CN112564058B - 具有监控和诊断***的、电连接的ac充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有监控和诊断***的用于电动车辆、燃料电池车辆或混合动力车辆的AC充电的电连接的AC充电器。AC充电器(10)的高压部分(15)的所有组件(12、13、14)仅通过基本绝缘层(B)相对于AC充电器(10)的低压电网(16)和保护导体(PE)绝缘，在低压电网(16)与保护导体(PE)之间设有过电压保护器(17)，在AC充电器(10)的交流电输入端上设有交直流敏感的故障电流‑保护装置(11)，AC充电器(10)能通过所述故障电流‑保护装置与交流电源连接。

Description

具有监控和诊断***的、电连接的AC充电器
技术领域
本发明涉及一种具有监控和诊断***的、电连接的AC充电器，该AC充电器用于对电动车辆、燃料电池车辆或混合动力车辆进行AC充电。
背景技术
为了进行电动车辆的交流充电通常使用充电器，该充电器具有通常经由变压器实现的电隔离，以用于将交流电源(AC电网、栅极)与车辆的DC电网分离。对于电隔离所需的附加的变压器以及同样所需的电力电子设备引起附加的能量损耗、需要附加的结构空间并且引起额外费用。此外，充电器的功能单元中的一些功能单元必须通过加强的或双重的绝缘彼此隔离。然而与基本绝缘层相比，增强的绝缘层总是伴随着额外费用和附加的空间需求。
用于电动车辆、燃料电池车辆或混合动力车辆的第二类型的充电器在功率路径中不包含电隔离，因此被称为电连接的AC充电器。然而，由于标准的规定，在这些充电器中与具有电隔离的充电器相比，充电器的多个功能单元还必须具有提高的绝缘等级。
文献DE 10 2017 202 236 A1公开了一种用于在电流耦合时通过开关装置将电能从充电接口传输到车辆-车载电网的高压区段上的方法。开关装置被监控故障电流，该故障电流高于故障电流保险装置的预先规定的触发-阈值，以便在充电过程期间防止出现漏电流。
由文献DE 10 2010 048 673 A1公开了一种具有电耦合的车载电网和交直流敏感的故障电流-保护装置的车辆。该故障电流-保护装置在探测到超过预先规定的阈值的电流差时中断车载电网与充电接口的电连接。
文献DE 10 2009 034 887 A1涉及一种具有保险和监控装置的、用于给电动车辆提供电能的充电站。该保险和监控装置具有故障电流监控器件，其监控交流故障电流和直流故障电流的出现。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的在于，提供一种用于具有电连接的功率部件的充电器的智能诊断***，利用该智能诊断***可以在无较高的绝缘等级的情况下也能符合标准。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的设备来实现。本发明的设计方案和改进方案由从属权利要求和说明书中得出。
本发明的主题是一种用于电动车辆、燃料电池车辆或混合动力车辆的HV能量存储器的、无电隔离的AC充电器(10)。根据本发明，AC充电器的高压部分的所有组件仅通过基本绝缘层相对于AC充电器的低压电网和保护导体PE绝缘。在低压电网与保护导体之间设有过电压保护器，在AC充电器的交流电流输入端上设有交直流敏感/全电流敏感的故障电流-保护装置/漏电保护装置，AC充电器能通过所述故障电流-保护装置与交流电源连接。
绝缘材料在低压应用中的权威性的基本标准是IEC 60664，在该标准中对于最高1000VAC/1500VDA的电压和最高30kHz的额定频率规定了最低要求。在IEC 60664中描述了用于电绝缘的材料适合性的基础。
在下面的列举中，说明当从绝缘材料的角度来设计装置时要注意的一些术语。它们全部在IEC 60664中被提到，并且根据电气设备的应用和安装地点在其整体上产生一组特定的要求。
基本绝缘层防止在常规运行中处于电压下的导体或导电部件的接触。这种基本绝缘层只能通过破坏来去除。基本绝缘层提供了基本的保护以防电击。基本绝缘层与双重或增强的绝缘层的不同之处在于基本绝缘层的强度较低。也就是说，基本绝缘层必须承受的最大击穿电压较小。例如这实际上导致，可以使用更薄的绝缘材料或者更小的空气间隙和爬电距离。
具有较高绝缘等级的组件例如具有附加的绝缘层作为第二保护屏障，即具有双重的绝缘层。在此，基本绝缘层和附加绝缘层是两个彼此分离的层。每层都满足了防电击的基本保护。
替代地，具有较高绝缘等级的组件具有增强的绝缘层：这种绝缘层由统一的绝缘***形成。该增强的绝缘层提供与双重绝缘层等价的保护。如果该增强的绝缘层包括多个层(多层层压结构)，则这些层不可分开地相互连接并且不能被单独测试。
根据本发明，在AC充电器中对于故障情况实现了监控装置或规定的漏阻抗，以便尽管在高压部分中的结构单元的绝缘等级低的情况下仍能符合IEC 60664的标准。
然而总体上可以说，双重的或增强的绝缘层在任何情况下都具有比基本绝缘层大的空气间隙和爬电距离。必须用以检查双重的或增强的绝缘层的测试电压同样高于用于将检查基本绝缘层的测试电压。
在根据本发明的AC充电器中实现了交直流敏感的故障电流-保护装置。在一个实施方式中，将B型RCD用作交直流敏感的故障电流-保护装置。由此实现了以下的可能性：高压范围(不仅AC侧而且DC侧)允许借助于基本绝缘层与PE(作为HV(高压)组件的壳体、以及车身电位、以及电网的PE)绝缘。现在，挑战在于，确保在HV的绝缘故障的情况下在低压范围(例如12V范围)上不存在危险。
故障电流-保护开关/漏电断路器最晚在达到设定故障电流时触发并且将所涉及的电路全极地从前置电网切断，在四极开关的情况下也断开中性导体零线。保护导体不是故障电流-保护开关的组成部分并且不被切断。
为了附加地识别平滑的直流故障电流，交直流敏感的RCD(例如B型)部分地还具有第二转换器核——该第二转换器核可以配备有霍尔传感器以便直接检测磁场——和/或还具有另外的电子装置，以便例如更好地检测(或屏蔽)频率响应和频率响应与电流的关系。
在一个实施方式中，通过LV引脚在组件内部的相应的线路布置，在过电压的情况下按规定这样降低阻抗，使得在任何故障情况下都产生足够大的过电流，该过电流通过B型RCD触发切断过程。
所述线路布置可以由电阻、半导体元件如齐纳二极管、肖特基二极管、抑制二极管(也称为瞬态吸收齐纳二极管(TAZ-Diode)或者瞬态电压抑制二极管(TVS-Diode))、其它的保护二极管等、其它的无源的或者有源的结构元件或者这些元件的组合构成。
通过这种线路布置一方面产生漏电流，该漏电流可以触发B型RCD。另一方面，电压被限制，例如被限制为<60V的值。因此，在故障情况下，电压低于接触保护低电压。因此符合了标准。
在一个实施方式中，过电压保护器包括漏阻抗。在另一个实施方式中，漏阻抗将过电压限制为小于60V的值。该漏阻抗因此提供了附加的保护措施，这是因为通过在绝缘故障的情况下通过漏电流可以将电压保持得较低。
在一个实施方式中，漏阻抗是肖特基二极管。在另一个实施方式中，漏阻抗是抑制二极管。在又一个实施方式中，漏阻抗是齐纳二极管。
根据本发明的AC充电器的另一个实施方式包括不同功能元件的组合，这些功能元件特别是在故障安全性和触发动态方面改进安全性。
在一个实施方式中，在漏阻抗与保护导体之间布置有用于测量漏电流的分流器。通过该分流器测量可以确定漏电流并且将其用作探测阈值。
在本发明的范围内，术语“分流器”表示电流测量电阻、也就是说低阻值的测量电阻，该电流测量电阻可以配备有分离的电流端子和电压端子，并且被直接接入到引导电流的线路中。通过与该分流器并联的电压测量仪，仅泄漏可忽略的小电流。
在另一个实施方式中，AC充电器附加地包括用于监控在LV信号与保护导体之间的电压的器件和用于监控经过分流器的漏电流的器件。在一个特别的实施方式中，所述用于监控在LV信号与保护导体之间的电压的器件和所述用于监控经过分流器的漏电流的器件被设计为用于，当超过在LV信号与保护导体之间的电压的预设阈值或者超过漏电流的预设阈值时，则触发交直流敏感的故障电流-保护装置。
在一个实施方式中，过电压保护器包括故障电压监控器，该故障电压监控器被设计为用于，在每个LV信号处，该LV信号通过LV插头被引入AC充电器的高压部分中或离开所述高压部分，探测过电压，并且当过电压超过预设阈值时，触发交直流敏感的故障电流-保护装置。这种LV信号的例子包括总线***的信号，如KL.30、KL.15、CAN、FlexRay等，如果在此探测到的电压高于规定的阈值，则这被通知给B型RCD，该B型RCD随后进行干预并且将***置于安全状态中。
根据本发明的AC充电器的优点包括：取消电隔离，由此使AC充电器更轻、更小且更便宜；并且仅需要很少的附加电路成本就符合标准。
由于存储在AC充电器的LV电容器中的能量被限制，并且最大电压值＜60V，因此对于使用者改进了安全性。此外，根据本发明的AC充电器的设计防止了保护开关由于流经使用者的故障电流而被触发，因为在故障情况下，电流立即流经保护线路。这意味着提高的安全性并且避免在故障情况下对于使用者来说无法接受的或不舒适的情况。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图得出。
显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述的和下面还将说明的特征不仅可以以分别说明的组合、而且也可以以其它组合或单独地使用。
附图说明
根据附图中的实施方式示意性地示出并且参考附图进一步描述本发明。图中示出：
图1示出根据本发明的AC充电器的第一实施方式；
图2示出根据本发明的AC充电器的第二实施方式；
图3示出根据本发明的AC充电器的第三实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的AC充电器10的一个实施方式。虚线示出的区域象征AC充电器的壳体，该壳体与保护导体PE连接。在交流电压源、例如AC电网与AC充电器10之间的连接通过保护开关(B型RCD)11实现。在AC充电器内部设有不同的组件12、13、14、15，这些组件各自承担不同的任务。具有电源滤波器的AC侧12、整流器/电力电子设备13和HV-DC电网14等组件彼此串联地导电连接并且形成AC充电器10的高压部分15(HV部分)。低压电网16的组件形成AC充电器10的低压部分(LV部分)，并且包括例如12V车载电网、CAN总线等。组件12、13和14具有接地连接GC，也就是说处于相同的电位上。低压电网15的组件具有与保护导体PE的接地连接GC。高压部分的组件12、13、14通过基本绝缘层B相对于保护导体PE并相对于组件16绝缘。也就是说不需要加强的绝缘层或双重的绝缘层。
为了在高压部分15相对于低压部分16的绝缘故障的情况下不产生危险，AC充电器10具有在组件16与保护导体PE之间的过电压保护器17。通过LV引脚在低压电网16内部与肖特基二极管18的线路布置，在过电压的情况下按规定将阻抗降低到下述程度，使得在故障情况下产生足够大的漏电流，该漏电流使得触发保护开关11。此外，电压被限制为＜60V。因此，在故障情况下，电压低于接触保护低电压。这也符合标准。
图2示出根据本发明的AC充电器10的第二实施方式。故障电压监控器19在每个LV信号处探测过电压，该LV信号通过LV插头被引入高压部分15(HV部分)中或离开HV部分15(例如K1.30、K1.15、CAN、FlexRay等)。如果在此探测到高于规定的阈值的电压，则将这种情况报告给保护开关11，该保护开关随后进行干预并且将***置于安全状态中。
图3示出根据本发明的AC充电器10的第三实施方式。在该实施方式中，使用多个措施的组合，以便主要在故障安全性和触发动态方面改进安全性。除了所规定的漏阻抗18(例如齐纳二极管、肖特基二极管、抑制二极管等)之外，还设有分流器20。通过借助于分流器20进行的电流测量可以确定漏电流并且将其用作探测阈值。此外，可以探测在LV信号与保护导体PE之间的电压。如果在电压监控21或者电流监控22时出现超过阈值的情况，那么将这种情况传输到保护开关11。然后，这通过切断而引起安全状态。此外，该漏阻抗18提供附加的保护措施，这是因为在绝缘故障的情况下通过漏电流可以将电压保持得较低。
附图标记列表：
10AC充电器
11交直流敏感的保护开关(B型RCD)
12具有电源滤波器的AC侧
13整流器/电力电子设备
14HV-DC电网
15AC充电器10的高压部分(HV部分)
16低压电网(12V车载电网、CAN等)
17过电压保护器
18漏阻抗(齐纳二极管、肖特基二极管或抑制二极管)
19故障电压监控器
20分流器
21过电压探测器
22过电流探测器
PE保护导体
B基本绝缘层
GC接地连接

Claims (6)

1.一种用于电动车辆、燃料电池车辆或混合动力车辆的HV能量存储器的无电隔离的AC充电器(10)，
其特征在于，
AC充电器(10)的高压部分(15)的所有组件(12、13、14)仅通过基本绝缘层B相对于AC充电器(10)的低压电网(16)和保护导体PE绝缘，在低压电网(16)与保护导体PE之间设有过电压保护器(17)，在AC充电器(10)的交流电输入端上设有交直流敏感的故障电流-保护装置(11)，AC充电器(10)能通过所述故障电流-保护装置与交流电源连接，
其中，过电压保护器(17)包括漏阻抗(18)，
其中，在漏阻抗(18)与保护导体PE之间布置有用于测量漏电流的分流器(20)，
其中，AC充电器(10)还包括用于监控在LV信号与保护导体PE之间的电压的器件(21)和用于监控经过分流器(20)的漏电流的器件(22)，
其中，所述用于监控在LV信号与保护导体PE之间的电压的器件(21)和所述用于监控经过分流器(20)的漏电流的器件(22)被设计为用于，当超过在LV信号与保护导体PE之间的电压的预设阈值或者超过漏电流的预设阈值时，触发交直流敏感的故障电流-保护装置(11)。
2.根据权利要求1所述的AC充电器(10)，其中，漏阻抗(18)将过电压限制为小于60V的值。
3.根据权利要求2所述的AC充电器(10)，其中，漏阻抗(18)是肖特基二极管。
4.根据权利要求2所述的AC充电器(10)，其中，漏阻抗(18)是抑制二极管。
5.根据权利要求2所述的AC充电器(10)，其中，漏阻抗(18)是齐纳二极管。
6.根据权利要求1所述的AC充电器(10)，其中，过电压保护器(17)包括故障电压监控器(19)，该故障电压监控器被设计为用于，在每个LV信号处，该LV信号通过LV插头被引入AC充电器(10)的高压部分(15)中或离开所述高压部分，检测过电压，并且当过电压超过预设阈值时，触发交直流敏感的故障电流-保护装置(11)。
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