DE112005001167T5

DE112005001167T5 - Differenzstromdetektion

Info

Publication number: DE112005001167T5
Application number: DE112005001167T
Authority: DE
Inventors: Christopher Lakeville Henze; Rohit Minneapolis Tirumala
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: CN1989673A; US7224559B2; CN1989673B; WO2005114805A2; US20050259371A1; DE112005001167B4; WO2005114805A3

Abstract

Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst:
einen konstant vormagnetisierten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken;
eine Messwicklung um den Kern herum, wobei die Messwicklung ein Wechselstromsignal transportiert; und
einen Messschaltkreis, der mit der Messwicklung verbunden ist und eine Änderung einer kleinen Signalimpedanz der Messwicklung in Bezug auf den Kern erfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Detektieren von Masseschluss- oder Erdfehlerströmen und anderen Differenzströmen, und im Besonderen das Detektieren eines Differenzstroms in einem Gleichstromschaltkreis (DC-Schaltkreis).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrische Codes erfordern typischerweise, dass Masseschluss-Schaltkreisunterbrecher (GFCIs von ground fault circuit interrupters) an mehreren Stellen eingebaut sein müssen. Es kann beispielsweise sein, dass in Wohnungen GFCIs in Küchen, Bädern und Garagen eingebaut sein müssen. Es sind viele Masseschluss-Schutzeinrichtungen zur Verwendung in 120 V Wechselstrom- und/oder 240 V Wechselstrom-Schaltkreisen im Handel erhältlich. Ein typischer Haushalts-GFCI verwendet einen Differenzstromtransformator, der einen Differenzstrom bis hinunter zu 5 Milliampere an einem Drahtpaar, das 15 Ampere Wechselstrom (AC) transportiert, detektieren kann. Eine detektierte Differenz zwischen Quellen- und Rückströmen gibt typischerweise das Vorhandensein eines Masseschlusses oder Erdfehlers an. Gebäudevorschriften spezifizieren häufig beispielsweise, dass ein 120 V Wechselstrom-Schaltkreis in Ansprechen auf einen detektierten Masseschlussstrom, der größer als 5 Milliampere ist, geöffnet wird.
Obwohl Differenzstrom-Detektionsvorrichtungen im Allgemeinen kostengünstig und effektiv sind, wenn sie in Wechselstromschaltkreisen verwendet werden, sind sie nicht dafür konstruiert, Fehler in Gleichstromschaltkreisen (DC-Schaltkreisen) zu detektieren. Obwohl elektrische Schutzschalter mit einer DC-Masseschluss-Auslösefähigkeit verfügbar sind, sind sie teuer und nicht ausreichend empfindlich, um die relativ niedrigen Pegel eines Fehlerstroms zu detektieren, der typischerweise als Masseschluss-Auslöseschwellenwerte spezifiziert ist, wenn Menschen zu schützen sind.
Ein wachsendes Anwendungsgebiet für DC-Schaltkreise ist bei der Leistungsversorgung für Elektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge. Kraftfahrzeug-Leistungsquellen können hohe Spannungen, z. B. zwischen 400 und 800 Volt DC liefern, und es ist erwünscht, in diesen Systemen eine Masseschlussdetektion bereitzustellen. Wie es zuvor besprochen wurde, sind jedoch die Differenzstrom-Detektionsvorrichtungen, die gegenwärtig erhältlich sind, teuer und ungeeignet, um einen Differenzstrom in DC-Schaltkreisen zu detektieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in einer Ausführungsform auf einen Detektionsschaltkreis gerichtet, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert. Der Detektionsschaltkreis umfasst einen konstant vormagnetisierten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken. Der Detektionsschaltkreis umfasst auch eine Messwicklung um den Kern herum. Die Messwicklung transportiert ein Wechselstrom- oder AC-Signal. Ein Messschaltkreis, der mit der Messwicklung verbunden ist, erfasst eine Änderung einer kleinen Signalimpedanz der Messwicklung in Bezug auf den Kern.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert, ein Paar Magnetkerne, durch die sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken. Eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung befinden sich um jeden Kern herum. Die Vormagnetisierungswicklungen transportieren entgegengerichtete DC-Signale. Die Messwicklungen transportieren ein AC-Signal. Ein von dem AC-Signal angesteuerter Messschaltkreis erfasst eine Verschiebung mindestens eines durch mindestens eines der DC-Signale festgelegten Arbeitspunktes in Bezug auf den mindestens einen der Kerne.
Ein Detektionsschaltkreis in einer anderen Ausführungsform detektiert eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom. Der Detektionsschaltkreis weist einen Magnetkern auf, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken. Eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung befinden sich um den Kern herum, wobei die Vormagnetisierungswicklung ein DC-Signal transportiert und die Messwicklung eine kleine Signalimpedanz für den Kern bereitstellt. Ein Messschaltkreis erfasst eine Änderung der kleinen Signalimpedanz.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Detektieren einer Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom umfasst, dass die Quellen- und Rückströme durch ein Paar entgegengesetzt vormagnetisierter Magnetkerne geleitet werden. Das Verfahren umfasst darüber hinaus, dass eine kleine Signalimpedanz in einer Messwicklung um einen der Kerne herum erzeugt und eine Änderung der kleinen Signalimpedanz erfasst wird.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug einen Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom in einem elektrischen Schaltkreis des Fahrzeugs detektiert. Der Detektionsschaltkreis umfasst einen Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken, und eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung um den Kern herum. Die Vormagnetisierungswicklung wird durch ein DC-Signal vormagnetisiert. Die Messwicklung transportiert ein AC-Signal. Ein mit der Messwicklung verbundener Messschaltkreis erfasst eine Verschiebung eines durch das DC-Signal festgelegten Arbeitspunktes in Bezug auf den Kern.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung deutlich werden. Es ist einzusehen, dass die ausführliche Beschreibung und die besonderen Beispiele, obgleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung angeben, lediglich zu Darstellungszwecken dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden, in denen:
1 ein Diagramm eines Detektionsschaltkreises zum Detektieren einer Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom in einem elektrischen System eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm eines Detektionsschaltkreises zum Detektieren einer Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom in einem elektrischen System eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Überwachen eines Differenzstroms durch zwei Leiter ist;
4 ein Graph einer beispielhaften Hystereseschleife für einen Kern gemäß einer Ausführungsform ist;
5 ein Graph einer Kondensatorspannung relativ zu dem H-Feld eines Kerns ist, der Verschiebungen in einem Kernarbeitspunkt gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
6 ein Graph einer Differenzstrommessung in Bezug auf einen DC-Masseschlussstrom gemäß einer Ausführungsform ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungen in keinster Weise einschränken.
Eine Ausführungsform eines Detektionsschaltkreises zum Detektieren einer Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom ist in 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 10 angegeben. Der Detektions schaltkreis 10 ist beispielsweise in einem Leistungsschaltkreis 12 eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs 16 enthalten. Es ist jedoch in Betracht zu ziehen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei anderen Anwendungen verwendet werden könnten.
Der Detektionsschaltkreis 10 umfasst zwei magnetische Kerne 14, z. B. Ferritkerne. Zwei Leiter 18 in dem Leistungsschaltkreis 12 erstrecken sich durch die Kerne 14. Die Leiter 18 leiten jeweils Quellen- und Rückströme zwischen einer Leistungsquelle, z. B. einer Batterie, und einer elektrischen Last des Fahrzeugs 16. Die Quellen- und Rückströme können beispielsweise Hochspannungs-DC-Ströme zwischen 400 und 800 Volt sein. Es können jedoch auch Ausführungsformen in Verbindung mit höheren und/oder niedrigeren Spannungen verwendet werden.
Jeder Kern 14 wird in entgegengesetzte Richtungen mit DC-Strom vormagnetisiert, wie es nachstehend weiter beschrieben wird. Jeder Kern 14 weist auch eine Messwicklung 22 auf, die mit einer AC-Quelle 26 verbunden ist. Ein Messschaltkreis 30 umfasst Kondensatoren 34, die jeweils in Reihe mit den Messwicklungen 22 geschaltet sind. Die Kondensatoren 34 werden durch die AC-Quelle 26 angesteuert, wie es nachstehend werter beschrieben wird. Es ist festzustellen, dass der Messschaltkreis 30 auf verschiedene Weise ausgeführt sein kann, so dass eine Verschiebung in einem Arbeitspunkt eines Kerns 14 erfasst werden kann, wie es nachstehend weiter beschrieben wird.
Der Schaltkreis 10 ist in 2 ausführlicher gezeigt. Einstellbare DC-Stromquellen 38 werden von einem Controller 42 gesteuert und sind mit Vormagnetisierungswicklungen 46 an jedem Kern 14 verbunden. Der Controller 42 gibt ein oder mehrere digitale Signal(e) aus, die in analog gewandelt und in die Stromquellen 38 eingegeben werden, um DC-Vor magnetisierungsfelder zu erzeugen, die typischerweise in Einheiten von Ampere-Windungen pro Meter ausgedrückt werden. Jeder Kern 14 wird mit DC-Strom über die Stromquellen 38 vorzugsweise derart vormagnetisiert, dass ein H-Feld für den Kern auf ein Niveau einer mäßigen Sättigung gebracht wird, wie es nachstehend weiter beschrieben wird. Die Kerne 14 werden konstant und entgegengerichtet vormagnetisiert, so dass die H-Felder in entgegengesetzten Richtungen vorliegen. In einer anderen Ausführungsform können die Kerne 14 Permanentmagnetkomponenten umfassen, die permanent vormagnetisiert sind, um entgegengesetzte H-Felder bereitzustellen.
Die Reihenkombinations-Messwicklungen 22 und Kondensatoren 34 empfangen eine sinusförmige Spannung von z. B. etwa 20 Volt Spitze-Spitze mit einer Frequenz f_osc zwischen etwa 10 und 20 Kilohertz, z. B. etwa 14 Kilohertz. Es könnten jedoch stattdessen andere Spannungen und/oder Frequenzen verwendet werden. Das Signal von der Spannungsquelle 26 muss nicht sinusförmig sein, sondern könnte ein anderes zeitlich veränderliches Signal sein.
Spannungssignale V_C1 und V_C2 über die Kondensatoren 34 hinweg werden verarbeitet, um ein analoges Signal 50 zu erzeugen, das einen Differenzstrom durch die Leiter 18 darstellt. In einer Ausführungsform umfasst die analoge Verarbeitung der Spannungssignale V_C1 und V_C2 die Verwendung einer Differenzverstärkung 54, einer Bandpassfilterung 58, um ein Band durchzulassen, das bei etwa der Frequenz f_osc des Signals von der AC-Quelle 26 zentriert ist, und eine AC/RMS-Wandlung 62. Eine AC/RMS-Wandlung wandelt Wechselstrom (AC) mit der Oszillatorfrequenz in ein Gleichstrom- (DC-) (oder sich langsam veränderndes) Signal proportional zu der RMS des Differenzsignals. Der Controller 42 wandelt das Signal 50 in ein digitales Signal, das verwendet wird, wie es weiter unten beschrie ben wird. Die Amplituden (MAG) der Spannungen V_C1 und V_C2 werden ebenfalls als analoge Signale in den Controller 42 eingegeben, der diese in digitale Signale wandelt. Die Amplituden der Spannungen V_C1 und V_C2 können von dem Controller 42 beispielsweise bei der Kalibrierung des Schaltkreises 10 verwendet werden. Es ist im Allgemeinen zu verstehen, dass die Signalverarbeitungskomponenten, die in 2 angegeben sind, lediglich beispielhaft sind, und dass viele unterschiedliche analoge und/oder digitale Signalverarbeitungskomponenten und/oder Kombinationen davon in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden könnten.
Der Controller 42 verwendet das Differenzsignal 50, um die Anwesenheit eines Differenzstroms durch die Leiter 18 festzustellen. Der Controller 42 kann die Spannungssignale V_C1 und V_C2 gemäß einem in 3 durch Bezugszeichen 70 angegebenen Verfahren überwachen. Nach den 2 und 3 initialisiert der Controller bei Schritt 80 den Schaltkreis 10 beispielsweise durch Kalibrieren von Offsets für die Kerne 14 und die Spannungssignale V_C1 und V_C2, indem die DC-Vormagnetisierungsströme von den Stromquellen 38 eingestellt werden. Wenn der Controller 42 bei Schritt 86 ein Differenzstromsignal 50 detektiert, das eine Amplitude aufweist, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, gibt der Controller 42 bei Schritt 88 ein Signal 66 an einen Abschaltschaltkreis (der nicht gezeigt ist) aus, der den Fahrzeugleistungsschaltkreis 12 öffnet. Der Abschaltschaltkreis kann auch verschiedene Schritte in Vorbereitung auf das Öffnen des Schaltkreises 12 durchführen. Wenn bei Schritt 86 kein Differenzstrom detektiert wird, kehrt die Steuerung zu Schritt 86 zurück.
Eine beispielhafte Hystereseschleife für einen Kern 14 ist in 4 allgemein mit dem Bezugszeichen 100 angegeben. Ein DC-Vormagnetisie rungsniveau ist derart gewählt, dass die B-H-Schleife 100 vorzugsweise in die Sättigung bei Arbeitspunkt 104 gebogen wird, aber nicht tief, wobei der Arbeitspunkt durch den DC-Vormagnetisierungsstrom festgelegt wird. Die kleine Signalimpedanz (die auch als dynamische oder AC-Impedanz bekannt ist) der Kernmesswicklung 22 schwankt beispielsweise mit der Steigung der B-H-Schleife 100 an dem Arbeitspunkt 104.
Wenn der Vormagnetisierungspunkt weiter in die Sättigung hinein verschoben wird, beispielsweise von Punkt 104 zu einem Punkt 108, weist der Arbeitspunkt 108 eine stärker horizontale Steigung auf als die des Arbeitspunktes 104, wie es in 4 gezeigt ist, und die kleine Signalimpedanz (Induktivität) der Kernmesswicklung 22 wird reduziert. Wenn der Vormagnetisierungspunkt von der Sättigung weg verschoben wird, beispielsweise von Punkt 104 zu einem Punkt 112, wird die kleine Signalimpedanz (Induktivität) der Kernmesswicklung 22 erhöht, da der Arbeitspunkt 112 eine stärker vertikale Steigung aufweist als die des Arbeitspunkts 104. Es ist festzustellen, dass obwohl der Arbeitspunkt 104 auf der Kurve 100 vorzugsweise derart gewählt ist, dass eine Änderung einer kleinen Signalimpedanz, die aus einer Arbeitspunktverschiebung resultiert, maximiert wird, die Auswahl eines oder mehrerer alternativer Arbeitspunkte ebenfalls möglich ist.
In Gebrauch des Detektionsschaltkreises 10 entwickelt sich eine Spannung über jeden Kondensator 34 hinweg auf der Basis der Impedanzen des gegebenen Kondensators 34 und der zugehörigen Messwicklung 22. Bei Fehlen eines Differenzstroms durch die Leiter 18 (wie es beispielsweise der Fall ist, wenn kein Masseschlussstrom vorhanden ist) erscheint vorzugsweise die gleiche Spannungswellenform über jeden Kondensator 34 hinweg. Wenn beispielsweise Schwankungen eines Schaltkreiselements zu einer anfänglichen unterschiedlichen Spannung über die beiden Konden satoren 34 hinweg führen, kann eine derartige Spannung aufgehoben und/oder gefiltert werden, um Rauschen in dem Schaltkreis 10 zu verringern.
Wenn es beispielsweise im Fall eines Masseschlusses einen Differenzstrom durch die Leiter 18 gibt, erzeugt ein derartiger Differenzstrom eine zusätzliche H-Feld-Komponente für jeden der Kerne 14. Die zusätzlichen H-Feld-Komponenten erhöhen das Vormagnetisierungsfeld in einem Kern 14 und verringern das Vormagnetisierungsfeld in dem anderen Kern 14. Derartige Änderungen des Vormagnetisierungsfeldes bewirken, dass Kondensatorspannungen über einen Kondensator 34 hinweg abfallen und über den anderen Kondensator 34 hinweg zunehmen. Eine Differenz der Kondensatorspannungen ist im Wesentlichen proportional zu dem Masseschlussstrom.
Beispielhafte Verschiebungen des Arbeitspunktes sind in 5 gezeigt, in der ein Graph einer Spannung eines Kondensators 34 relativ zu dem H-Feld des Kerns als Bezugszeichen 200 angegeben ist. Eine Kurve 204 stellt eine Spannung des Kondensators/der Kondensatoren 34 relativ zu H-Feldern in den Kernen 14 dar. Ein durchgezogener Pfeil 208 stellt vorzugsweise identische Arbeitspunkte in beiden Kernen 14 bei Fehlen einer Differenz in Strömen durch die Leiter 18 dar. Gestrichelte Pfeile 212 und 216 stellen Arbeitspunkte für die Kerne 14 dar, die aufgrund eines Flusses durch eine Differenz in Strömen durch die Leiter 18 jeweils nach links und nach rechts verschoben worden sind.
Die kleine Signalimpedanz einer Messwicklung 22 wird beispielsweise durch die Anzahl von Windungen in einer derartigen Messwicklung 22, die Fläche des Kerns 14, der zu einer solchen Messwicklung 22 gehört, das Material/die Materialien des Kerns 14 und die Arbeitsfrequenz der Mess schaltung 30 beeinflusst. Derartige Parameter sind vorzugsweise für beide Kerne 14 gleich. Die Impedanz der Messwicklung wird durch Flusspegel beeinflusst. Die Kerne 14 sind vorzugsweise identisch. Ein beispielhafter Kern 14 kann eine mittlere Weglänge von 12,7 cm aufweisen und einen Durchmesser von 50 mm (2 Zoll) besitzen. Ein Kern 14 kann beispielsweise ein Magnetics OP44925-Toroidkern sein, der von Magnetics, einer Division von Spang & Company, Butler, Pennsylvania, erhältlich ist. Eine beispielhafte DC-Vormagnetisierungswicklung 46 weist etwa zehn (10) Windungen auf und leitet einen Vormagnetisierungsstrom von etwa 1,0 Ampere. Ein Vormagnetisierungspegel kann beispielsweise 80 Ampere pro Meter betragen. Eine beispielhafte Messwicklung 22 weist etwa fünfzig (50) Windungen auf. Die Signalquelle 26 liefert ein Signal, das beispielsweise etwa 14 Kilohertz und etwa 20 Volt Spitze-Spitze beträgt. Beispielhafte Messkondensatoren 34 können Kapazitäten von etwa 0,1 Mikrofarad aufweisen.
Durch Messen einer Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren 34 beschafft der Detektionsschaltkreis 10 einen Messwert, der im Wesentlichen linear in Bezug auf den DC-Masseschlussstrom ist, wie es in 6 gezeigt ist. Durch Messen von nur der Amplitude der Differenz der Kondensatorspannungen wird nur die Amplitude des Masseschlussstroms erfasst. Wenn die Phase ebenfalls gemessen wird, kann auch die Polarität des Fehlerstroms bestimmt werden. Der Schaltkreis 10 kann auch einen AC-Masseschlussstrom für Frequenzen messen, die viel kleiner sind als die Frequenz f_osc des Messsignals. Wenn die Frequenz f_osc beispielsweise 14 Kilohertz beträgt, kann der Masseschluss-Detektionsschaltkreis 10 dazu verwendet werden, komplexe Masseschlussströme zu überwachen, die sowohl AC- (z. B. 60 Hz) als auch DC-Komponenten aufweisen.
In einer Ausführungsform kann ein anfängliches Differenzspannungssignal zwischen den Kondensatoren auf Null kalibriert werden, indem beispielsweise ein Vormagnetisierungsstrom in einem oder beiden Kernen 14 dadurch eingestellt wird, dass jeglicher Offset aufgrund von Volumen, Material und/oder anderen Differenzen zwischen den Kernen 14 aufgehoben wird und/oder die Spannungen der Kondensatoren 34 auf Null kalibriert werden. Der Mikrocontroller 42 kann dazu verwendet werden, eine derartige Kalibrierung durchzuführen. Eine Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen kann ebenfalls gesteigert werden, indem beispielsweise ein Bandpassfilter beim Messen der Differenzspannung zwischen den Kondensatoren 34 verwendet wird.
Ein kostengünstiger Masseschluss-Schaltkreisunterbrecher kann unter Verwendung der vorstehenden Differenzstrom-Detektionsschaltkreise und -verfahren bereitgestellt werden. Ein derartiger Schaltkreisunterbrecher kann in Verbindung mit Hochspannungs-DC-Systemen verwendet werden, kann aber einen Fehlerstrom bei niedrigen Pegeln messen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auch verwendbar, um eine Kombination von AC- und DC-Masseschlussströmen zu detektieren. Derartige Ströme können sich beispielsweise ergeben, wenn ein Masseschluss oder Erdfehler auftritt, falls an einem Elektrofahrzeug eine zusätzliche AC-Leistung elektronisch erzeugt wird, oder falls ein Fahrzeug an eine Einrichtung zum Laden angeschlossen ist.
Der vorstehende elektrische Schaltkreis und die damit in Beziehung stehenden Verfahren bieten eine Differenzstromdetektion in einem DC-Schaltkreis und sind besonders gut zum Detektieren von DC-Masseschlussströmen geeignet. Ein Detektionsschaltkreis, der gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien ausgeführt ist, ist einfach und kostengünstig im Vergleich mit DC-Differenzstrom-Detektionsschaltkreisen aus dem Stand der Technik. Zusätzlich kann der vorstehende Detektionsschaltkreis verwendet werden, um Massefehler bei Pegeln zu detektieren, die niedrig genug sind, um eine Person zu schützen, während eine galvanische Trennung von Hochspannungsschaltkreisen aufrechterhalten wird. Fehlerströme können detektiert werden, während normale Arbeitsströme, beispielsweise für Elektro- und Hybridfahrzeuge, durch den Detektionsschaltkreis fließen.
Fachleute können nun aus der vorstehenden Beschreibung feststellen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in vielerlei Formen implementiert werden können. Obgleich diese Erfindung in Verbindung mit besonderen Beispielen derselben beschrieben worden ist, sollte daher der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt werden, da dem Fachmann beim Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Modifikationen in den Sinn kommen werden.
Zusammenfassung
Ein Detektionsschaltkreis detektiert eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom. Der Detektionsschaltkreis umfasst einen konstant vormagnetisierten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken, und eine Messwicklung um den Kern herum. Die Messwicklung transportiert ein Wechselstromsignal. Ein Messschaltkreis, der mit der Messwicklung verbunden ist, erfasst eine Änderung einer kleinen Signalimpedanz der Messwicklung in Bezug auf den Kern. Dieser Detektionsschaltkreis kann dazu verwendet werden, Personen und Anlagen vor versehentlichem Kontakt mit Hochspannungs-DC-Systemen zu schützen.

Claims

Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: einen konstant vormagnetisierten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine Messwicklung um den Kern herum, wobei die Messwicklung ein Wechselstromsignal transportiert; und einen Messschaltkreis, der mit der Messwicklung verbunden ist und eine Änderung einer kleinen Signalimpedanz der Messwicklung in Bezug auf den Kern erfasst.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 1, der ferner eine Vormagnetisierungswicklung um den Kern herum umfasst, wobei die Vormagnetisierungswicklung durch ein Gleichstromsignal vormagnetisiert ist.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 2, wobei der Kern in die Nähe der Sättigung vormagnetisiert ist.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator umfasst, der das Wechselstromsignal empfängt.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator in Reihe mit der Messwicklung umfasst.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Kern einen ersten Kern umfasst, die Messwicklung eine erste Messwicklung umfasst und der Messschaltkreis umfasst: einen zweiten konstant vormagnetisierten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken, wobei der zweite Kern in Bezug auf den ersten Kern entgegengesetzt vormagnetisiert ist; eine zweite Messwicklung um den zweiten Kern herum, wobei die zweite Messwicklung das Wechselstromsignal transportiert; und ein Paar Kondensatoren, die eine Differenzspannung in Ansprechen auf die Änderung der kleinen Signalimpedanz liefern.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 6, der ferner ein Paar entgegengesetzt gewickelter Vormagnetisierungswicklungen um die Kerne herum umfasst, wobei jede Vormagnetisierungswicklung durch ein Gleichstromsignal vormagnetisiert ist.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 6, der ferner einen Controller umfasst, der eine anfängliche Differenzspannung über die Kondensatoren hinweg beseitigt.
Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: ein Paar Magnetkerne, durch die sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung um jeden Kern herum, wobei die Vormagnetisierungswicklungen entgegengerichtete Gleichstromsignale transportieren und die Messwicklungen ein Wechselstromsignal transportieren; und einen Messschaltkreis, der von dem Wechselstromsignal angesteuert ist und eine Verschiebung mindestens eines von mindestens einem Gleichstromsignal festgelegten Arbeitspunktes in Bezug auf mindestens einen der Kerne erfasst.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 9, wobei mindestens einer der Kerne in die Nähe der Sättigung vormagnetisiert ist.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 9, wobei der Messschaltkreis mindestens einen Kondensator umfasst, der das Wechselstromsignal empfängt.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 11, wobei der Kondensator in Reihe mit einer der Messwicklungen liegt.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 9, wobei der Messschaltkreis ein Paar Kondensatoren umfasst, die in Ansprechen auf die Verschiebung in dem mindestens einen Arbeitspunkt eine Differenzspannung erzeugen.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 13, der ferner einen Controller umfasst, der eine anfängliche Differenzspannung über die Kondensatoren hinweg beseitigt.
Detektionsschaltkreis, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom detektiert, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: einen Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung um den Kern herum, wobei die Vormagnetisierungswicklung ein Gleichstromsignal transportiert und die Messwicklung eine kleine Signalimpedanz an den Kern liefert; und einen Messschaltkreis, der eine Änderung der kleinen Signalimpedanz erfasst.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 15, wobei das Gleichstromsignal den Kern in die Nähe der Sättigung vormagnetisiert.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 15, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator umfasst, der das Wechselstromsignal empfängt.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 15, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator in Reihe mit der Messwicklung umfasst.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 15, wobei der Kern einen ersten Kern umfasst, die Vormagnetisierungswicklung eine erste Vormagnetisierungswicklung umfasst, die Messwicklung eine erste Messwicklung umfasst und der Messschaltkreis umfasst: einen zweiten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine zweite Vormagnetisierungswicklung und eine zweite Messwicklung um den zweiten Kern herum, wobei die zweite Vormagnetisierungswicklung entgegengesetzt zu der ersten Vormagnetisierungswicklung vormagnetisiert ist, und die zweite Messwicklung das Wechselstromsignal transportiert; und ein Paar Kondensatoren, die in Ansprechen auf die Änderung der kleinen Signalimpedanz eine Differenzspannung liefern.
Detektionsschaltkreis nach Anspruch 19, der ferner einen Controller umfasst, der eine anfängliche Differenzspannung über die Kondensatoren hinweg beseitigt.
Verfahren zum Detektieren einer Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom, das umfasst, dass: die Quellen- und Rückströme durch ein Paar entgegengesetzt vormagnetisierter Magnetkerne geleitet werden; eine kleine Signalimpedanz in einer Messwicklung um einen der Kerne herum erzeugt wird; und eine Änderung der kleinen Signalimpedanz erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner umfasst, dass ein DC-Strom verwendet wird, um die Kerne in entgegengesetzte Richtungen vorzumagnetisieren.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner umfasst, dass ein DC-Strom durch Vormagnetisierungswicklungen um die Kerne herum in entgegengesetzte Richtungen geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner umfasst, dass ein Arbeitspunkt für einen der Kerne auf der Basis einer B-H-Kurve für den einen der Kerne ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner umfasst, dass eine Spannung über einen Kondensator in Reihe mit der Messwicklung hinweg gemessen wird; und die Spannung dazu verwendet wird, die Änderung der kleinen Signalimpedanz zu detektieren.
Fahrzeug, das einen Detektionsschaltkreis umfasst, der eine Differenz zwischen einem Quellenstrom und einem Rückstrom in einem elektrischen Schaltkreis des Fahrzeugs detektiert, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: einen Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine Vormagnetisierungswicklung und eine Messwicklung um den Kern herum, wobei die Vormagnetisierungswicklung durch ein Gleichstromsignal vormagnetisiert ist und die Messwicklung ein Wechselstromsignal transportiert; und einen Messschaltkreis, der mit der Messwicklung verbunden ist und eine Verschiebung eines durch das Gleichstromsignal festgelegten Arbeitspunktes in Bezug auf den Kern erfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 26, wobei der Kern in die Nähe der Sättigung vormagnetisiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 26, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator umfasst, der das Wechselstromsignal empfängt.
Fahrzeug nach Anspruch 26, wobei der Messschaltkreis einen Kondensator in Reihe mit der Messwicklung umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 26, wobei der Kern einen ersten Kern umfasst, die Vormagnetisierungswicklung eine erste Vormagnetisierungswicklung umfasst, die Messwicklung eine erste Messwicklung umfasst, und der Messschaltkreis umfasst: einen zweiten Magnetkern, durch den sich Leiter der Quellen- und Rückströme erstrecken; eine zweite Vormagnetisierungswicklung und eine zweite Messwicklung um den zweiten Kern herum, wobei die zweite Vormagnetisierungswicklung entgegengesetzt zu der ersten Vormagnetisierungswicklung vormagnetisiert ist, und die zweite Messwicklung das Wechselstromsignal transportiert; und ein Paar Kondensatoren, die in Ansprechen auf die Verschiebung des Arbeitspunkts eine Differenzspannung liefern.
Fahrzeug nach Anspruch 30, wobei der Detektionsschaltkreis darüber hinaus einen Controller umfasst, der eine anfängliche Differenzspannung über die Kondensatoren hinweg beseitigt.