KR20240004545A - 접지 접촉 유닛 - Google Patents

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막시밀리안 호퍼
마틴 자베르스키
안드레아스 술젠바허
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이즈링크 게엠베하
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Abstract

본 발명은 차량 접촉 유닛에 대한 자동 전도성 연결을 위한 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛(10)에 관한 것이다. 접지 접촉 유닛(10)은 판형상의 베이스 본체(12), 적어도 하나의 전위층(18), 및 차량 접촉 유닛이 접촉할 수 있는 베이스 본체(12)의 노출된 충전 표면(14)에 배치되고 적어도 하나의 전위층(18)에 할당되는 복수의 접촉 영역(16)을 갖는다. 적어도 하나의 보호 어셈블리(20)는 전류 측정을 위해 전류 경로(26)에 제공된 전류 측정 유닛(22)과 전류 경로(26)에 배치되고 무엇보다도 전류 측정 유닛의 결과에 따라 제어되는 스위치(24)를 갖는다.

Description

접지 접촉 유닛
본 발명은 차량 접촉 유닛의 자동 전도성 연결을 위한 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛에 관한 것이다.
예를 들어 플러그인 하이브리드 차량 및 순수 전기 자동차와 같은 전기 구동 차량에서는 차량 배터리를 정기적으로 충전해야 하며, 가급적이면 각 여행 후에는 충전해야 한다. 이를 위해, 차량은 적절한 전류원, 예를 들어 소위 타입 2 플러그라고 불리는 플러그에 연결되며, 이는 일반적으로 사용되는 차량의 해당 소켓에 사람이 수동으로 꽂아야 한다.
지상에 제공되는 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛은 예를 들어 문서 WO 2019/052962 A1과 같은 선행 기술에도 알려져 있다. 접지 접촉 유닛은 충전될 차량에 제공된 해당 차량 접촉 유닛과 전도성 연결을 자동으로 설정하여 차량을 충전할 수 있다. 차량 접촉 유닛은 차량의 차체 하부에 마련될 수 있으며, 하향 이동하여 접지 접촉 유닛과 전기적 접촉을 형성할 수 있다.
예를 들어, 접지 접촉 유닛은 문서 WO 2019/052962 A1에 도시된 바와 같이 소위 매트릭스 충전 패드로 형성된다. 이를 위해, 접지 접촉 유닛은 매트릭스형 방식으로 배열된 복수의 접촉 영역을 포함하고, 접촉 영역은 접지 접촉 유닛과 차량 접촉 유닛 사이의 전기적 연결을 설정하기 위해 차량 접촉 유닛에 의해 접촉되도록 구성된다. 차량 접촉 유닛의 커넥터 적용 지점에 따라, 접지 접촉 유닛의 해당 점유된 접촉 영역이 활성화되어 이러한 접촉 영역을 통해 전기 연결이 설정된다.
일반적으로 점유된 접촉 영역은 접지 접촉 유닛의 각각의 접촉 영역에 할당된 별도의 계전기를 통해 활성화된다. 이로 인해 무엇보다도 절연 경로에 대한 안전 관련 요구 사항을 보장하는 소위 매트릭스 계전기가 생성된다. 그러나 이에 상응하는 많은 수의 계전기 및 그 연결은 그에 상응하는 높은 비용을 초래하며, 특히 전기 회로를 차단하기 위해 단락이 발생하는 경우 사용된 계전기가 안정적으로 스위칭되어야 하는 경우 더욱 그렇다.
따라서, 가능한 한 비용 효율적으로 작동 안전과 관련하여 요구되는 조건을 충족하는 접지 접촉 유닛이 필요하다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 차량 접촉 유닛에 대한 자동 전도성 연결을 위한 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛에 의해 달성된다. 접지 접촉 유닛은 판형상의 베이스 본체, 적어도 하나의 전위층, 및 차량 접촉 유닛이 접촉할 수 있는 베이스 본체의 노출된 충전 표면에 배치되고 적어도 하나의 전위층에 할당되는 복수의 접촉 영역을 갖는다. 더욱이, 적어도 하나의 보호 어셈블리가 적어도 하나의 전위층의 접촉 영역에 할당되며, 적어도 하나의 보호 어셈블리는 전류 측정을 위해 전류 경로에 제공된 전류 측정 유닛과 전류 경로에 배열되고 무엇보다도 전류 측정 유닛의 결과에 따라 제어되는 스위치를 갖는다.
본 발명의 기본 아이디어는 접지 접촉 유닛이 전류 경로에 배열된 적어도 하나의 보호 어셈블리를 포함한다는 것이다. 보호 어셈블리는 둘다 전류 경로에 배열된 전류 측정 유닛과 스위치를 포함하여, 전류 경로의 전류를 측정할 수 있고 필요한 경우 측정된 전류에 따라 스위치를 스위칭하여 전기 회로를 차단할 수 있다,
본 발명에 따르면, 전위층은 외부 도체의 전위, 즉 위상, 또는 중성선(neutral conductor)의 전위를 의미한다. 따라서 적어도 하나의 보호 어셈블리는 적어도 하나의 위상 또는 중성선에 할당될 수 있다.
중성선 및 외부 도체에, 즉 각각의 위상에 추가로 "접지(earthing)", 즉 보호 도체가 제공될 수 있다.
특히, 접지 접촉 유닛은 따라서 직류를 사용한 전기 충전을 위해 구성될 수도 있다.
일반적으로, 각각의 위상, 즉 각각의 외부 도체와 중성선은 각각 자체 보호 어셈블리, 즉 각각의 전류 경로에 제공된 적절한 스위치와 각각의 전류 경로에 제공된 전류 측정 유닛을 가질 수 있으며, 필요한 경우 전류 경로를 차단하기 위해 협력할 수도 있다.
3상 AC 시스템에서, 접촉 영역은 위상 역할을 하는 3개의 전위층에 할당될 수 있으며, 여기서 3개 또는 4개의 보호 어셈블리가 더욱 구체적으로 각각의 외부 도체, 즉 위상에 대해 제공되고, (선택적으로) 중성선에 대해 제공된다.
그러나 일반적으로 접지 접촉 유닛은 2상 또는 4상을 갖는 전류 시스템과 같은 다른 전류 시스템이나 정확하게는 DC 시스템에도 사용될 수 있다.
일반적으로 필요한 경우 갈바닉 절연을 보장하기 위해 외부 도체, 즉 위상과 중성선에 할당된 접촉 영역에 해당 계전기가 제공된다. 이러한 계전기는 관련 전류가 적시에 차단되므로 별도로 구성된 보호 어셈블리를 통해 높은 전류 강도로부터 적절하게 보호될 수 있다.
보호 어셈블리는 전류 측정을 위해 제공된 전류 측정 유닛과 스위치로 구성된다. 전류 측정 유닛이 전류 측정 중에 고장을 나타내는 전류를 감지하는 즉시 스위치를 통해 전기 회로가 중단된다. 즉, 보호 어셈블리의 트리핑 케이스(tripping case)가 발생하여 보호 어셈블리가 트립된다. 따라서 접촉 영역과 접촉 영역에 할당된 모든 계전기가 보호되므로, 예를 들어 단락 전류나 과전류를 견디지 않아도 된다.
기본적으로, 접지 접촉 유닛은 예를 들어 168개의 접촉 영역을 포함할 수 있으며, 이는 접촉 영역 각각이 매트릭스 접촉을 나타내도록 매트릭스로 배열된다. 일 실시예에서, 156개의 스위칭 가능한 접촉 영역과 122개의 스위칭 불가능한 접촉 영역, 즉 PE 접촉 영역이 제공된다. 원칙적으로 숫자는 유연하므로 예를 들어 120개 또는 80개의 접촉 영역이 있을 수 있다. 일반적으로 접촉 영역에 할당된 계전기는 비활성 접촉 영역이 관련 전위층으로부터 갈바닉 절연되어 있으므로 접촉할 수 있도록 보장한다.
한 측면에서는 복수의 접촉 영역이 정확히 하나의 전위층에 할당되고, 정확히 하나의 전위층에 할당된 접촉 영역이 단 하나의 보호 어셈블리에만 할당된다는 것을 제공한다. 이와 관련하여, 접지 접촉 유닛의 복수의 접촉 영역은 외부 도체, 즉 위상에 할당되거나 중성선에 할당될 수 있다. 여러 보호 어셈블리가 제공되는 경우 동일한 위상 또는 중성선에 속하는 각각의 접촉 영역은 정확히 하나의 보호 어셈블리에 동시에 할당된다. 이렇게 하면 전위층당 하나의 보호 어셈블리만 필요하다. 하나의 전위층의 모든 접촉 영역이 단 하나의 보호 어셈블리에 의해 추가로 보호되므로 접지 접촉 유닛에 대한 비용이 그에 따라 감소될 수 있다.
추가 측면은 보호 어셈블리가 단락, 임박한 과전류 및/또는 과전류를 감지하도록 설정되고, 보호 어셈블리가 단락, 임박한 과전류 및/또는 과전류가 감지된 경우에 스위치를 개방 위치로 제어하도록 설정되는 것을 제공한다. 예를 들어, 상위 제어 유닛인 제어 유닛이 보호 어셈블리에 할당될 수 있다. 상위 제어 유닛은 복수의 보호 어셈블리를 동시에 구동할 수 있다.
특히, 제어 유닛은 제어 및 평가 유닛의 일부이다. 이와 관련하여, 각각의 보호 어셈블리의 전류 측정 유닛은 전류 경로에서 측정된 전류를 평가를 수행하는 제어 및 평가 유닛으로 전달한 다음, 트립핑 케이스가 감지된 경우 평가 결과에 따라 스위치를 구동할 수 있다.
보호 어셈블리는 전류 곡선을 감지하고 감지된 전류 곡선의 특성을 결정하도록 설정될 수 있다. 전류 곡선의 특성에는 전류 곡선의 모양, 즉 측정된 전류 강도의 시간적 과정이 포함될 수 있다. 고장 사례와 관련된 특정 거동이 과정에서 도출될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 최대값, 특히 전역 최대값 또는 로컬 최대값, 또는 정의된 기간 동안의 이동 평균이 특성으로 결정되어 평가에 사용될 수 있다. 기본적으로, 측정된 전류 세기의 시간적 거동을 이용하여 전류 경로에 배치된 스위치가 트립되어 전류를 차단하는 보호 어셈블리의 트리핑 케이스를 감지할 수 있다.
예를 들어, 보호 어셈블리는 감지된 전류 곡선의 에지 및/또는 레벨의 평가를 수행하고/하거나 발생하는 아크(arc)를 인식하도록 설정된다. 아크는 차량 접촉 유닛의 커넥터가 접지 접촉 유닛에 대해 상대적으로 이동하거나 각각의 접촉 사이에 간격이 형성될 때 발생할 수 있다. 아크는 또한 접촉의 오염, 차량 접촉 유닛의 압력 부족, 진동 등으로 인해 발생할 수도 있다. 아크는 보호 어셈블리, 특히 전류 측정 유닛에 의해 감지될 수 있는 전류 곡선의 특성 변화로 이어진다. 아크로 인해 보호 어셈블리, 특히 전류 측정 유닛 또는 제어 및/또는 평가 유닛에 의해 감지될 수 있는 고주파 전류 성분이 형성된다. 그 결과, 스위치는 예를 들어 특히 아크가 발생하기 전에 발생하는 아크를 방지하거나 아크의 유해한 영향을 줄이기 위해 스위칭될 수 있다.
기본적으로 아크 감지는 차량 접촉 유닛에 통합될 수도 있다.
에지 감지를 통해, 전류 곡선에 에지가 존재하는지, 어떤 에지인지를 감지하여 이를 토대로 트리핑 케이스가 있는지 여부를 판단할 수 있다. 레벨 감지는 또한 정의된 기간 동안의 평균값, 또는 두 번의 연속 측정값의 평균값 또는 전류 강도에 대한 다른 통계적 측정값을 사용하여 가능한 측정 오류 예를 들면 측정의 단기 피크 또는 이상값(outliers)을 배제할 수 있도록 구성될 수도 있다.
레벨 감지에서는, 측정된 전류값을 기준값으로 사용되는 스레시홀드 값과 비교할 수 있으므로 스레시홀드 값을 초과하는 경우에만 트리핑 케이스가 발생할 수 있다. 잘못된 경보를 효과적으로 제외하기 위해, 측정된 전류 곡선의 에지 거동도 고려할 수 있으므로 레벨 감지 외에 에지 감지도 제공된다.
에지 감지 및/또는 레벨 감지는 제어 및/또는 평가 유닛에서 구현될 수 있다. 대안적으로, 에지 감지 및/또는 레벨 감지는 전류 측정 유닛 자체에 구현되어 전류 측정 유닛이 스위치를 직접 구동할 수도 있다.
일반적으로, 보호 어셈블리가 트립하도록 충족해야 하는 두 가지 기준을 결합할 수 있다. 이는 즉 충족해야 하는 두개의 상이한 기준으로 인한 중복 평가가 있으므로, 측정 오류가 보호 어셈블리의 트리핑으로 초래하지 않도록 보장한다. 두 가지 기준은 전류 곡선의 서로 다른 특성, 특히 서로 독립적인 특성을 기반으로 할 수 있다.
보호 어셈블리는 연산 증폭기 회로 및/또는 비교기와 션트 저항기 및/또는 홀 효과(hall-effect) 센서를 포함할 수 있다. 따라서 전류 경로의 전류 값을 간단하고 비용 효과적인 방식으로 측정할 수 있다. 에지 또는 레벨 감지는 원칙적으로 션트 저항기와 비교기를 통해 실현될 수 있다. 비교기 대신에 연산 증폭 회로가 제공될 수도 있다. 션트 저항기 대신 전류 경로에 직접 통합된 홀 효과 센서를 제공할 수도 있다.
더욱이, 스위치는 전력 반도체, 특히 MOSFET, 트라이액 또는 IGBT일 수 있다. 전력 반도체는 특히 1마이크로초 미만의 높은 스위칭 속도를 실현하는 데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 트립이 발생하는 경우, 예를 들어 단락이 발생하는 경우 전기 회로는 몇 마이크로초 내에 중단될 수 있으므로 해당 접촉 영역의 전원이 차단된다. 이와 관련하여, 접촉 영역으로 입력되는 에너지는 매우 낮게 유지될 수 있으며, 그 결과 상응하는 보호, 특히 마모 방지가 제공된다. 전기 회로가 그에 따라 신속하게 중단되므로 접지 접촉 유닛의 모든 계전기는 단락 전류(오랜 시간 동안)를 견딜 필요가 없다.
차동 전류를 결정하기 위해 하나 이상의 보호 어셈블리를 설정할 수 있다. 차동 전류는 2개의 전위층 사이, 예를 들어 2개의 외부 도체, 즉 2개의 상 사이, 또는 상과 중성선 사이, 또는 보호 도체와 중성선의 상 사이에서 측정될 수 있다. 차동 전류는 일반적으로 누설 전류인 고장 전류(fault current)라고도 한다.
기본적으로 고장 전류 등의 고장이 발생하면 전류 측정 유닛에 의해 이 고장이 감지되고, 스위치는 수 나노초, 특히 수 100나노초 이내에 전기 회로를 차단하도록 구동된다. 여기서 계전기의 스위칭에는 훨씬 더 오랜 시간이 걸리므로 계전기가 소손되거나 닫힌 위치에 "고착"되는 이러한 위험을 방지할 수 있다. 접촉 영역 및/또는 계전기에 높은 에너지가 입력되는 것도 방지된다. 계전기는 보호 어셈블리의 트리핑 후(예: 스위치 개방) 거의 무부하로 스위칭할 수 있으며 그 결과 갈바닉 분리, 즉 표준에 따라 갈바닉 절연이 설정되었다.
추가 실시예에 따르면, 접지 접촉 유닛은 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛, 특히 계전기를 갖는다. 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛은 접촉 영역 중 적어도 하나에 결합되어 추가 스위칭 유닛이 대응하는 적어도 하나의 접촉 영역을 접촉 영역에 할당된 적어도 하나의 전위층과 전기적으로 연결 및 연결 해제하도록 적응되어 차단된 상태에서 갈바닉 절연이 이루어진다. 이로 인해 표준에 따라 할당된 전위층에서 해당 접촉 영역이 갈바닉 절연되어, 고장이 발생하는 경우 전류가 흐르지 않도록 보장된다. 이에 따라 접촉에 대한 보호가 보장되는데, 이는 전력 반도체로 설계된 스위치로는 불가능하다.
전술한 바와 같이, 추가 스위칭 유닛은 스위치가 전기 회로를 차단하도록 미리 구동된 후에 무부하로 스위칭될 수 있다.
적어도 하나의 추가 스위칭 유닛은 예를 들어 전류 흐름 방향으로 보호 어셈블리의 하류에 제공되며, 특히 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛은 보호 어셈블리와 접촉 영역 사이에 제공된다. 전류는 보호 어셈블리를 통해 각각의 접촉 영역으로 흐르므로, 보호 어셈블리와 접촉 영역 사이, 특히 보호 어셈블리의 스위치의 하류에 추가 스위칭 유닛이 제공된다. 보호 어셈블리가 트리핑하는 경우, 즉 스위치가 전기 회로를 차단하는 경우, 추가 스위칭 유닛이 높은 전류 강도에 잠시 동안만 노출되었는지 확인된다.
기본적으로 계전기의 위치는 자유롭게 선택할 수 있다.
일 실시예에서는 전위층 당 단 하나의 추가 스위칭 유닛이 제공된다. 대응하는 추가 스위칭 유닛은 스위치 바로 뒤에, 즉 스위치의 하류에 제공될 수 있어, 전위층에 할당된 모든 접촉 영역이 하나의 추가 스위칭 유닛에 할당될 수 있다. 하나의 추가 스위칭 유닛이 열리면, 모든 접촉 영역이 할당된 전위층로부터 동시에 갈바닉 절연된다.
추가 실시예에 따르면, 적어도 하나의 보호 어셈블리는 복수의 추가 스위칭 유닛에 할당되며, 각각의 접촉 영역은 할당된 자체의 추가 스위칭 유닛을 갖는다. 그에 따라 구동될 수 있는 개별 추가 스위칭 유닛이 공통 전위층의 각 접촉 영역에 할당되므로 이는 개별 접촉 영역의 개별 갈바닉 절연을 가능하게 한다.
상기 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛을 구동하기 위해, 상기 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛을 구동하도록 설정되는 트리거 회로가 제공될 수 있다. 트리거 회로는 상위 제어 유닛, 특히 상위 제어 및/또는 평가 유닛에 연결될 수 있으므로 보호 어셈블리의 트리핑 상황이 감지되면 트리거 회로는 이미 적절한 트리핑 신호를 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛으로 출력하여 추가 스위칭 유닛이 가능한 한 신속하게 트리핑하도록, 즉 갈바닉 절연을 설정하도록 보장한다.
스위치가 추가 스위칭 유닛보다 빠르게 스위칭되는 보호 어셈블리로 인해 추가 스위칭 유닛이 부하 없이 스위칭될 수 있도록 보장된다. 그럼에도 불구하고 스위치와 추가 스위칭 유닛은 동시에 구동되므로, 트리핑 시 추가 스위칭 유닛도 트리거 회로를 통해 구동되므로 갈바닉 절연이 가능한 한 빨리 제공되는 것이 추가로 보장된다.
따라서 차단 상태에서 접촉 영역에 할당된 스위칭 유닛은 공급 전위, 즉 해당 전위층과 관련하여 강화된 절연을 통해 기본 보호 및 고장 보호를 보장한다.
또한, 스위칭 유닛은 차단 상태에서 공급 전위에 대한 절연에 의해 기본적인 보호가 보장되고, 스위칭 유닛에 할당된 접촉 영역은 추가로 사전에 접지되도록 구성될 수 있다.
특히 보호 어셈블리는 하나 이상의 스위치를 포함하므로, 복수의 스위치를 포함하는 스위칭 모듈이 제공된다. 복수의 스위치는 병렬 또는 반직렬(anti-serially)로 배열될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 보호 어셈블리의 상류에 배치되는 서지 보호 장치(SPD)가 제공된다. 서지 보호 장치는 보호 어셈블리와 같은 하류의 구성 요소가 과전압으로부터 효과적으로 보호되도록 보장한다. 따라서 보호 어셈블리의 스위치가 반도체 스위치, 예를 들어 MOSFET, IGBT 또는 트라이액(triac)으로 구성될 수 있다는 것이 보장될 수 있다.
또한, 추가 스위칭 유닛, 특히 메인 접촉기가 서지 보호 장치와 보호 어셈블리 사이에 배열될 수 있다. 따라서 메인 접촉기는 서지 보호 장치에 의해 보호되는 영역에 배치된다. 이는 즉 서지 보호 장치와 메인 접촉기로 인해 다중 보호 기능을 갖는 메인 접촉기의 하류에 배열된 구성 요소를 초래한다. 이러한 구성요소는 무엇보다도 보호 어셈블리 및 보호 어셈블리의 하류에 배열된 추가 구성요소이다.
원칙적으로 서로 다른 과전압 카테고리의 영역 즉, 서지 보호 장치로 인해 메인 접촉기가 배치되는 과전압 카테고리 III("OVC III")에 따른 영역, 메인 접촉기로 인해 다른 것들 중 특히 보호 어셈블리가 제공되는 과전압 범주 II("OVC II")에 따른 영역이 이러한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 과전압 카테고리 III은 4kV의 정격 서지 전압에 할당되는 반면, 과전압 카테고리 II는 2.5kV의 정격 서지 전압에 할당된다.
이러한 측면에서 과전압 카테고리 II에 할당된 영역에 배열된 구성 요소는 상대적으로 간단하게 구성될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 구성 요소는 2.5kV의 정격 서지 전압에 대해서만 설계하면 되기 때문이다.
설계에 따라 서지 보호 장치는 최대 2kV 이하의 전압 범위까지 보호 어셈블리의 구성 요소와 하류의 기타 구성 요소를 보호할 수도 있다.
추가 측면에서는 서지 보호 장치가 진단 접점(diagnostic contact)을 포함하며, 이를 통해 서지 보호 장치는 신호 전송 방식으로 제어 및/또는 평가 유닛에 연결되는 것을 제공한다. 진단 접점을 통해 서지 보호 장치의 상태에 대한 정보를 제공하는 진단 데이터를 제어 및/또는 평가 유닛으로 전송할 수 있다. 그 후, 제어 및/또는 평가 유닛은 접지 접촉 유닛의 사용자에게 메시지를 출력할 수 있고 및/또는 메인 접촉기를 통해 전원 공급을 차단하기 위해 메인 접촉기를 구동하는 것과 같은 안전 조치를 취할 수 있다.
기본적으로 서지 보호 장치의 진단 기능은 진단 접점을 통해 구현될 수 있는데, 왜냐하면 진단 접점은 위치 및/또는 용도에 따라 서로 다른 정도로 마모되어 서로 다른 시기에 고장날 수 있기 때문이다. 이러한 점에서 진단 접점은 서지 보호 장치의 예측 유지 관리를 구현하는 데에도 사용될 수 있다.
서지 보호 장치에는 제어 및/또는 평가 유닛에 신호 전송 방식으로 연결되는 갈바닉 절연된 두 개의 진단 접점이 있을 수 있다.
특히, 서지 보호 장치는 접지 접촉 유닛의 메인 단자에 연결되는 플러그인 모듈일 수 있다.
이와 관련하여, 서지 보호 장치는 복수의 단자, 특히 서로 다른 전위층, 예를 들어 위상 L1, L2, L3 및 중성층 N에 대한 복수의 단자를 가질 수 있다. 또한, 보호 도체 전위를 위한 단자가 제공될 수 있다.
전류 측정 유닛은 전류 경로의 충전 전류를 측정하는 것이 기본적으로 제공된다. 이와 관련하여 충전 전류 모니터링은 전류 측정 유닛에 의해 구현된다. 결과적으로, 전류 측정 유닛은 충전 공정 중의 이벤트 예를 들면, 충전 중에 발생하는 단락, 충전 중 발생하는 과전류, 충전 중 과전류 임박 등을 감지할 수 있다. 전류 측정 유닛을 통해 감지된 해당 이벤트로 인해 계전기의 트리핑이 초래된다.
그러나 보호 어셈블리의 스위치의 구동으로 인해 충전 전류가 신속히, 특히 계전기의 반응 시간보다 빠르게 차단되는 것이 보장된다.
추가 장점 및 특징은 아래의 설명과 참조가 이루어진 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 접지 접촉 유닛의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2는 제1 실시예에 따른 본 발명에 따른 접지 접촉 유닛의 회로도를 도시한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 본 발명에 따른 접지 접촉 유닛의 회로도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 시간에 따른 측정된 전류의 추이를 보여주는 다이어그램을 도시한다.
도 5는 제3 실시예에 따른 본 발명에 따른 접지 접촉 유닛의 회로도의 개략도를 도시한다.
도 1은 여기에 도시되지 않은 차량 접촉 유닛에 대한 자동 전도성 연결에 사용되는 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛(10)을 도시한다.
접지 접촉 유닛(10)은 복수의 접촉 영역(16)이 배치되는 노출된 충전 표면(14)을 갖는 판형 베이스 본체(12)를 갖는다.
여러 개의 접촉 영역(16)이 매트릭스형 방식으로 배열되고, 차량 접촉 유닛이 접지 접촉 유닛(10)에 대한 전기적 연결을 설정하기 위해 커넥터를 통해 각각의 접촉 영역(16)과 접촉하도록 구성된다는 것이 도 1로부터 명백하다.
여러 개의 접촉 영역(16)은 적어도 하나의 전위층(18)에 할당되며, 도시된 실시예에서는 3상 네트워크 시스템이므로 위상 L1, L2 및 L3에 대응하는 3개의 전위층 뿐만 아니라 중성선에 해당하는 하나의 전위층이 제공된다. 또한, 접지 접촉 유닛(10)을 접지하는 역할을 하는 보호 도체가 여전히 제공될 수 있다.
복수의 접촉 영역(16)은 복수의 전위층(18)에 할당되어, 특히 접지 접촉 유닛(10) 상의 커넥터의 각각의 방향에 따라 차량 접촉 유닛에 대해 서로 다른 연결 상황이 얻어질 수 있다.
또한, 여러 접촉 영역(16), 특히 접촉 영역(16)에 할당된 전위층(18)은 전기적으로 보호되며, 적어도 하나의 전위층(18)의 접촉 영역(16)에 할당된 보호 어셈블리(20)가 이러한 목적으로 제공된다.
제1 실시예에 따른 보호 어셈블리(20)는 전위층들 중 하나에 대해 도 2에 더 자세히 도시되어 있으며, 이에 대해서는 아래에서 참조된다.
보호 어셈블리(20)는 전류 측정 유닛(22) 및 스위치(24)를 포함하며, 둘 다 각각의 전위층(18)의 전류 경로(26)에 배열된다.
이와 관련하여, 접지 접촉 유닛(10)은 전위층(18) 당 하나의 보호 어셈블리(20)를 포함한다.
보호 어셈블리(20)는 일반적으로 단락, 임박한 과전류, 과전류 및/또는 결함 전류를, 특히 진행 중인 충전 프로세스 동안, 즉 충전 전류가 전류 경로(26)를 통해 흐를 때 감지하도록 설정된다.
보호 어셈블리(20)는 단락, (임박한) 과전류 및/또는 고장 전류가 감지된 경우 해당 스위치(24)를 개방 위치로 제어하도록 설정된다.
이와 관련하여, 적어도 하나의 보호 어셈블리(20)는 차동 전류를 감지하도록 설정될 수 있다. 차동 전류는 2개의 전위층(18) 사이, 예를 들어 2개의 외부 도체, 즉 2개의 상 사이, 또는 상과 중성선 사이, 또는 보호 도체와 상 또는 중성선 사이에서 측정될 수 있다.
보호 어셈블리(20)의 스위치(24)를 구동하기 위해, 전류 측정 유닛(22)과 대응 스위치(24) 사이에 배열된 제어 및/또는 평가 유닛(28)이 도시된 실시예에 제공된다.
제어 및/또는 평가 유닛(28)은 접지 접촉 유닛(10)의 모든 보호 어셈블리(20), 즉 다른 전위층(18)의 보호 어셈블리(20)와 협력하는 상위 제어 및/또는 평가 유닛일 수 있다. 이와 관련하여, 하나의 제어 및/또는 평가 유닛(28)은 모든 전류 측정 유닛(22)의 측정된 전류를 수신할 수 있으며, 이에 따라 하나의 제어 및/또는 평가 유닛(28)은 필요한 경우 각각의 전위층(18)에 할당된 모든 스위치(24)를 구동할 수 있다.
대안적으로, 전류 측정 유닛(22)은 할당된 스위치(24)를 직접 구동하고, 그 후 개방 위치로 이동하여 전기 회로를 차단하도록 제공될 수도 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 보호 어셈블리(20)는 반직렬 방식으로 배열된 2개의 스위치(24)를 갖는 스위칭 모듈(30)을 더 포함한다. 스위치(24)는 MOSFET, IGBT, 트라이액 등의 반도체 소자인 전원 스위치이다.
도시된 실시예에서, 전류 측정 유닛(22)은 전류 경로(26)에 배열된 션트 저항기(32) 및 비교기(34)를 포함한다. 대안적으로, 보호 어셈블리(20)는 또한 션트 저항기 대신에 연산 증폭기 회로 및 홀 효과 센서를 포함할 수도 있다.
원칙적으로, 보호 어셈블리(20)는 전류 측정 유닛(22)에 의해 전류 곡선을 감지하도록 설정되며, 감지된 전류 곡선의 특성이 결정된다.
이를 위해, 감지된 전류 곡선의 에지 및/또는 레벨의 평가가 수행되어 보호 어셈블리(20)의 대응 트리핑 케이스를 감지할 수 있다. 유사하게, 보호 어셈블리(20)는 차량 접촉 유닛과 접지 접촉 유닛(10) 사이의 접촉이 변화하여 아크가 발생하여 각각의 접촉 사이에 대응하는 아크가 발생하는 것을 인식하도록 설정될 수 있다.
보호 어셈블리(20)는 해당 스위치(24)를 구동하여 전기 회로를 차단할 수 있다. 따라서, 보호 어셈블리(20)에 할당된 대응 전위층(18)에 할당된 각각의 접촉 영역(16)은 전류 흐름이 신속하게 차단됨에 따라 적절하게 보호된다.
더욱이, 접지 접촉 유닛(10)은 적어도 하나의 추가적인 스위칭 유닛(36), 특히 계전기를 포함한다는 것을 도 2로부터 볼 수 있다. 추가 스위칭 유닛(36)은 전류 흐름 방향으로 보호 어셈블리(20)의 하류, 즉 보호 어셈블리(20)와 접촉 영역(16) 사이에 제공된다.
즉, 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛(36)은 적어도 하나의 접촉 영역(16)에 결합되어, 그에 따라 추가 스위칭 유닛(36)은 적어도 하나의 접촉 영역(16)을 접촉 영역(16)에 할당된 적어도 하나의 전위층(18)에 전기적으로 연결하거나 전위층으로부터 전기적으로 분리할 수 있어, 차단된 상태에서 갈바닉 절연이 이루어진다.
도 2에 도시된 실시예에서, 대응하는 전위층(18)의 모든 접촉 영역(16)에 대해 단 하나의 추가 스위칭 유닛(36)이 제공되므로, 정확히 하나의 추가 스위칭 유닛(36)이 전위층(18)마다 제공된다. 전위층(18)의 모든 접촉 영역(16)은 따라서 추가 스위칭 유닛(36)이 트리핑되거나 활성화되면 함께 갈바닉 절연된다.
이와 대조적으로, 도 3에 도시된 실시예에서는 보호 어셈블리(20)가 복수의 추가 스위칭 유닛(36)에 할당되고, 각각의 접촉 영역(16)은 할당된 자체의 추가 스위칭 유닛(36)을 갖는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 개별 접촉 영역(16)은 상응하게 할당된 추가 스위칭 유닛(36)을 적절하게 구동함으로써 개별적으로 갈바닉 절연될 수 있다.
원칙적으로, 실시예에 도시된 바와 같이, 특히 제어 및/또는 평가 유닛(28)에 연결되거나 그 일부를 형성하는 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛(36)을 구동하기 위해 트리거 회로(38)가 제공될 수 있다. 그렇지 않으면, 제어 및/또는 평가 유닛(28)은 이에 따라 트리거 회로(38)를 구동한다.
이와 관련하여, 오류가 감지된 경우, 즉 단락, 고장 전류 또는 (임박한) 과전류와 같은 트리핑 케이스의 경우, (트리거 회로(38)를 통해) 추가 스위칭 유닛(36) 및 보호 어셈블리(20)의 적어도 하나의 스위치(24)가 동시에 구동된다.
전술한 바와 같이, 트리핑 케이스는 보호 어셈블리(20), 특히 전류 측정 유닛(22) 및 이에 결합된 제어 및/또는 평가 유닛(28)을 통해 전류 곡선의 특성, 예를 들어 감지된 전류 곡선의 가장자리 및/또는 레벨을 감지하고 평가함으로써 결정된다.
이는 예를 들어 도 4에 표시되어 있으며, 감지된 전류 값이 스레시홀드 값 이상으로 상승하고 동시에 해당 에지가 존재한다는 사실을 통해 트리핑 사례를 인식할 수 있다. 상응하는 특성, 즉 트리핑 케이스에 사용되는 기준은 시간(tfault)에서 보호 어셈블리(20) 또는 제어 및/또는 평가 유닛(28)에 의해 감지된다.
전술한 바와 같이, 스위치(24)와 추가 스위칭 유닛(36)가 (동시에) 구동된다.
추가 스위칭 유닛(36)보다 훨씬 더 나은 반응 시간을 갖는 스위치(24)는 수백 나노초 이내에 반응하므로, 특히 전류 세기가 더 증가하기 전에 시간(tcutoff)에서 전기 회로가 차단된다.
이와 대조적으로, 추가 스위칭 유닛(36)은 시간(trelay)까지 응답하지 않을 것이며, 이때 전류 곡선의 점선 코스로 예시된 바와 같이 전류 강도는 이미 상당히 증가했을 것이다.
따라서, 스위치(24)는 추가 스위칭 유닛(36)보다 훨씬 빠르게 반응하므로, 트리핑 케이스에서 추가 스위칭 유닛(36)은 고전류의 부하로부터 초기에 보호된다. 즉, 추가 스위칭 유닛(36)는 거의 무부하로 스위칭이 가능하다.
그러나 (트리거 회로(38)를 통한) 추가 스위칭 유닛(36)의 동시 구동은 추가 스위칭 유닛(36)이 갈바닉 절연을 확립하기 위해 가능한 한 빨리 스위칭하는 것을 보장하여, 접촉에 대한 보호가 보장된다.
기본적으로, 도 2와 도 3의 조합도 제공될 수 있어, 접촉 영역(16)에 각각 할당된 여러 개의 추가 스위칭 유닛(36) 외에도 도 2에 도시된 바와 같이 중앙의 추가 스위칭 유닛(36)이 제공된다.
도 5는 도 3의 실시예에 기초한 추가 실시예를 도시한다.
도 5에는 적어도 하나의 전위층(18), 특히 위상 L1, L2, L3, N을 제공하는 접지 접촉 유닛(10)의 메인 단자의 하류에 배열된 서지 보호 장치(40)가 추가로 제공된다.
따라서, 서지 보호 장치(40)는 보호 어셈블리(20)의 상류에 배치되어. 서지 보호 장치(40)로 인해. 보호 어셈블리가 접지 접촉 유닛(10)의 작동 중에, 특히 충전 과정 중에 발생할 수 있는 과전압으로부터 보호된다. 서지 보호 장치(40)로 인해, 서지 보호 장치(40)의 하류 영역은 과전압 카테고리 III("OVC III")에 대응하도록 서지 보호 장치에 의해 보호된다.
이 영역에는 메인 접촉기로 구성되는 추가 스위칭 유닛(42)이 배치된다. 그러면 메인 접촉기는 메인 접촉기 하류 영역을 추가로 보호하여, 이 영역은 과전압 범주 II("OVC II")에 대응한다.
이는 추가 스위칭 유닛(42)의 하류에 위치한 접지 접촉 유닛(10)의 구성 요소, 즉 메인 접촉기는 과전압 카테고리 II의 요구 사항만 준수하면 되므로, 2.5kV의 정격 서지 전압에 맞게 설계되어야 함을 의미한다. 따라서 이는 보호 어셈블리(20), 계전기(36) 및 접촉 영역(16)에 적용된다.
더욱이, 서지 보호 장치(40)는 서지 보호 장치(40)가 신호 전송 방식으로 제어 및/또는 평가 유닛(28)에 연결되는 적어도 하나의 진단 접점(44)을 가져, 서지 보호 장치(40)의 진단 데이터가 평가를 위해 제어 및/또는 평가 유닛(28)으로 전송될 수 있다.
제어 및/또는 평가 유닛(28)이 진단 데이터를 평가하는 동안 서지 보호 장치(40)가 마모되었거나 노화의 징후가 있다고 결정하면, 제어 및/또는 평가 유닛(28)은 접지 접촉 유닛(10)의 사용자 및/또는 조작자에게 알리기 위해 메시지를 출력할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 제어 및/또는 평가 유닛(28)은 추가 스위칭 유닛(42), 즉 메인 접촉기를 구동하여 추가 스위칭 유닛이 충전이 더 이상 일어날 수 없도록 전류 경로(26)를 차단할 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량 접촉 유닛과의 자동 전도성 연결을 위한 차량 배터리 충전 시스템용 접지 접촉 유닛으로서, 접지 접촉 유닛(10)은 판형 베이스 본체(12), 적어도 하나의 전위층(18), 및 차량 접촉 유닛이 접촉할 수 있는 베이스 본체(12)의 노출된 충전 표면(14)에 배치되고, 적어도 하나의 전위층(18)에 할당되는 복수의 접촉 영역(16)을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 보호 어셈블리(20)는 전류 측정을 위해 전류 경로(26)에 제공된 전류 측정 유닛(22)과 전류 경로에 배치되고 무엇보다도 전류 측정 유닛(22)의 결과에 따라 제어되는 스위치를 갖는 접지 접촉 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서, 복수의 접촉 영역(16)은 정확히 하나의 전위층(18)에 할당되고, 여기서 정확히 하나의 전위층(18)에 할당되는 접촉 영역(16)은 하나의 보호 어셈블리(20)에만 할당되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 보호 어셈블리(20)는 단락, 임박한 과전류 및/또는 과전류를 인식하도록 구성되고, 여기서 보호 어셈블리(20)는 단락, 임박한 과전류 및/또는 과전류가 감지되면 스위치(24)를 개방 위치로 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 보호 어셈블리(20)는 전류 곡선을 감지하고 감지된 전류 곡선의 특성을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 보호 어셈블리(20)는 감지된 전류 곡선의 에지 및/또는 레벨의 평가를 수행하고 및/또는 발생하는 아크를 인식하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 보호 어셈블리(20)는 연산 증폭기 회로 및/또는 비교기(34)와 션트 저항기(32) 및/또는 홀 효과 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 스위치(24)는 전력 반도체, 특히 MOSFET, 트라이액 또는 IGBT인 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 보호 어셈블리(20)는 차동 전류를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 접지 접촉 유닛(10)은 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛(36), 특히 계전기를 갖고, 여기서 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛(36)은 적어도 하나의 접촉 영역(16)에 결합되어, 추가 스위칭 유닛(36)은 대응하는 적어도 하나의 접촉 영역(16)을 접촉 영역(16)에 할당된 적어도 하나의 전위층(18)에 전기적으로 연결하거나 전위층으로부터 전기적으로 분리하도록 되어, 차단된 상태에서 갈바닉 절연이 이루어지는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  10. 청구항 9에 있어서, 전위층(18) 당 하나의 추가 스위칭 유닛(36)만이 제공되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  11. 청구항 9에 있어서, 적어도 하나의 보호 어셈블리(20)는 복수의 추가 스위칭 유닛(36)에 할당되고, 여기서 각각의 접촉 영역(16)은 할당된 자체의 추가 스위칭 유닛(36)을 갖는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 추가 스위칭 유닛(36)을 구동하도록 구성된 트리거 회로(38)가 제공되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 보호 어셈블리(20)의 상류에 배치된 서지 보호 장치(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  14. 청구항 13에 있어서, 추가 스위칭 유닛(42), 특히 메인 접촉기가 서지 보호 장치(40)와 보호 어셈블리(20) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서, 서지 보호 장치(40)는 진단 접점(diagnostic contact: 44) - 진단 접점(44)을 통해 서지 보호 장치(40)가 신호 전송 방식으로 제어 및/또는 평가 유닛(28)에 연결됨 - 을 갖는 것을 특징으로 하는 접지 접촉 유닛.
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