CN108944495A - 通过电动车用充电电缆传输能量和信息的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于传输能量和信息的装置(100)，其具有设计用于传输电动车(102)的充电***的充电电流的至少一个第一导电线(111A，111B)、设计作为该充电***的安全引线的第二导电线(108)、设计用于传输控制先导信号的第三导电线(110)和设计用于传输回线信号的第四导电线(112)，其中该装置具有传输机构(116)，该传输机构设计成将所述信息以所述控制先导信号与回线信号的差动信号的形式来传输。

Description

通过电动车用充电电缆传输能量和信息的装置
技术领域
本发明涉及通过电动车用充电电缆传输能量和信息的装置。
背景技术
为了充电过程，电动车例如通过合适的充电电缆被连接至充电桩的交流电压插座或三相电流插座。充电桩的直流充电也是可行的。
用于控制充电过程的通信在充电桩与电动车之间借助信号进行，所述信号通过至少一个单独的信号导线传输。至少一个信号导线也设置在充电电缆中。例如采用根据充电标准连同充电***CCS的控制引导线(即控制先导信号)和回线(即回线信号)。
US2014355698A1与此相关地公开了一种用于借助在高频范围内的电力线通信和在低频范围内的控制引导线传输数据的通信，它们共同被耦合至用于控制引导线的信号导线中。
US2001121779A1公开了一种充电电缆的控制先导开关电路。US2011127956A1公开一种充电器。US2013154667A1和US2015097525A1公开了用于识别充电电缆或充电器的方法。US2016138980A1公开了一种充电桩。在所述文献中也借助控制信号来发送数据。
流过充电电缆的充电电流可能干扰通信。所述至少一个信号导线因此被电磁屏蔽以尽量减小这种干扰。相应的屏蔽体大多在两侧，即连接至电动车和充电桩。
出于安全考虑，还在充电电缆中设有电位均衡导线。例如采用尤其根据EN61851的安全引线。它将电动车的车身固定至一个稳定可靠的电位。故障电流即便在故障情况下也能被可靠地导走，从而不会威胁到人员。
因此，一般在已知的充电***中存在用于电位均衡的多个并行路径，例如安全引线、屏蔽体和可能的控制引导线的回线。
因此，接地回线的形成可能导致不可控的干扰耦合输入。
尤其由于控制引导线的回线和电位均衡导线的并行性，为了通信而应用在控制引导线的回线上的模拟信号可能通过地线网而串扰到任何其它***上。
另外，将车身接到接地电位且保持在那里的电位均衡电流不仅流过一般粗了几个数量级的电位均衡导线，而且大部分的电流也流过控制引导线的回线。由此该电流可能干扰到控制引导线的通信并导致与通讯信号相关的检测难度。
发明内容
因此值得期待的是提出一种与此相比得到改善的电动车充电装置。
这通过根据下述1中记载的装置做到。下述2-12为本发明的优选技术方案：
1.一种用于传输能量和信息的装置(100)，其特征在于，该装置具有设计用于传输电动车(102)的充电***的充电电流的至少一个第一导电线(111A，111B)、设计作为该充电***的安全引线的第二导电线(108)、设计用于传输控制先导信号的第三导电线(110)、以及设计用于传输回线信号的第四导电线(112)，其中该装置具有传输机构(116)，该传输机构被设计成将所述信息作为控制先导信号与回线信号的差动信号的形式来传输。
2.根据上述1的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)与所述第二导电线(108)电流隔断。
3.根据上述1或2的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)以同轴连接线形式构成。
4.根据上述1或2的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)以双绞线形式构成。
5.根据前述1-4之一的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和第四导电线(112)被电屏蔽体(114)包围。
6.根据上述5的装置，其特征在于，该电屏蔽体(114)与该安全引线(108)导电相连。
7.根据上述5的装置，其特征在于，该电屏蔽体(114)以面状结构的形式与该安全引线(108)导电相连。
8.根据上述5至7之一的装置，其特征在于，该屏蔽体(114)是与该安全引线(108)或用于所述第四导电线(112)的触点(112D)电容性连接的。
9.根据上述5至8之一的装置，其特征在于，该传输机构(116)具有用于该控制先导信号的第一接线端(116A)，该第一接线端以电流隔断方式与该第三导电线(110)相连，并且其中该传输机构(116)具有用于回线信号的第二接线端(116B)，该第二接线端以电流隔断方式与该第四导电线(112)相连。
10.根据上述9的装置，其特征在于，该第二接线端(116B)与该安全引线(108)和/或该屏蔽体(114)导电相连。
11.根据上述5至10之一的装置，其特征在于，该屏蔽体(114)是选频的，其中该屏蔽体(114)的屏蔽作用通过在该屏蔽体(114)与该安全引线(108)、电动车(102)和/或充电***的充电桩(104)相连的连接机构中的选频滤波器产生在屏蔽导线(110，112)上传输所用的频率中。
12.根据前述上述之一的装置，其特征在于，在该导电线(111A，111B，108，110，112)的一侧设有电连接器(122)，该电连接器具有用于所述至少一个第一导电线(111A，111B)的第一触点(122A)、用于所述第二导电线(108)的第二触点(122B)和用于所述第三导电线(110)的第三触点(122C)，其中该第三导电线(110)以电流隔断方式与该第三触点(122C)相连，且其中该第四导电线(122D)以电流隔断方式与该第四触点(122D)相连。
在此，提出了一种用于传输能量和信息的装置，其包括设计用于传输电动车充电***的充电电流的至少一个第一导电线、设计成充电***的安全引线的第二导电线、设计用于控制先导信号的传输的第三导电线和设计用于传输回线信号的第四导电线，其中该装置具有传输机构，传输机构设计用于将所述信息以控制先导信号和回线信号的差动信号的形式来传输。短暂电位移动通过该差动信号而没有干扰影响到信号分析，这是因为两个信号的平均值(同相)与信号分析无关。这改善了充电***的耐用性。
有利地，第三导电线和第四导电线与该安全引线电流隔断。由此避免在通信线与电位均衡导线之间的可能干扰通信的电流流动。
附图说明
由上述2-12、以下说明和附图中得到其它有利实施方式，
其中：
图1示意性示出第一实施方式的充电***的一部分，
图2示意性示出第二实施方式的充电***的一部分，
图3示意性示出第三实施方式的充电***的一部分。
具体实施方式
图1示意性示出了用于电动车102的充电***100。充电***100包括充电桩104，其可以与电流供应源相连。电流供应例如通过电流源进行。充电桩100例如通过充电电缆106可以与电动车102相连。充电过程例如根据充电标准连同充电***CCS进行。该标准规定了2型车辆接合器或者Combo-2型车辆接合器，即，具有两个附加直流电流极的2型车辆接合器。通常，可利用这样的充电***进行两种充电方法，即交流充电(即AC充电)和直流充电(即DC充电)。在借助Combo-2型车辆接合器的直流充电时的插头触点的示例性布置规定了用于以下导线的触点：
安全引线PE，108
控制引导线CP，110(用于以模拟信号在充电桩与车辆之间对话的导线)，
直流充电正极DC+，111A，
直流充电负极DC-，111B。
控制引导线110是设计用于传输控制先导信号的导电线的一个例子。
安全引线108可作为用于控制引导线的回线被用在充电桩104与电动车102之间通信中，也可如图1所示采用一个单独回线112用于控制引导线110。
回线112是设计用于传输回线信号的导电线的一个例子。
为了尽力减小在控制引导线110以及可能的其回线112上的干扰，它们大多像在现有技术中已知的那样配设有屏蔽体114，即一个导线屏蔽或多个导线屏蔽。当充电电缆106被***电动车102中时，屏蔽体114大多在两侧，即与电动车102和充电***的充电桩104，导电连接。
该充电***出于安全考虑例如根据EN61851具有电位均衡导线，如安全引线108。该安全引线将车身固定至一个稳定可靠的电位。故障电流即便在故障情况下也被可靠地导走，从而不会威胁到人员。
在已知的充电***中，安全引线108、屏蔽体114和可能的控制引导线的回线112形成用于电位均衡的多个并行路径。
不同于已知的充电***，该装置为了传输能量而包括至少一个第一导电线，其被设计为传输用于电动车102的充电***100的充电电流。在本例子中，它们是用于直流充电正极111A和直流充电负极111B的导线。该装置还包括第二导电线，其设计成充电***100的安全引线108。该装置还包括设计用于传输控制先导信号CP+的第三导电线(如控制引导线110)和设计用于传输回线信号CP-的第四导电线(如控制引导线的回线112)。该控制引导线及回线布置在充电电缆106中。该装置还包括传输机构116，其设计用于传输作为控制引导线信号CP+和回线信号CP-的差动信号的信息(即信号)，以便在充电桩104与电动车102之间通信。由此也可以在短暂电位移动时实现可靠的信号分析，因为两个信号的平均值(同相)是对此无关的。控制引导线信号CP+及其回线信号CP-为此被转变为一个差动信号，从而该信息现在位于两个导线(即CP+和CP-)之间的差值中。
差动信号在充电电缆106的两侧利用“感应变送”来转换。这例如通过耦合元件来实现。优选地，充电桩侧的信号是对称的以便产生接地电位，从而该侧出现(CP+)+(CP-)＝0伏。由此可以抑制电容充电。在此情况下，在车辆侧不存在其中一个所述信号与任何车辆电位之间的电流连接。
可以采用例如从以太网标准中已知的传输机构116。优选地，至少在充电桩侧可以采用有源差动驱动器电路或收发两用机电路，以改善信号质量。
在一个实施方式中规定，第三导电线和第四导电线与电位均衡导线是电流隔断的。如图1所示，控制引导线110和控制引导线的回线112通过第一耦合元件118和第二耦合元件120与安全引线108电流隔断开。由此在所述导线与电动车102之间不发生电流流动。
电流隔断是指避免在两个交换功率或信号的导线之间的导电。在电流隔断时，电位也相互隔离。
代替导电连接，采用耦合元件118、120。耦合元件118、120被用于功率或信号传输。例如因此进行将按照标准的CP+、CP-信号转变为差动信号或反之亦然。
为给电动车102充电，充电桩104和电动车102的电池通过电力线、在本例子中是所述的直流线111A、111B相连接。通常，在直流DC或交流AC情况下采用两根电力线作为所述至少一个导电线，在三相电流情况下采用三根电力线作为所述至少一个导电线。
为了传输信息，例如在充电桩104和电动车102之间建立通信以便数据交换，其中电动车的电池与充电桩104相连。为此采用一个作为差动信号被传输的单独信号。
该单独信号例如根据电力线通讯PLC以大致2兆赫至30兆赫的典型频谱范围来传输。对于CCS，它是模拟信号。由此可以减小衰减地跨接无滤波器的典型驱动器例如开关、继电器、插头等。信号的传播在良好通信的意义上仅被微弱地抑制。从数字无线电传输技术中已知被用于PLC的频谱范围和被用于通信的调制方法，例如OFDM、QAM等。
通过耦合元件118、120来传输该单独信号。此外避免了该单独信号简单地以电容方式和/或电感方式被耦合到相邻导线中。由此避免在PLC中的可能出现在充电站中的问题，在充电站内，多个充电桩104至少部分地由共同的功率电子装置馈电或被连接至同一个电源接头。确切地说，避免了一个充电桩104的通讯信号通过接地被耦合到相邻导线中。这将直接通过导线的空间接近或通过共同的电源接头、变压器、保险机构或其它装置实现。充电桩104因此可以保证它和与之相连的电动车102通信。例如，一个建立与正好相连的电动车102的通信的充电桩104因此可以是保证的，从而它自身的信号只由直接相连的电动车接收。此外，该充电桩104可以是保证的，从而应答相连的电动车102，而不是来自另一个充电桩上的相邻的电动车。
此外，主要传输PLC的通讯导线由此总体上对串扰不太敏感。
在图1中，在传输机构116与位于充电电线106的朝向连接器122的一侧的第二耦合元件118之间建立接地。
图1示意性示出了一个有利实施方式，在此，电屏蔽体114与安全引线108导电相连。
例如，电屏蔽体114优选在朝向充电桩104的一侧以面状结构的方式与安全引线108导电相连。用于此的面状结构124如图1示意性所示。
替代地或补充地，电屏蔽体114优选在背对充电桩104的一侧以电容方式与安全引线108或第四导电线112相连。相应的电容器126在图1中将屏蔽体114连接至安全引线108。
图2示意性示出了第二实施方式的充电***的一部分，图3示意性示出了第三实施方式的充电***的一部分。功能相互对应的零部件在图2和图3中如在图1中描述的那样标示和布置。
根据第二和第三实施方式，在第二耦合元件120之后，即在第二耦合元件120和连接器122之间建立接地。
此时，不仅在第二实施方式中，同样在第三实施方式中，只采用第二耦合元件120。在充电桩104侧，设有一个有源的或无源的无线电收发两用机132作为传送器，该传送器传输信号，但没有与第三导电线和第四导电线电流断联。可以设有微芯片且尤其是电力线通信芯片，该芯片上集成有传输机构116。也可以如图2和图3所示地设有单独的微芯片作为电力线通信模块128和/或控制先导模块130，该微芯片的信号由无线电收发两用机132传输。
在第二实施方式中，代替屏蔽体114与安全引线108之间电位均衡，通过连接器122来直接建立屏蔽体114与电动车102之间的电位均衡。
在第三实施方式中，代替屏蔽体114与安全引线108之间的电位均衡，通过滤波器134和连接器122建立屏蔽体114与电动车102之间的电位均衡。
屏蔽体114优选至少在一侧通过选频滤波器134被接地。滤波器134可以是无源形式，例如呈车辆侧的RC并联电路形式。电阻R抑制在DC和低频时的电位均衡电流以便高阻抗地将屏蔽体设计成电位均衡导线，而电容C从某个频率开始(例如低于1千赫)容许屏蔽作用所需要的电流流动。复杂的滤波器结构可以正好导通所需频率范围而锁止其它频率范围。可选地，滤波器134也可以是有源形式形成且例如用晶体管或运算放大器实现。可选地，该屏蔽还可以在一侧例如车辆侧未被连接，只通过电容或通过电容和电阻的并联电路被连接，以抑制具有电位均衡的线环。
由此获得的优点通过以下措施被进一步改善。
第三导电线和第四导电线优选设计成同轴连接线。例如控制引导线110和控制引导线110的回线以同轴连接线形式构成，在此控制引导线110包围回线112或反之亦然。
例如第三导电线和第四导电线设计成双绞线。这在图1中针对控制引导线110和控制引导线110的回线被示意性示出。
在有电容形式以及电感形式的串扰的情况下假定，当两个导线空间挨得很近地延伸时，所述串扰在两个导线中是近似相同大小的。例如，在传输机构116或无线电收发两用机132中出现差值时，主要相同的部分(即共模)因此被完全抑制，使得剩余干扰仅由于在两个导线中不同的串扰而产生。
所述布置减小在用于CP+和CP-的导线中的电流路径感应。由此，相应导线的大致源自导线电感与电容之乘积的倒数的截止频率被提高。这允许在接收器有限阻抗情况下的较快速的边缘电流并减小耦合感应，即互感，并因此降低接受串扰的能力。
所述第三导电线和第四导电线优选被电屏蔽体包围。这在图1中针对屏蔽体114和控制引导线110和控制引导线的回线112被示出。
传输机构116有利地具有用于控制先导信号CP+的第一接线端116A，它以电流隔断方式与第三导电线、在本例子中是控制引导线110相连。传输机构116有利地具有用于回线信号CP-的第二接线端116B，其以电流隔断方式与第四导电线、在本例子中是控制引导线110的回线相连。
第二接线端116B优选与安全引线108和/或屏蔽体114导电相连。
优选在第一导电线上在其背对充电桩104的一侧设置电连接器122，如基于上述CCS车辆接合器之一。电连接器122具有至少一个用于所述至少一个第一导电线的第一触点122A。在本例子中，直流充电正极DC+，111A和直流充电负极DC-，111B就像在上述的CCS车辆接合器中那样布置。
电连接器122具有用于第二导电线、即在图1中用于安全引线108的第二触点122B。电连接器122具有用于第三导电线、即在图1中用于控制引导线110的第三触点122C。第三导电线以电流隔断方式通过第二耦合元件120与第三触点122C相连。电连接器122具有用于第四导电线、即在图1中的控制引导线110的回线的第四触点122D。第三导电线以电流隔断方式通过第二耦合元件120与第四触点122D相连。在本例子中，第四触点122D与第二触点122B相连。在此情况下，连接器122在电动车102侧也只具有一个触点。该机械接口对于电动车102而言最好与根据其中一个所述标准的接口是相同的。
通过所述措施，在充电电缆106内并行延伸的电位均衡导线的形成环线能够得以避免。由此减小电磁波串扰。这主要如此做到：控制引导线110和屏蔽体114的电位关联是电流隔断的。对于屏蔽体114，它具有附加作用，即，只针对屏蔽信号的频率范围需要屏蔽作用。由此可以抑制电位均衡电流，而不会影响用于待屏蔽信号的屏蔽作用。只在没有或只部分与电位均衡电流或串扰的典型频率范围重合的某些频率范围内需要用于信号电缆110、112的屏蔽体114。在CCS充电***的情况下，主要的频率范围例如对于插头状态监测在1千赫左右，而对于PLC传输为3兆赫至30兆赫。
尤其地，至少一个屏蔽体114不包围电位均衡导线，且不包围任何充电电流线。为此保证了在屏蔽体与信号线110、112之间的衰减。
所述断开的电位环线的技术实施方式例如通过电容耦合元件、电感耦合元件、光学耦合元件或类似的耦合元件实现。控制先导信号不一定如所述的那样是对称的，也可以采用其它的信号。
在另一个实施方式中，屏蔽体114被设计成是选频的。屏蔽体114的屏蔽作用在此情况下只在下述频率产生，即，这些频率必须被传输至屏蔽导线110、112或必须被保护。这例如可以通过在屏蔽体114与安全引线108、电动车102和/或充电***的充电桩104的导电连接机构中的相应的选频滤波器获得。在滤波器导通差且因而屏蔽体114连接弱的频率范围内几乎没有屏蔽作用。尤其是可以通过选频滤波器来抑制屏蔽体114上的直流。这有以下优点，屏蔽体114不必传导电位均衡电流。为此，由于在充电过程存在将车辆接地的大电流，屏蔽体114必须具有很大的横截面。电位均衡电流优选流经自身的电位均衡导线，如充电电缆中的PE导线。通过选频滤波器，屏蔽体114未并行地电连接至电位均衡导线，且其也具有大的横截面。因此，电流未经两者之间的电阻分配。由此避免屏蔽体114的热过载。

Claims (12)

1.一种用于传输能量和信息的装置(100)，其特征在于，该装置具有设计用于传输电动车(102)的充电***的充电电流的至少一个第一导电线(111A，111B)、设计作为该充电***的安全引线的第二导电线(108)、设计用于传输控制先导信号的第三导电线(110)、以及设计用于传输回线信号的第四导电线(112)，其中该装置具有传输机构(116)，该传输机构被设计成将所述信息作为控制先导信号与回线信号的差动信号的形式来传输。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)与所述第二导电线(108)电流隔断。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)以同轴连接线形式构成。
4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和所述第四导电线(112)以双绞线形式构成。
5.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述第三导电线(110)和第四导电线(112)被电屏蔽体(114)包围。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于，该电屏蔽体(114)与该安全引线(108)导电相连。
7.根据权利要求5的装置，其特征在于，该电屏蔽体(114)以面状结构的形式与该安全引线(108)导电相连。
8.根据权利要求5的装置，其特征在于，该屏蔽体(114)是与该安全引线(108)或用于所述第四导电线(112)的触点(112D)电容性连接的。
9.根据权利要求5的装置，其特征在于，该传输机构(116)具有用于该控制先导信号的第一接线端(116A)，该第一接线端以电流隔断方式与该第三导电线(110)相连，并且其中该传输机构(116)具有用于回线信号的第二接线端(116B)，该第二接线端以电流隔断方式与该第四导电线(112)相连。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，该第二接线端(116B)与该安全引线(108)和/或该屏蔽体(114)导电相连。
11.根据权利要求5的装置，其特征在于，该屏蔽体(114)是选频的，其中该屏蔽体(114)的屏蔽作用通过在该屏蔽体(114)与该安全引线(108)、电动车(102)和/或充电***的充电桩(104)相连的连接机构中的选频滤波器产生在屏蔽导线(110，112)上传输所用的频率中。
12.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，在该导电线(111A，111B，108，110，112)的一侧设有电连接器(122)，该电连接器具有用于所述至少一个第一导电线(111A，111B)的第一触点(122A)、用于所述第二导电线(108)的第二触点(122B)和用于所述第三导电线(110)的第三触点(122C)，其中该第三导电线(110)以电流隔断方式与该第三触点(122C)相连，且其中该第四导电线(122D)以电流隔断方式与该第四触点(122D)相连。
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