CN103313871B - 汽车的充电装置和充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车的无电位隔离的充电装置：具有可开关的第一隔离装置(1)，所述第一隔离装置被构造用于打开和/或闭合将充电装置(15)与供电网耦合的充电线缆(11)的至少有电流流过的导线(LL)，以便建立或取消汽车地与充电线缆(11)的零线之间的电位隔离；具有可开关的第二隔离装置(2)，所述第二隔离装置被构造用于打开和/或闭合至少一个将车辆高压蓄电池(7)与充电装置(15)和/或车载电网(6)相连接的线路(LB)；和具有监控装置(3)，所述监控装置被构造用于监控充电装置(15)或汽车(11)的故障状态(F)并且根据故障状态(F)向第一和/或第二隔离装置(1，2)传送调整信号(Sig1，Sig2)。

Description

汽车的充电装置和充电方法

技术领域

本发明涉及一种如从ＤＥ　6０３　１９　５７０T2已知的用于具有车辆高压蓄电池的汽车的充电装置和一种充电方法。

背景技术

在现代汽车的发展中，降低汽车的燃料消耗起到越来越重要的作用。降低汽车消耗的一种措施是把内燃机与混合动力车辆中的电驱动***相组合。混合动力车辆中的电驱动***通常由也可以作为发电机运行的电子驱动***、由其供给所述电子驱动***的高压储能器和控制电子***组成。

对3种基本类型的混合动力车辆进行区分。在所谓的轻度混合中，电子驱动***对内燃机进行支持以主要用于提高功率，并且制动能量可以部分地被重新取得。作为电动机功率给出大约６－１４ｋＷ。

所谓的全混合动力车辆利用超过20kW的电动机功率也能够纯粹通过电动机来行驶。

在迄今为止所提到的混合变型中，高压储能器通过能量回收借助作为发电机运行的电子驱动***被充电。没有设置通过外部能量源给高压储能器充电。

为了进一步降低燃料消耗，所谓的***式混合提供了通过外部能量源给高压储能器充电的可能性。在此，外部能量源可以是公共供电网、太阳能发电设备和／或风力发电设备或类似物。

具有传统内燃机的汽车的替换方案是电动车辆。与混合动力车辆不同，电动车辆不具备能够驱动汽车的内燃机。因此，在这些汽车中有必要通过外部能量源给高压储能器充电。目前，高压储能器通常构造为车辆高压蓄电池。

为了通过例如公共供电网给混合动力车辆或电动车辆的车辆高压蓄电池充电，需要充电装置。目前，常用的充电装置具有带电位隔离的充电电子装置。通常，在汽车的充电装置中，变压器除了电压匹配的任务之外还要满足电位隔离的任务。充电装置中的电位隔离满足３个重要的安全功能：

-在充电插头被拔出和激活的高压电路情况下阻止在接触插头触点时发生电击；

-阻止用于给车辆高压蓄电池充电的电能所源自的电气设施中的RCD保护开关饱和；

-使零线和车辆地分开，由此使在充电过程期间汽车中的绝缘监控变得可能。

发明内容

本发明提出一种用于汽车的无电位隔离的充电装置：具有可开关的第一隔离装置，所述第一隔离装置被构造用于打开和／或闭合将充电装置与供电网耦合的充电线缆的至少有电流流过的导线，以便建立或取消汽车地与充电线缆的零线之间的电位隔离；具有可开关的第二隔离装置，所述第二隔离装置被构造用于打开和／或闭合至少一个将车辆高压蓄电池与充电装置和／或车载电网相连接的线路；和具有监控装置，所述监控装置被构造用于监控充电装置或汽车的故障状态并且根据故障状态向第一和／或第二隔离装置传送调整信号。

此外，本发明还提出一种尤其是利用根据本发明的充电装置无电位隔离地给汽车充电的充电方法，所述充电方法具有如下步骤：监控充电装置和汽车的电气故障；生成关于充电装置和汽车的故障状态的信息；当关于故障状态的信息显示出在充电装置和／或汽车中有故障时，向第一隔离装置传送用于打开的调整信号，所述第一隔离装置被构造用于，打开和／或闭合将充电装置与供电网耦合的充电线缆的至少有电流流过的导线；和／或当关于故障状态的信息显示出在充电装置和／或汽车中有故障时，向第二隔离装置传送用于打开的调整信号，所述第二隔离装置被构造用于，打开和／或闭合至少一个将车辆高压蓄电池与充电装置和／或车载电网相连接的线路。

本发明的认识在于，在传统的充电装置中由变压器提供的安全功能可以通过充电***中的其它部件实现。

本发明所基于的思想现在是，放弃充电装置中的电位隔离并且通过适当的电路实现安全功能。

如在本发明中所公开的由两个隔离装置和监控装置构成的组合能够复制从所述变压器已知的同样的安全功能。

通过一旦充电插头被从插座中拔出监控装置就打开第一隔离装置，可以在拔出的充电插头和激活的高压电路情况下防止在插头触点处的电击的危险。当充电过程结束时，出于安全原因，监控装置也打开第一隔离装置。

利用这里介绍的充电装置也可以可靠地识别并清除用于给车辆高压蓄电池充电的电能所源自的电气设施中的RCD保护开关的饱和。RCD保护开关的饱和不是直接的安全风险，但是会导致，大多时候对多个插座进行保护的RCD保护开关变得失效。当故障直流电流在导线之一与汽车地之间流动时，RCD保护开关可能陷入饱和。为了利用本发明的充电装置识别这一点，监控装置监控充电装置和汽车是否出现故障电流和／或绝缘故障。借助于本发明的充电装置，这也可以在充电过程期间进行。

如果通过监控装置发现有故障或由于空气湿度和／或灰尘而降低的绝缘电阻，第一和第二隔离装置被打开并且在绝缘电阻取对人不会造成危险的值之前不再次闭合。如果识别到绝缘故障，该故障也可以通过适当的显示装置显示给驾驶员。

在一个可替换的构造形式中，第一隔离装置具有至少一个至少三极的交流保护装置用于隔离充电装置与供电网，并且第二隔离装置具有至少一个至少两极的直流保护装置用于隔离车辆高压蓄电池与充电装置和／或车载电网。使用保护装置使得能够在故障情况下可靠而快速地隔离充电装置的供电，并且阻止在保护装置打开时可能有剩余电流流动，例如在半导体开关中就是这种情况。

在另一个可替换的构造形式中，第一隔离装置被构造用于，在把充电线缆的充电插头从充电插座中拔出时自动地打开充电线缆的至少有电流流过的导线。通过自动地打开将充电线缆的插头与车载电网连接的所有导线可以保证，插头的触点是无电位的。接触触点因此对人没有危险。

在另一个可替换的构造形式中，第一隔离装置被构造用于，在充电过程结束时自动地打开充电线缆的至少有电流流过的导线。如果将汽车与供电网相连接的线路在充电过程结束以后自动地被隔离，则阻止了在故障情况下充电线缆具有可能对人构成危险的电压。

在另一个可替换的构造形式中，监控装置具有直流故障测量电路，所述直流故障测量电路被构造用于测量能够在充电线缆（１１）的至少两个导线之间流动的故障直流电流，并且所述监控装置（３）被构造用于在识别出故障直流电流时向第一和／或第二隔离装置（１，２）传送用于打开的调整信号（Sig1，Sig2）。借助所述直流故障测量电路可以永久地检查充电线缆和充电装置的故障。如果在充电线缆或充电装置中出现故障电流，则充电装置可以立刻与供电网隔离。充电线缆因此是无电压的并且同时RCD保护开关的饱和被阻止。

在另一个可替换的构造形式中，监控装置与汽车中存在绝缘监控装置和第一隔离装置耦合，其中所述监控装置被构造为按最多１５分钟的间隔、优选最多５分钟的间隔向第一隔离装置传送用于打开的调整信号，并根据绝缘监控装置（５）的结果向第一和／或第二隔离装置传送用于打开和／或闭合的调整信号。如果循环地执行对充电装置和汽车的监控并且为此使用汽车中已存在的绝缘监控装置，则可以放弃专用的直流故障测量电路。借此可以提供费用较低的充电装置。

在一个可替换的构造形式中，上述两种用于监控充电装置和汽车的可能性被组合在一起。在这样的构造形式中，监控装置与直流故障测量电路连接以永久地监控故障并且此外附加地循环地询问车辆内部的绝缘监控装置。这种变型提供尽可能大的安全性，因为即使当两个装置的一个——要么是直流故障测量电路要么是绝缘监控装置——具有缺陷时，也可以识别出故障。

如果有意义，可以任意彼此组合上面的构造和扩展方案。本发明的其它可能的构造、扩展方案和实施也包括没有明确提到的、本发明的之前或在后面参照实施例所述的特征的组合。在此，尤其是专业人士也可以把单个方面作为改进或补充添加到本发明的相应的基础形式。

尤其是，在一个可替换的构造形式中，可以在汽车中额外地安装传感器，所述传感器能够检测充电装置能够相应地对其做出反应的可能临界的外部条件。例如，高的空气湿度和／或接近露点的温度可引起绝缘电阻下降。为了及早地识别这一点，例如可以设置和分析测量湿度的湿度传感器或检测汽车的环境温度的温度传感器。

在另一个可替换的构造形式中，设置将充电装置与插座相连接的充电缆线，并且所述充电线缆在插头中具有隔离装置，所述隔离装置被构造为，当故障电流在所述导线中的至少一个和零线和／或接地线之间流动时打开充电线缆的导线、零线以及接地线。如果在充电线缆的插头中采用自己的RCD保护开关，则即使当充电线缆没有与汽车连接时该充电线缆也可以被无电流地开关。这例如在如下情况下是必要的：当充电线缆与插座连接但是没有与汽车连接时和充电线缆例如被割草机损坏时。可以在监控装置中分析RCD保护开关的断开并且也可以自动地启动第一隔离装置的断开。

本发明可以用于在传统的交流插座处给车辆高压蓄电池充电、在三相交流插座处给车辆高压蓄电池充电、以及在其它电源处给车辆高压蓄电池充电。如果本发明用于在交流插座处给车辆高压蓄电池充电，则一个构造形式中的第一隔离装置具有至少两极，一个极用于带电压的导线，一个极用于零线。如果相反地本发明用于在三相交流插座处给车辆高压蓄电池充电，则另一个构造形式中的第一隔离装置具有至少３个极，分别是一个极用于带电压的三个导线Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３，一个极用于可能安装的零线。

附图说明

下面借助示意图中所说明的实施例对本发明进行详细阐述。在此：

图１示出本发明充电装置的实施形式的框图；

图２示出用于给汽车充电的本发明充电方法的实施形式的框图；和

图３示出具有本发明充电装置的可替换的构造形式的汽车的示意图。

在所有的图中，相同的或功能相同的元件和装置――只要未另行说明――配备相同的附图标记。

具体实施方式

图１示出用于汽车的本发明充电装置的实施形式的框图。

在图１中用附图标记１５示出本发明充电装置的实施形式，该充电装置具有安置在第一导线LL中的第一隔离装置１并且具有安置在第二导线LB中的第二隔离装置2。此外，两个隔离装置１，２与监控装置３连接，所述监控装置３检测故障状态Ｆ并根据所检测的故障状态Ｆ向隔离装置１，２分别发送调整信号Sig1，Sig2以用于打开或闭合相应的导线ＬＬ，ＬＢ。在按照本发明的构造形式中，第一隔离装置１被构造为打开充电线缆１１的至少有电流流过的导线LL，所述充电线缆将充电装置１５与传统的、给车辆高压蓄电池７的充电提供电能的交流能量源１０相连接。相反地，第二隔离装置２被构造为打开至少一个将车辆高压蓄电池７与充电装置１５和／或车载电网６相连接的导线。在可替换的构造形式中，充电装置15替代地与具有三相交流能量源的交流能量源10连接。

监控装置３监控汽车１并且尤其是充电装置１５的电气故障，其方式是测量电路和／或车辆中的接地点与导电构件和／或开关元件之间的至少一个电压降。在可替换的构造形式中，监控装置３可以监控汽车１和/或充电装置１５的电气故障，其方式是对测量电阻上的电压降或通过分流电阻或电流互感器的电流进行测量。如果监控装置３识别出汽车１中的损害充电装置１５或汽车１的安全性的电气故障，则监控装置３向第一和／或第二隔离装置１，２发送用于打开的调整信号Sig1，Sig2来中断电流流动。如果第一和第二隔离装置构造为保护装置，则可以替换地断开造成保护装置闭合的保持电压。

图２示出本发明的用于给汽车充电的充电方法的实施形式的框图。

在第一步骤S1中，监控充电装置１５和／或汽车１是否出现电气故障。尤其是监控充电装置１５和汽车１是否出现绝缘故障、接地故障或者绝缘电阻下降，这些可能导致在充电线缆的导线中的至少两个导线之间的电流流动。

在第二步骤S2中，基于对充电装置１５和／或汽车１的监控生成关于充电装置１５和／或汽车１的故障状态Ｆ的信息。

在第三步骤S3中，如果关于故障状态Ｆ的信息显示出电气故障，则第一隔离装置１或插头中的隔离装置９传送用于打开的调整信号。汽车借此与其所连接的、用于给车辆高压蓄电池充电的供电网分开。通过使汽车与供电网分开也清除了由于所述故障可能在供电网中存在的RCD保护开关的饱和。

在第四步骤S4中，如果关于故障状态Ｆ的信息显示出电气故障，则第二隔离装置２传送用于打开的调整信号。该步骤用于保护接近汽车的人。通过使车辆高压蓄电池与车载电网分开，在故障情况下阻止了车身和／或其它车辆部件可能带电。

图３示出具有本发明充电装置15的替换构造形式的汽车的示意图。

在图３中示出具有本发明充电装置１５的替换构造形式的汽车12，所述充电装置由第一隔离装置１和第二隔离装置２组成，所述两个隔离装置与监控装置３和车载电网６连接。此外，第一隔离装置１通过充电线缆１１和具有隔离装置９的插头８与交流电压源１０连接。第二隔离装置２与车辆高压蓄电池７耦合。此外，充电装置还具有与监控装置３连接的直流故障测量电路４。监控装置３可以从存在于汽车中的绝缘监控装置５询问故障信息并且为了操控存在于充电线缆１１的插头８中的RCD保护开关９与该RCD保护开关相连接。

在这种构造形式中，监控装置３借助于直流故障测量电路４并且借助于绝缘监控装置５监控充电装置。在此，通过直流故障测量电路４的监控持续地是激活的，并且可以任意经常地通过监控装置３来询问该直流故障测量电路４。为了能够借助于绝缘监控装置５监控充电装置，监控装置３必须打开第一隔离装置１并且之后从绝缘监控装置５询问故障信息。如果第一隔离装置１没有被打开，则绝缘监控装置５不能按规定工作，因为零线和接地线还没有彼此电隔离。在这里以５分钟的间隔打开第一隔离装置１。如果第一隔离装置１是打开的，则可以通过绝缘监控在几秒钟内询问和分析故障信息。如果没有识别到绝缘故障，则监控装置3在例如５秒钟之后重新闭合第一隔离装置１并继续对车辆高压蓄电池充电。但是如果识别到绝缘故障，则可以在有必要或期望这样做时同样打开第二隔离装置2或９。在替换的构造形式中，打开第一隔离装置１的间隔可以是最多２０分钟，优选最多１０分钟。

出于安全原因，当充电过程结束时或当监控装置３识别到充电线缆１１的插头８被从插座拔出时，监控装置也打开第一隔离装置１。

与监控装置３无关地，充电线缆１１的插头８具有RCD保护开关９，该RCD保护开关在充电线缆１１中有故障电流的情况下打开充电线缆的导线和零线。

尽管在上面根据优选的实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于此，而是可以通过各种方式和方法进行修改。

Claims (12)

1.用于汽车的无电位隔离的充电装置：

具有可开关的第一隔离装置（１），所述第一隔离装置被构造用于打开和／或闭合将充电装置（１５）与供电网耦合的充电线缆（１１）的至少有电流流过的导线（ＬＬ），以便建立或取消汽车地与充电线缆（１１）的零线之间的电位隔离；

具有可开关的第二隔离装置（２），所述第二隔离装置被构造用于打开和／或闭合至少一个将车辆高压蓄电池（７）与充电装置（１５）和／或车载电网（６）相连接的线路（ＬＢ）；和

具有监控装置（３），所述监控装置被构造用于监控充电装置（１５）或汽车的故障状态（Ｆ）并且根据故障状态（F）向第一和／或第二隔离装置（１，２）传送调整信号（Sig1，Sig2），

其特征在于，

监控装置（３）具有直流故障测量电路（４），所述直流故障测量电路被构造用于测量在充电线缆（１１）的至少两个导线之间流动的故障直流电流，和

所述监控装置（３）被构造用于，在识别出故障直流电流时向第一和／或第二隔离装置（１，２）分别传送用于打开的调整信号（Sig1，Sig2）。

2.根据权利要求1所述的充电装置，

其特征在于，

第一隔离装置（１）具有至少一个至少两极的交流保护装置用于将充电装置（１５）与供电网相隔离；和

第二隔离装置（2）具有至少一个至少两极的直流保护装置用于将车辆高压蓄电池（７）与充电装置（１５）和／或车载电网（６）相隔离。

3.根据权利要求1或2所述的充电装置，

其特征在于，

第一隔离装置（１）被构造用于，在将充电线缆（１１）的充电插头（８）从插座中拔出时自动地打开充电线缆（１１）的至少有电流流过的导线。

4.根据权利要求1或2所述的充电装置，

其特征在于，

第一隔离装置（１）被构造用于，在充电过程结束时自动地打开充电线缆（１１）的至少有电流流过的导线。

5.根据权利要求1或2所述的充电装置，

其特征在于，

监控装置（３）与汽车（１２）中存在的绝缘监控装置（５）和第一隔离装置（１）耦合，

其中所述监控装置（３）被构造用于以最多６０分钟的间隔向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1），并根据绝缘监控装置（５）的结果向第一和／或第二隔离装置（１，２）传送用于打开和／或闭合的调整信号（Sig1，Sig2）。

6.根据权利要求5所述的充电装置，

其特征在于，

所述监控装置（３）被构造用于以最多5分钟的间隔向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1）。

7.利用根据权利要求1至6之一所述的充电装置（15）无电位隔离地给汽车充电的充电方法，所述充电方法具有如下步骤：

监控充电装置（１５）和汽车（１２）的电气故障；

生成关于充电装置（１５）和汽车（１２）的故障状态的信息；

当关于故障状态的信息显示出在充电装置（１５）和／或汽车（１２）中有故障时，向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1），所述第一隔离装置被构造用于，打开和／或闭合将充电装置（１５）与供电网耦合的充电线缆（１１）的至少有电流流过的导线（ＬＬ）；和／或

当关于故障状态的信息显示出在充电装置（１５）和／或汽车（１２）中有故障时，向第二隔离装置（２）传送用于打开的调整信号（Sig2），所述第二隔离装置被构造用于，打开和／或闭合至少一个将车辆高压蓄电池（７）与充电装置（１５）和／或车载电网（６）相连接的线路（ＬＢ）。

8.根据权利要求7所述的充电方法，

其特征在于，

一旦将充电装置（１５）与供电网相连接的充电插头（8）从插座中拔出，就向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1）。

9.根据权利要求7和8之一所述的充电方法，

其特征在于，

一旦充电过程结束，就向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1）。

10.根据权利要求7和8之一所述的充电方法，

其特征在于，

监控充电装置（１５）和汽车（１２）的电气故障具有这样的步骤：借助于直流电流故障测量电路（４）测量在导线与零线和/或汽车地之间流动的故障直流电流。

11.根据权利要求7和8之一所述的充电方法，

其特征在于，

监控充电装置（１５）和汽车（１２）的电气故障具有如下步骤：

以最多６０分钟的间隔向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1）；

在第一隔离装置（１）被打开期间，从绝缘监控装置（５）询问故障信息；

如果所询问的故障信息显示没有故障，则向第一隔离装置（１）传送用于闭合的调整信号（Sig1）；和

如果所询问的故障信息显示有故障，则向第二隔离装置（２）传送用于打开的调整信号（Sig2）。

12.根据权利要求11所述的充电方法，

其特征在于，

以最多5分钟的间隔向第一隔离装置（１）传送用于打开的调整信号（Sig1）。