den Zwischenkreisschalter ansteuert, ist vorzugsweise eingerichtet, den Schalter zu schließen, wenn ein Ladevorgang stattfindet, und zu öffnen, wenn ein Fehler auftritt, insbesondere wenn ein Fehler auftritt, der eine fehlerhafte Schutzleiteranbindung der Ladeschaltung wiedergibt.As mentioned, the intermediate circuit capacitor circuit can include a series connection of two intermediate circuit capacitors. These are connected in series via a connection point (the intermediate circuit capacitor circuit). This connection point is connected to the neutral point of the rectifier either directly or via an intermediate circuit switch. A control unit that controls the intermediate circuit switch is preferably set up to close the switch when charging is taking place and to open it when an error occurs, in particular when an error occurs that reflects a faulty protective conductor connection of the charging circuit.
Die Fehlerschutzimpedanz kann auf unterschiedliche Weise angebunden sein. Die Fehlerschutzimpedanz kann direkt mit dem Sternpunkt verbunden sein. Alternativ kann die Fehlerschutzimpedanz über einen Zwischenkreisschalter mit dem Sternpunkt verbunden sein. Die Fehlerschutzimpedanz kann direkt mit einem Verbindungspunkt zweier serieller Zwischenkreiskondensatoren (insbesondere dem vorangehend genannten Verbindungspunkt der Zwischenkreiskondensatorschaltung) verbunden sein. Ferner kann die Fehlerschutzimpedanz über einen Zwischenkreisschalter mit dem Verbindungspunkt der Zwischenkreiskondensatorschaltung verbunden sein. Dies betrifft insbesondere ein Ende der Fehlerschutzimpedanz, wobei das andere Ende mit dem Schutzleiteranschluss verbunden ist. Dies gilt auch für eine Reihenschaltung der Fehlerschutzimpedanz und einem hierzu seriellen Verbindungsschalter, wobei diese Reihenschaltung dann an die Stelle der Fehlerschutzimpedanz tritt. Mit anderen Worten kann die Fehlerschutzimpedanz auch geschaltet sein (durch einen der Impedanz vorgeschalteten Schalter).The fault protection impedance can be connected in different ways. The fault protection impedance can be connected directly to the neutral point. Alternatively, the fault protection impedance can be connected to the star point via an intermediate circuit switch. The fault protection impedance can be connected directly to a connection point of two serial intermediate circuit capacitors (in particular the previously mentioned connection point of the intermediate circuit capacitor circuit). Furthermore, the fault protection impedance can be connected to the connection point of the intermediate circuit capacitor circuit via an intermediate circuit switch. This applies in particular to one end of the fault protection impedance, the other end being connected to the protective conductor connection. This also applies to a series connection of the fault protection impedance and a connection switch connected in series thereto, with this series connection then taking the place of the fault protection impedance. In other words, the fault protection impedance can also be switched (by a switch connected upstream of the impedance).
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der Sternpunkt über eine Verbindungsimpedanz mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Der Verbindungspunkt kann direkt über die Verbindungsimpedanz mit dem Neutralleiteranschluss verbunden sein, oder es können in diese Verbindung weitere Elemente wie ein (Trenn-)Schalter, eine Sicherung oder ähnliches vorgesehen sein.According to further embodiments, the star point is connected to the neutral conductor connection via a connection impedance. The connection point can be connected directly to the neutral conductor connection via the connection impedance, or further elements such as a (disconnecting) switch, a fuse or the like can be provided in this connection.
Die Verbindungsimpedanz kann als ohmscher Widerstand, als Kondensator oder als Reihenschaltung oder Parallelschaltung hiervon ausgebildet sein.The connection impedance can be designed as an ohmic resistor, as a capacitor or as a series connection or parallel connection thereof.
Beispielsweise ist der Sternpunkt über die Fehlerschutzimpedanz und einen hierzu seriellen Verbindungsschalter mit dem Schutzleiteranschluss verbunden. Hierbei kann der Verbindungsschalter zwischen der Fehlerschutzimpedanz und dem Schutzleiteranschluss vorgesehen sein. Der Verbindungsschalter kann ferner zwischen der Fehlerschutzimpedanz und einem Verbindungspunkt vorgesehen sein, über den der Sternpunkt mit einer Verbindungsimpedanz verbunden ist, die zu dem Neutralleiteranschluss führt.For example, the star point is connected to the protective conductor connection via the fault protection impedance and a connection switch that is connected in series to this. In this case, the connection switch can be provided between the fault protection impedance and the protective conductor connection. The connection switch can also be provided between the fault protection impedance and a connection point via which the star point is connected to a connection impedance which leads to the neutral conductor connection.
Die Fehlerschutzimpedanz kann über einen Zwischenkreisschalter mit dem Sternpunkt verbunden sein. Die Fehlerschutzimpedanz kann ferner über einen Zwischenkreisschalter mit dem Verbindungspunkt zweier serieller Zwischenkreiskondensatoren der Zwischenkreiskondensatorschaltung verbunden sein. Zudem kann insbesondere eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Zwischenkreisschalter ansteuernd verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, den Zwischenkreisschalter in offenem Zustand vorzusehen, wenn ein Fehlerzustand in der Wechselstrom-Ladeschaltung vorliegt, oder wenn ein Fehlerzustand in einer Komponente vorliegt, die in einem Bordnetzzweig vorgesehen ist, der an die Gleichstromseite der Gleichrichterschaltung angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, den Zwischenkreisschalter in geschlossenem Zustand vorzusehen, wenn kein Fehlerzustand vorliegt.The fault protection impedance can be connected to the neutral point via an intermediate circuit switch. The fault protection impedance can also be connected to the connection point of two serial intermediate circuit capacitors of the intermediate circuit capacitor circuit via an intermediate circuit switch. In addition, a control device can be provided in particular, which is connected to the intermediate circuit switch in a driving manner. The control device is preferably set up to provide the intermediate circuit switch in the open state when there is a fault in the AC charging circuit, or when there is a fault in a component that is provided in an on-board branch that is connected to the DC side of the rectifier circuit. In particular, the control device is set up to provide the intermediate circuit switch in the closed state if there is no error state.
Der Fehlerzustand gibt hierbei insbesondere eine fehlerhafte Schutzleiteranbindung der Wechselstrom-Ladeschaltung wieder. Hierbei kann die fehlerhafte Schutzleiteranbindung von einem defekten Ladekabel zwischen Ladeschaltung und externer Wechselstromquelle herrühren, oder kann eine fehlerhafte Schutzleiteranbindung der externen Ladequelle selbst vorsehen.In this case, the error state reflects in particular a faulty protective conductor connection of the AC charging circuit. The faulty protective conductor connection can result from a defective charging cable between the charging circuit and the external AC power source, or it can be caused by a faulty protective conductor connection of the external charging source itself.
Es kann eine mehrphasige Trennschaltervorrichtung vorgesehen sein, die wechselstromseitig den Gleichrichter mit einem mehrphasigen Wechselstromanschluss, insbesondere einem mehrphasigen Phasenanschluss, verbindet. Hierbei können beispielsweise drei Phasenanschlüsse in dem Wechselstromanschluss vorliegen, die über individuelle Trennschalterelemente der Trennschaltervorrichtung mit einzelnen Phasen der Wechselstromseite des Gleichrichters verbunden sind. Die Wechselstrom-Ladeschaltung verfügt vorzugsweise über eine Spannungsmessvorrichtung, die ansteuernd mit der Trennschaltervorrichtung verbunden ist. Ferner hat die Messeinrichtung zwei Spannungspotentialeingänge, die mit dem Neutralleiteranschluss bzw. dem Schutzleiteranschluss verbunden sind. Mit anderen Worten ist die Spannungsmessvorrichtung ausgestattet, die Spannung zwischen Neutralleiteranschluss und Schutzleiteranschluss zu erfassen. Alternativ oder in Kombination hiermit ist die Spannungsmessvorrichtung ausgebildet, Spannungen zwischen den Phasenanschlüssen des Wechselstromanschlusses zu erfassen, oder eine Spannung zwischen mindestens einem der Phasenanschlüsse und dem Neutralleiteranschluss zu erfassen. Die Spannungsmessvorrichtung ist eingerichtet, die Trennschaltervorrichtung nur dann zu schließen, wenn zumindest eine dieser Spannungen nicht größer als eine vorgegebene Spannungsgrenze ist. Die Spannungsmessvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, ansonsten die Trennschaltervorrichtung in offenem Zustand anzusteuern. Die Spannungsgrenze kann beispielsweise 20, 30 oder 50 V betragen.A multi-phase circuit breaker device can be provided which, on the AC side, connects the rectifier to a multi-phase AC connection, in particular a multi-phase phase connection. In this case, for example, there can be three phase connections in the AC connection, which are connected to individual phases of the AC side of the rectifier via individual isolating switch elements of the isolating switch device. The AC charging circuit preferably has a voltage measuring device drivingly connected to the circuit breaker device. Furthermore, the measuring device has two voltage potential inputs that are connected to the neutral conductor connection and the protective conductor connection. In other words, the voltage measuring device is equipped to detect the voltage between the neutral conductor connection and the protective conductor connection. Alternatively or in combination with this, the voltage measuring device is designed to detect voltages between the phase connections of the AC connection, or to detect a voltage between at least one of the phase connections and the neutral conductor connection. The voltage measuring device is set up to close the isolating switch device only if at least one of these voltages is not greater than a predetermined voltage limit. The voltage measuring device is preferably set up so that it otherwise controls the disconnector device in the open state. The voltage limit can be 20, 30 or 50 V, for example.
Die Gleichrichterschaltung ist vorzugsweise als serieller Gleichrichter ausgebildet. Der Sternpunkt entspricht dann dem freien Sternpunkt des Vienna-Gleichrichters. Der Vienna-Gleichrichter ist mehrphasig ausgebildet und weist pro Phase eine Schaltzelle auf. Jede Schaltzelle umfasst zwei Halbbrücken (schaltbar oder nicht schaltbar), die jeweils zwei Schaltelemente aufweisen, die über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Der Verbindungspunkt einer der Halbbrücken jeder Zelle ist (über eine Induktivität) mit einem Phasenanschluss verbunden. Die zweite Halbbrücke umfasst zwei über einen Verbindungspunkt dieser Halbbrücke verbundene Schaltelemente. Die Verbindungspunkte der zweiten Halbbrücken der Schaltzellen sind miteinander verbunden und bilden den Sternpunkt, der als freier Sternpunkt bezeichnet wird. Mit anderen Worten weist der Vienna-Gleichrichter mehrere Schaltzellen auf, die Halbbrücken aufweisen, die jeweils einen Verbindungspunkt haben, über den die Schaltelemente der Halbbrücke miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindungspunkte miteinander verbunden sind und den Sternpunkt bilden. Als Schaltelemente werden hierbei durch äußere Signale gesteuerte Schaltelemente wie Transistoren oder Thyristoren bezeichnet, sowie Dioden, deren Schaltzustand gesteuert wird von der Spannung, die an ihnen anliegt (und somit nicht von einem Steuersignal an einen Steuereingang geschaltet werden).The rectifier circuit is preferably designed as a serial rectifier. The star point then corresponds to the free star point of the Vienna rectifier. The Vienna rectifier has a multi-phase design and has one switching cell per phase. Each switching cell comprises two half-bridges (switchable or non-switchable), each having two switching elements that are connected to one another via a connection point. The connection point of one of the half-bridges of each cell is connected (via an inductor) to a phase connection. The second half-bridge includes two switching elements connected via a connection point of this half-bridge. The connection points of the second half-bridges of the switching cells are connected to one another and form the star point, which is referred to as the free star point. In other words, the Vienna rectifier has a number of switching cells which have half bridges which each have a connection point via which the switching elements of the half bridge are connected to one another, these connection points being connected to one another and forming the neutral point. Switching elements are switching elements controlled by external signals, such as transistors or thyristors, as well as diodes whose switching state is controlled by the voltage applied to them (and are therefore not switched by a control signal to a control input).
Die Gleichrichterschaltung kann ausgelegt sein gemäß einer dreiphasigen Wechselspannung von 230 V Effektivspannung bei einer Frequenz von 50 Hz. The rectifier circuit can be designed according to a three-phase AC voltage of 230 V rms voltage at a frequency of 50 Hz.
Ferner kann die Gleichrichterschaltung ausgelegt sein für eine Ausgangspannung bei einer derartigen Wechselstrom-Eingangsspannung von 600 bis 800 V, insbesondere von 700 bis 750 V. Bezogen auf eine Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung von 700 bis 750 V kann die Fehlerschutzimpedanz in einer Kapazität von 250 bis 400 nF ausgebildet sein, insbesondere mit einer Fehlerschutzimpedanz, die als Kondensator mit einer Kapazität von weniger als 800 nF ausgebildet ist. Insbesondere ist die Fehlerschutzimpedanz größer als 10, 50 oder 100 nF. Bei einer Auslegung der Ladeschaltung für eine Eingangsspannung mit einer anderen Frequenz ist diese Kapazität mit einem Faktor zu multiplizieren, der 50 Hz geteilt durch die andere Frequenz entspricht. Wird die Gleichrichterschaltung für eine andere Wechselspannung ausgelegt, so ist der Kapazitätswert mit einem Faktor zu multiplizieren, der der verketteten Wechselspannung geteilt durch die verkettete Wechselspannung eines dreiphasigen Wechselstromsystems mit einer Effektivspannung von 230 V entspricht. Die Fehlerschutzimpedanz kann an einem Ausführungsbeispiel (für eine dreiphasige Wechselspannung von 230 V Effektivspannung bei 50 Hz) ausgelegt werden als Kondensator mit 300 nF, 320 nF, 350 nF, 360 nF oder 400 nF, insbesondere mit einer Kapazität von mindestens 150 nF, 200 nF oder 300 nF und von nicht mehr als 500 nF, 450 nF oder 400 nF.Furthermore, the rectifier circuit can be designed for an output voltage with such an AC input voltage of 600 to 800 V, in particular from 700 to 750 V. Based on an output voltage of the rectifier circuit of 700 to 750 V, the fault protection impedance can have a capacitance of 250 to 400 nF be designed, in particular with a fault protection impedance, which is designed as a capacitor with a capacity of less than 800 nF. In particular, the fault protection impedance is greater than 10, 50 or 100 nF. If the charging circuit is designed for an input voltage with a different frequency, this capacitance must be multiplied by a factor that corresponds to 50 Hz divided by the other frequency. If the rectifier circuit is designed for a different AC voltage, the capacitance value must be multiplied by a factor of the line-to-line AC voltage divided by the line-to-line AC voltage of a corresponds to a three-phase alternating current system with an effective voltage of 230 V. In one embodiment (for a three-phase AC voltage of 230 V effective voltage at 50 Hz), the fault protection impedance can be designed as a capacitor with 300 nF, 320 nF, 350 nF, 360 nF or 400 nF, in particular with a capacitance of at least 150 nF, 200 nF or 300 nF and not exceeding 500 nF, 450 nF or 400 nF.
Die
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Die Ladeschaltung LS umfasst zudem eine Gleichrichterschaltung PFC, die wechselstromseitig mit den Phasenanschlüssen L1 bis L3 verbunden ist. Gleichstromseitig weist die Gleichrichterschaltung zwei Gleichspannungsausgänge HV+, HV- auf, zwischen denen die gleichgerichtete Gleichspannung erzeugt wird. Zudem verfügt die Gleichrichterschaltung PFC über einen Sternpunkt SP bzw. über einen betreffenden Anschluss. Der Gleichrichterschaltung PFC nachgeschaltet ist eine Zwischenkreiskondensatorschaltung mit zwei über einen Verbindungspunkt V verbundenen Zwischenkreiskondensatoren ZK. Die sich ergebende Zwischenkreiskondensatorschaltung ist parallel an die Gleichspannungsausgänge HV+, HV- angeschlossen.The charging circuit LS also includes a rectifier circuit PFC, which is connected to the phase connections L1 to L3 on the AC side. On the DC side, the rectifier circuit has two DC voltage outputs HV+, HV-, between which the rectified DC voltage is generated. In addition, the rectifier circuit PFC has a star point SP or a relevant connection. An intermediate circuit capacitor circuit with two intermediate circuit capacitors ZK connected via a connection point V is connected downstream of the rectifier circuit PFC. The resulting intermediate circuit capacitor circuit is connected in parallel to the DC voltage outputs HV+, HV-.
Weiterhin ist ein EMV-Filter dargestellt, der zwei Kondensatoren C1 aufweist, die über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Dieser EMV-Filter ist Teil der fahrzeugseitigen Ladeschaltung LS. Die äußeren Enden dieses EMV-Filters sind mit den Gleichspannungsanschlüssen HV+, HV- verbunden, und der Verbindungspunkt ist mit dem Schutzleiteranschluss PE verbunden. Über einen symbolhaft dargestellten Bordnetzzweiganschluss BS des Ladeschaltung LS kann ein weiterer Bordnetzzweig angeschlossen sein, der über einen symbolhaft dargestellten weiteren EMV-Filter verfügt. Der Bordnetzzweig ist an die fahrzeugseitigen Ladeschaltung LS angeschlossen. Der EMV-Filter des Bordnetzzweigs, der an die Ladeschaltung LS angeschlossen ist, umfasst ebenso zwei seriell geschaltete Kondensatoren C2, wobei auch hier der Verbindungspunkt zwischen diesen Kondensatoren mit dem Schutzleiter PE verbunden ist. Der dargestellte Bordnetzzweig, der über die Schnittstelle BS an die Ladeschaltung LS angeschlossen ist, weist zudem Akkumulatoranschlüsse AA auf. An diesen ist ein Traktionsakkumulator A angeschlossen. Dieser ist ein Hochvolt-Traktionsakkumulator mit einer Nennspannung von mehr als 400 V, insbesondere von beispielsweise 800, 850, 900 oder 1000 V.Furthermore, an EMC filter is shown, which has two capacitors C1, which are connected to one another via a connection point. This EMC filter is part of the on-board charging circuit LS. The outer ends of this EMC filter are connected to the DC voltage terminals HV+, HV- and the connection point is connected to the protective conductor terminal PE. A further on-board branch connection BS of the charging circuit LS, shown symbolically, can be connected to another branch branch, which has a further EMC filter, shown symbolically. The vehicle electrical system branch is connected to the on-board charging circuit LS. The EMC filter of the vehicle electrical system branch, which is connected to the charging circuit LS, also includes two series-connected capacitors C2, with the connection point between these capacitors also being connected to the protective conductor PE here. The vehicle electrical system branch shown, which is connected to the charging circuit LS via the interface BS, also has accumulator connections AA. A traction accumulator A is connected to this. This is a high-voltage traction battery with a nominal voltage of more than 400 V, in particular 800, 850, 900 or 1000 V, for example.
Es ist ersichtlich, dass bei einer fehlerhaften Schutzleiteranbindung die Energien der Zwischenkreiskondensatoren bzw. der EMV-Filter, dargestellt durch C1 und C2, einen korrekten Schutzleiteranschluss erfordern, um so Berührspannungen zu vermeiden. Über den Sternpunkt SP wird an die Zwischenkreiskondensatorschaltung ZK ein Wechselstromsignal übertragen, das insbesondere asymmetrischen Wechselstromkomponenten entspricht. Um diese bei einer fehlerhaften Schutzleiteranbindung nicht (vollständig) an einen Nutzer zu übertragen, der das Chassis bzw. das Schutzleiterpotential des Fahrzeugs berührt, ist die Fehlerschutzimpedanz ZY vorgesehen. Diese ist mit dem Schutzleiteranschluss PE verbunden. Dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der die Fehlerschutzimpedanz ZY über einen seriellen Verbindungsschalter S2 mit dem Schutzleiteranschluss PE verbunden ist. Eine Alternative ist es, den Schalter S2 auf der anderen Seite der Fehlerschutzimpedanz zu platzieren, insbesondere zwischen der Fehlerschutzimpedanz ZY und dem dargestellten Verbindungspunkt zwischen dem Sternpunkt SP und einer Verbindungsimpedanz ZN.It can be seen that if the protective conductor connection is faulty, the energies of the intermediate circuit capacitors or the EMC filters, represented by C1 and C2, require a correct protective conductor connection in order to avoid touch voltages. An AC signal is transmitted to the intermediate circuit capacitor circuit ZK via the star point SP, which AC signal corresponds in particular to asymmetrical AC components. In the event of a faulty protective conductor connection, the fault protection impedance ZY is provided so that this is not (completely) transmitted to a user who is touching the chassis or the protective conductor potential of the vehicle. This is connected to the protective conductor connection PE. An embodiment is shown in which the fault protection impedance ZY is connected to the protective earth connection PE via a serial connection switch S2. An alternative is to place the switch S2 on the other side of the fault protection impedance, in particular between the fault protection impedance ZY and the illustrated connection point between the star point SP and a connection impedance ZN.
Die dargestellte Ausführungsform sieht einen Verbindungspunkt V vor, über den die Zwischenkreiskondensatoren ZK miteinander verbunden sind. Dieser Verbindungspunkt V der Zwischenkreiskondensatorschaltung ist über einen Schalter S1 mit dem Sternpunkt SP der Gleichrichterschaltung PFC verbunden. Eine alternative Ausführungsform sieht eine nichtgeschaltete Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt V und dem Sternpunkt SP vor. Hierbei kann der Zwischenkreisschalter sich an einer anderen Position befinden, nämlich zwischen dem Verbindungspunkt V der Zwischenkreiskondensatorschaltung und der Fehlerschutzimpedanz ZY. Dieser alternative Zwischenkreisschalter ist mit dem Bezugszeichen S1' gekennzeichnet. Ferner ist dargestellt, dass die Fehlerschutzimpedanz ZY direkt mit dem Sternpunkt SP verbunden ist. Alternative Ausführungsformen sehen vor, dass die Fehlerschutzimpedanz ZY mit dem Verbindungspunkt V der Zwischenkreiskondensatorschaltung verbunden ist (über einen Schalter oder direkt), während der Sternpunkt SP mit dem Verbindungspunkt V direkt oder über einen Schalter verbunden sein kann.The embodiment shown provides a connection point V via which the intermediate circuit capacitors ZK are connected to one another. This connection point V of the intermediate circuit capacitor circuit is connected to the star point SP of the rectifier circuit PFC via a switch S1. An alternative embodiment provides a non-switched connection between the connection point V and the star point SP. In this case, the intermediate circuit switch can be in a different position, namely between the connection point V of the intermediate circuit capacitor circuit and the fault protection impedance ZY. This alternative intermediate circuit switch is identified by the reference symbol S1'. It is also shown that the fault protection impedance ZY is connected directly to the star point SP. Alternative embodiments provide that the fault protection impedance ZY is connected to the connection point V of the intermediate circuit capacitor circuit (via a switch or directly), while the star point SP can be connected to the connection point V directly or via a switch.
Dargestellt ist ferner eine Verbindungsimpedanz ZN, die das dem Schutzleiter PE abgewandte Ende der Fehlerschutzimpedanz mit dem Neutralleiter N verbindet. Die Verbindungsimpedanz kann ebenso kapazitiv ausgebildet sein, kann als Widerstand ausgeführt sein oder als eine Kombination von mindestens einem Widerstand und mindestens einem Kondensator. Insbesondere ist die Verbindungsimpedanz ZN als Seriellschaltung eines Widerstands eines Kondensators ausgebildet, kann jedoch auch als Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators ausgebildet sein, wobei diese Parallelschaltung den Sternpunkt SP seriell mit dem Neutralleiteranschluss N verbindet.Also shown is a connection impedance ZN, which connects the end of the fault protection impedance facing away from the protective conductor PE to the neutral conductor N. The connection impedance can also be capacitive, can be implemented as a resistor or as a combination of at least one resistor and at least one capacitor. In particular, the connection impedance ZN is in the form of a resistor and a capacitor connected in series, but it can also be in the form of a resistor and a capacitor connected in parallel, with this parallel circuit connecting the star point SP to the neutral conductor connection N in series.
Ferner ist eine Steuerung C vorgesehen, die die dargestellten Schalter S1 bzw. S1' sowie S2 ansteuert. Die Steuerung C ist eingerichtet, den Schalter S1 bzw. S1' zu schließen, wenn erkannt wird, dass ein Fehler in der Schutzleiteranbindung besteht. In diesem Fall wird vorzugsweise auch der Schalter S2 geschlossen. Besteht kein Fehler in der Schutzleiteranbindung, dann können die Schalter S1 bzw. S1' und S2 geöffnet werden.A controller C is also provided, which controls the switches S1 or S1′ and S2 shown. The controller C is set up to close the switch S1 or S1' when it is detected that there is a fault in the protective conductor connection. In this case, the switch S2 is preferably also closed. If there is no error in the protective conductor connection, switches S1 or S1' and S2 can be opened.
Eine Spannungsmessvorrichtung M der fahrzeugseitigen Ladeschaltung LS erfasst die zwischen dem Neutralleiteranschluss N und dem Schutzleiteranschluss PE anliegende Spannung. Ist diese größer als eine Grenze, die etwa 20, 30 oder 50 V (insbesondere weniger als 60 V) betragen kann, dann öffnet die Spannungsmessvorrichtung die Trennschaltervorrichtung TS, die zwischen den Phasenanschlüssen L1 bis L3 und der Gleichrichterschaltung PFC vorliegt. Allgemein kann die Spannungsmessvorrichtung M eingerichtet sein, die Trennschaltervorrichtung TS in einem offenen Zustand vorzusehen, wenn an den Phasenanschlüssen L1 bis L3 (untereinander oder gegenüber Potential N) keine Spannung vorliegt und/oder wenn auch gegeben ist, dass zwischen dem Neutralleiteranschluss N und dem Schutzleiteranschluss PE keine Spannung vorliegt.A voltage measuring device M of the charging circuit LS on the vehicle side detects the voltage present between the neutral conductor connection N and the protective conductor connection PE. If this is greater than a limit, which can be about 20, 30 or 50 V (in particular less than 60 V), then the voltage measuring device opens the isolating switch device TS, which is present between the phase terminals L1 to L3 and the rectifier circuit PFC. In general, the voltage measuring device M can be set up to provide the isolating switch device TS in an open state when there is no voltage at the phase connections L1 to L3 (among each other or with respect to potential N) and/or when there is also that between the neutral conductor connection N and the protective conductor connection PE no voltage present.
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