CN111372809B - 用于检测由充电站传输的电能的测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于符合法定校准地确定由充电站传输的电能的手段，所述手段使在传输点处、也即在充电线缆的车辆侧端部处的测量变得不必要。在这种情况下，通过在传输点之前对能量进行测量来确定由充电站传输的电能，其中从结束点直至传输点的无功功率份额可以被补偿。该无功功率份额根据至少一个第二电参量、例如导体或导体屏蔽的电阻来确定，该第二电参量与对于所传输的电能来说相关的模拟电参量、例如至少两个参与充电电路的导体的总欧姆电阻成固定比例。

Description

用于检测由充电站传输的电能的测量设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测由充电站传输的电能的测量设备和方法。

背景技术

电动车辆或至少部分地用电能来驱动的车辆具有至少一个蓄电池，该蓄电池在电动车辆正在运行时要定期被充电。在充电站（在业界也公知为电动车供电设备（ElectricVehicle Supply Equipment）或者简称为EVSE）处进行电动车辆的充电，该充电站经由充电线缆来与电动车辆连接。

设置在充电站中或者被分配给该充电站的测量设备用于检测由充电站传输给电动车辆的电能。该被传输的电能通常向车主结算。

按照法定校准（eichrechtlich）规定，要测量在传输点所传输的电能、也就是说在将电能馈入到电动车辆中的地点所传输的电能。不过，目前能量测量主要在充电站的测量设备中进行。然而，在那里所测量的能量也包含如下能量份额，该能量份额在充电线缆的欧姆电阻中被转化成热能并且因此在传输点没有作为电能被传输。在如今力求达到的具有高充电功率的快速充电过程（在业界也被称作High Power Charging（大功率充电））中，被转化成热能的能量份额（在下文称为无功热能）完全有可能超过由充电站提供的能量的百分之二。

基于在充电站周围的状况，会测量在充电线缆的车辆侧端部、即在插头处的传输点，该插头***到车辆处的相对应的插座中。不过，在该处设置测量装置不切实际，尤其由于插头的尺寸和重量限制而不切实际。

在结算电能时笼统地考虑无功热能、比如通过扣除百分比份额来笼统地考虑无功热能在法定校准上是不容许的，因为该扣除将会仅基于估计值，该估计值由于技术状况而经历波动。符合法定校准的结算尤其需要对在传输点处所传输的电能的可证明并且无可争议的凭证。

发明内容

本发明的任务是说明用于符合法定校准地确定由充电站传输的电能的手段（Mittel），所述手段使在传输点处、也即在充电线缆的车辆侧端部处的测量变得不必要。

该任务通过本发明公开的测量设备来解决。

至少有时能给按照本发明的用于检测由充电站传输的电能的测量设备分配充电线缆以用于构造在该充电线缆在充电站处的连接点与该充电线缆在能量宿（Energiesenke）、例如电动车辆处的传输点之间的电连接。该充电线缆包括具有多个导体的导体组。按照本发明，该测量设备包括两个测量单元和一个确定单元。第一测量单元被设置用于测量在充电线缆的连接点处在至少两个导体处的第一电功率。在替选的单相充电电流的情况下或者在直流电流的情况下，对第一电功率的测量在充电线缆的两个导体处进行，在多相充电电流的情况下，对第一电功率的测量在充电线缆的至少三个导体处进行。第二测量单元被设置用于测量在连接点处的至少一个第二电参量。确定单元根据该至少一个第二电参量来确定无功功率份额，根据该至少一个第二电参量依据被补偿了该无功功率份额的第一电功率来确定在传输点处所传输的电能。可选地，第一和第二测量单元以及确定单元也在一个或多个单元中合并并且可以分别或者整体上实施为模拟的、数字的或混合的单元。

在该上下文中，术语“无功功率份额”或“无功功率”应被理解为如下电能，该电能沿着充电线缆被转化成热能（“欧姆传输损耗”）并且因而在传输点处没有作为电能供支配。在本说明书意义上的无功功率不应与从交流电技术中已知的术语混淆，该术语将通过交流电网构造和消除电磁场理解为与有功功率相区别的无功功率。

按照本发明的测量设备解决了所提出的通过在传输点之前对能量进行测量来符合法定校准地确定由充电站所传输的电能的任务，其中通过该测量设备来补偿从结束点直至传输点的无功功率份额。

为此，该无功功率份额根据至少一个第二电参量（例如导体的欧姆电阻或导体屏蔽）来确定，该第二电参量与对于所传输的电能来说相关的模拟电参量（例如至少两个参与充电电路的导体的总欧姆电阻）成固定比例，或该第二电参量的模拟电参量（例如在参与充电电路的导体处的相应的欧姆电阻处的相应的电压降）被用于补偿中间测量值，而无需确定该第二电参量的值。

在第一种情况下（确定第二电参量，该第二电参量与对于所传输的电能来说相关的模拟电参量成固定比例），按照本发明的一个设计方案例如可规定：检测导体屏蔽的电阻，该导体屏蔽在充电线缆长度给定的情况下与参与充电电路的导体的欧姆电阻成固定比例。按照本发明的解决方案的优点在于：由于温度升高而引起的电阻变化以相同的方式不仅改变按照本发明所确定的第二电参量（导体屏蔽的欧姆电阻）而且也改变相关的模拟电参量（参与充电电路的导体的总欧姆电阻），使得可以以在法定校准方面无可质疑的方式根据所述第二电参量可证明并且无可争议地确定无功功率份额并且最终确定所传输的电能。

在第二种情况下（确定第二电参量，该第二电参量的模拟电参量被用于补偿中间测量值，而无需确定该第二电参量的值），按照本发明的一个设计方案例如可规定：检测导体屏蔽的电阻，该导体屏蔽在充电线缆长度给定的情况下与参与充电电路的导体的欧姆电阻成固定比例，以便在电路技术上将相应的电压降作为模拟中间值添加在参与充电电路的导体处，该电压降在要测量的或者已知的充电电流的情况下导致相应的无功功率。在这种情况下，该模拟电参量不一定要作为值来检测，而是例如能在电路技术上或模拟地被集成到对由充电站传输的电能的检测中。

按照本发明的解决方案的另一优点在于：充电线缆的更换以相同的方式不仅改变按照本发明所确定的第二电参量（例如导体屏蔽或其它导体的欧姆电阻）而且也改变相关的模拟电参量（参与充电电路的导体的总欧姆电阻），使得在这种情况下也可以以在法定校准方面无可质疑的方式根据所述第二电参量可证明并且无可争议地确定无功功率份额并且最终确定所传输的电能。

通过按照本发明所确定的第二电参量与被用于补偿无功功率的模拟电参量的这种机械耦合，有利地会使操纵变得困难并且还能轻易地识别出操纵。

此外有利地容许：在安装时使线缆缩短，通过具有可能不能类型的导体材料的其它线缆来延长该线缆或者在维修时替换该线缆。

按照本发明的测量设备还允许：将在连接点（测量的地点）与传输点（馈电给能量宿的地点）之间的距离选择得大得多并且借此有利地将该测量设备也设置在与实际充电地点分离的单元中，例如设置在对多个充电桩进行供应的中央单元中。这样的中央单元容纳充电站的装置并且通过连接线缆被配备多个分离的充电桩。与充电站相比，与中央单元分离的充电桩于是仅仅包含用于操作（Handhabung）该充电线缆的机构。

设置具有被连接在其上的充电桩的分离的中央单元又使该测量设备在所规定的温度极限之内的运行变得容易，因为多个测量设备可以被建造在中央单元的经空调调节的房屋中。

此外，通过设置远离的中央单元，显著减少了与之连接的充电桩的相应的结构空间需求。还省去了对于这样的充电桩在传输点附近至少针对相应的测量设备的运行的辅助电源的需要，所述测量设备可以有利地在该分离的中央单元中运行。

由于本发明的不同的优点，例如可以简单得多并且成本低廉得多地建立和维护用于多个充电桩的中央单元，这些充电桩能够实现具有高充电功率的快速充电过程。

本发明的其它的设计方案也被相应公开。

按照本发明的一个设计方案，在至少一个导体处测量所述至少一个第二电参量，该至少一个导体与被设置用于测量第一电功率的导体中的任何一个都不一致，也即不是在其上对第一电功率进行测量的所述至少两个导体处测量所述至少一个第二电参量。虽然在本发明的范围内也可以在其上也对第一电功率进行测量的相同的导体上测量第二电参量，但是按照该设计方案在充电线缆的其它导体处测量第二电参量在很多情况下都提供优点。在相同的导体上测量第二电参量要考虑到：对特定的第二电参量的测量（例如对电阻的测量）不能在充电过程期间进行并且因而只能在充电过程之前、之后或者在充电过程期间以切换方式进行，而在其它导体上完全有可能持续测量。因此，例如当第二电参量应该持续地、也即在充电过程期间被确定时，该有利的设计方案适合。

按照本发明的一个替选的设计方案，至少部分地在至少一个导体屏蔽处或在充电线缆屏蔽、也即例如屏蔽编织物处测量第二电参量，该屏蔽编织物包围在充电线缆之内的整个导体组的导体。两极测量、例如对电阻的两极测量要么完全通过两个导体屏蔽、也即在朝向能量宿的电路上并且返回地在另一导体的导体屏蔽上进行，要么部分地、也即在朝向能量宿的电路上并且返回地在另一导体上进行。在测量欧姆电阻作为第二电参量的情况下，在导体屏蔽的参与下，所测量的欧姆电阻也与该导体的欧姆电阻成特定的预先已知的比例，这在使用相同的导电材料的情况下在横截面的特定比例中表现出来。对于所制成的线路来说，该比例可以有利地轻松被检查但是同样有利地只能困难地被改变。此外，电阻的变化、尤其是由于在充电过程中充电线缆的温度升高而引起的电阻的变化不仅影响引导充电电流的线路而且也影响导体屏蔽，使得能精确地确定借助于所测量的欧姆电阻来确定的无功功率份额。

能量测量例如包括对导体屏蔽的电阻的测量，乘以与充电电流线路的电阻的百分比比例并且乘以充电电流的以其它方式测量的积分的平方。替选地，相对于接地电位，向导体屏蔽施加等效电压，并且在导体屏蔽的第二端部的电压被调整为使得经过屏蔽的电流又与所测量的电流成固定比例，其中该比例又通过导体和屏蔽的横截面比例来确定，由此第二电压表示在传输点处的电压。以这种方式，根据电压、即第二电参量对无功功率份额的确定是可能的，而无需测量该电压。

附图说明

在下文，按照本发明的方法和按照本发明的控制设备的实施方式参考附图予以描述。

其中：

图1示出了用于图示与按照本发明的功能单元共同起作用的充电基础设施的框图；并且

图2示出了用于图示按照本发明的实施例的测量设备的框图。

具体实施方式

图1示出了具有三个电动车辆EC的充电基础设施，这三个电动车辆通过相应的充电线缆CC来与充电桩CP连接。充电桩CP分别利用连接线缆C来与充电站EVSE连接。充电站EVSE包含用于常规提供、处理和控制充电电流的设备PU，对此这里不进一步探讨。在该设备PU的相应的三个输出线处安装相应的测量设备MD，连接线缆C连接到该测量设备上。

因此，本发明的该设计方案涉及开头所谈及的布局（Konstellation），其中被设计为中央单元的充电站EVSE对多个充电桩CP进行供应。那么，除了一些显示和控制元件之外，与充电站EVSE分离的充电桩CP基本上仅仅包含用于操作充电线缆CC的机构，但是并不包含用于提供、处理和控制充电电流的设备，该设备被设置在中央充电站EVSE的设备PU中。

该布局能够实现：将在连接点（测量的地点）与传输点（在电动车辆EV处馈电的地点）之间的距离选择得大得多并且借此有利地将测量设备MD也设置在与实际充电地点分离的充电桩EVSE中。

常见的充电线缆CC包括线缆组，该线缆组由用于相应的充电电流引导的多个线路（例如外导体或相导体、中性导体、保护导体，等等）以及至少一个信号线构成。在此，在线缆组中的保护导体出于安全原因形成用于信号线的回线。在信号线与电动车辆之间的设备地的连贯性在充电控制装置侧通过对在信号线中的通过电流（所谓的“先导信号”）的测量来检查。只有当信号线电路正常闭合时，才允许在线缆组中的通过电流并且因此允许对蓄电池的充电。

传输点被定义为将电能馈入到能量宿（电动车辆EV）中的地点。在附图中，该传输点对应于充电线缆CC的车辆侧端部。

连接点被定义为提取电能用来运行能量宿（电动车辆EV）或给能量宿（电动车辆EV）充电的地点。在该附图中，该连接点对应于充电站EVSE的连接线缆C的连接端，在该充电站处也通过相应的测量设备MD来进行相应的测量。

图2示出了按照本发明的实施例的测量设备MD。测量设备MD包括：第一测量单元M1，用于测量在连接点中在两个导体L1、L2处的第一电功率；第二测量单元，用于测量在这两个导体L1、L2的导体屏蔽处的至少一个第二电参量；和确定单元DU，用于根据该第二电参量来确定无功功率份额并且用于依据被补偿了该无功功率份额的第一电功率来确定在传输点处所传输的电能。

测量单元M1以常规方式通过测量附在线路L1、L2处的电压以及充电电流来检测第一电功率。

在示意性示出的测量设备MD的左侧，示出了具有相对应的接触部的两个内部线路，分别没有附图标记。这些内部线路用于测量设备MD与在充电站EVSE之内的设备PU的连接。

按照本发明的这里所阐述的设计方案，在两个导体屏蔽L1、L2的屏蔽编织物处测量第二电参量。为此，这两个导体屏蔽L1、L2与第二测量单元M2的输入端电连接。在替选的变型方案中，第二测量单元M2可以任意地与充电线缆的另外的或其它的（未示出的）导体或导体屏蔽或与充电线缆屏蔽本身连接。

两极测量、例如对复杂的交流电阻的两极测量通过在朝向（未示出的）能量宿（电动车辆EV）的闭合电路上的第一导体屏蔽L1并且返回地在另一导体L2的导体屏蔽S2上进行。

在电动车辆中，电路通过两个导体屏蔽的电连接、所定义的电阻或所定义的电容来闭合，其中该所定义的电阻在测量中被考虑。在电连接的情况下，电动车辆EV中的电路通过共同的参考点或接地电位来闭合。在确定欧姆电阻作为第二电参量的情况下测量该欧姆电阻或复杂的交流电阻时，所测量的或所确定的欧姆电阻与导体L1、L2的欧姆电阻成特定的预先知道的比例，这在使用相同的导电材料的情况下在横截面的特定比例中表现出来。

对于所制成的线路来说，该比例可以有利地轻松被检查但是只能困难地被改变，这对应于可证明并且无可争议的凭证的法定校准规定。为此，测量结果被记录。

尤其是由于在充电过程中充电线缆的温度升高，将需要持续地或周期性地调查第二电参量，因为在充电线缆中引导充电电流的导体L1、L2的电阻并且与其一起地无功功率份额同样由温度造成地而升高。

不过，电阻的该升高不仅影响引导充电电流的线路L1、L2而且影响导体屏蔽S1、S2，使得能继续精确地确定借助于所测量的欧姆电阻来确定的无功功率份额。

替代在值方面确定第二电参量和能据此确定的无功功率份额，也可以通过补偿第一电功率测量依据被补偿了该无功功率份额的第一电功率（也即所要结算的电功率）来执行对所传输的电能的确定。为此，由第二测量单元M2相对于（未示出的）接地电位向两个导体屏蔽之一S1施加等效电压，并且在另一导体屏蔽S2的第二端部处的电压被调整为使得经过导体屏蔽S1、S2的电流与由第一测量单元M1测量的充电电流成固定比例，由此在第二导体屏蔽S2的端部处所调整的电压表示在传输点处的电压。以这种方式，根据电压、即第二电参量对无功功率份额的确定是可能的，而无需测量该电压。

概括来说，本发明提供了用于符合法定校准地确定由充电站传输的电能的手段，该手段使在传输点处、也即在充电线缆的车辆侧端部处的测量变得不必要。在这种情况下，通过在传输点之前对能量进行测量来确定由充电站传输的电能，其中从结束点直至传输点的无功功率份额被补偿。该无功功率份额根据至少一个第二电参量、例如导体或导体屏蔽的电阻来确定，该第二电参量与对于所传输的电能来说相关的模拟电参量、例如至少两个参与充电电路的导体的总欧姆电阻成固定比例。

Claims (10)

1.用于检测由充电站（EVSE）传输的电能的测量设备，其中至少有时能给所述充电站（EVSE）分配充电线缆（CC）以用于构造在所述充电线缆（CC）在所述充电站（EVSE）处的连接点与所述充电线缆（CC）在能量宿（EV）处的传输点之间的电连接，并且其中所述充电线缆（CC）包括具有多个导体（L1、L2）的导体组，其中所述测量设备包括：

- 第一测量单元（M1），用于测量在所述连接点中在至少两个导体（L1、L2）处的第一电功率；

- 第二测量单元（M2），用于测量在所述连接点处的至少一个第二电参量；和

- 确定单元（DU），用于根据所述第二电参量来确定沿着所述充电线缆（CC）被转化成热能的电能份额并且用于依据被补偿了沿着所述充电线缆（CC）被转化成热能的电能份额的第一电功率来确定在所述传输点处所传输的电能。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，在所述充电线缆（CC）的至少一个导体处测量所述第二电参量，所述至少一个导体与被设置用于测量所述第一电功率的导体中的任何一个都不一致。

3.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，在至少一个导体屏蔽（S1、S2）处测量所述第二电参量。

4.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，对所述第二电参量的测量包括：对电阻的测量、电压测量、电流测量和/或对在所述连接点处的电能的测量。

5.用于检测由充电站（EVSE）传输的电能的方法，其中至少有时能给所述充电站（EVSE）分配充电线缆（CC）以用于构造在所述充电线缆（CC）在所述充电站（EVSE）处的连接点与所述充电线缆（CC）在能量宿（SV）处的传输点之间的电连接，并且其中所述充电线缆（CC）包括具有多个导体（L1、L2）的导体组，所述方法包括如下步骤：

- 测量在所述连接点中在至少两个导体（L1、L2）处的第一电功率；

- 测量在所述连接点处的至少一个第二电参量；并且

- 根据所述第二电参量来确定沿着所述充电线缆（CC）被转化成热能的电能份额并且依据被补偿了沿着所述充电线缆（CC）被转化成热能的电能份额的第一电功率来确定在所述传输点处所传输的电能。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述充电线缆（CC）的至少一个导体处测量所述第二电参量，所述至少一个导体与被设置用于测量所述第一电功率的导体中的任何一个都不一致。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在至少一个导体屏蔽（S1、S2）处测量所述第二电参量。

8.根据上述权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，对所述第二电参量的测量包括：对电阻的测量、电压测量、电流测量和/或对在所述连接点处的电能的测量。

9.根据上述权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个第二电参量持续地、周期性地和/或每隔可调整的时间间隔地被测量。

10.根据上述权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个第二电参量持续地、周期性地和/或每隔可调整的时间间隔地被测量。