DE102023001341A1 - Protection device for a direct current electrical network, vehicle electrical system, vehicle and direct current charging station - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung (8) für ein Gleichstromnetz (1), umfassend eine jeweilige Spannungsmessvorrichtung (SV1, SV2) zwischen einer jeweiligen Potentialleitung (HV+L, HV-L) und einer Bezugspotentialleitung (ML) und eine Schutzschaltung (9) mit einem Schutzschalter (SS1, SS2) zwischen der jeweiligen Potentialleitung (HV+L, HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) und mindestens einem Widerstand (R, R1, R2), der als ein Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 Ω oder als ein spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet ist, wobei der jeweilige Schutzschalter (SS1, SS2) bei einem mittels der jeweiligen Spannungsmessvorrichtung (SV1, SV2) ermittelten Eintritt mindestens eines Auslösekriteriums zum Schließen ansteuerbar ist.The invention relates to a protective device (8) for a DC network (1), comprising a respective voltage measuring device (SV1, SV2) between a respective potential line (HV+L, HV-L) and a reference potential line (ML) and a protective circuit (9). a circuit breaker (SS1, SS2) between the respective potential line (HV+L, HV-L) and the reference potential line (ML) and at least one resistor (R, R1, R2), which acts as a resistor with a fixed resistance value of maximum 800 Ω or is designed as a voltage-dependent resistor, wherein the respective circuit breaker (SS1, SS2) can be controlled to close when at least one triggering criterion is determined by the respective voltage measuring device (SV1, SV2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und eine Gleichstromladestation.The invention relates to a protective device for an electrical DC network according to the features of the preamble of claim 1, an on-board network for a vehicle, a vehicle and a DC charging station.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem solchen Bordnetz und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Gleichstromladestation anzugeben.The invention is based on the object of specifying a protective device for an electrical direct current network that is improved compared to the prior art, an on-board network for a vehicle that is improved compared to the prior art, a vehicle with such an on-board network and a direct current charging station that is improved compared to the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und eine Gleichstromladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 10.The object is achieved according to the invention by a protective device for an electrical DC network having the features of claim 1, an on-board network for a vehicle having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, insbesondere für ein Hochvoltnetz, umfasst eine erste Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Pluspotentialleitung und einer Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und eine zweite Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung. Das Bezugspotential ist insbesondere ein elektrisches Massepotential, bei Verwendung der Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug insbesondere ein Fahrzeugmassepotential, bei Verwendung der Schutzvorrichtung in einer Gleichstromladestation beispielsweise ein Erdpotential.A protective device according to the invention for an electrical DC network, in particular for a high-voltage network, includes a first voltage measuring device between a positive potential line and a reference potential line for measuring a voltage between the positive potential line and the reference potential line and a second voltage measuring device between a negative potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the negative potential line and the reference potential line. The reference potential is in particular an electrical ground potential, in particular a vehicle ground potential when using the protective device in a vehicle, for example a ground potential when using the protective device in a DC charging station.
Die Schutzvorrichtung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung mit einem ersten Schutzschalter zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung, einem zweiten Schutzschalter zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und mindestens einem elektrischen Widerstand.The protective device also includes a protective circuit with a first protective switch between the positive potential line and the reference potential line, a second protective switch between the negative potential line and the reference potential line and at least one electrical resistor.
Der mindestens eine elektrische Widerstand ist als ein elektrischer Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 Ω ausgebildet, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als ein menschlicher Körperwiderstand, d. h. als ein Körperwiderstand einer Person, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω.The at least one electrical resistor is designed as an electrical resistor with a fixed resistance value of at most 800 Ω, in particular at most 600 Ω, in particular smaller, in particular significantly smaller, than a human body resistance, i. H. as a body resistance of a person, in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω.
Alternativ ist der mindestens eine elektrische Widerstand als ein spannungsabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildet. Der mindestens eine als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildete elektrische Widerstand ist insbesondere derart ausgebildet, dass sich ein Widerstandswert des spannungsabhängigen elektrischen Widerstands bei einer sich erhöhenden elektrischen Spannung über Anschlüssen des spannungsabhängigen elektrischen Widerstands reduziert, insbesondere zunehmend reduziert. Insbesondere ist ein maximaler Widerstandswert des mindestens einen als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildeten elektrischen Widerstands maximal 800 Ω, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als ein menschlicher Körperwiderstand, d. h. als ein Körperwiderstand einer Person, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω. Dies gilt somit für alle Widerstandswerte, die der spannungsabhängige elektrische Widerstand bei den auftretenden elektrischen Spannungen über seinen Anschlüssen aufweisen kann. Der spannungsabhängige elektrische Widerstand ist somit so gestaltet, dass sein Widerstandswert mit zunehmender Spannung über seinen Anschlüssen kleinere Widerstandswerte annimmt. Diese Widerstandswerte betragen zudem maximal 800 Ω, insbesondere maximal 600 Ω, sind insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der menschliche Körperwiderstand, d. h. als der Körperwiderstand einer Person, betragen insbesondere maximal 200 Ω, sind insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω. Dadurch wird die Durchströmung des menschlichen Körpers deutlich reduziert. Der spannungsabhängige elektrische Widerstand ist beispielsweise als ein Varistor oder als eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Varistoren, beispielsweise mit und/oder ohne einer Zusatzbeschaltung, ausgebildet. Die Zusatzbeschaltung ist insbesondere ein Serienwiderstand, um den Varistorstrom zu begrenzenAlternatively, the at least one electrical resistor is in the form of a voltage-dependent electrical resistor. The at least one electrical resistor designed as a voltage-dependent electrical resistor is designed in particular such that a resistance value of the voltage-dependent electrical resistor is reduced, in particular progressively reduced, with an increasing electrical voltage across terminals of the voltage-dependent electrical resistor. In particular, a maximum resistance value of the at least one electrical resistor designed as a voltage-dependent electrical resistor is a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular smaller, in particular significantly smaller, than a human body resistance, i. H. as a body resistance of a person, in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω. This therefore applies to all resistance values that the voltage-dependent electrical resistance can have given the electrical voltages that occur across its connections. The voltage-dependent electrical resistor is thus designed in such a way that its resistance value decreases as the voltage across its connections increases. In addition, these resistance values amount to a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, and are in particular smaller, in particular significantly smaller, than the human body resistance, i. H. than the body resistance of a person, amount in particular to a maximum of 200 Ω, are in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω. This significantly reduces the flow through the human body. The voltage-dependent electrical resistance is designed, for example, as a varistor or as a series connection and/or parallel connection of a plurality of varistors, for example with and/or without additional circuitry. The additional circuit is in particular a series resistor to limit the varistor current
Der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter sind/ist bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt mindestens eines vorgegebenen Auslösekriteriums oder mehrerer vorgegebener Auslösekriterien, beispielsweise bei einer mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Spannungsänderung auf einer e-Funktion mit einer Zeitkonstante in einem vorgegebenen Frequenzbandbereich und/oder bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes, zum Schließen ansteuerbar. Diese Auswertung, d. h. die Ermittlung des Eintritts des mindestens einen Auslösekriteriums oder der mehreren Auslösekriterien mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung, erfolgt beispielsweise digital oder analog.The first circuit breaker and/or the second circuit breaker are/is upon the occurrence of at least one predetermined triggering criterion or multiple predetermined triggering criteria determined by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device, for example in the case of one by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device determined voltage change on an e-function with a time constant in a predetermined frequency band range and/or when the voltage falls below a predetermined voltage value determined by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device, for closing. This evaluation, i. H. the determination of the occurrence of the at least one triggering criterion or the multiple triggering criteria by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device takes place, for example, digitally or analogously.
Die Schutzvorrichtung verfügt somit über eine Auswertung von Spannungsniveaus zwischen Pluspotential und Bezugspotential und zwischen Minuspotential und Bezugspotential. Hierüber werden die Schutzschalter jeweils angesteuert, sofern das mindestens eine vorgegebene Auslösekriterium gegeben ist oder die mehreren vorgegebenen Auslösekriterien gegeben sind.The protective device thus has an evaluation of voltage levels between positive potential and reference potential and between negative potential and reference potential. The circuit breakers are each controlled via this if the at least one predetermined triggering criterion is given or the plurality of predetermined triggering criteria are given.
Alternativ zu den beiden Spannungsmessvorrichtungen kann eine Fehlerstrommessvorrichtung in der Bezugspotentialleitung vorgesehen sein. Dann ist in beiden Varianten der Schutzschaltung der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter bei einem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom zum Schließen ansteuerbar.As an alternative to the two voltage measuring devices, a residual current measuring device can be provided in the reference potential line. Then, in both variants of the protective circuit, the first circuit breaker and/or the second circuit breaker can be controlled to close when a fault current is measured by means of the fault current measuring device.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches Bordnetz, insbesondere Hochvoltbordnetz, für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfasst die oben beschriebene Schutzvorrichtung.An electrical vehicle electrical system according to the invention, in particular a high-voltage vehicle electrical system, for a vehicle, in particular for an electric vehicle or hybrid vehicle, includes the protective device described above.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfasst die oben beschriebene Schutzvorrichtung, insbesondere ein solches elektrisches Bordnetz, insbesondere Hochvoltbordnetz, mit einer solchen Schutzvorrichtung.A vehicle according to the invention, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, includes the protective device described above, in particular such an on-board electrical system, in particular a high-voltage on-board electrical system, with such a protective device.
Eine erfindungsgemäße, insbesondere fahrzeugexterne, Gleichstromladestation, insbesondere Hochvoltgleichstromladestation, insbesondere zum elektrischen Laden eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie eines solchen Fahrzeugs, umfasst die oben beschriebene Schutzvorrichtung.An inventive, in particular vehicle-external, direct current charging station, in particular high-voltage direct current charging station, in particular for electrically charging a vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, in particular a high-voltage battery of such a vehicle, comprises the protective device described above.
Unter dem Begriff „Hochvolt“ ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.The term "high voltage" is to be understood in particular as an electrical direct voltage which is in particular greater than approximately 60 V. In particular, the term “high voltage” must be interpreted in accordance with the ECE R 100 standard.
Die erfindungsgemäße Lösung löst die mit Y-Kondensatoren in Fahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, und in Gleichstromladestationen verbundenen Probleme, wie im Folgenden erläutert wird. Solche Y-Kondensatoren werden als Maßnahmen verwendet, um Emission von EMV-Störungen zu reduzieren (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit). Allerdings stellen sie ein erhöhtes Gefährdungspotential aus Hochvoltsicherheitsgründen dar. In verschiedenen Normen werden eine enthaltene Ladungsmenge oder eine gespeicherte Energie der Y-Kondensatoren als gesundheitsgefährdendes Merkmal genannt. Beispielsweise wird in der Norm SAE J1772, IEC60479-1 und -2 die enthaltene Ladungsmenge in den Y-Kondensatoren als gesundheitsgefährdendes Merkmal genannt (C1-Kennlinie). Mit zunehmender Betriebsspannung des Fahrzeugs wird es immer schwieriger, geforderte Grenzwerte dieser Normen einzuhalten. Teilweise sind auch alternative Maßnahmen, so genannte alternative Measures, zur Einhaltung von Sicherheitsvorgaben, beispielsweise eine verstärkte, insbesondere doppelte, elektrische Isolation, nicht zugelassen. Die weitere Norm LV123 und damit verbundene Normen schreiben beispielsweise einen maximalen Energieinhalt von 0,2 J für die Ladungsmenge aller Y-Kondensatoren vor. Wenn der Ausweg über die alternativen Maßnahmen erlaubt ist, dann kann beispielsweise die bereits erwähnte verstärkte, insbesondere doppelte, elektrische Isolation verwendet werden. Dies ist jedoch nur umsetzbar, wenn alle Hochvoltsysteme, die miteinander gekoppelt werden, entsprechend verstärkt isoliert sind. D. h. dass beispielsweise beim Gleichstromladen sowohl das Fahrzeug als auch die Gleichstromladestation, insbesondere Ladesäule, entsprechend verstärkt isoliert sein müssen. Da hierfür jedoch kein zwingender Standard existiert, wären auch Kopplungen von Systemen mit unterschiedlichen Isolationsauslegungen möglich, wodurch die Sicherheitsanforderungen nicht eingehalten werden.The solution according to the invention solves the problems associated with Y-capacitors in vehicles, in particular in electric vehicles and hybrid vehicles, and in DC charging stations, as will be explained below. Such Y-capacitors are used as measures to reduce the emission of EMC interference (EMC = electromagnetic compatibility). However, they represent an increased risk potential for high-voltage safety reasons. In various standards, the amount of charge contained or the energy stored in the Y-capacitors is named as a feature that is hazardous to health. For example, in the SAE J1772, IEC60479-1 and -2 standard, the amount of charge contained in the Y-capacitors is named as a feature that is hazardous to health (C1 characteristic). As the operating voltage of the vehicle increases, it becomes more and more difficult to comply with the limit values required by these standards. In some cases, alternative measures, so-called alternative measures, for complying with safety specifications, for example reinforced, in particular double, electrical insulation, are also not permitted. The additional standard LV123 and associated standards stipulate, for example, a maximum energy content of 0.2 J for the amount of charge on all Y-capacitors. If the way out via the alternative measures is allowed, then, for example, the already mentioned reinforced, in particular double, electrical insulation can be used. However, this can only be implemented if all high-voltage systems that are coupled with each other are appropriately insulated. i.e. that, for example, when charging with direct current, both the vehicle and the direct current charging station, in particular the charging station, must be insulated accordingly. However, since there is no mandatory standard for this, it would also be possible to connect systems with different insulation designs, which means that the safety requirements are not met.
Dieses Problem wird durch die beschriebene Erfindung gelöst, denn durch eine Spannungsmessung je Hochvoltpotential zum Bezugspotential, insbesondere Massepotential, wird eine Verschiebung der Hochvoltpotentiale bezogen auf das Bezugspotential erkannt, welche die Folge eines Körperstroms sein kann, d. h. die Folge eines, insbesondere menschlichen, Körperkontakts mit einem der Hochvoltpotentiale und mit dem Bezugspotential. Um beim betroffenen Hochvoltpotential, bei welchem sich die Spannung zum Bezugspotential reduziert, die Spannung so schnell wie möglich zu reduzieren, wird der Widerstand hinzugeschaltet. Die Spannung zwischen dem betroffenen Hochvoltpotential zum Bezugspotential springt dadurch schlagartig auf ein wesentlich niedrigeres Niveau, wodurch sich der Körperstrom proportional zur Spannung reduziert. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine Reduzierung eines durch die Y-Kondensatoren verursachten elektrischen Schlags für den, insbesondere menschlichen, Körper. Eine Einhaltung der oben beschriebenen Anforderungen wird somit ermöglicht. Ebenfalls ist es möglich, die durch den Körperwiderstand umgesetzte elektrische Energie der Y-Kondensatoren auf ein Maß unterhalb von 0,2 J zu begrenzen, obwohl die in den Y-Kondensatoren gespeicherte Energie wesentlich höher sein kann.This problem is solved by the invention described, because a voltage measurement for each high-voltage potential relative to the reference potential, in particular ground potential, detects a shift in the high-voltage potentials relative to the reference potential, which can be the result of a body current, i. H. the result of physical contact, particularly human contact, with one of the high-voltage potentials and with the reference potential. In order to reduce the voltage as quickly as possible at the affected high-voltage potential, at which the voltage is reduced to the reference potential, the resistor is switched on. The voltage between the affected high-voltage potential and the reference potential suddenly jumps to a much lower level, which reduces the body current in proportion to the voltage. The solution according to the invention thus makes it possible to reduce an electric shock to the body, in particular the human body, caused by the Y capacitors. Compliance with the requirements described above is thus made possible. It is also possible to limit the electrical energy dissipated by body resistance of the Y-capacitors to a level below 0.2 J, although the energy stored in the Y-capacitors can be much higher.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Schutzschaltung eine elektrische Reihenschaltung des elektrischen Widerstands und des ersten Schutzschalters zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und eine elektrische Reihenschaltung des elektrischen Widerstands, d. h. desselben elektrischen Widerstands, und des zweiten Schutzschalters zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung.In one possible embodiment, the protective circuit comprises an electrical series circuit of the electrical resistor and the first protective switch between the plus potential line and the reference potential line and an electrical series circuit of the electrical resistor, i. H. the same electrical resistance, and the second protective switch between the negative potential line and the reference potential line.
Diese Ausführungsform der Schutzschaltung ist eine bauteiloptimierte Schutzschaltung. Bei der Schutzschaltung, welche einer Reduzierung eines CY-Schlages dient, d. h. eines Stromschlages einer Person durch Y-Kondensatoren, ist davon auszugehen, dass nur ein Potential, d. h. ein Pluspotential oder ein Minuspotential, über einen Körperwiderstand der Person mit einer Gehäusemasse verbunden ist. Wären beide Potentiale mit der Gehäusemasse verbunden, würde dies einem Kurzschluss einer Batterie eines Fahrzeugs, bei Verwendung der Schutzvorrichtung im Fahrzeug, oder einen Kurzschluss einer Gleichstromladestation, beispielsweise Ladesäule, bei Verwendung der Schutzvorrichtung in der Gleichstromladestation, gleichkommen, der durch eine Sicherung oder einen Stromsensor mit dadurch gesteuerter Abschaltvorrichtung getrennt werden muss. Dadurch wird ersichtlich, dass die Schutzschaltung für das Pluspotential und das Minuspotential nie zur selben Zeit zum Einsatz kommt. Somit kann der elektrische Widerstand auf die beschriebene Weise zur Absicherung beider Potentiale verwendet werden.This embodiment of the protection circuit is a component-optimized protection circuit. In the protective circuit, which serves to reduce a CY shock, ie an electric shock to a person through Y capacitors, it can be assumed that only one potential, ie a plus potential or a minus potential, is connected to a housing ground via a body resistance of the person. If both potentials were connected to the chassis ground, this would equate to a short-circuit in a vehicle battery when using the protective device in the vehicle, or a short-circuit in a DC charging station, for example a charging station, when using the protective device in the DC charging station, which is caused by a fuse or a current sensor must be disconnected with the shut-off device controlled thereby. This makes it clear that the protective circuit for the plus potential and the negative potential is never used at the same time. The electrical resistance can thus be used in the manner described to protect both potentials.
Bei dieser Ausführungsform der Schutzschaltung, die nur den einen elektrischen Widerstand umfasst, d. h. den selben elektrischen Widerstand für die elektrische Reihenschaltung mit dem ersten Schutzschalter zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und mit dem zweiten Schutzschalter zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung verwendet, ist dabei insbesondere vorgesehen, dass bei dem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt des mindestens einen vorgegebenen Auslösekriteriums oder der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien bzw. bei dem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom nicht beide Schutzschalter, insbesondere nicht gleichzeitig, zum Schließen ansteuerbar sind bzw. angesteuert werden, sondern jeweils nur einer der beiden Schutzschalter, insbesondere in Abhängigkeit davon, an welcher oder im Bereich welcher Potentialleitung (Pluspotentialleitung oder Minuspotentialleitung), der Eintritt des mindestens einen vorgegebenen Auslösekriteriums oder der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien ermittelt wurde.In this embodiment of the protection circuit, which comprises only the one electrical resistance, i. H. uses the same electrical resistance for the electrical series connection with the first protective switch between the positive potential line and the reference potential line and with the second protective switch between the negative potential line and the reference potential line, it is provided in particular that when using the first voltage measuring device and/or using the second voltage measuring device determined occurrence of the at least one predetermined triggering criterion or the several predetermined triggering criteria or in the case of the residual current measured by means of the residual current measuring device, not both circuit breakers, in particular not simultaneously, can be controlled or are controlled to close, but only one of the two circuit breakers, in particular depending on this , on which or in the area of which potential line (plus potential line or minus potential line), the occurrence of the at least one predetermined triggering criterion or the plurality of predetermined triggering criteria was determined.
Alternativ umfasst die Schutzschaltung zwei Schutzschaltungsteile, wobei der erste Schutzschaltungsteil eine elektrische Reihenschaltung eines ersten elektrischen Widerstands und des ersten Schutzschalters zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst und der zweite Schutzschaltungsteil eine elektrische Reihenschaltung eines zweiten elektrischen Widerstands und des zweiten Schutzschalters zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst.Alternatively, the protective circuit comprises two protective circuit parts, the first protective circuit part comprising an electrical series connection of a first electrical resistor and the first protective switch between the plus potential line and the reference potential line and the second protective circuit part comprising an electrical series circuit of a second electrical resistor and the second protective switch between the negative potential line and the reference potential line includes.
Der Vorteil der beschriebenen Lösung, d. h. der Schutzschaltung der Schutzvorrichtung mit der elektrischen Reihenschaltung des Widerstandes bzw. des ersten und zweiten Widerstandes mit dem jeweiligen Schutzschalter zwischen der jeweiligen Potentialleitung und der Bezugspotentialleitung, gegenüber einer elektrisch mit dem jeweiligen Schutzschalter in Reihe geschalteten Parallelschaltung eines mit einem Schutzwiderstand in Reihe geschalteten Kondensators und eines Entladewiderstandes liegt darin, dass die Schutzschaltung der beschriebenen Lösung keinen solchen Entladewiderstand benötigt. Dadurch wird automatisch beim Erreichen kleinerer Spannungen zwischen Pluspotential und Bezugspotential bzw. zwischen Minuspotential und Bezugspotential zu einem Zustand mit höheren Isolationswiderständen zurückgekehrt, obwohl der erste und/oder der zweite Schutzschalter noch geschlossen sind. Bei der Schutzschaltung mit der elektrisch mit dem jeweiligen Schutzschalter in Reihe geschalteten Parallelschaltung des mit dem Schutzwiderstand in Reihe geschalteten Kondensators und des Entladewiderstandes würde der Schutzwiderstand bei einem geschlossenen ersten oder zweiten Schutzschalter den gesamten Isolationswert eines Hochvolt-Systems, insbesondere des Gleichstromnetzes, beispielsweise des Bordnetzes des Fahrzeugs, auf einen kleineren Wert reduzieren. Dies wird durch die beschriebene Lösung vermieden.The advantage of the solution described, i. H. the protective circuit of the protective device with the electrical series circuit of the resistor or the first and second resistor with the respective protective switch between the respective potential line and the reference potential line, compared to a parallel circuit of a capacitor connected in series with a protective resistor and electrically connected in series with the respective protective switch and one Discharge resistor is that the protective circuit of the solution described does not require such a discharge resistor. As a result, when lower voltages are reached between plus potential and reference potential or between minus potential and reference potential, a state with higher insulation resistances is automatically returned to, although the first and/or the second protective switch are still closed. In the protective circuit with the parallel connection, electrically connected in series with the respective protective switch, of the capacitor connected in series with the protective resistor and the discharge resistor, the protective resistor would, with a closed first or second protective switch, reduce the entire insulation value of a high-voltage system, in particular the DC network, for example the vehicle electrical system of the vehicle, to a smaller value. This is avoided by the solution described.
Die Schutzschaltung der beschriebenen Lösung kann zudem bei sehr schnell hintereinander ablaufenden Berührungen eines Hochvoltpotentials, d. h. des Pluspotentials oder des Minuspotentials, jedesmal einen gleichwertigen Ableitpfad zum Körperstrom darstellen. Bei der Schutzschaltung mit der elektrisch mit dem jeweiligen Schutzschalter in Reihe geschalteten Parallelschaltung des mit dem Schutzwiderstand in Reihe geschalteten Kondensators und des Entladewiderstandes muss im Gegensatz dazu entweder abgewartet werden, bis über den Entladewiderstand der Schutzkondensator auf einen sehr kleinen Spannungswert entladen wurde, oder diese Schutzschaltung stellt mit schnell aufeinanderfolgenden Körperkontakten zu einem Hochvoltpotential eine abnehmende Schutzwirkung dar, denn der Schutzkondensator verfügt noch über eine Restspannung und kann nicht mehr so viel Energie speichern.The protective circuit of the solution described can also be activated if a high-voltage potential is touched very quickly one after the other, i. H. the plus potential or the minus potential, always represent an equivalent discharge path to the body current. In contrast, in the protective circuit with the parallel circuit of the capacitor connected in series with the protective resistor and the discharge resistor, electrically connected in series with the respective circuit breaker, either one has to wait until the protective capacitor has been discharged to a very low voltage value via the discharge resistor, or this protective circuit has to be discharged With body contacts in rapid succession to a high-voltage potential, this represents a decreasing protective effect, because the protective capacitor still has a residual voltage and can no longer store as much energy.
Es ist daher vorteilhafterweise vorgesehen, dass die hier beschriebene Schutzvorrichtung, insbesondere deren Schutzschaltung, so konzipiert ist, dass sie in der Lage ist, autark Zuschalten zu können, d. h. den ersten und/oder zweiten Schutzschalter zu schließen, und nach kurzer Verweildauer in diesem zugeschalteten Zustand den jeweiligen geschlossenen Schutzschalter wieder zu öffnen. Auf eine Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs zu einem übergeordneten Steuergerät, welches Maßnahmen wie beispielsweise ein Öffnen von Schützen, insbesondere Ladeschützen und/oder Hauptschützen, und ein Entladen der Y-Kondensatoren durchführt, wird hierbei vorteilhafterweise verzichtet. Die Erkennung eines permanent anliegenden Isolationsfehlers, d. h. eines niedrigen Isolationswiderstandes und nicht beispielsweise eines defekten Schutzmantels eines Hochvoltkabels, wird vorteilhafterweise durch ein anderes Gerät erkannt, beispielsweise durch einen Isolationswächter, auch als Isolationswächter bezeichnet, und/oder durch eine Messung einer Hochvolt-Potentialverteilung, welches nicht Bestandteil der hier beschriebenen Schutzvorrichtung und deren Schutzschaltung ist und auch nicht mit dieser in Verbindung steht. Wie erwähnt, ist die hier beschriebene Schutzvorrichtung und deren Schutzschaltung in der Lage, wiederholt in sehr kurzen Abständen und somit auch bei schnell wiederkehrenden Berührungen durch eine Person, auszulösen und somit einen Schutz für die Person sicherzustellen. Ein versehentliches Auslösen, zum Beispiel aufgrund einer EMV-Störung, führt nicht zu weiterführenden Maßnahmen im Fahrzeug wie beispielsweise einem fälschlichen Abschalten des Hochvoltsystems. Durch die autarke Funktion der Schutzvorrichtung, insbesondere von deren Schutzschaltung, ist eine flexible und einfache Integration in ein bestehendes Hochvoltsystem umsetzbar. Durch die autarke Funktion werden zudem die Sicherheitsanforderungen an die Schutzvorrichtung und deren Schutzschaltung reduziert, beispielsweise entfällt eine gesicherte Funktion/Kommunikation zu einem weiteren Steuergerät.It is therefore advantageously provided that the protective device described here, in particular its protective circuit, is designed in such a way that it is able to switch on autonomously, ie to close the first and/or second protective switch and switch it on after a short dwell time in it State to open the respective closed circuit breaker again. Communication within the vehicle to a higher-level control unit, which carries out measures such as opening contactors, in particular charging contactors and/or main contactors, and discharging the Y capacitors, is advantageously dispensed with here. The detection of a permanent insulation fault, i.e. a low insulation resistance and not, for example, a defective protective sheath of a high-voltage cable, is advantageously detected by another device, for example by an insulation monitor, also referred to as an insulation monitor, and/or by measuring a high-voltage potential distribution, which is not part of the protective device described here and its protective circuit and is also not connected to it. As mentioned, the protection device described here and its protection circuitry is capable of repeatedly and at very short intervals thus also in the case of rapid recurring touches by a person, and thus ensure protection for the person. Accidental triggering, for example due to an EMC fault, does not lead to further measures in the vehicle, such as the high-voltage system being switched off incorrectly. Due to the self-sufficient function of the protective device, in particular its protective circuit, flexible and simple integration into an existing high-voltage system can be implemented. The autonomous function also reduces the safety requirements for the protective device and its protective circuit, for example there is no secure function/communication with another control unit.
Im Gegensatz zur Schutzschaltung mit der elektrisch mit dem jeweiligen Schutzschalter in Reihe geschalteten Parallelschaltung des mit dem Schutzwiderstand in Reihe geschalteten Kondensators und des Entladewiderstandes führt die hier beschriebene Lösung zu keiner Erhöhung der Gesamtkapazität zwischen Pluspotential und Bezugspotential und zwischen Minuspotential und Bezugspotential.In contrast to the protective circuit with the parallel connection of the capacitor connected in series with the protective resistor and the discharge resistor electrically connected in series with the respective circuit breaker, the solution described here does not lead to an increase in the total capacitance between plus potential and reference potential and between minus potential and reference potential.
Bei einem Vergleich der hier beschriebenen Lösung mit der Schutzschaltung mit der elektrisch mit dem jeweiligen Schutzschalter in Reihe geschalteten Parallelschaltung des mit dem Schutzwiderstand in Reihe geschalteten Kondensators und des Entladewiderstandes, zeigt sich, dass im Moment des Zuschaltens der Schutzschaltung der ungeladene Kondensator über eine geringere Impedanz verfügt, wodurch eine schnellere Reduzierung des Körperstromes erreicht werden kann. Die übertragene Ladung und die im menschlichen Körper umgesetzte Energie sind daher im ersten Moment etwas geringer. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird der Kondensator jedoch aufgeladen und seine Impedanz nimmt somit zu. Der als spannungsabhängiger Widerstand in Form eines Varistors ausgebildete elektrische Widerstand der hier beschriebenen Lösung bleibt jedoch bis zum Erreichen seiner Varistorspannung von beispielsweise 80 V nahezu konstant und kann somit den Körperstrom im weiteren Verlauf schneller reduzieren.A comparison of the solution described here with the protective circuit with the parallel circuit of the capacitor connected in series with the protective resistor and the discharge resistor, electrically connected in series with the respective circuit breaker, shows that at the moment the protective circuit is switched on, the uncharged capacitor has a lower impedance has, whereby a faster reduction of the body current can be achieved. The transferred charge and the energy converted in the human body are therefore somewhat lower at first. Over time, however, the capacitor is charged and its impedance thus increases. However, the electrical resistance of the solution described here, which is designed as a voltage-dependent resistor in the form of a varistor, remains almost constant until its varistor voltage of, for example, 80 V is reached and can therefore reduce the body current more quickly as it progresses.
Wie bereits erwähnt, ist der elektrische Widerstand und/oder der erste elektrische Widerstand und/oder der zweite elektrische Widerstand beispielsweise als elektrischer Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 Ω ausgebildet, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als ein menschlicher Körperwiderstand, d. h. als ein Körperwiderstand einer Person, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω, oder als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand mit einem maximalen Widerstandswert von maximal 800 Ω ausgebildet, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als ein menschlicher Körperwiderstand, d. h. als ein Körperwiderstand einer Person, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω. D. h bei der oben angegebenen Ausführungsform mit dem einen elektrischen Widerstand ist dieser elektrische Widerstand als elektrischer Widerstand mit diesen festen Widerstandswert oder als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand mit diesem maximalen Widerstandswert ausgebildet, und bei der oben angegebenen alternativen Ausführungsform mit den beiden Schutzschaltungsteilen und dem ersten und zweiten elektrischen Widerstand ist der erste elektrische Widerstand und/oder der zweite elektrische Widerstand als elektrischer Widerstand mit diesen festen Widerstandswert oder als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand mit diesen maximalen Widerstandswert ausgebildet.As already mentioned, the electrical resistor and/or the first electrical resistor and/or the second electrical resistor is designed, for example, as an electrical resistor with a fixed resistance value of a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular smaller, in particular significantly smaller than a human body resistance, d. H. as a body resistance of a person, in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω, or as a voltage-dependent electrical resistance with a maximum resistance value of a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular less, in particular significantly smaller than a human body resistance, i. H. as a body resistance of a person, in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω. I.e. in the above-specified embodiment with one electrical resistor, this electrical resistor is designed as an electrical resistor with this fixed resistance value or as a voltage-dependent electrical resistor with this maximum resistance value, and in the above-specified alternative embodiment with the two protective circuit parts and the first and second electrical resistor, the first electrical resistor and/or the second electrical resistor is designed as an electrical resistor with this fixed resistance value or as a voltage-dependent electrical resistor with this maximum resistance value.
Wie bereits erwähnt, ist der spannungsabhängige elektrische Widerstand und somit bei der oben angegebenen Ausführungsform mit dem einen elektrischen Widerstand dieser eine elektrische Widerstand und bei der oben angegebenen alternativen Ausführungsform mit den beiden Schutzschaltungsteilen und dem ersten und zweiten elektrischen Widerstand der erste elektrische Widerstand und/oder der zweite elektrische Widerstand als ein Varistor oder als eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Varistoren, beispielsweise mit und/oder ohne einer Zusatzbeschaltung, ausgebildet. Die Zusatzbeschaltung ist insbesondere ein Serienwiderstand, um den Varistorstrom zu begrenzen.As already mentioned, the voltage-dependent electrical resistance and thus in the above embodiment with one electrical resistor is this one electrical resistor and in the above stated alternative embodiment with the two protective circuit parts and the first and second electrical resistor is the first electrical resistor and/or the second electrical resistor is designed as a varistor or as a series connection and/or parallel connection of a plurality of varistors, for example with and/or without additional circuitry. The additional circuit is in particular a series resistor to limit the varistor current.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Schutzschaltung mindestens einen elektrischen Schutzwiderstand. Insbesondere ist der mindestens eine elektrische Widerstand mit dem mindestens einen elektrischen Schutzwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet. Bei der Ausführungsform mit den beiden Schutzschaltungsteilen umfasst vorteilhafterweise jeder Schutzschaltungsteil einen solchen elektrischen Schutzwiderstand. Dabei ist insbesondere der elektrische Widerstand des jeweiligen Schutzschaltungsteils mit dem elektrischen Schutzwiderstand des jeweiligen Schutzschaltungsteils elektrisch in Reihe geschaltet. D. h bei der oben angegebenen Ausführungsform mit dem einen elektrischen Widerstand ist dieser elektrische Widerstand mit einem elektrischen Schutzwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet. Die elektrische Reihenschaltung des elektrischen Widerstands und elektrischen Schutzwiderstands bildet dabei ein gemeinsames Entladenetzwerk zwischen dem Pluspotential und dem Bezugspotential und zwischen dem Minuspotential und dem Bezugspotential. Bei der oben angegebenen alternativen Ausführungsform mit den beiden Schutzschaltungsteilen und dem ersten und zweiten elektrischen Widerstand ist der erste elektrische Widerstand mit einem elektrischen Schutzwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet und/oder der zweite elektrische Widerstand mit einem elektrischen Schutzwiderstand elektrisch in Reihe geschaltet. Die elektrische Reihenschaltung des jeweiligen elektrischen Widerstands und des jeweiligen elektrischen Schutzwiderstands bildet dabei ein Entladenetzwerk zwischen dem Pluspotential und dem Bezugspotential bzw. ein Entladenetzwerk zwischen dem Minuspotential und dem Bezugspotential. Der elektrische Schutzwiderstand oder der jeweilige elektrische Schutzwiderstand dient der Vermeidung einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters durch einen zu hohen Strom. Der elektrische Schutzwiderstand oder der jeweilige elektrische Schutzwiderstand kann beispielsweise entfallen, wenn durch den elektrischen Widerstand oder den jeweiligen elektrischen Widerstand, insbesondere in seiner Ausgestaltung als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand, stets sichergestellt ist, dass ein maximaler Stromfluss derart begrenzt ist, dass er nicht zu einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters führen kann.In one possible embodiment, the protective circuit includes at least one electrical protective resistor. In particular, the at least one electrical resistor is electrically connected in series with the at least one electrical protective resistor. In the embodiment with the two protective circuit parts, each protective circuit part advantageously includes such an electrical protective resistor. In this case, in particular, the electrical resistance of the respective protective circuit part is electrically connected in series with the electrical protective resistor of the respective protective circuit part. That is to say, in the above embodiment with one electrical resistor, this electrical resistor is electrically connected in series with an electrical protective resistor. The electrical series connection of the electrical resistance and electrical protective resistance forms a common discharge network between the positive potential and the reference potential and between the negative potential and the reference potential. In the above alternative embodiment with the two protective circuit parts and the first and second electrical resistor, the first electrical resistor is electrically connected in series with an electrical protective resistor and/or the second electrical resistor is electrically connected in series with an electrical protective resistor. The electrical series connection of the respective electrical resistor and the respective electrical protective resistor forms a discharge network between the positive potential and the reference potential or a discharge network between the negative potential and the reference potential. The electrical protective resistor or the respective electrical protective resistor serves to prevent the respective circuit breaker from being destroyed by an excessively high current. The electrical protective resistor or the respective electrical protective resistor can be omitted, for example, if it is always ensured by the electrical resistor or the respective electrical resistor, in particular in its design as a voltage-dependent electrical resistor, that a maximum current flow is limited in such a way that it does not lead to destruction of the respective circuit breaker.
In einer möglichen Ausführungsform ist eine mit den Spannungsmessvorrichtungen und den Schutzschaltern gekoppelte gemeinsame Spannungsauswerteeinheit zur Auswertung der von der ersten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Spannung und der von der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Spannung und zur Ansteuerung des ersten Schutzschalters und/oder des zweiten Schutzschalters bei dem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt des mindestens einen Auslösekriteriums oder der mehreren Auslösekriterien vorgesehen.In one possible embodiment, a common voltage evaluation unit coupled to the voltage measuring devices and the circuit breakers is for evaluating the voltage determined by the first voltage measuring device and the voltage determined by the second voltage measuring device and for controlling the first protective switch and/or the second protective switch in the case of the first voltage measuring device and/or the occurrence of the at least one triggering criterion or the plurality of triggering criteria determined by means of the second voltage measuring device.
Bei Verwendung der Fehlerstrommessvorrichtung ist entsprechend beispielsweise eine mit der Fehlerstrommessvorrichtung und den Schutzschaltern gekoppelte Stromauswerteeinheit zur Auswertung des gemessenen Fehlerstroms und zur Ansteuerung des ersten Schutzschalters und/oder des zweiten Schutzschalters in Abhängigkeit vom gemessenen Fehlerstrom vorgesehen.When using the fault current measuring device, a current evaluation unit coupled to the fault current measuring device and the circuit breakers is provided for evaluating the measured fault current and for controlling the first circuit breaker and/or the second circuit breaker depending on the measured fault current.
In einer möglichen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die gemeinsame Spannungsauswerteeinheit mit einer dritten Spannungsmessvorrichtungen und einer vierten Spannungsmessvorrichtung gekoppelt ist, wobei die dritte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung angeordnet ist und die vierte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung angeordnet ist, und wobei in der Pluspotentialleitung zwischen einer Verbindungsstelle zur ersten Spannungsmessvorrichtung und einer Verbindungsstelle zur dritten Spannungsmessvorrichtung eine erste Schalteinheit angeordnet ist und in der Minuspotentialleitung zwischen einer Verbindungsstelle zur zweiten Spannungsmessvorrichtung und einer Verbindungsstelle zur vierten Spannungsmessvorrichtung eine zweite Schalteinheit angeordnet ist. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere für das Hochvoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs an, wobei die erste und zweite Schalteinheit Ladeschütze des Hochvoltbordnetzes sind, welche zum Gleichstromladen nach Anschluss an eine Gleichstromladestation geschlossen werden. Durch diese Lösung ist bereits vor dem Schließen der Schalteinheiten, d. h. der Ladeschütze, und einem damit zwangsweise verbundenen Vergrößern der Kapazität der Y-Kondensatoren durch die Parallelschaltung von Gleichstromladestation und Fahrzeug feststellbar, ob die Schutzschaltung in der Lage wäre, bei einer fehlerhaften Isolation, beispielsweise in einem Ladekabel, gesetzliche Grenzwerte einhalten zu können.In one possible embodiment it can be provided that the common voltage evaluation unit is coupled to a third voltage measuring device and a fourth voltage measuring device, the third voltage measuring device being arranged between the plus potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the plus potential line and the reference potential line and the fourth voltage measuring device between the negative potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the negative potential line and the reference potential line, and wherein a first switching unit is arranged in the positive potential line between a connection point to the first voltage measuring device and a connection point to the third voltage measuring device and in the negative potential line between a connection point to the second voltage measuring device and a second switching unit is arranged at a connection point to the fourth voltage measuring device. This embodiment is particularly suitable for the high-voltage vehicle electrical system of an electric vehicle or hybrid vehicle, with the first and second switching units being charging contactors of the high-voltage vehicle electrical system, which are closed for direct current charging after connection to a direct current charging station. With this solution is already before closing the switching units, d. H. the charging contactor, and the associated increase in the capacity of the Y capacitors due to the parallel connection of the DC charging station and the vehicle, it can be determined whether the protective circuit would be able to comply with legal limit values in the event of faulty insulation, for example in a charging cable.
Der jeweilige Schutzschalter ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter ausgebildet, zum Beispiel als ein MOSFET, IGBT oder Thyristor.The respective protective switch is designed, for example, as a semiconductor switch, for example as a MOSFET, IGBT or thyristor.
Als oben erwähnter menschlicher Körperwiderstand, d. h. als Körperwiderstand einer Person, wird, insbesondere gemäß Angaben in zu beachtenden Normen, ein Widerstandswert von 500 Ω angenommen oder vorgegeben. D. h. der menschliche Körperwiderstand ist entsprechend als Widerstandswert von 500 Ω definiert.As the human body resistance mentioned above, i. H. A resistance value of 500 Ω is assumed or specified as the body resistance of a person, in particular according to the information in the standards to be observed. i.e. the human body resistance is accordingly defined as a resistance value of 500 Ω.
In einer möglichen Ausführungsform sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben, wobei der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter ausschließlich bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Schließen ansteuerbar sind/ist. Die Auslösekriterien betreffen insbesondere Fehlerursachen/Störungen, die auftreten können und bei deren Auftreten das Schließen der Schutzschalter verhindert werden soll. Vorteilhafterweise ist für jede dieser Fehlerursachen/Störungen mindestens ein Auslösekriterium derart vorgegeben, dass es bei Körperkontakt, d. h. bei Kontakt einer Person, d. h. eines menschlichen Körpers, mit einem der Hochvoltpotentiale, eintritt und bei Auftreten der jeweiligen Fehlerursache nicht eintritt. Die Auslösung, d. h. das Schließen des jeweiligen Schutzschalters, erfolgt nur, wenn alle vorgegebenen Auslösekriterien eintreten, d. h. erfüllt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass der jeweilige Schutzschalter nur bei Körperkontakt, d. h. bei Kontakt einer Person, d. h. eines menschlichen Körpers, mit einem der Hochvoltpotentiale geschlossen wird und ein fehlerhaftes Schließen aufgrund des Auftretens einer oder mehrerer der Fehlerurachen/Störungen sicher vermieden wird.In one possible embodiment, several triggering criteria are specified, with the first circuit breaker and/or the second circuit breaker being/is only controllable to close when all specified triggering criteria are met and determined by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device. The tripping criteria relate in particular to the causes of faults/malfunctions that can occur and should be prevented from closing the circuit breakers when they occur. Advantageously, at least one triggering criterion is specified for each of these causes of error/faults in such a way that physical contact, ie contact by a person, ie a human being body, with one of the high-voltage potentials, and does not occur when the respective cause of the fault occurs. The triggering, ie the closing of the respective circuit breaker, only occurs when all the specified triggering criteria occur, ie are met. This ensures that the respective circuit breaker is only closed in the event of body contact, ie contact of a person, ie a human body, with one of the high-voltage potentials and incorrect closing due to the occurrence of one or more of the causes of error/faults is reliably avoided.
Durch die beschriebene Lösung wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Schutzschaltung sowohl sehr schnell auslöst, um eine im Körperwiderstand umgesetzte Ladung und Energie gering zu halten, als auch eine fehlerhafte Auslösung so wenig wie möglich erfolgt oder vorteilhafterweise vermieden wird. Eine Fehlauslösung würde für eine sehr kurze Zeitspanne zu einem Isolationsfehler führen. Zudem sorgt die Schutzschaltung für eine massive Verschiebung der Hochvoltpotentiale, was eine maximale Abweichung vom energetischen Minimum der in den Y-Kondensatoren gespeicherten Energie darstellt. Zudem kann bei einem wiederholten Fehlauslösen der Schutzschaltung die Funktion eines Isolationswächters beeinträchtigt werden. Beispielsweise können Störquellen im Fahrzeug und/oder in der Gleichstromladestation die Schutzschaltung zum fehlerhaften Auslösen veranlassen. Dies wird durch die beschriebene Lösung vermieden oder zumindest erheblich reduziert.The solution described advantageously means that the protective circuit both triggers very quickly in order to keep the charge and energy converted in the body resistance low, and faulty triggering occurs as little as possible or is advantageously avoided. False tripping would result in an insulation fault for a very short period of time. In addition, the protective circuit ensures a massive shift in the high-voltage potentials, which represents a maximum deviation from the energetic minimum of the energy stored in the Y-capacitors. In addition, the function of an insulation monitor can be impaired in the event of repeated false triggering of the protective circuit. For example, sources of interference in the vehicle and/or in the DC charging station can cause the protective circuit to trip incorrectly. This is avoided or at least significantly reduced by the solution described.
Durch die beschriebene Lösung wird die Auswertung der Schutzschaltung stabiler gegen Fehlauslösungen, indem mehrere Auslösekriterien gleichzeitig eintreten müssen. Die einzelnen Auslösekriterien werden insbesondere mit einer Und-Verknüpfung ausgewertet. Die einzelnen Auslösekriterien sind abhängig von der Art der Störung. Verglichen wird die Störungs-Form mit der Charakteristik einer Entladung der Y-Kondensatoren durch einen Körperwiderstand. Vorteilhaft wird zur Unterscheidung jeglicher Störung von einer solchen CY-Körperwiderstandsentladung mindestens ein Merkmal gefunden, welches durch eine Messung oder Auswertung erfasst werden kann. Jeweils mindestens dieses eine Merkmal pro Störung muss sich von der Eigenschaft der CY-Körperstromentladung unterscheiden. As a result of the solution described, the evaluation of the protective circuit becomes more stable against false triggering, in that several triggering criteria have to occur simultaneously. The individual triggering criteria are evaluated in particular with an AND link. The individual triggering criteria depend on the type of fault. The form of the disturbance is compared with the characteristic of a discharge of the Y-capacitors through a body resistance. In order to distinguish any disturbance from such a CY body resistance discharge, at least one feature is advantageously found, which can be detected by a measurement or evaluation. At least this one characteristic per disorder must differ from the characteristic of the CY body current discharge.
Beispielhaft sind dies die Unterscheidung zwischen Common-Mode und Differential-Mode-Ereignissen, Mindest-Umladespannungen, Zeitkonstanten einer Kondensator-Umladung (Zeitkonstante der e-Funktion), Frequenzen/ Frequenzspektren oder Wiederholraten einer taktenden Störung usw. Als Mess-Eingangsgröße wird die Spannungsmessung mittels der Spannungsmessvorrichtungen verwendet, d. h. zwischen Pluspotentialleitung und Bezugspotentialleitung und zwischen Minuspotentialleitung und Bezugspotentialleitung.For example, these are the distinction between common mode and differential mode events, minimum charge reversal voltages, time constants of a capacitor charge reversal (time constant of the e-function), frequencies/frequency spectra or repetition rates of a clocking disturbance, etc. The voltage measurement is used as the measurement input variable used by means of the voltage measuring devices, d. H. between plus potential line and reference potential line and between minus potential line and reference potential line.
Durch die Verknüpfung der Auslösung der Schutzschaltung an verschiedene charakteristische Merkmale einer CY-Körperentladung kann erreicht werden, dass die Anzahl der Fehlauslösungen minimiert oder komplett vermieden wird. Gleichzeitig wird eine sehr schnelle Auslösezeit erreicht und somit die im menschlichen Körper umgesetzte Energie/Ladung minimiert.By linking the triggering of the protection circuit to various characteristic features of a CY body discharge, the number of false triggerings can be minimized or completely avoided. At the same time, a very fast triggering time is achieved and thus the energy/charge converted in the human body is minimized.
Die mittels der Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungen werden insbesondere wie folgt ausgewertet:
- - Ermittlung von Abweichungen aktuell anliegenden Spannungen dU von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung bezogen auf einen zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert, und/oder
- - Ermittlung von Spannungsänderungen dU/dt, d. h. über die Zeit, der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- - Beachtung des entgegengesetzten Vorzeichens, insbesondere bei den obigen beiden Ermittlungen, bezüglich der Auswertung der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- - Beachten einer zyklischen Wiederholung einer auftretenden Störung.
- - Determination of deviations of currently applied voltages dU from positive potential line to reference potential line and from negative potential line to reference potential line based on a previously determined voltage value, and/or
- - Determination of voltage changes dU/dt, ie over time, the voltages from plus potential line to reference potential line and from minus potential line to reference potential line, and/or
- - Observation of the opposite sign, in particular in the above two determinations, with regard to the evaluation of the voltages from plus potential line to reference potential line and from minus potential line to reference potential line, and/or
- - Observe a cyclic repetition of an occurring fault.
Die Auslösekriterien umfassen somit insbesondere:
- - die Spannungsabweichung der aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung vom zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert, und/oder
- - die Spannungsänderungen über die Zeit der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung, und/oder
- - das entgegengesetzte Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung, und/oder
- - ein Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien.
- - the voltage deviation of the voltage currently present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line from the voltage value previously determined, and/or
- - the voltage changes over time of the voltage present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line, and/or
- - the opposite sign of the voltage present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line, and/or
- - a non-existence of a cyclic repetition of the other triggering criteria.
Der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter sind/ist insbesondere ausschließlich dann ansteuerbar, wenn
- - die Spannungsabweichung der aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung von dem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, in einem möglichen Ausführungsbeispiel einen Grenzwert von 30 V, und
- - die Spannungsänderungen über die Zeit der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- - das entgegengesetzte Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung vorliegt.
- - the voltage deviation of the voltage currently present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line from the previously determined voltage value exceeds a predetermined limit value, in one possible exemplary embodiment a limit value of 30 V, and
- - the voltage changes over time of the voltage present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line exceed a predetermined limit value, and
- - the opposite sign of the voltage present between the plus potential line and the reference potential line and the voltage present between the minus potential line and the reference potential line.
Die Grenzwerte sind insbesondere abhängig von der zu betrachtenden Zeitkonstante t=R*C. Hierbei ist R der Körperwiderstand des Menschen, der gemäß Normvorgaben bis 5000hm als niedrigster Wert angenommen wird. Beispielsweise werden Körperwiderstände im Bereich von 3000hm bis 30kOhm berücksichtigt. C ist abhängig von der sich im Hochvoltsystem, d. h. im Hochvoltgleichstromnetz, befindlichen Gesamtkapazität der Y-Kondensatoren. Dies ist beispielsweise fahrzeugsituationsabhängig, zum Beispiel ob nur das Fahrzeug betrachtet, wird, beispielsweise während eines Fahrbetriebs oder das Fahrzeug in Verbindung mit einer Gleichstromladestation. Beispielsweise wird für C ein Bereich von 200nF (insbesondere nur Fahrzeug, insbesondere optimiert auf niedrige Kapazitäten der y-Kondensatoren) bis zu einem Wert beim Megawatt-Laden, d. h. Gleichstromladen mit hohen Leistungen, von ca. 8µF (Gleichstromladestation und Fahrzeug). Alle Kapazitätswerte beziehen sich pro Hochvoltpotential, d. h. als Gesamtkapazität ist der doppelte Wert anzunehmen. Die Schutzschaltung hat insbesondere die Anforderung, bei Spannungen oberhalb von 60 V aktiv zu sein. Als Abgrenzung werden beispielsweise zu niedrige Frequenzen der Isolationswächter gesehen (ca. 800kOhm Prüfwiderstand, Taktzeit ca. 10s) und zu den Frequenzen oberhalb der Auslösezeitkonstante ein Inverter mit einer Taktfrequenz von mind. 2kHz betrachtet.The limit values depend in particular on the time constant to be considered t=R*C. Here R is the human body resistance, which according to standard specifications is assumed to be the lowest value up to 5000hm. For example, body resistances in the range from 3000hm to 30kOhm are taken into account. C depends on the in the high-voltage system, i. H. in the high-voltage direct current network, located total capacity of the Y-capacitors. This depends, for example, on the vehicle situation, for example whether only the vehicle is considered, for example while driving, or the vehicle in connection with a DC charging station. For example, a range of 200nF (in particular only vehicle, in particular optimized for low capacitances of the y-capacitors) up to a value for megawatt charging, i. H. DC charging with high power, from approx. 8µF (DC charging station and vehicle). All capacitance values refer to high-voltage potential, i. H. twice the value is to be assumed as the total capacity. In particular, the protection circuit has the requirement to be active at voltages above 60 V. For example, frequencies of the insulation monitor that are too low (approx. 800kOhm test resistor, cycle time approx. 10s) are seen as a delimitation, and an inverter with a cycle frequency of at least 2kHz is considered for frequencies above the tripping time constant.
In einer möglichen Ausführungsform sind/ist der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter ausschließlich dann ansteuerbar, wenn zusätzlich das Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien ermittelt ist.In one possible embodiment, the first circuit breaker and/or the second circuit breaker can only be activated if the non-existence of a cyclical repetition of the other triggering criteria has also been determined.
Beispielsweise ist eine analoge und/oder digitale Auswertung der mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Spannung vorgesehen.For example, an analog and/or digital evaluation of the voltage determined by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device is provided.
Beispielsweise sind bei der analogen Auswertung mit einem Ausgang der Spannungsmessung (z.B. hochohmiger Widerstandsteiler) je Hochvoltpotential zwei Auswertungen über Operationsverstärkerschaltungen verbunden. Die Operationsverstärkerschaltungen verfügen über zwei unterschiedliche Zeitkonstanten. Mit der Operationsverstärkerschaltung der ersten Zeitkonstante (niedrige Frequenz, unterhalb einer Zeitkonstante einer Entladung über einen menschlichen Körperwiderstand) wird die Spannungsabweichung vom zuvor ermittelten Spannungswert ermittelt. Mit der Operationsverstärkerschaltung der zweiten Zeitkonstante (höhere Frequenz, oberhalb der Zeitkonstante der Entladung über einen menschlichen Körperwiderstand) wird die Spannungsänderung über die Zeit ermittelt. Diese beiden Auslösekriterien sind in einer logischen Und-Verknüpfung verbunden und es wird zugleich eine log. Und-Verknüpfung mit dem negierten Ergebnis der Auswertung des jeweiligen anderen Hochvoltpotentials durchgeführt, um dadurch zu ermitteln, ob die beiden Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Ist das Gesamtergebnis „wahr“, erfolgt eine Ansteuerung der Schutzschaltung.For example, in analog evaluation, two evaluations are connected via operational amplifier circuits to one output of the voltage measurement (e.g. high-impedance resistor divider) for each high-voltage potential. The operational amplifier circuits have two different time constants. With the operational amplifier circuit of the first time constant (low frequency, below a time constant of a discharge via a human body resistance), the voltage deviation from the previously determined voltage value is determined. With the operational amplifier circuit of the second time constant (higher frequency, above the time constant of the discharge through a human body resistance), the voltage change over time is determined. These two triggering criteria are connected in a logical AND operation and at the same time a log. AND operation performed with the negated result of the evaluation of the respective other high-voltage potential, thereby determining whether the two voltages have opposite signs. If the overall result is "true", the protective circuit is activated.
Bei der digitalen Auswertung werden die gemessenen Spannungen beispielsweise von einem Mikrocontroller, Asic (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder FPGA (Field Programmable Gate Array, d. h. ein integrierter Schaltkreis der Digitaltechnik, in welchen eine logische Schaltung geladen werden kann) erfasst. Es erfolgt softwarebasierend die Filterung und Ermittlung der Spannungsabweichung vom zuvor ermittelten Spannungswert und der Spannungsänderung über die Zeit je Hochvoltpotential und anschließend die für die analoge Auswertung bereits beschriebenen Und-Verknüpfungen. Ist das Gesamtergebnis „wahr“ erfolgt eine Ansteuerung der Schutzschaltung.With digital evaluation, the measured voltages are fed, for example, by a microcontroller, ASIC (application-specific integrated circuit) or FPGA (Field Programmable Gate Array, ie an integrated circuit of digital technology, in which a logic circuit can be loaded). The software-based filtering and determination of the voltage deviation from the previously determined voltage value and the voltage change over time for each high-voltage potential and then the AND operations already described for the analog evaluation are carried out. If the overall result is "true", the protective circuit is activated.
Beispielsweise werden die analoge und digitale Auswertung gleichzeitig umgesetzt, insbesondere als Redundanz.For example, the analogue and digital evaluation are implemented simultaneously, in particular as redundancy.
Durch die beschriebene Lösung wird erreicht, dass möglichst schnell eine Berührung eines Hochvoltpotentials durch einen menschlichen Körper erkannt wird und die Zuschaltung der Schutzschaltung durchgeführt wird. Die schnelle Zuschaltung begründet sich durch den relativ schnell ablaufenden Entladevorgang/Umladevorgang der Y-Kondensatoren während der Berührung eines Hochvoltpotential durch den menschlichen Körper (Größenordnung ca. 10ms). Hierbei tritt der größte Teil der im Körper umgesetzten Energie oder der durch den Körper durströmten Ladung zu Beginn des Entlade-/Umladevorgangs auf. Er schwächt sich auf einer e-Funktion ab. Dies macht es zudem erforderlich, möglichst schnell die Schutzschaltung zur Auslösung zu bringen.The solution described ensures that contact with a high-voltage potential by a human body is detected as quickly as possible and the protective circuit is switched on. The fast connection is due to the relatively fast discharging/recharging process of the Y-capacitors when the human body touches a high-voltage potential (approx. 10 ms). Most of the energy converted in the body or the charge flowing through the body occurs at the beginning of the discharging/recharging process. It weakens on an e function. This also makes it necessary to trip the protective circuit as quickly as possible.
Es ist jedoch auch erforderlich, dass Fehlauslösungen aufgrund anderer Einflussfaktoren ausgeschlossen sind oder zumindest nur selten auftreten. Eine fälschlicherweise ausgelöste Schutzschaltung führt zu einer energetisch sehr ungünstigen Potentialverteilung von vom jeweiligen Hochvoltpotential zum Bezugspotential, wodurch der in den Y-Kondensatoren gespeicherte Energiebetrag in die Nähe seines maximalen Werts kommt, zum Beispiel Pluspotential zu Bezugspotential ungefähr 0 V und Bezugspotential zu Minuspotential ungefähr nahe einer Systemspannung des Hochvoltsystems, beispielsweise 800V. Zudem wird bei der fälschlicherweise ausgelösten Schutzschaltung für den Moment der Aktivierung der Schutzschaltung ein Isolationsfehler erzeugt. Beim Zuschalten mittels einer Kapazität der Schutzschaltung wird zudem eine zusätzliche Kapazität zu den Y-Kondensatoren parallel geschaltet, was grundsätzlich die Möglichkeit bietet, in der nun vergrößerten Y-Gesamtkapazität mehr Energie zu speichern.However, it is also necessary for false tripping due to other influencing factors to be ruled out or at least to occur only rarely. An erroneously triggered protective circuit leads to an energetically very unfavorable potential distribution from the respective high-voltage potential to the reference potential, whereby the amount of energy stored in the Y-capacitors comes close to its maximum value, for example plus potential to reference potential about 0 V and reference potential to minus potential about close to one System voltage of the high-voltage system, for example 800V. In addition, an insulation fault is generated when the protective circuit is triggered by mistake at the moment when the protective circuit is activated. When switching on by means of a capacitance of the protective circuit, an additional capacitance is also connected in parallel with the Y capacitors, which basically offers the possibility of storing more energy in the now increased total Y capacitance.
Da die Schutzschaltung möglichst schnell die Entladung durch den menschlichen Körperwiderstand erkennen muss, ist es notwendig, sie bezüglich des Reaktionsverhaltens schnell zu gestalten. Somit wird sie auch empfindlich gegenüber anderen Störeinflüssen. Durch die beschriebene Lösung werden Fehlauslösungen, welche durch diese höhere Empfindlichkeit verursacht werden könnten, vermieden oder zumindest erheblich reduziert. Mittel zur Unterscheidung zwischen Störung und Kontakt mit einem menschlichen Körperwiderstand bieten, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise der Vergleich der Vorzeichen der beiden gemessenen Spannungen, wodurch eine Unterscheidung zwischen Common-Mode Störung und Differential-Mode Störung ermöglicht wird, Filter zur Unterscheidung von Störfrequenzen, eine Mittelwertbildung oder Spannungsänderung im Vergleich zu einem Mittelwert über einen definierten Zeitraum, insbesondere zur Unterscheidung von kleinen energetischen Einflüssen, ein maximaler Spannungshub der Umladevorgänge, und/oder Abtastvorgänge nach vorgegebenen Wiederholraten, zum Beispiel zum Erkennen von regelmäßig pulsierenden Störern, beispielsweise Invertern.Since the protective circuit must detect the discharge caused by human body resistance as quickly as possible, it is necessary to design it to react quickly. Thus, it also becomes sensitive to other disturbing influences. The solution described avoids or at least significantly reduces false triggering, which could be caused by this higher sensitivity. Means for distinguishing between interference and contact with a human body resistance offer, as already described above, for example the comparison of the signs of the two measured voltages, whereby a distinction between common-mode interference and differential-mode interference is made possible, filters for distinguishing interference frequencies, an averaging or voltage change compared to an average over a defined period of time, in particular to distinguish small energetic influences, a maximum voltage swing of the recharging processes, and/or sampling processes according to predetermined repetition rates, for example to detect regularly pulsating interference sources, such as inverters.
Betrachtet man den Umladevorgang der Y-Kondensatoren bei einer Berührung durch einen menschlichen Körper, so entspricht dies einer Gleichtakt-Störung bzw. einer Auslösung von Gleichtaktströmen. Dies wird vorteilhafterweise unterschieden von folgenden Einflüssen:
- Eine Gleichtaktstörung, auch als Common-Mode-Störungen bezeichnet, einer taktenden Hochvoltkomponente würde ebenso wie bei einer Körperentladung einen gemeinsamen Strombeitrag über das Bezugspotential zur Folge haben. Der Frequenzbereich kann weit gestreut sein durch die Vielzahl von taktenden Hochvoltkomponenten im Fahrzeug, deren unterschiedlicher Taktfrequenzen und eventuell sogar variabler Taktfrequenzen, beispielsweise bei einem Bordlader mit einem isolierenden LLC-DC/DC-Wandler.
- A common-mode interference, also referred to as common-mode interference, of a clocking high-voltage component would result in a common current contribution via the reference potential, just like in the case of a body discharge. The frequency range can be widely spread due to the large number of clocking high-voltage components in the vehicle, their different clock frequencies and possibly even variable clock frequencies, for example in the case of an on-board charger with an isolating LLC DC/DC converter.
Taktende Hochvoltverbraucher sorgen neben den oben beschriebenen Common-Mode-Störungen zusätzlich für Differential-Mode-Störungen. Diese können mit ihrem Störpegel die Auswerteschaltung ebenfalls beeinflussen. Ein identisches Umladeverhalten wie bei einer Körper-Entladung der Y-Kondensatoren ruft auch ein Isolationswächter hervor. Hier ist bei den beiden bekannten Isolationswächter-Prinzipen vor allem der Isolationswächter mittels des Umladewiderstandes kritisch.In addition to the common-mode interference described above, clocking high-voltage consumers also cause differential-mode interference. These can also influence the evaluation circuit with their interference level. An insulation monitor also causes an identical charge reversal behavior as with a body discharge of the Y-capacitors. In the case of the two known insulation monitor principles, the insulation monitor using the charge-reversal resistor is particularly critical.
In der folgenden Tabelle ist ein Vergleich der CY-Körperentladung mit den oben beschriebenen Störeinflüssen hinsichtlich des Frequenzspektrums, des Spannungshubs, der Art der Störung (CM oder DM) und der Wiederholrate gegenübergestellt.
Der Lösungsansatz zur Vermeidung einer Fehlauslösung der Schutzschaltung liegt insbesondere darin, mehrere Merkmale miteinander zu verknüpfen.The approach to avoiding false triggering of the protective circuit is in particular to link several features with one another.
Beispielsweise kann ein Bandpassfilter für die Spannungsmessung vorgesehen sein, welcher beispielsweise mittels Hardware oder Software realisiert werden kann. Dies ermöglicht eine Abgrenzung der Common Mode-Störungen des menschlichen Körperwiderstands von Störungen eines Isolationswächters, insbesondere nach unten, und von Common-Mode-Störungen von taktenden Komponenten, insbesondere nach oben. Dadurch wird eine Interaktion der Schutzschaltung mit dem Isolationswächter, Hochvoltverbrauchern und einer Ladestation (EVSE) reduziert.For example, a bandpass filter can be provided for the voltage measurement, which can be implemented using hardware or software, for example. This enables common-mode interference in human body resistance to be differentiated from interference from an insulation monitor, in particular downwards, and from common-mode interference from clocking components, in particular upwards. This reduces interaction of the protective circuit with the insulation monitor, high-voltage consumers and a charging station (EVSE).
Beispielsweise ist eine logische Verknüpfung der Spannungsauslösung für Pluspotential und Minuspotential vorgesehen. Dies ermöglicht eine sichere Unterscheidung Common-Mode-Störungen und Differential-Mode-Störungen, so dass im Weiteren nur noch Common-Mode-Störungen betrachtet werden müssen. Dadurch wird eine Interaktion der Schutzschaltung mit taktenden Verbrauchern reduziert.For example, a logical linkage of the voltage release for plus potential and minus potential is provided. This enables a reliable distinction to be made between common-mode interference and differential-mode interference, so that only common-mode interference then needs to be considered. This reduces interaction of the protection circuit with clocking consumers.
Beispielsweise wird ein Mindestumladehub, beispielsweise 50 V, berücksichtigt, d. h. die Schutzschaltung wird erst dann ausgelöst. Somit werden kleine Störungen ignoriert. Dadurch wird eine Interaktion der Schutzschaltung mit taktenden Verbrauchern reduziert.For example, a minimum transfer stroke, for example 50 V, is taken into account, i. H. the protective circuit is only then triggered. Small disturbances are thus ignored. This reduces interaction of the protection circuit with clocking consumers.
Beispielsweise wird ein Moving Average, d. h. ein Mittelwert der Spannung über eine vorgegebene Zeitspanne, berücksichtigt, und erst bei dessen Erreichen die Schutzschaltung ausgelöst. Sehr niederohmige und regelmäßige Störungen werden dadurch schwächer bewertet. Dadurch wird eine Interaktion der Schutzschaltung mit taktenden Verbrauchern reduziert.For example, a moving average, i. H. an average value of the voltage over a predetermined period of time, and the protective circuit is only triggered when it is reached. Very low-impedance and regular disturbances are rated weaker as a result. This reduces interaction of the protection circuit with clocking consumers.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform eines Gleichstromnetzes mit einer Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, -
2 schematisch eine Ausführungsform eines Gleichstromnetzes mit einer Ausführungsform der Schutzvorrichtung mit einer bauteiloptimierten Schutzschaltung, und -
3 schematisch eine Ausführungsform der Schutzvorrichtung mit einer bauteiloptimierten Schutzschaltung.
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1 schematically an embodiment of a direct current network with an embodiment of a protective device, -
2 schematically an embodiment of a DC network with an embodiment of the protection device with a component-optimized protection circuit, and -
3 schematically an embodiment of the protection device with a component-optimized protection circuit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Anhand der
Sowohl im Fahrzeug 2 als auch in der Gleichstromladestation 5 werden Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- als Maßnahme verwendet, um eine Emission von EMV-Störungen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) zu reduzieren. Insbesondere sind Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- meist günstigere und kompaktere EMV-Filtermaßnahmen im Vergleich zu induktiven Entstörfiltern, beispielsweise Common- oder Differential-Moder Drosseln. Aus Sicht der EMV wäre es somit vorteilhaft, Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- mit großen Kapazitätswerten zu verwenden.Y-capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- are used both in the
Nachteilig bei einem elektrifizierten Fahrzeug 2, d. h. beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, ist jedoch, dass ein Energieinhalt der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- durch einen Fahrzeugnutzer spürbar ist, wenn er ein Hochvoltpotential HV+, HV- berühren kann und gleichzeitig in Verbindung mit dem Erdpotential ist. Er erhält dann einen elektrischen Schlag. Je nach Größe dieses elektrischen Schlages kann dies gesundheitsgefährdend sein. Beispielsweise kann es zu Herzkammerflimmern oder zum Tod führen. Ein solcher elektrischer Schlag stellt einen so genannten „Einfachfehler“ dar und ist zu vermeiden. Daher ist dieser Energieinhalt der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- normativ begrenzt, um eine Gefährdung des Fahrzeugnutzers auszuschließen.Disadvantageous in an electrified
Aus Sicht der Hochvoltsicherheit sind somit kleine Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- vorteilhaft. Normativ, beispielsweise geregelt in der Vorschrift LV123, gibt es die Anforderung, einen maximalen Energieinhalt, insbesondere 0,2 J, in den Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- nicht zu überschreiten oder so genannte „alternative measures“, d. h. alternative Maßnahmen, vorzusehen, zum Beispiel eine verstärkte Isolation. Dies hat jedoch stets zur Folge, dass beim einem Koppeln von zwei Hochvoltsystemen, beispielsweise Fahrzeug 2 und Gleichstromladestation 5, bei der Wahl der verstärkten Isolation als „alternative measure“ immer beide Teilnehmer gleichzeitig über diese verstärkte Isolation verfügen müssen. Dies kann derzeit jedoch nicht sichergestellt werden.From the point of view of high-voltage safety, small capacitance values of the Y-capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- are advantageous. Normatively, for example regulated in regulation LV123, there is the requirement not to exceed a maximum energy content, in particular 0.2 J, in the Y-capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- or so-called "alternative measures", i . H. alternative measures, such as increased isolation. However, this always has the consequence that when two high-voltage systems are coupled, for
In anderen Normen, beispielsweise SAE J1772, IEC 60479-1 und IEC60479-2, wird nicht der Energieinhalt der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- als gesundheitsgefährdende Größe genannt, die nicht überschritten werden darf, sondern es wird eine Ladungsmenge als schädigender Mechanismus genannt, die einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten darf. Beispielsweise ist hierzu ein Graph einer Relation einer Dauer eines Körperstroms über einen Wert des Körperstroms angegeben. Ein Alternativweg wie beispielsweise eine verstärkte Isolation wird hier nicht akzeptiert.In other standards, for example SAE J1772, IEC 60479-1 and IEC60479-2, the energy content of the Y-capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- is not mentioned as a quantity that is hazardous to health and must not be exceeded, but rather a charge quantity as a damaging mechanism, which must not exceed a specified value. For example, a graph of a relation between a duration of a body current and a value of the body current is given for this purpose. An alternative route such as increased insulation is not accepted here.
Auf der linken Seite befindet sich die Gleichstromladestation 5 mit einer Ladestationsspannungsquelle 13, einem Ladestationinnenwiderstand RLS und den Y-Kondensatoren CyL+, CyL-.On the left is the DC charging station 5 with a charging
Rechts daneben ist das Ladekabel 4 dargestellt.The charging
Rechts daneben ist das Fahrzeug 2 mit seinem Hochvoltbordnetz 3 dargestellt, umfassend die Ladeschütze LS+, LS-, die Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, zum Beispiel EMV-Filter, einen X-Kondensator Cx, beispielsweise eines Gleichstromzwischenkreises, und die Hochvoltbatterie 6 mit ihren Hauptschützen HS+, HS-. Die Hochvoltbatterie 6 ist dargestellt als eine elektrische Batterieenergiequelle 7, umfassend beispielsweise eine Mehrzahl elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteter Einzelzellen, mit einem Batterieinnenwiderstand RBatt.To the right of this is the
Zusätzlich ist in diesem Schaltplan der menschliche Körper MK mit einem Körperwiderstand RK und einem Schaltersymbol für einen Isolationsfehler IF, beispielsweise bei einem defekten Ladekabel 4, hier beispielhaft ein Fehler am Pluspotential HV+, dargestellt. Der Isolationsfehler IF kann ebenso am Minuspotential HV- auftreten. Dies ist hier nicht dargestellt. Tritt der Isolationsfehler IF auf, ist das Schaltersymbol geschlossen. Es erfolgt bei einem solchen Isolationsfehler IF und einem Kontakt des menschlichen Körpers MK mit einem der Hochvoltpotentiale HV+, HV- und einem Bezugspotential M eine Entladung durch den menschlichen Körper MK.In addition, the human body MK is shown in this circuit diagram with a body resistance R K and a switch symbol for an insulation fault IF, for example with a
Um diese Entladung durch den menschlichen Körper MK zu vermeiden oder zumindest auf ein, insbesondere bezüglich einer Gesundheitsgefährdung, zulässiges Maß zu verringern, ist eine Schutzvorrichtung 8 mit einer Schutzschaltung 9 zur Reduzierung des Stromschlags durch die Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- vorgesehen. Die Schutzvorrichtung 8 umfasst im dargestellten Beispiel eine erste Spannungsmessvorrichtung SV1 zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML, d. h. zwischen dem Pluspotential HV+ und dem Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, insbesondere der Fahrzeugrohbaumasse, und eine zweite Spannungsmessvorrichtung SV2 zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML, d. h. zwischen dem Minuspotential HV- und dem Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, insbesondere der Fahrzeugrohbaumasse.In order to avoid this discharge through the human body MK or at least reduce it to a permissible level, in particular with regard to a health hazard, a
Die Spannungsmessungen, insbesondere die Spannungsmessvorrichtungen SV1, SV2, steuern bei einem mittels dieser Spannungsmessungen insbesondere mittels der Spannungsmessvorrichtungen SV1, SV2, ermittelten Eintritt mindestens eines vorgegebenen Auslösekriteriums oder mehrerer vorgegebener Auslösekriterien, beispielsweise bei einer ermittelten Spannungsänderung auf einer e-Funktion mit einer Zeitkonstante in einem vorgegebenen Frequenzbandbereich und/oder bei einem ermittelten Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes einen dazugehörigen Schutzschalter SS1, SS2 an. Die Schutzschalter SS1, SS2 sind beispielsweise jeweils als ein Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET, ausgebildet. Dadurch wird ein Entladenetzwerk zwischen dem Pluspotential HV+ und dem Bezugspotential M, insbesondere der Rohbaumasse, bzw. ein Entladenetzwerk zwischen dem Minuspotential HV- und dem Bezugspotential M, insbesondere der Rohbaumasse, geschalten. Diese Entladenetzwerke sind im dargestellten Beispiel Schutzschaltungsteile 9.1, 9.2 der Schutzschaltung 9.The voltage measurements, in particular the voltage measuring devices SV1, SV2, control the occurrence of at least one predetermined triggering criterion or several predetermined triggering criteria, determined by means of these voltage measurements, in particular by means of the voltage measuring devices SV1, SV2, for example in the event of a determined voltage change on an e-function with a time constant in one specified frequency band range and/or an associated protective switch SS1, SS2 when it is determined that a specified voltage value is not reached. The protective switches SS1, SS2 are, for example, each in the form of a semiconductor switch, for example a MOSFET. As a result, a discharge network is switched between the positive potential HV+ and the reference potential M, in particular the body shell, or a discharge network between the negative potential HV− and the reference potential M, in particular the body shell. In the example shown, these discharge networks are protective circuit parts 9.1, 9.2 of the
Das jeweilige Entladenetzwerk, hier somit der jeweilige Schutzschaltungsteil 9.1, 9.2, besteht vorzugsweise aus einer elektrischen Reihenschaltung eines Widerstands R, R1, R2 und eines Schutzwiderstands Rs, Rs1, Rs2.The respective discharge network, here the respective protective circuit part 9.1, 9.2, preferably consists of an electrical series connection of a resistor R, R1, R2 and a protective resistor Rs, Rs1, Rs2.
Der elektrische Widerstand R, R1, R2 ist im dargestellten Beispiel ein spannungsabhängiger elektrischer Widerstand, welcher derart ausgebildet ist, dass sich ein Widerstandswert des spannungsabhängigen elektrischen Widerstands bei einer sich erhöhenden elektrischen Spannung über Anschlüssen des spannungsabhängigen elektrischen Widerstands reduziert, insbesondere zunehmend reduziert, wobei ein maximaler Widerstandswert des spannungsabhängigen elektrischen Widerstands maximal 800 Ω beträgt, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner ist, insbesondere wesentlich kleiner ist, als der menschliche Körperwiderstand RK, insbesondere maximal 200 Ω beträgt, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω ist, beispielsweise kleiner als 5 Ω ist. Dadurch wird die Durchströmung des menschlichen Körpers deutlich reduziert. Der spannungsabhängige Widerstand ist beispielsweise als ein Varistor oder als eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Varistoren, beispielsweise mit und/oder ohne einer Zusatzbeschaltung, ausgebildet.In the example shown, the electrical resistor R, R1, R2 is a voltage-dependent electrical resistor, which is designed in such a way that a resistance value of the voltage-dependent electrical resistor is reduced, in particular increasingly reduced, when the electrical voltage across terminals of the voltage-dependent electrical resistor increases, with a maximum resistance value of the voltage-dependent electrical resistance is a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular is smaller, in particular is significantly smaller than the human body resistance R K , in particular is a maximum of 200 Ω, in particular is a maximum of or less than 50 Ω, for example less than is 5Ω. This significantly reduces the flow through the human body. The voltage-dependent resistor is, for example, a varistor or a series circuit and/or parallel connection of several varistors, for example with and/or without additional circuitry.
Alternativ ist der elektrische Widerstand R, R1, R2 ein elektrischer Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 Ω, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der menschliche Körperwiderstand RK, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω. Dadurch wird ebenfalls die Durchströmung des menschlichen Körpers deutlich reduziert.Alternatively, the electrical resistance R, R1, R2 is an electrical resistance with a fixed resistance value of a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular smaller, in particular significantly smaller, than the human body resistance R K , in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum or smaller than 50 Ω, for example less than 5 Ω. This also significantly reduces the flow through the human body.
Es kann beispielsweise auch nur der Widerstand R, R1, R2 vorgesehen sein. Der elektrische Schutzwiderstand Rs, Rs1, Rs2 dient der Vermeidung einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters SS1, SS2 durch einen zu hohen Strom. Der elektrische Schutzwiderstand Rs, Rs1, Rs2 kann somit beispielsweise entfallen, wenn durch den elektrischen Widerstand R, R1, R2, insbesondere in seiner Ausgestaltung als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand, stets sichergestellt ist, dass ein maximaler Stromfluss derart begrenzt ist, dass er nicht zu einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters SS1, SS2 führen kann.For example, only the resistor R, R1, R2 can also be provided. The electrical protective resistor Rs, Rs1, Rs2 serves to prevent the respective protective switch SS1, SS2 from being destroyed by an excessively high current. The electrical protective resistor Rs, Rs1, Rs2 can therefore be omitted, for example, if the electrical resistor R, R1, R2, in particular in its design as a voltage-dependent electrical resistor, always ensures that a maximum current flow is limited in such a way that it does not lead to a Destruction of the respective circuit breaker SS1, SS2 can lead.
Im dargestellten Beispiel gemäß
Bei der hier dargestellten Schutzvorrichtung 8, insbesondere der Schutzschaltung 9, insbesondere des jeweiligen Schutzschaltungsteils 9.1, 9.2, erfolgt eine Fehlererkennung über die Spannungsmessung bezogen auf das Bezugspotential M.In the
Während eines Gleichstromladevorgangs, bei welchem die in
Ein Isolationswächter im Fahrzeug 2 oder in der Gleichstromladestation 5 prüft zwar zyklisch die Isolationswiderstände, jedoch ist die Zeitspanne bis zur Erkennung eines Isolationsfehlers IF mit maximal 30 Sekunden im Fahrzeug 2 oder maximal zwei Minuten in der Gleichstromladestation 5 viel zu lange, um einen Schutz vor einem Schlag des Menschen bei einer offenen Isolation aus der in den Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyF+, CyF- gespeicherten Energie darstellen zu können.An insulation monitor in the
Die Funktionsweise der Schutzvorrichtung 8 mit ihrer Schutzschaltung 9 zur Reduzierung eines Cy-Schlages orientiert sich beispielsweise an den in der Norm SAE J1772, IEC 60479-1 und IEC60479-2 beschriebenen Grenzwerten bezüglich des Gefährdungspotentials. Dabei wird als schädigender Mechanismus die Ladungsmenge genannt, die den menschlichen Körper MK durchströmt und in einem Diagramm dargestellt ist. Ziel ist daher eine möglichst schnelle Erkennung und Reduzierung des Körperstromes, um die geflossene Ladung zu minimieren. Ein alleiniges Ansteuern der mechanischen Ladeschütze LS+, LS- und/oder Hauptschütze HS+, HS- wäre dafür zu langsam.The functioning of the
Bei der oben beschriebenen Schutzschaltung 9 wird durch die Spannungsmessung ein Abfall des Isolationswertes schnell erkannt und dadurch sofort, beispielsweise über eine Hardwareschaltung, der elektrische Widerstand R, R1, R2 zum betroffenen Hochvoltpotential HV+, HV- mit Körperwiderstand RK bzw. Y-Kondensator CyF+, CyF-, CyL+, CyL- parallel geschaltet. Somit verringert sich schlagartig die Spannung über diesem Hochvoltpotential HV+, HV- und dem Bezugspotential M. Der Stromfluss durch den menschlichen Körper MK nimmt proportional mit der Spanungsreduzierung ab.In the
Das jeweilig andere Hochvoltpotential HV-, HV+ erhöht im gleichem Maße seine Spannung bezüglich des Bezugspotentials M, wird jedoch nicht durch den menschlichen Körper MK berührt und ist somit unkritisch.The respective other high-voltage potential HV-, HV+ increases its voltage with respect to the reference potential M to the same extent, but is not touched by the human body MK and is therefore non-critical.
In einem weiteren Schritt werden vorteilhafterweise die Hauptschütze HS+, HS- der Hochvoltbatterie 6 geöffnet, Schütze in der Gleichstromladestation 5 und/oder die Ladeschütze LS+, LS- geöffnet und in einem letzten Schritt die aktive Entladung des X-Kondensators Cx und der Y-Kondensatoren CyF+, CyF- des Fahrzeugs 2 durchgeführt.In a further step, the main contactors HS+, HS- of the high-
Bei einer hier nicht dargestellten alternativen Fehlererkennung über eine Fehlerstrommessung mittels einer Fehlerstrommessvorrichtung wird anstelle der Fehlererkennung über die Spannungsmessung des jeweiligen Hochvoltpotentials HV+, HV- bezogen auf das Bezugspotential M eine Fehlerstromerkennung verwendet. Hierzu umfasst die Schutzvorrichtung 8 die Fehlerstrommessvorrichtung in der Bezugspotentialleitung ML. Der erste Schutzschalter SS1 und/oder der zweite Schutzschalter SS2 sind bei einem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom zum Schließen ansteuerbar und werden somit in einem solchen Fall entsprechend angesteuert und dadurch geschlossen. Es ist hier vorteilhafterweise eine mit der Fehlerstrommessvorrichtung und den Schutzschaltern SS1, SS2 gekoppelte Stromauswerteeinheit zur Auswertung des gemessenen Fehlerstroms und zur Ansteuerung des ersten Schutzschalters SS1 und/oder des zweiten Schutzschalters SS2 in Abhängigkeit vom gemessenen Fehlerstrom vorgesehen.In an alternative fault detection not shown here via a fault current measurement using a fault current measuring device, a fault current detection is used instead of fault detection via the voltage measurement of the respective high-voltage potential HV+, HV- based on the reference potential M. For this purpose, the
Diese Methode ist allerdings schwieriger, weil der relativ hohe Ladegleichstrom auf einen sehr geringen Fehlerstrom hin analysiert werden muss. Zudem muss beim Fehlerstrom noch zwischen Gleichtakt- und Gegentaktstörungen unterschieden werden, da der Ausgangsstrom der Gleichstromladestation 5 ebenfalls einen so genannten Ripplestrom, d. h. einen Wechselstromanteil, enthält.However, this method is more difficult because the relatively high charging direct current has to be analyzed for a very low leakage current. In addition, a distinction must be made between common-mode and differential-mode interference with the error current, since the output current of the DC charging station 5 also has a so-called ripple current, i. H. contains an alternating current component.
Eine Fehlererkennnung über die Spanungsmessung ist daher einfacher zu realisieren und vorteilhaft. im Folgenden wird daher die Fehlererkennung mittels Spannungsmessung weiter dargestellt.A fault detection via the voltage measurement is therefore easier to implement and advantageous. In the following, therefore, error detection by means of voltage measurement is presented in more detail.
Durch die Schutzvorrichtung 8 mit deren Schutzschaltung 9 können vorgegebene Normen, beispielsweise die Norm IEC 60479-1, eingehalten werden. Je höher die Gleichstromladespannung ist, desto höher ist die anliegende Spannung über den Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL-. Daraus resultiert bei einem angenommenen Körperwiderstand RK auch ein zur Spannung der
Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- proportional höherer Strom zu Beginn des Berührvorgangs. Der Strom durch den Körper nimmt mit dem Verlauf einer Kondensatorentladung über einen Widerstand ab, insbesondere in Form einer Exponentialfunktion. Der Strom zu Beginn des Berührens berechnet sich aus dem Quotient aus Spannung und Widerstand. Bei einer angenommenen maximalen Ladespannung von 920 V ergibt sich bei einer ebenfalls als symmetrisch angenommenen Hochvoltpotentialverteilung bezogen auf das Bezugspotential M (460V über jedem Y-Kondensator) ein Anfangswert des Berührstroms von 460 V /1200 Ohm = 383 mA. Ausgehend von diesem Anfangswert des Stromes kann durch eine Division mit Wurzel 6 dieser Strom auf einen sinusförmigen Wechselstrom umgerechnet werden. Dies entspricht dem Wert auf der X-Achse in der sog. C1-Kennlinie in der Norm SAE J 1772. Die Zeitdauer dieses Stromes kann über das Errechnen der Zeitkonstante der Kondensatorentladung t = R x C ermittelt werden. Die entsprechende Zeitdauer (Y-Achse) entspricht dabei 3 x t. Beispielhaft ist eine Verweildauer in diesem Zustand von ca. 100 ms noch zulässig. Als Ziel wurde ein verbleibender Körperstrom von kleiner als 5 mA gewählt, d. h. die Restspannung muss kleiner als 6 V sein.The
Y-capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- proportionally higher current at the beginning of the touch process. The current through the body decreases as a capacitor discharges across a resistor, specifically in the form of an exponential function. The current at the beginning of touching is calculated from the quotient of voltage and resistance. With an assumed maximum charging voltage of 920 V and a high-voltage potential distribution that is also assumed to be symmetrical in relation to the reference potential M (460 V across each Y-capacitor), an initial value of the touch current of 460 V / 1200 ohms = 383 mA results. Starting from this initial current value, this current can be converted to a sinusoidal alternating current by dividing by the square root of 6. This corresponds to the value on the X-axis in the so-called C1 characteristic in the SAE J 1772 standard. The duration of this current can be determined by calculating the time constant of the capacitor discharge t = R x C. The corresponding time period (Y-axis) corresponds to 3 x t. For example, a dwell time of approx. 100 ms in this state is still permissible. A remaining body current of less than 5 mA was chosen as the target, ie the residual voltage must be less than 6 V.
Je höher die Spannung über einem Y-Kondensator CyF+, CyF-, CyL+, CyL- ist, beispielsweise bei einer unsymmetrischen Hochvoltpotentialverteilung bezogen auf das Bezugspotential M, desto kürzer ist die maximale Verweildauer. Ein Strom über 500 mA ist nicht erlaubt, da dabei eine maximale Spannung von 600 V über einem Y-Kondensator CyF+, CyF-, CyL+, CyL- auftreten würde. Darüber muss der Ladevorgang abgebrochen werden.The higher the voltage across a Y-capacitor CyF+, CyF-, CyL+, CyL-, for example in the case of an asymmetrical high-voltage potential distribution in relation to the reference potential M, the shorter the maximum dwell time. A current of more than 500 mA is not allowed, since a maximum voltage of 600 V would appear across a Y-capacitor CyF+, CyF-, CyL+, CyL-. The loading process must be aborted.
Mittels der Schutzvorrichtung 8 mit ihrer Schutzschaltung 9 kann daher berechnet werden, ob sie noch in der Lage ist, die angeforderten maximalen Strom-Zeitdauern einzuhalten. ist diese Bedingung nicht erfüllt, muss der Ladevorgang sofort abgebrochen werden, da ein weiterer Fehler zu einer Personengefährdung führen würde. Eingangsgrößen zu dieser Berechnung sind Spannungsmessungen über den Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- beider Hochvoltpotentiale HV+, HV-, Kenntnis über die eigene Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung und die Wertetabelle der maximal zulässigen Strom-Verweildauern.The
Zur Ermittlung eines sicheren oder unsicheren Betriebszustandes kann die Schaltung um zwei hier nicht dargestellte weitere Spannungsmessvorrichtungen erweitert werden, wobei die dritte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML angeordnet ist und die vierte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML angeordnet ist, und wobei in der Pluspotentialleitung HV+L zwischen einer Verbindungsstelle zur ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und einer Verbindungsstelle zur dritten Spannungsmessvorrichtung eine erste Schalteinheit, insbesondere der erste Ladeschütz LS+, angeordnet ist und in der Minuspotentialleitung ML zwischen einer Verbindungsstelle zur zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2 und einer Verbindungsstelle zur vierten Spannungsmessvorrichtung eine zweite Schalteinheit, insbesondere der zweite Ladeschütz LS-, angeordnet ist. Somit ist schon vor dem Zuschalten der Ladeschütze LS+, LS- und dem damit zwangsweise verbundenen Vergrößern der Kapazität der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- aufgrund der Parallelschaltung von Gleichstromladestation 5 und Fahrzeug 2 feststellbar, ob die Schutzschaltung 9 in der Lage wäre, bei einer fehlerhaften Isolation, beispielsweise im Ladekabel 4, die gesetzlichen Grenzwerte einhalten zu können. Idealerweise wird für alle vier Spannungsmessungen die so genannte Schützklebeerkennung des Fahrzeugs 2 verwendet. Bedingung ist allerdings, dass bei der Spannungsauswertung der maximale Zeitverzug bis zum Zuschalten des Widerstands R, R1, R2 nicht überschritten wird. Daher wird dies vorteilhafterweise hardwareseitig umgesetzt und keine Auswertung über einen Mikroprozessor vorgenommen.To determine a safe or unsafe operating state, the circuit can be expanded to include two additional voltage measuring devices, not shown here, with the third voltage measuring device being arranged between the positive potential line HV+L and the reference potential line ML for measuring a voltage between the positive potential line HV+L and the reference potential line ML and the fourth voltage measuring device is arranged between the negative potential line HV-L and the reference potential line ML for measuring a voltage between the negative potential line HV-L and the reference potential line ML, and wherein in the positive potential line HV+L between a connection point to first voltage measuring device SV1 and a connection point to the third voltage measuring device, a first switching unit, in particular the first charging contactor LS+, is arranged and in the negative potential line ML between a connection point to the second voltage measuring device SV2 and a connection point to the fourth voltage measuring device, a second switching unit, in particular the second charging contactor LS-, is arranged. Thus, even before the charging contactors LS+, LS- are switched on and the capacity of the Y capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL- is increased as a result of the parallel connection of DC charging station 5 and
Vorgesehen ist hier beispielsweise eine in
Da die Schutzschaltung 9 bei sehr schnell hintereinander ablaufenden Berührungen eines Hochvoltpotentials HV+, HV-jedesmal einen gleichwertigen Ableitpfad zum Körperstrom darstellen kann ist jedoch vorteilhafterweise vorgesehen, dass die hier beschriebene Schutzvorrichtung 8, insbesondere deren Schutzschaltung 9, so konzipiert ist, dass sie in der Lage ist, autark Zuschalten zu können, d. h. den ersten und/oder zweiten Schutzschalter SS1, SS2 zu schließen, und nach kurzer Verweildauer in diesem zugeschalteten Zustand den jeweiligen geschlossenen Schutzschalter SS1, SS2 wieder zu öffnen. Auf eine Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs 2 zu einem übergeordneten Steuergerät, welches Maßnahmen wie beispielsweise ein Öffnen der Ladeschütze LS+, LS- und/oder Hauptschütze HS+, HS- und ein Entladen der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- durchführt, wird hierbei vorteilhafterweise verzichtet. Die Erkennung eines permanent anliegenden Isolationsfehlers, d. h. eines niedrigen Isolationswiderstandes und nicht beispielsweise eines defekten Schutzmantels eines Hochvoltkabels, wird vorteilhafterweise durch ein anderes Gerät erkannt, beispielsweise durch einen Isolationswächter und/oder durch eine Messung einer Hochvolt-Potentialverteilung, welches nicht Bestandteil der hier beschriebenen Schutzvorrichtung 8 und deren Schutzschaltung 9 ist und auch nicht mit dieser in Verbindung steht. Wie erwähnt, ist die hier beschriebene Schutzvorrichtung 8 und deren Schutzschaltung 9 in der Lage, wiederholt in sehr kurzen Abständen und somit auch bei schnell wiederkehrenden Berührungen durch eine Person, auszulösen und somit einen Schutz für die Person sicherzustellen. Ein versehetliches Auslösen, zum Beispiel aufgrund einer EMV-Störung, führt nicht zu weiterführenden Maßnahmen im Fahrzeug 2 wie beispielsweise einem fälschlichen Abschalten des Hochvoltsystems. Durch die autarke Funktion der Schutzvorrichtung 8, insbesondere von deren Schutzschaltung 9, ist eine flexible und einfache Integration in ein bestehendes Hochvoltsystem umsetzbar. Durch die autarke Funktion werden zudem die Sicherheitsanforderungen an die Schutzvorrichtung 8 und deren Schutzschaltung 9 reduziert, beispielsweise entfällt eine gesicherte Funktion/Kommunikation zu einem weiteren Steuergerät.However, since the
Auch bei einem Gleichstromnetz 1 ohne die Gleichstromladestation 5, insbesondere für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs 2, einen Wechselstromladebetrieb sowie für Montage- und Servicearbeiten, ist die Schutzvorrichtung 8 einsetzbar. Einziger Unterschied zum Zustand beim Gleichstromladen ist, dass die Gleichstromladestation 5 fehlt. Als Fehlermechanismus kommen beispielsweise ein defektes Hochvoltkabel oder ein defektes Gehäuse einer Hochvoltelektronik infolge eines Unfalls in Betracht. Auch bei Beschädigungen des Hochvoltsystems während der Montage oder im Service kann die Schutzvorrichtung 8 mit ihrer Schutzschaltung 9 die Ladungsmenge reduzieren.The
Die Schutzschaltung 9 zur Reduzierung des Y-Schlages bedingt durch einen Isolationsfehler IF bleibt dabei identisch wie oben beschrieben. Hierfür ist die Schutzvorrichtung 8 mit ihrer Schutzschaltung 9 natürlich im Fahrzeug 2 angeordnet. Die Funktion ist identisch wie zum Fehler in der Isolation während des Gleichstromladens oben beschrieben. Mit dem Erkennen der Verringerung der Spannung zwischen einem der Hochvoltpotentiale HV+, HV- und dem Bezugspotential M wird der jeweilige elektrische Widerstand R, R1, R2 hinzugeschaltet und die Gesamtkapazität der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- des betroffenen Hochvoltpotentials HV+, HV- wird entladen. Es wird zudem vorteilhafterweise ein Öffnen der Hauptschütze HS+, HS- der Hochvoltbatterie 6 kommandiert und eine aktive Entladung des X-Kondensators Cx und beider Y-Kondensatoren CyF+, CyF- des Fahrzeugs 2 eingeleitet. Die Ladeschütze LS+, LS- sind bereits vorher geöffnet und bleiben auch immer offen.The
Daraus wird deutlich, dass die Schutzschaltung 9 zur Reduzierung eines Cy-Schlags für das Pluspotential HV+ und das Minuspotential HV- nie zur selben Zeit zum Einsatz kommt. Daher können ein einziger Widerstand R und optional ein einziger Schutzwiderstand Rs für die Absicherung beider Hochvoltpotentiale HV+, HV- verwendet werden, wie in den
Die Schutzvorrichtung 8 umfasst somit in allen Ausführungsformen die erste Spannungsmessvorrichtung SV1 zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung der Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und die zweite Spannungsmessvorrichtung SV2 zwischen einer Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung der Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML.In all embodiments, the
Des Weiteren umfasst die Schutzvorrichtung 8 in allen Ausführungsformen die Schutzschaltung 9.Furthermore, the
Die Schutzschaltung 9 umfasst beispielsweise, wie in den
Der elektrische Widerstand R ist beispielsweise ein elektrischer Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 Ω, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der menschliche Körperwiderstand RK, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω. Dadurch wird die Durchströmung des menschlichen Körpers deutlich reduziert.The electrical resistance R is, for example, an electrical resistance with a fixed resistance value of a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular smaller, in particular significantly smaller, than the human body resistance R K , in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum of or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω. This significantly reduces the flow through the human body.
Alternativ ist der elektrische Widerstand R, wie in
Der als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildete elektrische Widerstand R ist beispielsweise als ein Varistor oder als eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Varistoren mit und/oder ohne einer Zusatzbeschaltung ausgebildet.The electrical resistor R designed as a voltage-dependent electrical resistor is designed, for example, as a varistor or as a series connection and/or parallel connection of a plurality of varistors with and/or without additional circuitry.
Alternativ umfasst die Schutzschaltung 9, wie in
Der jeweilige elektrische Widerstand R1, R2 ist beispielsweise ein elektrischer Widerstand mit einem festen Widerstandswert von maximal 800 3Ω, insbesondere maximal 600 Ω, insbesondere kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der menschliche Körperwiderstand RK, insbesondere maximal 200 Ω, insbesondere maximal oder kleiner als 50 Ω, beispielsweise kleiner als 5 Ω.. Dadurch wird die Durchströmung des menschlichen Körpers deutlich reduziert.The respective electrical resistance R1, R2 is, for example, an electrical resistance with a fixed resistance value of a maximum of 800 Ω, in particular a maximum of 600 Ω, in particular less than, in particular significantly less than, the human body resistance R K , in particular a maximum of 200 Ω, in particular a maximum or less than 50 Ω, for example less than 5 Ω. This significantly reduces the flow through the human body.
Alternativ ist der jeweilige elektrische Widerstand R1, R2, wie in
Der jeweilige als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildete elektrische Widerstand R1, R2 ist beispielsweise als ein Varistor oder als eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Varistoren mit und/oder ohne einer Zusatzbeschaltung ausgebildet.The respective electrical resistor R1, R2 designed as a voltage-dependent electrical resistor is designed, for example, as a varistor or as a series connection and/or parallel connection of a plurality of varistors with and/or without additional circuitry.
Bei beiden Varianten sind/ist der erste Schutzschalter SS1 und/oder der zweite Schutzschalter SS2 bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2 ermittelten Eintritt mindestens eines vorgegebenen Auslösekriteriums oder mehrerer vorgegebener Auslösekriterien, beispielsweise bei einer mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2 ermittelten Spannungsänderung auf einer e-Funktion mit einer Zeitkonstante in einem vorgegebenen Frequenzbandbereich und/oder bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2 ermittelten Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes, zum Schließen ansteuerbar. Diese Auswertung, d. h. die Ermittlung des Eintritts des mindestens einen Auslösekriteriums oder der mehreren Auslösekriterien mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2, erfolgt beispielsweise digital oder analog.In both variants, the first circuit breaker SS1 and/or the second circuit breaker SS2 is/are when at least one predetermined triggering criterion or several predetermined triggering criteria occur, which is determined by means of the first voltage measuring device SV1 and/or by means of the second voltage measuring device SV2, for example in the case of a by means of the first voltage measuring device SV1 and/or the voltage change determined by means of the second voltage measuring device SV2 on an e-function with a time constant in a predefined frequency band range and/or when the voltage falls below a predefined voltage value determined by means of the first voltage measuring device SV1 and/or by means of the second voltage measuring device SV2, can be triggered to close . This evaluation, i. H. the determination of the occurrence of the at least one triggering criterion or of the plurality of triggering criteria by means of the first voltage measuring device SV1 and/or by means of the second voltage measuring device SV2 takes place digitally or analogously, for example.
Die Schutzvorrichtung 8 verfügt somit über eine Auswertung von Spannungsniveaus zwischen Pluspotential HV+ und Bezugspotential M und zwischen Minuspotential HV- und Bezugspotential M. Hierüber werden die Schutzschalter SS1, SS2 jeweils angesteuert, sofern das mindestens eine vorgegebene Auslösekriterium gegeben ist oder die mehreren vorgegebenen Auslösekriterien gegeben sind.The
Alternativ zu den beiden Spannungsmessvorrichtungen SV1, SV2 kann eine Fehlerstrommessvorrichtung in der Bezugspotentialleitung ML vorgesehen sein. Dann ist in beiden Varianten der Schutzschaltung 9 der erste Schutzschalter SS1 und/oder der zweite Schutzschalter SS2 bei einem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom zum Schließen ansteuerbar.As an alternative to the two voltage measuring devices SV1, SV2, a fault current measuring device can be provided in the reference potential line ML. Then in both variants of the
In einer möglichen Ausführungsform ist, wie oben bereits erwähnt, der elektrische Widerstand R, R1, R2 mit einem elektrischen Schutzwiderstand Rs, Rs1, Rs2 elektrisch in Reihe geschaltet. D. h. der alleinige elektrische Widerstand R ist mit dem alleinigen elektrischen Schutzwiderstand Rs elektrisch in Reihe geschaltet, wie in den
Die elektrische Reihenschaltung des jeweiligen elektrischen Widerstands R, R1, R2 und des jeweiligen elektrischen Schutzwiderstands Rs, Rs1, Rs2 bildet dabei ein Entladenetzwerk zwischen dem Pluspotential HV+ und dem Bezugspotential M bzw. ein Entladenetzwerk zwischen dem Minuspotential HV- und dem Bezugspotential M. Der elektrische Schutzwiderstand Rs oder der jeweilige elektrische Schutzwiderstand Rs1, Rs2 dient der Vermeidung einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters SS1, SS2 durch einen zu hohen Strom. Der elektrische Schutzwiderstand Rs oder der jeweilige elektrische Schutzwiderstand Rs1, Rs2 kann beispielsweise entfallen, wenn durch den elektrischen Widerstand R oder den jeweiligen elektrischen Widerstand R1, R2, insbesondere in seiner Ausgestaltung als spannungsabhängiger elektrischer Widerstand, stets sichergestellt ist, dass ein maximaler Stromfluss derart begrenzt ist, dass er nicht zu einer Zerstörung des jeweiligen Schutzschalters SS1, SS2 führen kann.The electrical series connection of the respective electrical resistor R, R1, R2 and the respective electrical protective resistor Rs, Rs1, Rs2 forms a discharge network between the positive potential HV+ and the reference potential M or a discharge network between the negative potential HV- and the reference potential M. The electrical Protective resistor Rs or the respective electrical protective resistor Rs1, Rs2 serves to prevent the respective protective switch SS1, SS2 from being destroyed by an excessively high current. The electrical protective resistor Rs or the respective electrical protective resistor Rs1, Rs2 can be omitted, for example, if the electrical resistor R or the respective electrical resistor R1, R2, in particular in its design as a voltage-dependent electrical resistor, always ensures that a maximum current flow is limited in this way is that it cannot lead to the destruction of the respective circuit breaker SS1, SS2.
Ist der elektrische Schutzwiderstand Rs bzw. der jeweilige Schutzwiderstand Rs1, Rs2 vorhanden, so umfasst die Schutzschaltung 9 somit die elektrische Reihenschaltung des elektrischen Widerstands R, des elektrischen Schutzwiderstands Rs und des ersten Schutzschalters SS1 zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und die elektrische Reihenschaltung des Widerstands R, des elektrischen Schutzwiderstands Rs und des zweiten Schutzschalters SS2 zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML, wie in den
Beispielsweise ist, wie in
Bei Verwendung der Fehlerstrommessvorrichtung ist entsprechend beispielsweise eine mit der Fehlerstrommessvorrichtung und den Schutzschaltern SS1, SS2 gekoppelte Stromauswerteeinheit zur Auswertung des gemessenen Fehlerstroms und zur Ansteuerung des ersten Schutzschalters SS1 und/oder des zweiten Schutzschalters SS2 in Abhängigkeit vom gemessenen Fehlerstrom vorgesehen.When using the residual current measuring device, for example, a current evaluation unit coupled to the residual current measuring device and the protective switches SS1, SS2 is provided for evaluating the measured residual current and for controlling the first protective switch SS1 and/or the second protective switch SS2 depending on the measured residual current.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die gemeinsame Spannungsauswerteeinheit 12 mit einer dritten Spannungsmessvorrichtungen und einer vierten Spannungsmessvorrichtung gekoppelt ist, wobei die dritte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung der Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML angeordnet ist und die vierte Spannungsmessvorrichtung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung der Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML angeordnet ist, und wobei in der Pluspotentialleitung HV+L zwischen der Verbindungsstelle zur ersten Spannungsmessvorrichtung SV1 und der Verbindungsstelle zur dritten Spannungsmessvorrichtung die erste Schalteinheit, insbesondere in Form des Ladeschützes LS+, in der Pluspotentialleitung HV+L, angeordnet ist und in der Minuspotentialleitung HV-L zwischen der Verbindungsstelle zur zweiten Spannungsmessvorrichtung SV2 und der Verbindungsstelle zur vierten Spannungsmessvorrichtung eine zweite Schalteinheit, hier in Form des Ladeschützes LS- in der Minuspotentialleitung HV-L, angeordnet ist.In an embodiment not shown here, it can be provided that the common
Der jeweilige Schutzschalter SS1, SS2 ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter ausgebildet, zum Beispiel als ein MOSFET, IGBT oder Thyristor.The respective protective switch SS1, SS2 is designed, for example, as a semiconductor switch, for example as a MOSFET, IGBT or thyristor.
Im Folgenden werden vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten der Schutzvorrichtung 8 beschrieben. Bei Fahrzeugen 2 mit einem Hochvoltsystem in der 800 V-Ebene wird es schwierig, die normativ geforderten Grenzwerte der Entladung durch Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- einzuhalten. Dies gilt im Besonderen für bereits existente Fahrzeuge 2, die durch bereits belegte Bauräume im Fahrzeug 2 keine Anpassungen im Hochvoltsystem für große Zusatzkomponenten erlauben. Hier bietet sich die beschriebene Lösung an, da sie einfach, kostengünstig und mit einem geringen Bauraumerfordernis im Fahrzeug 2 zu installieren ist.Advantageous possible uses of the
Des Weiteren werden durch die beschriebene Lösung Vorschriften, insbesondere aus Normen, erfüllt, wodurch eine Zulassung des Fahrzeugs 2 erleichtert oder erst ermöglicht wird. Durch diese Schutzvorrichtung 8 und ihre Schutzschaltung 9 werden mit dem Hinzufügen einer kleinen Elektronik die Grenzwerte erreicht, ohne dass am Hochvoltsystem und dessen Komponenten etwas verändert werden muss.Furthermore, the solution described satisfies regulations, in particular from standards, which makes it easier or even possible to register the
Der in der LV123 geforderte maximale Energieinhalt von 0,2 J wird bereits bei 632 V durch die Gleichstromladestation 5 überschritten. „Alternative measures“, d. h. alternative Maßnahmen, sind somit zwingend erforderlich. Als einzige Lösung wird eine doppelte Isolation momentan diskutiert. Alle gekoppelten Systeme, d. h. Fahrzeug 2 und Gleichstromladestation 5, müssen dann gleichzeitig über eine verstärkte Isolation verfügen, was aktuell nicht sichergestellt werden kann. Durch die Schutzvorrichtung 8 und ihre Schutzschaltung 9 kann die durch den menschlichen Körper MK geströmte Energie jedoch ebenfalls auf einen Wert unterhalb von 0,2 J gehalten werden. Sie stellt somit eine weitere Lösung für „alternative measures“ dar.The maximum energy content of 0.2 J required in the LV123 is already exceeded at 632 V by the DC charging station 5. "Alternative measures", i. H. alternative measures are therefore absolutely necessary. The only solution currently being discussed is double insulation. All coupled systems, i.
Die Schutzvorrichtung 8 und ihre Schutzschaltung 9 ermöglichen es, bei einer beschädigten Isolation während des Gleichstromladens, beispielsweise bei einem beschädigten Ladestecker oder Ladekabel 4, den gefährlichen Entladestrom der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- beim Kontakt durch den Menschen zu reduzieren. In allen anderen Fahrzeugzuständen wird ebenfalls bei einer beschädigten Isolation der gefährliche Entladestrom beim Kontakt durch den Menschen reduziert.The
Eine verbesserte EMV-Entstörung ist durch eine größere Gestaltung der Y-Kondensatoren CyF+, CyF-, CyL+, CyL- möglich. Ein Verzicht auf die Anforderung der doppelten Isolation des gesamten Hochvoltsystems wird ermöglicht. Dies gilt für Fahrzeug 2 und Gleichstromladestation 5.Improved EMC interference suppression is possible through a larger design of the Y capacitors CyF+, CyF-, CyL+, CyL-. A waiver of the requirement for double insulation of the entire high-voltage system is made possible. This applies to
Die Schutzvorrichtung 8 mit ihrer Schutzschaltung 9 kann im Fahrzeug 2 und/oder in der Gleichstromladestation 5 angeordnet werden.The
Als oben erwähnter menschlicher Körperwiderstand RK, d. h. als Körperwiderstand einer Person, d. h. des menschlichen Körpers MK, wird, insbesondere gemäß Angaben in zu beachtenden Normen, ein Widerstandswert von 500 Ω angenommen oder vorgegeben. A resistance value of 500 Ω is assumed or specified as the above-mentioned human body resistance R K , ie as the body resistance of a person, ie the human body MK, in particular in accordance with information in standards to be observed.
D. h. der menschliche Körperwiderstand ist entsprechend als Widerstandswert von 500 Ω definiert.i.e. the human body resistance is accordingly defined as a resistance value of 500 Ω.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Gleichstromnetzdirect current network
- 22
- Fahrzeugvehicle
- 33
- Bordnetz, HochvoltbordnetzOn-board network, high-voltage on-board network
- 44
- Ladekabelcharging cable
- 55
- GleichstromladestationDC charging station
- 66
- Hochvoltbatteriehigh-voltage battery
- 77
- Batterieenergiequellebattery power source
- 88th
- Schutzvorrichtungprotective device
- 99
- Schutzschaltungprotection circuit
- 9.1, 9.29.1, 9.2
- Schutzschaltungsteilprotection circuit part
- 1212
- Spannungsauswerteeinheitvoltage evaluation unit
- 1313
- Ladestationsspannungsquelle charging station voltage source
- AHV+, AHV-, AMAHV+, AHV-, AM
- AnschlussConnection
- AK+, AK-AK+, AK-
- Anschlusskontaktconnection contact
- CxCx
- X-KondensatorX capacitor
- CyF+, CyF-CyF+, CyF-
- Y-Kondensator FahrzeugY-capacitor vehicle
- CyL+, CyL-CyL+, CyL-
- Y-Kondensator GleichstromladestationY capacitor DC charging station
- HS+, HS-HS+, HS-
- Hauptschützmain contactor
- HV+, HV-HV+, HV-
- Hochvoltpotentialhigh-voltage potential
- HV+L, HV-LHV+L, HV-L
- Hochvoltpotentialleitunghigh-voltage potential line
- IFIF
- Isolationsfehlerinsulation fault
- LS+, LS-LS+, LS-
- Ladeschützcharging contactor
- MM
- Bezugspotentialreference potential
- MLML
- Bezugspotentialleitungreference potential line
- MKMK
- menschlicher Körperhuman body
- RBattRBatt
- Batterieinnenwiderstandinternal battery resistance
- R, R1, R2R, R1, R2
- WiderstandResistance
- RKRK
- Körperwiderstandbody resistance
- RLSRLS
- Ladestationinnenwiderstandcharging station internal resistance
- Rs, Rs1, Rs2Rs, Rs1, Rs2
- Schutzwiderstandprotective resistor
- SS1, SS2SS1, SS2
- Schutzschaltercircuit breaker
- SV1, SV2SV1, SV2
- Spannungsmessvorrichtungtension measuring device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102017009355 A1 [0002]DE 102017009355 A1 [0002]
- DE 102019008833 [0003]DE 102019008833 [0003]
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017009355A1 (en) | 2017-10-09 | 2018-04-19 | Daimler Ag | Method for operating electrical on-board networks |
DE102019008833A1 (en) | 2019-12-18 | 2021-06-24 | Daimler Ag | Protection device for an electrical direct current network, on-board network for a vehicle, vehicle and direct current charging station |
-
2023
- 2023-04-05 DE DE102023001341.2A patent/DE102023001341A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017009355A1 (en) | 2017-10-09 | 2018-04-19 | Daimler Ag | Method for operating electrical on-board networks |
DE102019008833A1 (en) | 2019-12-18 | 2021-06-24 | Daimler Ag | Protection device for an electrical direct current network, on-board network for a vehicle, vehicle and direct current charging station |
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Legal Events
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