WO2022248389A1 - Gleichspannungs-fehlerstromüberwachung zur erfassung eines isolationsfehlers - Google Patents

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WO2022248389A1
WO2022248389A1 PCT/EP2022/063859 EP2022063859W WO2022248389A1 WO 2022248389 A1 WO2022248389 A1 WO 2022248389A1 EP 2022063859 W EP2022063859 W EP 2022063859W WO 2022248389 A1 WO2022248389 A1 WO 2022248389A1
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voltage
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busbar
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Franz Pfeilschifter
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • accumulators and drives with a high nominal voltage are used in order to enable high traction performance.
  • the high-voltage voltages used for direct current charging are dangerous for humans, which is why the current in question is transmitted by means of two direct voltage potentials which are compared to a reference potential ( chassis potential or ground potential) are isolated.
  • Damage to the insulation can lead to insulation faults, which can lead to dangerous contact currents for the user.
  • direct current charging it is known to actively detect an insulation fault by using a test current to determine and evaluate the insulation resistance between a reference potential on the one hand and one of the high-voltage potentials on the other.
  • a fault current i.e. a difference in the currents carried by the Flochvolt busbars.
  • the charging power is transmitted via two high-voltage busbars (i.e. via two high-voltage potentials). If the first high-voltage busbar (e.g. the positive one) carries more current than is fed back via the second, there must necessarily be an insulation fault, i.e. a current must flow away from the first high-voltage busbar that is not fed back via the second high-voltage busbar .
  • This difference indicates the touch current in the event of an insulation fault that opens a touch current path. If the touch current or the difference exceeds a limit in terms of amount, then a fault can be assumed.
  • the common-mode current is measured, ie the sum of the current in the first high-voltage busbar and the second high-voltage busbar (taking into account the opposite current directions). This sum is zero if the magnitudes of the currents in the busbars are the same, ie if the amperage (including sign) of the current in the first busbar is added to the amperage (including sign) of the current in the second busbar results in zero.
  • the common-mode current in this context corresponds to the difference in the magnitudes of the current strengths in the two busbars. If the deviation of the amounts is greater than a limit (which, for example, can correspond to a permissible touch current limit of a standard or is below a safety margin), then an error signal is output.
  • the fault signal signals or characterizes a current that flows due to an insulation fault and that exceeds a limit, in particular a touch current that exceeds a (predetermined) limit.
  • the current sensor device is preferably set up, the common mode current to detect both high-voltage busbars as a common common mode current.
  • a conductor piece is generally referred to as a busbar, such as a cabling or a conductor track.
  • the prefix "high-voltage” indicates a nominal voltage or maximum operating voltage of the component in question that is over 60 V, in particular at least 200 V, 400 V, 600 V or 800 V. In the case of busbars, this voltage specification refers to the voltage between the first and the second busbar.
  • High-voltage direct current charging device is to be understood in general and can be the source (charging station), the transmission path (charging cable, charging connection with converter, ...) and the sink (vehicle electrical system, vehicle charging circuit (i.e. vehicle-internal charging circuit, vehicle-internal battery module, ...) of the charging power
  • vehicle electrical system vehicle charging circuit (i.e. vehicle-internal charging circuit, vehicle-internal battery module, ...) of the charging power
  • the monitoring circuit can be provided in one or more of these system components (source, transmission link, sink).
  • the monitoring circuit has a first high-voltage busbar and a second high-voltage busbar. These busbars are electrically isolated from a reference potential or connection or busbar for this.
  • the reference potential is also present in the monitoring circuit, in particular since the charging power source, transmission path and sink are connected to a reference potential for safety reasons.
  • the reference potential can be provided by a PE conductor or a ground potential, such as a charging station, or a vehicle chassis or vehicle ground potential of a vehicle, with the reference potential of the charging station being connected to the reference potential of the vehicle (or vehicle electrical system) when the vehicle is connected.
  • the monitoring circuit has a current sensing device. This is set up to detect a common-mode current flowing through the high-voltage busbars.
  • the current sensor device can be designed to detect the currents flowing through the busbars individually and to form the sum (taking into account the different signs due to the opposite directions of current flow).
  • a current detection element (such as a shunt resistor) can be provided in each busbar, through which the current of the relevant busbar flows.
  • the current sensor device can be designed to detect the common-mode current that flows through all of the busbars. In other words, the current sensor device can be designed to detect the current difference between the currents (current magnitude) flowing through the busbars.
  • a magnetic core can be provided, through which the busbars penetrate in the same direction, so that the magnetization of the magnetic core, taking into account the opposite current flow directions of the busbars, corresponds to the difference in the current magnitudes (and thus the sum of the busbar currents, taking into account the different signs).
  • a control device is also provided which is set up to process the measurement signals emitted by the current sensor device and to emit an error signal or not depending on the common-mode current which is emitted by the current sensor device to the control device.
  • the current sensor device is connected to the control device in a signal-transmitting manner.
  • the control device receives the measurement signal that reflects the common-mode current.
  • the control device is set up to emit an error signal if the magnitude of the common-mode current exceeds a limit.
  • the error signal reflects an impermissibly high touch current or fault current or common-mode current.
  • the control device is set up not to emit an error signal (which reflects a common-mode current that is too high) if the magnitude of the common-mode current is not above the limit.
  • the control device is thus set up to evaluate the signal from the current sensor device and, if necessary, to emit an error signal.
  • the control device can also be designed to process the signal from the current sensor device.
  • a function of the current sensor device can also be implemented in the control device, for example the formation of the sum (taking into account the sign) or the sum between the individually detected currents of the busbars.
  • the current sensor device and the control device can be at least partially integrated, for example in the form of a microprocessor with inputs which are connected to at least one current detection element (or all current detection elements).
  • the monitoring circuit has a reference potential busbar. This carries the reference potential (PE conductor potential, ground potential, chassis or vehicle ground potential).
  • the current sensor device is set up to detect the common-mode current of all of the busbars (first, second Flochvolt busbars and reference potential busbar).
  • the current sensor device is set up to detect the common-mode current of the busbars, the two floch-volt busbars and the reference-potential busbar as a common common-mode current. If the current sensor device has a magnetic core in order to detect the common mode current (using a magnetic/fall sensor) or its time derivative (using a sensor winding) via its magnetization, then both Flochvolt busbars and the reference potential busbar run through the magnetic core .
  • the busbars preferably pass from the same side through the area that the magnet core spans in its interior. This adds up all the currents through the busbars, taking into account the direction of the current (i.e. the signs of the currents). If all currents reciprocate, the common-mode current is zero and there is no fault current / touch current or the insulation fault described here does not exist. If the individual currents through the busbars do not reciprocate, then flows in from one busbar Fault current from (or is injected into) and there is a fault current or touch current greater than zero.
  • equalizing and charging current flows occur, in particular because the (real) system components mentioned have a parasitic capacitance and/or inductance, possibly also capacitances or inductances that are present as components, such as filter components. Compensation processes occur in the form of magnetization or charging of the inductances or capacitances, which lead to a common-mode current through the two Flochvolt busbars, which can lead to the erroneous triggering of the error signal.
  • the current flow resulting from the balancing processes when plugging in leads through these three busbars in a mutually balancing manner. If, for example, a capacitance is charged between a Flochvolt busbar and the reference potential, this leads to a common common mode current of zero, since the current flows through the three busbars (both Flochvolt busbars and reference potential busbar) cancel each other out. In particular, the current flow through the reference potential busbar compensates for the asymmetrical charging current flow of the capacitances that exist between the Flochvolt busbars and the reference potential. This is one of several ways to prevent equalization processes from causing erroneous tripping (i.e. an error signal is emitted) when plugging in or switching on. Other options are shown below.
  • the monitoring circuit can have a masking device that is set up to suppress the detection of a common-mode current (of the two Flochvolt busbars or of these busbars together with the reference potential busbar) during a switch-on time interval.
  • the connection time interval covers the point in time in which a Charging current source is connected to the monitoring circuit.
  • the switch-on time interval covers the point in time at which a DC voltage source or sink (or transmission link) is connected to the monitoring circuit.
  • the switch-on time interval begins when the connection is made or when a signal occurs which announces the connection (opening of the loading flap, plug-in signal from an interlock, closing command for a circuit breaker, ... ).
  • the connection time interval can end after a predetermined period of time, which reflects the duration of the balancing processes.
  • the time interval may also be terminated when the equalization processes are detected to be terminated, such as when a rate of voltage change falls below a threshold. This can apply to voltages that exist between the reference potential and one of the high-voltage busbars.
  • the time interval can also end when it is detected that the balancing processes have ended, for example when the magnitude of the balancing currents (charging/recharging currents) falls below a limit value.
  • the switch-on time interval can mark the time in which oscillations of the current (in one of the busbars) or the voltage (between reference potential and high-voltage voltage busbar or between the high-voltage -Voltage rails) occur.
  • the masking device can also be set up to suppress common-mode currents that have an overshoot (periodic pattern). Touch currents usually lead to aperiodic processes, so that these can be distinguished based on the signal properties of equalization processes during connection processes.
  • the masking device does not suppress the signals that can be assigned to the aperiodic processes (aperiodic signals or common-mode currents) and suppresses signals that can be assigned to oscillating processes (transient processes) (identified by aperiodically oscillating signals or common-mode currents).
  • a corresponding masking device can be part of the monitoring circuit or the sensor device, and can also be part of the control device.
  • the masking device can be set up to accept signals with a cosine component or to suppress signals with a non-monotonic course and not to suppress monotonically rising or falling signals.
  • the masking device can be set up to suppress or not suppress the emission of error signals that are based on the signals mentioned, depending on these properties of the signals.
  • the control device can therefore have a masking device, in particular a masking device with the properties and features mentioned above.
  • the masking device is preferably set up to suppress the emission of an error signal during a switch-on time interval in which a charging current source is connected to the monitoring circuit.
  • the switch-on time interval can be configured as described above.
  • the detection is not masked by suppressing the signal, but the error output is suppressed or the control device, which is set up for error signal output, suppresses the output of an error signal in the situations or points in time mentioned.
  • the embodiment described below provides that not only is a general error detected or a general error signal is emitted, but also allows a distinction to be made as to which of the two high-voltage busbars are affected by the touch current (i.e. which of the two high-voltage busbars is faulty have a low insulation resistance compared to the reference potential).
  • the error signal then not only indicates that a touch current/fault current is flowing that is above a limit, but also which of the two high-voltage potentials or high-voltage busbars is affected.
  • the polarity of the common-mode current indicates the polarity of the high-voltage busbar or the high-voltage potential which is affected by the faulty insulation from the reference potential for the touch current or by the insulation fault.
  • the control device can be designed for this.
  • the control device is preferably set up to emit an error signal of the first type when the magnitude of the common-mode current exceeds the limit and the common-mode current has a first polarity.
  • the control device is set up to emit an error signal of the second type when the magnitude of the common-mode current exceeds the limit and the common-mode current has a polarity opposite to the first polarity.
  • the type of error signal preferably indicates the polarity of the floch volt potential which is connected to the reference potential via an insulation resistance which is too low, ie from which the touch current originates or into which the touch current is injected.
  • a first and a second discharge switch can be provided, the first discharge switch being provided between the reference potential and the first Flochvolt busbar and the second discharge switch being provided between the reference potential and the first Flochvolt busbar.
  • the control device is preferably connected in a driving manner to the discharge switches.
  • the control device is preferably set up to close that discharge switch which is connected to that Flochvolt busbar which has the same polarity as the common-mode current.
  • the other discharge switch preferably remains open.
  • the control device is set up in particular to close the first or the second discharge switch depending on the type of error signal or depending on the polarity of the common-mode current.
  • the respective other discharge switch preferably remains open.
  • the control device is designed accordingly.
  • the first Flochvolt busbar preferably has the first polarity, which is positive, for example.
  • the first Flochvolt busbar has, in particular, a first Flochvolt potential, which is positive, for example.
  • the second Flochvolt busbar can have the second (opposite) polarity, which is negative, for example.
  • the second Flochvolt busbar has, in particular, a second Flochvolt potential, which is negative, for example.
  • the error signal of the first type preferably characterizes a touch current on the first (positive) Flochvolt busbar.
  • the error signal of the second type indicates a touch current at the second Flochvolt busbar.
  • the error signal of the first type differs from the error signal of the second type.
  • the error signal can be binary and is, in particular, according to a (Vehicle-related) standard for data transmission.
  • the control device is preferably set up to close a discharge switch in the event of an error signal of the first type, which connects the first high-voltage busbar to the reference potential (or the reference potential busbar) in a switchable manner, in particular via a discharge resistor.
  • the control device is set up to close a discharge switch in the event of an error signal of the second type, which connects the second high-voltage busbar to the reference potential (or the reference potential busbar) in a switchable manner, in particular via a discharge resistor.
  • control device is designed accordingly to control this in this way.
  • the control device is designed to emit a control signal for the corresponding discharge switch, which causes the aforementioned actuation.
  • control device is set up to emit an error signal which characterizes a touch current on the positive high-voltage busbar when the magnitude of the common-mode current exceeds the limit and the common-mode current is positive.
  • the control device can be set up to emit an error signal which characterizes a touch current on the negative high-voltage busbar when the magnitude of the common-mode current exceeds the limit and the common-mode current is negative.
  • control device is set up to emit an error signal which characterizes a contact current on the positive high-voltage busbar when the common-mode current exceeds a positive limit.
  • the control device can be set up to emit an error signal which characterizes a contact current on the negative high-voltage busbar when the common-mode current falls below a negative limit.
  • the current sensor device can be based on a shunt resistor, by means of which the common-mode current can be determined. Furthermore, the current sensor device can be based on the detection of a static magnetic field (caused by the common mode current) or on the detection of a changing magnetic field (caused by the change in common mode current).
  • a magnetic core is preferably used, which collects the magnetic fields of the busbars in question.
  • the current sensor device can therefore have a magnetic core that surrounds the busbars.
  • the magnetic core can carry a sensor winding. If the magnetic field or the magnetization in the magnetic core changes, this induces a voltage in the sensor winding. This reflects the common-mode current (in particular its change over time).
  • the magnet core can be magnetically coupled to a Hall sensor.
  • the Hall sensor can be provided in an air gap of the magnetic core in order to detect the magnetization or the magnetic field in the magnetic core.
  • the Hall sensor signal reflects the magnetic flux strength and thus the strength of the common-mode current.
  • the current sensor device can have a shunt resistor.
  • a shunt resistor is preferably provided in each of the busbars (in series). The sum of all voltages dropped across the shunt resistors reflects the common mode current flowing through the power rails. This applies to the first and the second high-voltage busbar and possibly also the reference potential busbar.
  • the determination of the common-mode current and in particular the sensor device relates to the common-mode current of the first and the second high-voltage busbar and possibly also the reference potential busbar.
  • the monitoring circuit can be used in one or more of the system components mentioned (source, transmission path, sink).
  • An application in a source in the form of a charging station for plug-in electric vehicles is described below.
  • a DC voltage charging station is formed with the monitoring circuit described here.
  • the DC voltage charging station has a charging connection, which is preceded by the monitoring circuit.
  • the charging connection is designed in such a way that a charging cable can be plugged in (from the outside).
  • the charging connection is preferably designed according to a standard for charging electric vehicles.
  • the monitoring circuit is preferable directly upstream of the charging connection, ie in particular without interposed filter components or converters.
  • the charging station has circuit breakers that are controlled by the monitoring circuit (directly or indirectly via another data processing unit) and are opened directly or indirectly by the monitoring circuit when the error signal occurs. In this case, only one isolating switch of a busbar can only be opened with one polarity, in particular if the error signal of the relevant type (which also relates to this polarity)
  • the charging cable can also have the monitoring circuit.
  • the busbars of the monitoring circuit are connected in series between opposite ends of the charging cable.
  • One end of the charging cable or both ends of the charging cable have a plug connection element, which is preferably designed according to a standard for charging electric vehicles.
  • the vehicle charging circuit is designed for charging with direct current or is a direct voltage vehicle charging circuit.
  • the vehicle charging circuit has a charging connection, which is followed by the monitoring circuit.
  • This charging connection is preferably designed according to a standard for charging electric vehicles.
  • the monitoring circuit is preferably connected directly downstream of this charging connection, ie in particular without interposed filter components or converters.
  • the vehicle charging circuit has circuit breakers that are controlled by the monitoring circuit (directly or indirectly via another data processing unit) and are opened directly or indirectly by the monitoring circuit when the error signal occurs. In this case, only one isolating switch can only be connected to one busbar of one polarity, in particular when the error signal of the type in question (which also relates to this polarity) occurs.
  • a method for detecting a fault in a Flochvolt direct current charging process is described, in particular an insulation fault of a Flochvolt potential with respect to a reference potential.
  • the method implements the procedure described here and therefore has features that correspond to the properties of device features described here.
  • a first Flochvolt potential and a second Flochvolt potential are transmitted via a first and a second Flochvolt busbar.
  • a charging power is transmitted by means of a direct current that is conducted via the high-voltage busbars.
  • the method provides for detecting a common-mode current flowing through the busbars, preferably using the means described here.
  • the common mode current is compared to a limit; in particular, the magnitude of the common mode current is compared to the limit. This can be done in the controller.
  • An error signal is given if the common mode current is positive and exceeds an upper limit, or if the common mode current is negative and falls below a lower limit. Different types of error signals can be emitted here, depending on whether the upper limit is exceeded or the lower limit is undershot. Alternatively, an error signal is issued if the magnitude of the common mode current exceeds a limit. Circuit breakers that are set up to disconnect the power path of the charging power can be opened when such an error signal is emitted.
  • a type I error signal may be issued when the common mode current is positive and exceeds the upper limit (or the magnitude of the common mode current exceeds a limit).
  • An error signal of the second type can be emitted if the common-mode current is negative and falls below the lower limit (or the magnitude of the common-mode current exceeds a limit).
  • the positive high-voltage potential busbar is discharged to a reference potential such as ground or chassis and that in the case of a negative common-mode current (amount above the limit or below a negative limit) the negative high-voltage potential busbar opposite a reference potential such as ground or chassis.
  • a reference potential such as ground or chassis
  • a negative common-mode current amount above the limit or below a negative limit
  • the negative high-voltage potential busbar opposite a reference potential such as ground or chassis.
  • only one high-voltage potential rail is ever discharged with respect to the reference potential, not both at the same time.
  • FIG. 1 serves as an example for explaining the devices described here and the method described here.
  • a (direct current) charging station LS is connected to a (direct current) charging cable LK via a charging connection LA of the charging station LS.
  • the charging cable LK connects the charging connection LA of the charging station LS to a charging connection LA of a (direct current) vehicle electrical system FB.
  • Line resistances Ra - Rf are shown, which are assigned to the charging cable.
  • Inductances (of a parasitic nature) La - Lf are also shown, which are also assigned to the charging cable.
  • the elements Ra - Rf and La - Lf relate to an equivalent circuit diagram of the charging cable LK.
  • the vehicle electrical system FB has an accumulator device A, which has the accumulator and isolating switch S3, S4.
  • the accumulator device A is connected via isolating switches S1, S2 to the charging connection LA′ of the vehicle electrical system FB, in particular without a converter.
  • Parasitic or filter-related Cy capacitors C3, C4 are shown, as well as insulation resistors R3, R4 (as components of an equivalent circuit diagram).
  • the equivalent circuit components C3, C4 and R3, R4 each connect a reference potential GND to a high-voltage potential.
  • a first high-voltage potential HV+ and a second high-voltage potential HV- are shown. Due to the connection of the charging station, charging cable and vehicle electrical system, all three of these system components have this high-voltage potential. This also applies to the reference potential GND.
  • the charging station LS has a DC voltage source HS, which emits the high-voltage potentials HV+, HV-. Two high-voltage busbars are shown, which carry these high-voltage potentials HV+, HV- and are therefore denoted by the same reference symbols.
  • the charging station LS has insulation resistances R1, R2, which have the reference potential GND of the busbar G concerned in relation to the high-voltage potentials HV+, HV-. Corresponding capacitances C1, C2 are also shown as Cy capacitances. These correspond to components of an equivalent circuit diagram of lines within the charging station.
  • An intermediate circuit capacitor CL of the charging station LS is connected to the potentials HV+, HV- of the charging station LS.
  • the charging station LS has a monitoring circuit that has two high-voltage busbars HV+, HV-. These can be considered as a section of the high voltage busbars of the charging station LS. Furthermore, the monitoring circuit has a reference potential busbar G, which carries the reference potential GND (earth potential).
  • a current sensing device is configured to sense the currents I+, I- and IG flowing through the bus bars. To put it more precisely, the current sensor device is set up to detect the common-mode current (sum of the currents IG, I- and I+) of the busbars HV+, G, HV-. The detection of the individual currents using the measuring devices M+, M- and M- is shown symbolically. A current sensor device is preferably used, which detects the common-mode current. Individual sensor measuring elements can also be provided, as shown with M+, M- and MG, which record the individual currents I+, I- and IG, so that these (including signs) can be added, for example by a control device C.
  • a magnetic core K can be provided, which surrounds the busbars HV+, HV- and G and which is magnetized by their common-mode current.
  • a magnetic sensor or sensor coil can be magnetically coupled to the magnetic core and thus detect the common-mode current (via the strength of the magnetization or the magnetic flux through the core or the time derivative of these quantities).
  • the relevant detected signal which represents the common-mode current, is transmitted to the control device C.
  • the control device C emits a signal when the common-mode current (its magnitude or the magnitude of the time derivative thereof) exceeds a limit.
  • the limit can be specified by storage in a memory of the control device C or by input via an input of the control device.
  • the control device is set up, in particular, to distinguish between a negative common-mode current or a negative first time derivative of the common-mode current and a positive common-mode current or a positive first time derivative of the common-mode current, and to emit different types of error signals when the limit is exceeded/undershot. As a result, it can be determined on the basis of the error signal which flat volt potential is affected by the insulation error in relation to the reference potential.
  • a fault current IF will flow.
  • a person can represent the resistance.
  • a part IF of the current l+, which is supplied by the charging station LS, thus flows directly to the potential GND (via resistor F), so that only part of the current l+, which is supplied by the charging station LS, reaches the vehicle electrical system FB . Consequently, the magnitude of the reverse current I- is less, namely by the amount that accounts for IF.
  • the magnitude of the return current I- arriving at the charging station is therefore smaller than the magnitude of the current I+ that is being discharged from the charging station.
  • the result is a positive common-mode current for the busbars HV+, HV- and G, which is recorded.
  • it is preferably determined not only whether the magnitude of the common-mode current is above a limit, but also what sign it has. If the sign is positive, then there is an insulation fault in the positive potential rail (one of the components LK, FB, which are connected downstream of the monitoring circuit or the charging station LS), as shown, in the form of the resistance F, which enables the fault current IF.
  • a charge equalizing current is produced, especially if the Cy capacitors C3, C4 of the vehicle electrical system FB are not yet charged or if the inductances La-Lf are not magnetized. In this case, an asymmetrical equalization process (relative to the reference potential GND) will occur, during which the charge equalization current will flow.
  • the charging of the capacitance CF of the vehicle electrical system FB also generates a current surge. When plugged in, these processes lead to currents that (also) bring with them a common-mode current component. These can be suppressed by masking devices.
  • the reference potential busbar G can be used to detect the common-mode current.
  • the common-mode current of the individual currents that flow through the high-voltage busbars HV+, HV- and through the reference potential busbar G is thus determined.
  • asymmetrical components of the currents that arise as a result of equalization processes when plugging in/connecting are discharged via the reference potential busbar G to the potential GND, so that overall charging processes / magnetization processes beyond the monitoring device (i.e. beyond the point at which the currents of the busbars are measured ) do not lead to a common-mode current.
  • the control device C can be connected to isolating switches S1, S2 or S3, S4 in a driving manner.
  • the control device C controls the isolating switch to open.
  • the control device C is designed for this.
  • the switches S1, S2 form an all-pole circuit breaker device which is connected upstream of the charging connection LA' of the vehicle electrical system FB.
  • the switches S3, S4 form an all-pole isolating switch device within the accumulator device A, which separate the accumulator from connections of the accumulator device A when it is open.
  • a first discharge switch 1 and a second discharge switch 2 can be provided.
  • Discharge switch 1 switchably connects the high-voltage busbar HV+ to the reference potential busbar G.
  • Discharge switch 2 switchably connects the high-voltage busbar HV- to the reference potential busbar G.
  • the discharge switches 1, 2 are preferably part of the monitoring circuit.
  • the control device C is connected to the discharge switches 1 , 2 in a driving manner. The control device C is set up to close one of the two discharge switches 1, 2 (while the other remains open) when the error described here is detected. The control device C is set up to close one of the two discharge switches 1, 2 (while the other remains open) when the magnitude of the common-mode current exceeds a limit.
  • the control device C is set up to close the discharge switch that is connected to the first high-voltage busbar HV+, ie discharge switch 1. If the common-mode current is negative, this corresponds to a fault current that affects the second high-voltage busbar HV-. This corresponds to an error condition that triggers the error signal of the second kind.
  • the control device C is set up to close that discharge switch which is connected to the second high-voltage busbar HV- ie discharge switch 2.
  • the control device C is set up in particular to close the first or the second discharge switch 1, 2 depending on the type of error signal. In the event of an error signal of the first type, the first discharge switch 1 is closed (not the second). In the event of an error signal of the second type, the second discharge switch 2 is closed (not the first).
  • the control device C is designed and connected in a driving manner to the discharge switches 1, 2 in order to carry out this driving and to make the relevant distinction based on the polarity of the common-mode current. Discharging switches 1, 2, which connect the busbar G directly to the busbar HV+, FIV-, are shown symbolically.
  • discharging resistors can also be provided, which are connected in series with the discharging switches, with each discharging switch not being connected directly to the respective busbars, but via one of the discharging resistors (current-limiting resistor), in particular in order to limit the discharging current.
  • the limit against which the magnitude of the common mode current is compared is preferably between 1 and 40 mA, preferably 30 mA or less, 20 mA or less, 10 mA or less, 5 mA or less, or 3.5 mA or less.
  • the error signal is only emitted if the common-mode current exceeds (or falls below) the limit for longer than a predetermined period of time (for example longer than 1 ns, 10 ns, 100 ns, 1 ms or longer than 5 ms). ).
  • the amount of time may increase with the amount by which the magnitude of the common mode current exceeds the limit.

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Abstract

Eine Überwachungsschaltung für eine Hochvolt-Gleichstromladevorrichtung, sieht vor, dass die Überwachungsschaltung eine erste Hochvolt-Stromschiene (HV+) und eine zweite Hochvolt-Stromschiene (HV-) aufweist sowie ein Bezugspotential. Dieses ist elektrisch von den Hochvolt-Stromschienen (HV+, HV-) isoliert. Die Überwachungsschaltung weist eine Stromsensorvorrichtung (M+, M-) auf, die eingerichtet ist, einen durch die Hochvolt-Stromschienen (HV+, HV-) fließenden Gleichtaktstrom zu erfassen. Die Überwachungsschaltung weist ferner eine Steuereinrichtung (C) auf, wobei die Stromsensorvorrichtung (M+, M-) signalübertragend mit der Steuereinrichtung (C) verbunden ist und die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet. Ferner wird eine Gleichspannungs-Ladestation (LS), ein Gleichspannungs-Ladekabel (LK), eine Fahrzeugladeschaltung (FL) sowie ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers bei einem Hochvolt-Gleichstromladevorgang beschrieben.

Description

Beschreibung
Gleichspannungs-Fehlerstromüberwachung zur Erfassung eines Isolationsfehlers
Zum Betrieb von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb werden Akkumulatoren und Antriebe mit hoher Nennspannung verwendet, um hohe Traktionsleistungen zu ermöglichen.
Zur Aufladung werden entsprechend hohe Spannungen verwendet, wobei sich die hierin beschriebenen Lösungen auf das Laden mittels Gleichstrom bezieht, welches keine Gleichrichtung der elektrischen Ladeleistung erfordert.
Die zum Gleichstrom laden verwendeten Hochvolt-Spannungen (typischerweise größer als 200 V, beispielsweise im Bereich von 400 - 500 V oder 800 - 850 V) sind für den Menschen gefährlich, weshalb der betreffende Strom mittels zweier Gleichspannungspotentiale übertragen wird, die gegenüber einem Bezugspotential (Chassispotential oder Erdungspotential) isoliert sind.
Es kann durch Schädigung der Isolation zu Isolationsfehlern kommen, die zu gefährlichen Berührströmen für den Nutzer führen können. Im Bereich des Gleichstrom ladens ist bekannt, einen Isolationsfehler aktiv zu erfassen, indem mittels eines Prüfstroms der Isolationswiderstand zwischen einem Bezugspotential einerseits und einem der Hochvoltpotentiale andererseits ermittelt und ausgewertet wird.
Eine entsprechende Herangehensweise ist in der Druckschrift DE 102018217 574 A1 beschrieben. Üblicherweise wird dadurch der Isolationswiderstand vor Beginn des Gleichstrom-Ladevorgangs ermittelt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Berührströme, die aus Isolationsfehlern resultieren, während eines Gleichstrom-Ladevorgangs erfassen lassen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
Es wird vorgeschlagen, Berührströme beim Gleichspannungsladen zu erfassen, indem ein Fehlerstrom, d.h. eine Differenz der Ströme, die von den Flochvolt-Stromschienen getragen werden, ermittelt wird. In einer Flochvolt-Gleichstromladevorrichtung wird die Ladeleistung über zwei Hochvolt-Stromschienen (d.h. über zwei Hochvoltpotentiale) übertragen. Führt die erste Hochvolt-Stromschiene (etwa die positive) mehr Strom, als über die zweite zurückgeführt wird, muss notwendigerweise ein Isolationsfehler vorliegen, d.h. es muss ein Strom von der ersten Hochvolt-Stromschiene wegfließen, der nicht über die zweite Hochvolt-Stromschiene zurückgeführt wird. Diese Differenz gibt im Falle eines Isolationsfehlers, der einen Berührstrom pfad eröffnet, den Berührstrom an. Überschreitet der Berührstrom bzw. die Differenz betragsmäßig eine Grenze, dann kann von einem Fehler ausgegangen werden.
Es wird der Gleichtaktstrom gemessen, d.h. die Summe des Stroms in der ersten Hochvolt-Stromschiene und der zweiten Hochvolt-Stromschiene (unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Stromrichtungen). Diese Summe ist null, sofern die Beträge der Ströme in den Stromschienen die gleichen sind, d.h. sofern die Stromstärke (incl. Vorzeichen) des Stroms in der ersten Stromschiene addiert zu der Stromstärke (incl. Vorzeichen) des Stroms in der zweiten Stromschiene null ergibt. Mit anderen Worten entspricht der Gleichtaktstrom in diesem Kontext der Differenz der Beträge der Stromstärken in den beiden Stromschienen. Ist die Abweichung der Beträge größer als eine Grenze (die beispielsweise einer zulässigen Berührstromgrenze einer Norm entsprechen kann oder eine Sicherheitsmarge unter dieser liegt), dann wird ein Fehlersignal abgegeben. Das Fehlersignal signalisiert bzw. kennzeichnet einen Strom, der aufgrund eines Isolationsfehlers fließt und der eine Grenze überschreitet, insbesondere einen Berührstrom, der eine (vorgegebene) Grenze überschreitet. Die Stromsensorvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, den Gleichtaktstrom der beiden Hochvolt-Stromschienen als einen gemeinsamen Gleichtaktstrom zu erfassen.
Als Stromschiene wird allgemein ein Leiterstück bezeichnet, etwa eine Verkabelung oder eine Leiterbahn. Die Vorsilbe „Hochvolt-“ kennzeichnet eine Nennspannung oder maximale Betriebsspannung der betreffenden Komponente, die über 60 V liegt, insbesondere von mindestens 200 V, 400 V, 600 V oder 800 V. Diese Spannungsangabe bezieht sich bei Stromschienen auf die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Stromschiene.
Es wird eine Überwachungsschaltung für eine
Hochvolt-Gleichstrom ladevorrichtung beschrieben. Die Ladevorrichtung selbst ist nicht Teil der Überwachungsschaltung. Der Begriff
Hochvolt-Gleichstrom ladevorrichtung ist allgemein zu verstehen und kann die Quelle (Ladestation), die Übertragungsstrecke (Ladekabel, Ladeverbindung mit Wandler, ... ) sowie die Senke (Fahrzeugbordnetz, Fahrzeugladeschaltung (d.h. fahrzeuginterne Ladeschaltung, fahrzeuginternes Akkumulatormodul, ... ) der Ladeleistung betreffen. Die Überwachungsschaltung kann in einem oder mehreren dieser Systemkomponenten (Quelle, Übertragungsstrecke, Senke) vorgesehen sein.
Die Überwachungsschaltung weist eine erste Hochvolt-Stromschiene und eine zweite Hochvolt-Stromschiene auf. Diese Stromschienen sind elektrisch isoliert von einem Bezugspotential bzw. Anschluss oder Stromschiene hierfür. Das Bezugspotential liegt auch in der Überwachungsschaltung vor, insbesondere da sowohl Ladeleistungsquelle, -übertragungsstrecke als auch -senke aus Sicherheitsgründen an ein Bezugspotential angebunden sind. Das Bezugspotential kann vorgesehen sein durch einen PE-Leiter bzw. einem Erdungspotential, etwa einer Ladestation, oder einem Fahrzeugchassis- oder Fahrzeugmassepotential eines Fahrzeugs, wobei das Bezugspotential der Ladestation bei angeschlossenem Fahrzeug an das Bezugspotential des Fahrzeugs (bzw. Fahrzeugbordnetzes) angeschlossen ist. Die Überwachungsschaltung verfügt über eine Stromsensorvorrichtung. Diese ist eingerichtet ist, einen durch die Hochvolt-Stromschienen fließenden Gleichtaktstrom zu erfassen. Hierbei kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, die durch die Stromschienen fließenden Ströme einzeln zu erfassen und die Summe (unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Vorzeichen aufgrund der entgegengesetzten Stromflussrichtungen) zu bilden. Es kann in jeder Stromschiene ein Stromerfassungelement (etwa ein Shuntwiderstand) vorgesehen sein, durch den der Strom der betreffenden Stromschiene fließt. Ferner kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, den Gleichtaktstrom, der durch die Gesamtheit der Stromschienen fließt, zu erfassen. Mit anderen Worten kann die Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein, die Stromdifferenz der durch die Stromschienen fließenden Ströme (Strom betrage) zu erfassen. Es kann beispielsweise ein Magnetkern vorgesehen sein, den die Stromschienen in gleicher Richtung durchdringen, so dass die Magnetisierung des Magnetkerns unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Stromflussrichtungen der Stromschienen der Differenz der Strombeträge entspricht (und somit der Summe der Stromschienen-Ströme unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Vorzeichen).
Es ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, die von der Stromsensorvorrichtung abgegebenen Messsignale zu verarbeiten und abhängig von dem Gleichtaktstrom, der von der Stromsensorvorrichtung an die Steuereinrichtung abgegeben wird, ein Fehlersignal abzugeben, oder nicht. Die Stromsensorvorrichtung ist signalübertragend mit der Steuereinrichtung verbunden. Dadurch erhält die Steuereinrichtung das Messsignal, welches den Gleichtaktstrom wiedergibt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet. Das Fehlersignal gibt einen unzulässig hohen Berührstrom bzw. Fehlerstrom bzw. Gleichtaktstrom wieder. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, kein Fehlersignal (welches einen zu hohen Gleichtaktstrom wiedergibt) abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms nicht über der Grenze liegt. Die Steuereinrichtung ist somit eingerichtet, das Signal der Stromsensorvorrichtung auszuwerten und ggf. ein Fehlersignal abzugeben. Die Steuereinrichtung kann ferner zur Aufbereitung des Signals der Stromsensorvorrichtung ausgebildet sein. Es kann auch eine Funktion der Stromsensorvorrichtung in der Steuereinrichtung implementiert sein, etwa die Bildung der Summe (unter Berücksichtigung der Vorzeichen) bzw. der Summe zwischen den einzeln erfassten Strömen der Stromschienen. Die Stromsensorvorrichtung und die Steuereinrichtung können zumindest teilweise integriert sein, etwa in Form eines Mikroprozessors mit Eingängen, welche mit mindestens einem Stromerfassungselement (bzw. allen Stromerfassungselementen) verbunden sind.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Überwachungsschaltung eine Bezugspotential-Stromschiene aufweist. Diese führt das Bezugspotential (PE-Leiter-Potential, Erdungspotential, Chassis- oder Fahrzeugmassepotential). Die Stromsensorvorrichtung ist in dieser Ausführungsform eingerichtet, den Gleichtaktstrom der Gesamtheit der Stromschienen (erste, zweite Flochvolt-Stromschienen und Bezugspotential-Stromschiene) zu erfassen. Die Stromsensorvorrichtung ist in dieser Ausführungsform eingerichtet, den Gleichtaktstrom der Stromschienen beiden Flochvolt-Stromschienen und der Bezugspotential-Stromschiene als einen gemeinsamen Gleichtaktstrom zu erfassen. Weist die Stromsensorvorrichtung einen Magnetkern auf, um über dessen Magnetisierung den Gleichtaktstrom (mittels eines Magnet-/Flall-Sensors) oder dessen zeitliche Ableitung (mittels einer Sensorwicklung) zu erfassen, dann verlaufen beide Flochvolt-Stromschienen sowie die Bezugspotential-Stromschiene durch den Magnetkern hindurch.
Die Stromschienen treten vorzugsweise von derselben Seite aus durch die Fläche hindurch, die der Magnetkern in seinem Inneren aufspannt. Dadurch werden alle Ströme durch die Stromschienen unter Berücksichtigung der Stromrichtung (d.h. der Vorzeichen der Ströme) addiert. Fleben sich alle Ströme gegenseitig auf, ist der Gleichtaktstrom null und es besteht kein Fehlerstrom / Berührstrom bzw. es besteht nicht der hier beschriebene Isolationsfehler. Fleben sich die einzelnen Ströme durch die Stromschienen nicht gegenseitig auf, dann fließt von einer Stromschiene ein Fehlerstrom ab (oder wird in diese injiziert), und es ergibt sich ein Fehlerstrom bzw. Berührstrom größer null.
Beim Anstecken oder Zuschalten einer Gleichspannungsquelle oder einer -Senke (oder einer Übertragungsstrecke) an die Überwachungsschaltung treten Ausgleichs- und Aufladungsstromflüsse auf, insbesondere da die genannte (reale) Systemkomponente eine parasitäre Kapazität und/oder Induktivität aufweisen, ggf. auch Kapazitäten oder Induktivitäten, die als Bauteile vorliegen, etwa als Filterbauteile. Es entstehen Ausgleichsprozesse in Form von Magnetisierungen bzw. Aufladungen der Induktivitäten bzw. Kapazitäten, die zu einem Gleichtaktstrom durch die beiden Flochvolt-Stromschienen, welcher zum fehlerhaften Auslösen des Fehlersignals führen können. Wenn der Gleichtaktstrom der beiden Flochvolt-Stromschienen sowie der Bezugspotential-Stromschiene als ein gemeinsamer Gleichtaktstrom erfasst werden, dann führt der Stromfluss, der aus den Ausgleichsprozessen beim Anstecken resultiert, durch diese drei Stromschienen in gegenseitig ausgleichender Weise. Ergibt sich beispielsweise eine Aufladung einer Kapazität zwischen einer Flochvolt-Stromschiene und den Bezugspotential, dann führt dies zu einem gemeinsamen Gleichtaktstrom von null, da sich die Stromflüsse durch die drei Stromschienen (beide Flochvolt-Stromschienen und Bezugspotential-Stromschiene) gegenseitig aufheben. Insbesondere kompensiert der Stromfluss durch die Bezugspotential-Stromschiene den asymmetrischen Aufladestromfluss der Kapazitäten, die zwischen den Flochvolt-Stromschienen und dem Bezugspotential bestehen. Dies stellt eine von mehreren Möglichkeiten dar, zu verhindern, dass Ausgleichsprozesse beim Anstecken bzw. Zuschalten zu einer fehlhaften Auslösung (d.h. Abgabe eines Fehlersignals) führen. Weitere Möglichkeiten sind im Folgenden dargestellt.
Die Überwachungsschaltung kann eine Maskierungseinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die Erfassung eines Gleichtaktstroms (der beiden Flochvolt-Stromschienen oder dieser Stromschienen zusammen mit der Bezugspotential-Stromschiene) während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken. Das Zuschaltzeitintervall deckt den Zeitpunkt ab, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Mit anderen Worten deckt das Zuschaltzeitintervall den Zeitpunkt ab, in dem eine Gleichspannungsquelle oder -senke (oder Übertragungsstrecke) an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Das Zuschaltzeitintervall beginnt mit dem Zeitpunkt des Anschließens oder mit dem Auftreten eines Signals, welches das Anschließen ankündigt (Öffnen der Ladeklappe, Stecksignal eines Interlocks, Schließbefehl für einen Trennschalter, ... ). Das Zuschaltzeitintervall kann nach einer vorgegebenen Zeitdauer enden, die die Dauer der Ausgleichprozesse wiedergibt. Das Zeitintervall kann ferner beendet werden, wenn erfasst wird, dass die Ausgleichprozesse beendet sind, etwa wenn eine Spannungsänderungsrate unter einen Grenzwert fällt. Dies kann für Spannungen gelten, die zwischen dem Bezugspotential und einem der Hochvolt-Stromschienen bestehen. Das Zeitintervall kann zudem beendet werden, wenn erfasst wird, dass die Ausgleichprozesse beendet sind, etwa wenn Ausgleichsströme (Auflade-/Umladeströme) betragsmäßig unter einen Grenzwert fallen.
Da ferner die Ausgleichsprozesse häufig mit Schwingungsvorgängen einhergehen (etwa aufgrund von Kapazitäten und Induktivitäten), dann kann das Zuschaltzeitintervall die Zeit markieren, in der Schwingungen des Stroms (in einer der Stromschienen) oder der Spannung (zwischen Bezugspotential und Hochvolt-Spannungsschiene oder zwischen den Hochvolt-Spannungsschienen) auftreten sind. Die Maskierungseinrichtung kann ferner eingerichtet sein, Gleichtaktströme zu unterdrücken, die ein Überschwingen (periodische Muster) aufweisen. Berührströme führen üblicherweise zu aperiodischen Prozessen, so dass sich diese anhand der Signaleigenschaften von Ausgleichsprozessen bei Zuschaltvorgängen unterscheidbar sind. Die Maskierungseinrichtung ist unterdrückt nicht die Signale, die den aperiodischen Prozessen zuzuordnen sind (aperiodische Signale bzw. Gleichtaktströme) und unterdrückt Signale, die schwingenden Prozessen (Einschwingvorgängen) zuzuordnen sind (zu erkennen an aperiodisch schwingenden Signalen bzw. Gleichtaktströmen). Eine entsprechende Maskierungseinrichtung kann Teil der Überwachungsschaltung bzw. der Sensorvorrichtung sein, und kann ferner Teil der Steuereinrichtung sein. Die Maskierungseinrichtung kann eingerichtet sein, Signale mit Kosinusanteil zu oder Signale mit nicht monotonem Verlauf unterdrücken und monoton steigende oder fallende Signale nicht zu unterdrücken. Die Maskierungseinrichtung kann eingerichtet sein, das Abgeben von Fehlersignalen, die auf die genannten Signale zurückgehen abhängig von diesen Eigenschaften der Signale zu unterdrücken oder nicht zu unterdrücken.
Alternativ oder in Kombination hiermit kann daher die Steuereinrichtung eine Maskierungseinrichtung aufweisen, insbesondere eine Maskierungseinrichtung mit den vorangehend genannten Eigenschaften und Merkmalen. Die Maskierungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet ist, das Abgeben eines Fehlersignals während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird. Hierbei kann das Zuschaltzeitintervall wie vorangehend beschrieben ausgestaltet sein. In dieser Variante wird nicht die Erfassung maskiert, indem das Signal unterdrückt wird, sondern die Fehlerabgabe wird unterdrückt bzw. die Steuereinrichtung, welche zur Fehlersignalabgabe eingerichtet ist, unterdrückt in den genannten Situationen bzw. Zeitpunkten das Abgeben eines Fehlersignals.
Die im Folgenden beschriebene Ausführungsform sieht vor, dass nicht nur allgemein ein Fehler erkannt wird bzw. ein allgemeines Fehlersignal abgegeben wird, sondern erlaubt eine Unterscheidung, welche der beiden Hochvolt-Stromschienen von dem Berührstrom betroffen sind (d.h. welche der beiden Hochvolt-Stromschienen einen fehlerhaft geringen Isolationswiderstand gegenüber dem Bezugspotential haben). Das Fehlersignal gibt dann nicht nur an, dass ein Berührstrom/Fehlerstrom fließt, der über einer Grenze liegt, sondern auch, welche der beiden Hochvoltpotentiale bzw. Hochvoltstromschienen hiervon betroffen ist. Die Polarität des Gleichtaktstroms gibt die Polarität der Hochvoltstromschiene bzw. des Hochvoltpotentials an, welches aufgrund fehlerhafter Isolierung gegenüber dem Bezugspotential für den Berührstrom bzw. von dem Isolationsfehler betroffen ist. Die Steuereinrichtung kann hierfür ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, ein Fehlersignal erster Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine erste Polarität hat. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, ein Fehlersignal zweiter Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität hat. Die Art des Fehlersignals gibt vorzugweise an, welche Polarität das Flochvoltpotential hat, welches über einen zu geringen Isolationswiderstand mit dem Bezugspotential verbunden ist, d.h. von dem der Berührstrom abgeht bzw. in das der Berührstrom injiziert wird.
Es können ein erster und ein zweiter Entladeschalter vorgesehen sein, wobei der erste Entladeschalter zwischen dem Bezugspotential und der ersten Flochvolt-Stromschiene vorgesehen ist und der zweite Entladeschalter zwischen dem Bezugspotential und der ersten Flochvolt-Stromschiene vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ansteuernd mit den Entladeschaltern verbunden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, denjenigen Entladeschalter zu schließen, der mit derjenigen Flochvolt-Stromschiene verbunden ist, welche die gleiche Polarität wie der Gleichtaktstrom hat. Der andere Entladeschalter bleibt vorzugsweise offen. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, abhängig von der Art des Fehlersignals bzw. abhängig von der Polarität des Gleichtaktstroms den ersten oder den zweiten Entladeschalter zu schließen. Der jeweils andere Entladeschalter bleibt vorzugsweise geöffnet. Die Steuereinrichtung ist entsprechend ausgebildet.
Die erste Flochvolt-Stromschiene weist vorzugsweise die erste Polarität auf, die beispielsweise positiv ist. Die erste Flochvolt-Stromschiene weist insbesondere ein erstes Flochvolt-Potential auf, das beispielsweise positiv ist. Die zweite Flochvolt-Stromschiene kann die zweite (entgegengesetzte) Polarität aufweisen, die beispielsweise negativ ist. Die zweite Flochvolt-Stromschiene weist insbesondere ein zweites Flochvolt-Potential auf, das beispielsweise negativ ist. Das Fehlersignal erster Art kennzeichnet vorzugsweise einen Berührstrom an der ersten (positiven) Flochvolt-Stromschiene. Das Fehlersignal zweiter Art kennzeichnet einen Berührstrom an der zweiten Flochvolt-Stromschiene. Das Fehlersignal erster Art unterscheidet sich vom Fehlersignal zweiter Art. Das Fehlersignal kann binär sein und ist insbesondere gemäß einem (fahrzeugbezogenen) Standard zur Datenübertragung ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, bei einem Fehlersignal erster Art einen Entladeschalter zu schließen, der die erste Hochvolt-Stromschiene mit dem Bezugspotential (bzw. der Bezugspotential-Stromschiene) schaltbar verbindet, insbesondere über einen Entladewiderstand. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, bei einem Fehlersignal zweiter Art einen Entladeschalter zu schließen, der die zweite Hochvolt-Stromschiene mit dem Bezugspotential (bzw. der Bezugspotential-Stromschiene) schaltbar verbindet, insbesondere über einen Entladewiderstand. Während des Schließzustands des betreffenden Entladeschalters bleibt der jeweils andere Entladeschalter geöffnet; die Steuereinrichtung ist entsprechend ausgebildet, dies so anzusteuern. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, ein Steuersignal für die entsprechenden Entladeschalter abzugeben, welches die vorangehend erwähnte Ansteuerung veranlasst.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der positiven Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom positiv ist. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der negativen Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom negativ ist. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der positiven Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Gleichtaktstroms eine positive Grenze überschreitet. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, ein Fehlersignal abzugeben, welches einen Berührstrom an der negativen Hochvolt-Stromschiene kennzeichnet, wenn der Gleichtaktstrom eine negative Grenze unterschreitet.
Die Stromsensorvorrichtung kann auf einem Shunt-Widerständen basieren, mittels denen der Gleichtaktstrom ermittelt werden kann. Ferner kann die Stromsensorvorrichtung auf der Erfassung eines statischen Magnetfelds (hervorgerufen durch den Gleichtaktstrom) oder auf der Erfassung eines veränderlichen Magnetfelds (hervorgerufen durch die Änderung des Gleichtaktstroms) basieren. Bei der Erfassung mittels Magnetfeld wird vorzugsweise ein Magnetkern verwendet, der die Magnetfelder der betreffenden Stromschienen sammelt. Die Stromsensorvorrichtung kann daher einen Magnetkern aufweisen, der die Stromschienen umgreift. Der Magnetkern kann eine Sensorwicklung tragen. Ändert sich das Magnetfeld bzw. die Magnetisierung im Magnetkern, dann induziert dies eine Spannung in der Sensorwicklung. Diese gibt den Gleichtaktstrom (insbesondere dessen zeitliche Änderung) wieder. Ferner kann der Magnetkern magnetisch mit einem Hallsensor gekoppelt sein. Der Hallsensor kann in einem Luftspalt des Magnetkerns vorgesehen sein, um so die Magnetisierung bzw. das Magnetfeld in dem Magnetkern zu erfassen. Das Signal des Hallsensors gibt die magnetische Flussstärke und somit die Stärke des Gleichtaktstroms wieder. Alternativ kann die Stromsensorvorrichtung einen Shuntwiderstand aufweisen. Vorzugsweise ist in den Stromschienen (seriell) jeweils ein Shuntwiderstand vorgesehen. Die Summe aller Spannungen, die über den Shuntwiderständen abfallen, gibt den Gleichtaktstrom wieder, der durch die Stromschienen fließt. Dies betrifft die erste und die zweite Hochvolt-Stromschiene sowie gegebenenfalls ebenso die Bezugspotential-Stromschiene. Die Ermittlung des Gleichtaktstroms und insbesondere die Sensorvorrichtung bezieht sich auf den Gleichtaktstrom der ersten und der zweiten Hochvolt-Stromschiene sowie gegebenenfalls ebenso der Bezugspotential-Stromschiene.
Die Überwachungsschaltung kann in einer oder in mehreren der genannten System komponenten (Quelle, Übertragungsstrecke, Senke) eingesetzt werden. Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Quelle in Form einer Ladestation für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Eine Gleichspannungs-Ladestation ist mit hier beschriebenen der Überwachungsschaltung ausgebildet. Die Gleichspannungs-Ladestation weist einen Ladeanschluss auf, dem die Überwachungsschaltung vorgeschaltet ist. Der Ladeanschluss ist derart ausgebildet, dass ein Ladekabel (von außen) eingesteckt werden kann. Der Ladeanschluss ist vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet. Die Überwachungsschaltung ist vorzugsweise direkt dem Ladeanschluss vorgeschaltet, d.h. insbesondere ohne zwischengeschaltete Filterkomponenten oder Wandler. Die Ladestation weist Trennschalter auf, die von der Überwachungsschaltung angesteuert werden (direkt oder indirekt über eine weitere datenverarbeitende Einheit), und die von der Überwachungsschaltung direkt oder indirekt geöffnet werden, wenn das Fehlersignal auftritt. Hierbei kann nur ein Trennschalter einer Stromschiene nur einer Polarität geöffnet werden, insbesondere wenn das Fehlersignal der betreffenden Art (die sich auch diese Polarität bezieht) auftritt.
Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Übertragungsstrecke in Form eines Gleichspannungs-Ladekabels für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Auch das Ladekabel kann die Überwachungsschaltung aufweisen. Zwischen entgegengesetzten Enden des Ladekabels sind die Stromschienen der Überwachungsschaltung seriell zwischengeschaltet. Ein Ende des Ladekabels oder beide Enden der Ladekabel weisen ein Steckverbindungselement auf, das vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet ist.
Im Folgenden ist eine Anwendung in einer Senke in Form einer Fahrzeugladeschaltung für Plug-In-Elektrofahrzeuge beschrieben. Die Fahrzeugladeschaltung ist zum Laden mit Gleichstrom ausgebildet bzw. ist eine Gleichspannungs-Fahrzeugladeschaltung. Die Fahrzeugladeschaltung weist einen Ladeanschluss aufweist, dem die Überwachungsschaltung nachgeschaltet ist. Dieser Ladeanschluss ist vorzugsweise gemäß einem Standard zum Laden von Elektrofahrzeugen ausgestaltet. Die Überwachungsschaltung ist diesem Ladeanschluss vorzugsweise direkt nachgeschaltet, d.h. insbesondere ohne zwischengeschaltete Filterkomponenten oder Wandler. Die Fahrzeugladeschaltung weist Trennschalter auf, die von der Überwachungsschaltung angesteuert werden (direkt oder indirekt über eine weitere datenverarbeitende Einheit), und die von der Überwachungsschaltung direkt oder indirekt geöffnet werden, wenn das Fehlersignal auftritt. Hierbei kann nur ein Trennschalter einer Stromschiene nur einer Polarität geöffnet werden, insbesondere wenn das Fehlersignal der betreffenden Art (die sich auch diese Polarität bezieht) auftritt.
Zudem wird ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers bei einem Flochvolt-Gleichstromladevorgang beschrieben, insbesondere eines Isolationsfehlers eines Flochvoltpotentials gegenüber einem Bezugspotential. Das Verfahren implementiert die hier beschriebene Vorgehensweise und weist daher Merkmale auf, die den Eigenschaften von hier beschriebenen Vorrichtungsmerkmalen entsprechen.
Im Rahmen des Verfahrens wird ein erstes Flochvoltpotential und ein zweites Flochvoltpotential über eine erste und eine zweite Flochvolt-Stromschiene übertragen. Es wird eine Ladeleistung übertragen mittels eines Gleichstroms, der über die Hochvolt-Stromschienen geführt wird. Das Verfahren sieht vor, einen Gleichtaktstrom zu erfassen, der durch die Stromschienen fließt, vorzugsweise mit den hier beschriebenen Mitteln. Es wird der Gleichtaktstrom mit einer Grenze verglichen; insbesondere wird der Betrag des Gleichtaktstroms mit der Grenze verglichen. Dies kann in der Steuereinrichtung geschehen. Es wird ein Fehlersignal abgegeben, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und eine Obergrenze überschreitet, oder wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und eine Untergrenze unterschreitet. Es können hierbei Fehlersignale unterschiedlicher Art abgegeben werden, abhängig davon, ob die Obergrenze überschritten wird, oder die Untergrenze unterschritten wird. Alternativ wird ein Fehlersignal abgegeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet. Es können Trennschalter, die eingerichtet sind, den Leistungspfad der Ladeleistung aufzutrennen, geöffnet werden, wenn ein derartiges Fehlersignal abgegeben wird.
Es kann ein Fehlersignal erster Art abgegeben werden, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und die Obergrenze überschreitet (oder der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet). Es kann ein Fehlersignal zweiter Art abgegeben werden, wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und die Untergrenze unterschreitet (oder der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet). Anstatt oder in Kombination der Abgabe von Fehlersignalen erster oder zweiter Art kann vorgesehen sein, dass bei einem positiven Gleichtaktstrom (über der Grenze) die positive Hochvolt-Potentialschiene gegenüber einem Bezugspotential wie Masse oder Chassis entladen wird und dass bei einem negativen Gleichtaktstrom (betragsmäßig über der Grenze oder unter einer negativen Grenze) die negative Hochvolt-Potentialschiene gegenüber einem Bezugspotential wie Masse oder Chassis entladen wird. Es wird vorzugsweise immer nur eine Hochvolt-Potentialschiene gegenüber dem Bezugspotential entladen, nicht beide gleichzeitig.
Die Figur 1 dient zur beispielhaften Erläuterung der hier beschriebenen Vorrichtungen und des hier beschriebenen Verfahrens.
Eine (Gleichstrom-)Ladestation LS ist über einen Ladeanschluss LA der Ladestation LS mit einem (Gleichstrom-)Ladekabel LK verbunden. Das Ladekabel LK verbindet den Ladeanschluss LA der Ladestation LS mit einem Ladeanschluss LA eines (Gleichstrom-)Fahrzeugbordnetzes FB. Es sind Leitungswiderstände Ra - Rf dargestellt, die dem Ladekabel zugeordnet sind. Es sind ferner Induktivitäten (parasitärer Art) La - Lf dargestellt, die ebenso dem Ladekabel zugeordnet sind. Die Elemente Ra - Rf und La - Lf betreffen ein Ersatzschaltbild des Ladekabels LK.
Das Fahrzeugbordnetz FB verfügt über eine Akkumulatorvorrichtung A, die den Akkumulator und Trennschalter S3, S4 aufweist. Die Akkumulatorvorrichtung A ist über Trennschalter S1 , S2 an den Ladeanschluss LA' des Fahrzeugbordnetz FB angeschlossen, insbesondere wandlerfrei. Es besteht eine Zwischenkreiskapazität CF zwischen der Akkumulatorvorrichtung A und den Trennschaltern S1 , S2. Es sind parasitäre oder filterbezogene Cy-Kondensatoren C3, C4 dargestellt sowie Isolationswiderstände R3, R4 (als Bauelemente eines Ersatzschaltbilds).
Die Ersatzschaltbild-Bauelemente C3, C4 sowie R3, R4 verbinden jeweils ein Bezugspotential GND mit einem Hochvoltpotential. Es sind ein erstes Hochvoltpotential HV+ sowie ein zweites Hochvoltpotential HV- dargestellt. Aufgrund der Verbindung von Ladestation, Ladekabel und Fahrzeugbordnetz weisen alle diese drei System komponenten diese Hochvoltpotentiale auf. Dies gilt auch für das Bezugspotential GND. Die Ladestation LS verfügt über eine Gleichspannungsquelle HS, die die Hochvoltpotentiale HV+, HV- abgibt. Es sind zwei Hochspannungs-Stromschienen dargestellt, die diese Hochvoltpotentiale HV+, HV- führen und daher mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Die Ladestation LS verfügt über Isolationswiderstände R1 , R2, die das Bezugspotential GND der betreffenden Stromschiene G gegenüber den Hochvoltpotentialen HV+, HV- aufweisen. Ferner sind entsprechende Kapazitäten C1 , C2 als Cy-Kapazitäten dargestellt. Diese entsprechen Bauelemente eines Ersatzschaltbildes von Leitungen innerhalb der Ladestation. Ein Zwischenkreiskondensator CL der Ladestation LS ist an die Potentiale HV+, HV- der Ladestation LS angeschlossen. Die Ladestation LS weist eine Überwachungsschaltung auf, die zwei Hochspannungs-Stromschienen HV+, HV- aufweist. Diese können als Abschnitt der Hochspannungs-Stromschienen der Ladestation LS betrachtet werden. Ferner weist die Überwachungsschaltung eine Bezugspotential-Stromschiene G auf, die das Bezugspotential GND (Erdpotential) trägt. Eine Stromsensorvorrichtung ist eingerichtet, die Ströme I+, I- und IG zu erfassen, die durch die Stromschienen fließen. Präziser formuliert ist die Stromsensorvorrichtung eingerichtet, den Gleichtaktstrom (Summe der Ströme IG, I- und l+) der Stromschienen HV+, G, HV- zu erfassen. Die Erfassung der einzelnen Ströme mittels der Messeinrichtungen M+, M- und M- ist symbolisch dargestellt. Vorzugsweise wird eine Stromsensorvorrichtung verwendet, die den Gleichtaktstrom erfasst. Es können auch einzelne Sensormesselemente vorgesehen sein, wie mit M+, M- und MG dargestellt, die den die einzelnen Ströme l+, I- und IG erfassen, so dass diese (incl. Vorzeichen) addiert werden können, etwa von einer Steuereinrichtung C.
Es kann ein Magnetkern K vorgesehen sein, der die Stromschienen HV+, HV- und G umgreift und der von deren Gleichtaktstrom magnetisiert wird. Ein Magnetsensor oder eine Sensorspule kann magnetisch mit dem Magnetkern gekoppelt sein und so den Gleichtaktstrom (über die Stärke der Magnetisierung oder den magnetischen Fluss durch den Kern oder die zeitliche Ableitung dieser Größen) erfassen. Das betreffende erfasste Signal, das den Gleichtaktstrom wiedergibt, wird an die Steuereinrichtung C übermittelt. Die Steuereinrichtung C gibt ein Signal ab, wenn der Gleichtaktstrom (dessen Betrag oder der Betrag der zeitlichen Ableitung hiervon) eine Grenze überschreitet. Die Grenze kann vorgegeben sein durch Speicherung in einem Speicher der Steuereinrichtung C oder durch Eingabe über einen Eingang der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, einen negativen Gleichtaktstrom oder eine negative erste zeitliche Ableitung des Gleichtaktstroms von einem positiven Gleichtaktstrom oder einer positiven ersten zeitlichen Ableitung des Gleichtaktstroms zu unterscheiden und bei einer Überschreitung / Unterschreitung der Grenze Fehlersignale unterschiedlicher Art abzugeben. Dadurch kann anhand des Fehlersignals festgestellt werden, welches Flochvoltpotential von dem Isolationsfehler gegenüber dem Bezugspotential betroffen ist.
Im Folgenden ist die Wirkungsweise dargestellt: Besteht ein Isolationsfehlerwiderstand F, d.h. ein Widerstand, der aufgrund eines Isolationsfehlers ein Flochvolt-Potential einer Stromschiene FIV+ (der Ladestation LS oder des daran angeschlossenen Ladekabels LK) mit dem Bezugspotential GND verbindet, dann fließt ein Fehlerstrom IF. Etwa ein Mensch kann in diesem Fall den Widerstand darstellen. Von dem Strom l+, der von der Ladestation LS abgegeben wird, fließt somit ein Teil IF direkt zum Potential GND (über Widerstand F), so dass auch nur ein Teil des Stroms l+, der von der Ladestation LS abgegeben wird, zum Fahrzeugbordnetz FB gelangt. Folglich ist der Betrag des Rückstroms I- geringer, nämlich um den Betrag, der IF ausmacht. Der Betrag des an der Ladestation ankommenden Rückstroms I- ist daher kleiner als der Betrag des Strom l+, der von der Ladestation abgegeben wird. Es ergibt sich ein positiver Gleichtaktstrom für die Stromschienen HV+, HV- und G, der erfasst wird. Hierbei wird vorzugsweise nicht nur ermittelt, ob der Betrag des Gleichtaktstroms über eine Grenze liegt, sondern auch, welches Vorzeichen dieser aufweist. Ist das Vorzeichen positiv, dann besteht ein wie dargestellt eine Isolationsfehler in der positiven Potentialschiene (einer der Komponenten LK, FB, die der Überwachungsschaltung bzw. der Ladestation LS nachgeschaltet sind) in Form des Widerstands F, der den Fehlerstrom IF ermöglicht. Beim Anbinden der Ladestation an das Ladekabel LK bzw. an das Fahrzeugbordnetz FB (Anstecken an Anschlüsse LA, LA' oder Schließen der Schalter S1, S2 oder S3, S4), entsteht ein Ladungsausgleichstrom, insbesondere wenn die Cy-Kondensatoren C3, C4 des Fahrzeugbordnetzes FB noch ungeladen sind bzw. wenn die Induktivitäten La- Lf nicht magnetisiert sind. In diesem Fall wird ein (zum Bezugspotential GND) unsymmetrischer Ausgleichsprozess entstehen, in Rahmen dessen der Ladungsausgleichstrom fließt. Auch die Aufladung der Kapazität CF des Fahrzeugbordnetzes FB erzeugt einen Stromstoß. Diese Prozesse führen beim Anstecken somit zu Strömen, die (auch) einen Gleichtaktstromkomponente mit sich bringen. Diese können durch Maskierungseinrichtung unterdrückt werden.
Ferner können jedoch wie dargestellt nicht nur die Hochvolt-Stromschienen HV+, HV-, sondern auch die Bezugspotential-Stromschiene G zur Erfassung des Gleichtaktstroms herangezogen werden. Es wird somit der Gleichtaktstrom der Einzelströme ermittelt, die durch die Hochvolt-Stromschienen HV+, HV- sowie durch die Bezugspotential-Stromschiene G fließen. Asymmetrische Komponenten der Ströme, die durch Ausgleichsprozesse beim Anstecken/Zuschalten entstehen, werden jedoch über die Bezugspotential-Stromschiene G zum Potential GND abgeführt, so dass insgesamt Aufladungsprozesse / Magnetisierungsprozesse jenseits der Überwachungsvorrichtung (d.h. jenseits der Stelle, an der die Ströme der Stromschienen gemessen werden) nicht zu einem Gleichtaktstrom führen. Mit anderen Worten kompensiert die Berücksichtigung des Stroms durch die Bezugspotential-Stromschiene bei der Erfassung des Gleichtaktstroms Asymmetrien bei den Ausgleichsprozessen, die beim Anstecken entstehen. Wird wie symbolhaft dargestellt neben den Strömen l+ und I- auf der Strom IG erfasst, um den gemeinsamen Gleichtaktstrom zu bilden, dann führen Ausgleichsprozesse nicht zur Erzeugung eines Fehlersignals, da asymmetrische Ausgleichstromkomponenten dadurch ausgeglichen werden, dass auch der Strom IG (Strom der Bezugspotential-Stromschiene) bei der Bildung des Gleichtaktstroms berücksichtigt wird. Die Steuereinrichtung C kann ansteuernd mit Trennschaltern S1 , S2 bzw. S3, S4 verbunden sein. Wird ermittelt, dass der Gleichtaktstrombetrag über einer Grenze liegt, dann steuert die Steuereinrichtung C die Trennschalter an, zu öffnen. Die Steuereinrichtung C ist hierzu ausgebildet. Die Schalter S1 , S2 bilden eine allpolige Trennschaltervorrichtung, die dem Ladeanschluss LA' des Fahrzeugbordnetzes FB vorgeschaltet sind. Die Schalter S3, S4 bilden eine allpolige Trennschaltervorrichtung innerhalb der Akkumulatorvorrichtung A, die bei offenem Zustand den Akkumulator von Anschlüssen der Akkumulatorvorrichtung A abtrennen.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein erster Entladeschalter 1 und ein zweiter Entladeschalter 2 vorgesehen sein. Entladeschalter 1 verbindet schaltbar die Hochvolt-Stromschiene HV+ mit der Bezugspotential-Stromschiene G. Entladeschalter 2 verbindet schaltbar die Hochvolt-Stromschiene HV- mit der Bezugspotential-Stromschiene G. Die Entladeschalter 1 , 2 vorzugsweise Teil der Überwachungsschaltung. Die Steuereinrichtung C ist ansteuernd mit den Entladeschaltern 1 , 2 verbunden. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, bei Erfassen des hier beschriebenen Fehlers einen der beiden Entladeschalter 1 , 2 zu schließen (während der andere geöffnet bleibt). Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, einen der beiden Entladeschalter 1 , 2 zu schließen (während der andere geöffnet bleibt), wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet.
Ist der Gleichtaktstrom (Summe von l+, IG, I- oder von l+ und I-) positiv, entspricht dies einem Fehlerstrom, der die Hochvolt-Stromschiene HV+ betrifft. Dies entspricht einem Fehlerzustand, der das Fehlersignal erster Art auslöst. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, in diesem Fall denjenigen Entladeschalter zu schließen, welcher an der ersten Hochvolt-Stromschiene HV+ angeschlossen ist, d.h. Entladeschalter 1. Ist der Gleichtaktstrom negativ, entspricht dies einem Fehlerstrom, der die zweite Hochvolt-Stromschiene HV- betrifft. Dies entspricht einem Fehlerzustand, der das Fehlersignal zweiter Art auslöst. Die Steuereinrichtung C ist eingerichtet, in diesem Fall denjenigen Entladeschalter zu schließen, welcher an der zweiten Hochvolt-Stromschiene HV- angeschlossen ist, d.h. Entladeschalter 2. Die Steuereinrichtung C ist insbesondere eingerichtet, abhängig von der Art des Fehlersignals den ersten oder den zweiten Entladeschalter 1 , 2 zu schließen. Bei einem Fehlersignal erster Art wird der ersten Entladeschalter l geschlossen (nicht der zweite). Bei einem Fehlersignal zweiter Art wird der zweite Entladeschalter 2 geschlossen (nicht der erste). Die Steuereinrichtung C ist ausgebildet und ansteuernd mit den Entladeschalten 1 , 2 verbunden, um diese Ansteuerung auszuführen und die betreffende Unterscheidung anhand der Polarität des Gleichtaktstroms zu treffen. Symbolhaft dargestellt sind Entladeschalter 1 , 2, die die Stromschiene G direkt mit der Stromschiene HV+, FIV- verbindet. Es können jedoch auch Entladewiderstände vorgesehen sein, die in Reihe mit den Entladeschaltern geschaltet sind, wobei jeder Entladeschalter nicht direkt, sondern über einen der Entladewiderstände (Strombegrenzungswiderstand) an die betreffenden Stromschienen angeschlossen ist, insbesondere um den Entladestrom zu begrenzen.
Die Grenze, mit der der Betrag des Gleichtaktstroms verglichen wird, beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 40 mA, vorzugsweise 30 mA oder weniger, 20 mA oder weniger, 10 mA oder weniger, 5 mA oder weniger oder 3,5 mA oder weniger.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Fehlersignal nur dann abgegeben wird, wenn der Gleichtaktstrom für länger als eine vorgegebene Zeitdauer (etwa länger als 1 ns, 10 ns, 100 ns, 1 ms oder länger als 5 ms) die Grenze überschreitet (bzw. unterschreitet). Die Zeitdauer kann mit dem Betrag ansteigen, um den der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze übersteigt.

Claims

Patentansprüche
1. Überwachungsschaltung für eine Hochvolt-Gleichstrom ladevorrichtung, wobei die Überwachungsschaltung eine erste Hochvolt-Stromschiene (HV+) und eine zweite Hochvolt-Stromschiene (HV-) aufweist sowie mit einem Bezugspotential, das elektrisch von den Hochvolt-Stromschienen (HV+, HV-) isoliert ist, wobei die Überwachungsschaltung eine Stromsensorvorrichtung (M+, M-) aufweist, die eingerichtet ist, einen durch die Hochvolt-Stromschienen (HV+, HV-) fließenden Gleichtaktstrom zu erfassen, und eine Steuereinrichtung (C) aufweist, wobei die Stromsensorvorrichtung (M+, M-) signalübertragend mit der Steuereinrichtung (C) verbunden ist und die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, ein Fehlersignal abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms eine Grenze überschreitet.
2. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1 , wobei die Überwachungsschaltung eine Bezugspotential-Stromschiene (G) aufweist und die Stromsensorvorrichtung (M+, M-, MG) eingerichtet ist, einen durch die Hochvolt-Stromschienen (HV+, HV) sowie durch die Bezugspotential-Stromschiene (G) fließenden Gleichtaktstrom zu erfassen.
3. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überwachungsschaltung eine Maskierungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Erfassung eines Gleichtaktstroms während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird, und/oder wobei die Steuereinrichtung (C) eine Maskierungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, das Abgeben eines Fehlersignals während einem Zuschaltzeitintervall zu unterdrücken, in welchem eine Ladestromquelle an die Überwachungsschaltung angeschlossen wird.
4. Überwachungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, ein Fehlersignal erster Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine erste Polarität hat, und Fehlersignal zweiter Art abzugeben, wenn der Betrag des Gleichtaktstroms die Grenze überschreitet und der Gleichtaktstrom eine zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität hat, wobei die Steuereinrichtung (C) insbesondere eingerichtet ist, bei einem Fehlersignal erster Art einen ersten Entladeschalter (1 ) zwischen der ersten Flochvolt-Potentialschiene (FIV+) und der Bezugspotential-Potentialschiene (G) zu schließen, und bei einem Fehlersignal zweiter Art einen zweiten Entladeschalter (2) zwischen der zweiten Flochvolt-Potentialschiene (FIV-) und der Bezugspotential-Potentialschiene (G) zu schließen.
5. Überwachungsschaltung nach Anspruch 4, wobei die erste Flochvolt-Stromschiene (FIV+) die erste Polarität aufweist und die zweite Flochvolt-Stromschiene (FIV-) die zweite Polarität aufweist, und das Fehlersignal erster Art einen Berührstrom an der ersten Flochvolt-Stromschiene (FIV+) kennzeichnet, und das Fehlersignal zweiter Art einen Berührstrom an der zweiten Flochvolt-Stromschiene (FIV+) kennzeichnet.
6. Überwachungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromsensorvorrichtung einen Magnetkern (K) aufweist, der die Stromschienen umgreift und der eine Sensorwicklung trägt oder der magnetisch mit einem Flallsensor gekoppelt ist, oder wobei die Stromsensorvorrichtung einen Shuntwiderstand aufweist.
7. Gleichspannungs-Ladestation (LS) mit der Überwachungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungs-Ladestation (LS) ferner einen Ladeanschluss (LA) aufweist, dem die Überwachungsschaltung vorgeschaltet ist.
8. Gleichspannungs-Ladekabel (LK) mit der Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei zwischen entgegengesetzten Enden des Ladekabels die Stromschienen der Überwachungsschaltung seriell zwischengeschaltet sind.
9. Fahrzeugladeschaltung (FL) mit der Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei die Fahrzeugladeschaltung (FL) ferner einen Ladeanschluss (LA‘) aufweist, dem die Überwachungsschaltung nachgeschaltet ist.
10. Verfahren zur Erfassung eines Fehlers bei einem Hochvolt-Gleichstrom ladevorgang, wobei ein erstes Hochvoltpotentials (HV+) und ein zweites Hochvoltpotential (HV-) über eine erste und eine zweite Hochvolt-Stromschiene (HV+, HV-) übertragen wird, mit den Schritten:
Erfassen eines Gleichtaktstroms, der durch die Stromschienen (HV+, HV-) fließt;
Vergleichen des Gleichtaktstroms mit einer Grenze; und Abgeben eines Fehlersignals, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und eine Obergrenze überschreitet, oder wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und eine Untergrenze unterschreitet.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Fehlersignal erster Art abgegeben wird, wenn der Gleichtaktstrom positiv ist und die Obergrenze überschreitet, und ein Fehlersignal zweiter Art abgegeben wird, wenn der Gleichtaktstrom negativ ist und die Untergrenze unterschreitet.
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