特許7317237電気直流回路網用の保護装置、車両用の車載電気システム、車両、および直流充電ステーション
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-20
(45)【発行日】2023-07-28
(54)【発明の名称】電気直流回路網用の保護装置、車両用の車載電気システム、車両、および直流充電ステーション
(51)【国際特許分類】
H02H 3/20 20060101AFI20230721BHJP
B60L 3/04 20060101ALI20230721BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20230721BHJP
H02H 9/04 20060101ALI20230721BHJP
B60L 50/60 20190101ALN20230721BHJP
B60L 53/14 20190101ALN20230721BHJP
B60L 58/10 20190101ALN20230721BHJP
【ＦＩ】
H02H3/20
B60L3/04 D
H02J7/00 P
H02H9/04 B
B60L50/60
B60L53/14
B60L58/10
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022536665
(86)(22)【出願日】2020-12-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-17
(86)【国際出願番号】 EP2020085318
(87)【国際公開番号】W WO2021122234
(87)【国際公開日】2021-06-24
【審査請求日】2022-06-16
(31)【優先権主張番号】102019008833.6
(32)【優先日】2019-12-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】598051819
【氏名又は名称】メルセデス・ベンツ グループ アクチェンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓ－Ｂｅｎｚ Ｇｒｏｕｐ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １２０，７０３７２ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100090583
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 清
(74)【代理人】
【識別番号】100098110
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 みどり
(72)【発明者】
【氏名】ウルス・ベーメ
【審査官】右田 勝則
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１４６６９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０２１９９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許発明第１０２０１８１１６０５５（ＤＥ，Ｂ３）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３１４０９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０７６１９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０８－２２６９５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１３７７６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－０１９６０３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｈ ３／２０
Ｂ６０Ｌ ３／０４
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｈ０２Ｈ ９／０４
Ｂ６０Ｌ ５０／６０
Ｂ６０Ｌ ５３／１４
Ｂ６０Ｌ ５８／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気直流回路網（１）用の、特に高電圧回路網用の、保護装置（８）であって、正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と基準電位線（ＭＬ）との間の電圧を測定するための前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間の第一電圧測定装置（ＳＶ１）、および負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間の電圧を測定するための前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間の第二電圧測定装置（ＳＶ２）、
または
前記基準電位線（ＭＬ）における残留電流測定装置（１０）、
によって特徴づけられるものであり、
および、保護回路（９）によって特徴づけられるものであり、前記保護回路は、
前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に放電抵抗器（Ｒｅ）と第一回路ブレーカー（ＳＳ１）の電気的直列回路を備え、および、前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に放電抵抗器（Ｒｅ）と第二回路ブレーカー（ＳＳ２）の電気的直列回路を備え、または
２つの保護回路部（９．１、９．２）であって、第一保護回路部（９．１）が前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に第一放電抵抗器（Ｒｅ１）と第一回路ブレーカー（ＳＳ１）の電気的直列回路を備え、および第二保護回路部（９．２）が前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に第二放電抵抗器（Ｒｅ２）と第二回路ブレーカー（ＳＳ２）の電気的直列回路を備えるものであり、
および、その中で、
前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）は、指定された電圧値を電圧が下回ったことを前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）が確認した場合に、閉じるように作動可能であり、および／または指定された電圧値を電圧が超えたことを前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）が確認した場合に、閉じるように作動可能であり、
および
前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）は、指定された電圧値を電圧が下回ったことを前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）が確認した場合に、閉じるように作動可能であり、および／または指定された電圧値を電圧が超えたことを前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）が確認した場合に、閉じるように作動可能であり、
または
前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）および／または前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）は、前記残留電流測定装置（１０）によって残留電流が測定された場合に、閉じるように作動可能である、前記保護装置（８）。
【請求項2】
保護コンデンサー（Ｃｓ，Ｃｓ１，Ｃｓ２）が、前記放電抵抗器（Ｒｅ，Ｒｅ１，Ｒｅ２）と電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の保護装置（８）。
【請求項3】
前記保護コンデンサー（Ｃｓ，Ｃｓ１，Ｃｓ２）と保護抵抗器（Ｒｓ，Ｒｓ１，Ｒｓ２）から構成される電気的直列回路が、前記放電抵抗器（Ｒｅ，Ｒｅ１，Ｒｅ２）と電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の保護装置（８）。
【請求項4】
前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）と前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）とに結合された第一電圧評価装置が、前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）を作動させるために提供され、および、前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）と前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）とに結合された第二電圧評価装置が、第二電圧測定装置（ＳＶ２）によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）を作動させるために提供され、または前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）と前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）とに結合された前記第一電圧評価装置が、前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が超えた場合に前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）を作動させるために提供され、および、前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）と前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）とに結合された前記第二電圧評価装置が、前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が超えた場合に前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）を作動させるために提供され、または
前記残留電流測定装置（１０）と前記回路ブレーカー（ＳＳ１、ＳＳ２）とに結合された電流評価装置（１１）が、測定残留電流の評価のため、および測定残留電流に基づいて前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）および／または前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）を作動させるために提供され、または
前記電圧測定装置（ＳＶ１、ＳＶ２）と前記回路ブレーカー（ＳＳ１、ＳＳ２）とに結合された共通の電圧評価装置（１２）が、前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）によって確認された電圧と前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）によって確認された電圧とを評価するために提供され、および前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）または前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に前記第一回路ブレーカー（ＳＳ１）を作動させるために、および前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）または前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に前記第二回路ブレーカー（ＳＳ２）を作動させるために提供される、
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の保護装置（８）。
【請求項5】
前記共通の電圧評価装置（１２）が、第三電圧測定装置（ＳＶ３）と第四電圧測定装置（ＳＶ４）とに結合され、前記第三電圧測定装置（ＳＶ３）は前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間の電圧を測定するために前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に配置され、前記第四電圧測定装置（ＳＶ４）は前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間の電圧を測定するために前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）と前記基準電位線（ＭＬ）との間に配置され、第一切り替え装置が、前記第一電圧測定装置（ＳＶ１）への接続ポイントと前記第三電圧測定装置（ＳＶ３）への接続ポイントとの間の前記正電位線（ＨＶ＋Ｌ）に配置され、第二切り替え装置が、前記第二電圧測定装置（ＳＶ２）への接続ポイントと前記第四電圧測定装置（ＳＶ４）への接続ポイントとの間の前記負電位線（ＨＶ－Ｌ）に配置される、ことを特徴とする、請求項４に記載の保護装置（８）。
【請求項6】
それぞれの前記回路ブレーカー（ＳＳ１、ＳＳ２）が、半導体スイッチとして設計されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の保護装置（８）。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか１項に記載の保護装置（８）を備えた車載電気システム（３）、特に車両（２）用の高電圧車載電気システム（３）。
【請求項8】
請求項７に記載の車載電気システム（３）を備えた車両（２）、特に電気自動車またはハイブリッド車。
【請求項9】
請求項１から６のいずれか１項に記載の保護装置（８）を備えた直流充電ステーション（５）、特に高電圧直流充電ステーション。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、請求項１の前段の構成に従った電気直流回路網用の保護装置、車両用の車載電気システム、車両、および直流充電ステーションに関するものである。
【0002】
特許文献１に記載されているように、車載電気システムを操作する方法が先行技術から知られている。第一直流電圧が適用される第一車載電気システムの操作方法、および第二直流電圧が適用される第二車載電気システムの操作方法において、第一および第二の車載電気システムは、第一測定エネルギーコンバーターを有するエネルギーカプラーによって電気的に結合されている。第一および第二直流電圧は、電気絶縁装置によって電気基準電位から絶縁されている。電気絶縁装置は監視されている。第一および第二の車載電気システムは、エネルギーカプラーによって電気的に結合されている。２つの車載電気システムの一方の領域で絶縁装置に不良が発生した場合、基準電位からの電位の電位差が規定の比較値より小さくなるように、エネルギーカプラーは２つの車載電気システムの他方の電位を制御する。
【0003】
特許文献２は、車載電気システムを電気的に結合するエネルギーカプラー、および車載電気システムを電気的に結合する方法を記載している。適用される第一電気直流電圧を有する第一車載電気システムを、適用される第二電気直流電圧を有する第二車載電気システムに電気的に結合するためのエネルギーカプラーは、第一測定エネルギーコンバーターと第二測定エネルギーコンバーターを有する。第一および第二測定エネルギーコンバーターは、それぞれ車載電気システム接続および中間回路接続を有する。第一測定エネルギーコンバーターの車載電気システム接続は、第一車載電気システムに接続されており、第二測定エネルギーコンバーターの車載電気システム接続は、第二車載電気システムに接続されている。第一および第二測定エネルギーコンバーターの中間回路接続は、共通の直流電圧中間回路に接続されている。直流電圧中間回路の第一電位は、第一測定エネルギーコンバーターによって第一車載電気システムの電位のひとつに電気的に接続されており、直流電圧中間回路の第二電位は、第二測定エネルギーコンバーターによって第二車載電気システムの電位のひとつに電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】ＤＥ １０ ２０１７ ００９ ３５５ Ａ１
【文献】ＤＥ １０ ２０１７ ００９ ３５２ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の課題は、先行技術と比較して改良された電気直流回路網用の保護装置、先行技術と比較して改良された車両用の車載電気システム、そのような車載電気システムを有する車両、および先行技術と比較して改良された直流充電ステーションを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この課題は、請求項１の特徴を有する電気直流回路網用の保護装置、請求項７の特徴を有する車両用の車載電気システム、請求項８の特徴を有する車両、および請求項９の特徴を有する直流充電ステーションにより、本発明に従って解決される。
【0007】
本発明の有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【0008】
本発明による電気直流回路網用の、特に高電圧回路網用の、例えば車両の車載電気システム用の、保護装置は、正電位線と基準電位線との間の電圧を測定するための正電位線と基準電位線との間に第一電圧測定装置を備え、および負電位線と基準電位線との間の電圧を測定するために負電位線と基準電位線との間に第二電圧測定装置を備える。基準電位は、特に電気接地電位であり、特に車両において保護装置が使用される場合には車台電位であり、例えば、保護装置が直流充電ステーションで使用される場合には接地電位である。
【0009】
保護装置はまた、保護回路を備える。保護回路は、例えば正電位線と基準電位線との間の放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列回路、および、負電位線と基準電位線との間の放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列回路を備える。代わりに、保護回路は、２つの保護回路部であって、第一保護回路部が正電位線と基準電位線との間に第一放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列接続回路を備え、および第二保護回路部が負電位線と基準電位線との間に第二放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列接続回路を備える。
【0010】
保護装置の保護回路の両方の変形において、第一回路ブレーカーは、指定された電圧値を電圧が下回ったことを第一電圧測定装置が確認した場合に、閉じるよう作動可能であり、第二回路ブレーカーは、指定された電圧値を電圧が下回ったことを第二の電圧測定装置が確認した場合に、閉じるように作動可能である。
【0011】
別の方法として、第一回路ブレーカーは、指定された電圧値を電圧が超えたことを第二電圧測定装置が確認した場合に、閉じるように作動可能であり、第二回路ブレーカーは、指定された電圧値を電圧が超えたことを第一電圧測定装置が確認した場合に、閉じるように作動可能である。
【0012】
２つの電圧測定装置の代わりに、残留電流測定装置を基準電位線に提供することができる。そして、保護回路の両方の変形において、第一回路ブレーカーおよび／または第二回路ブレーカーは、残留電流測定装置によって残留電流が測定された場合に、閉じるように作動可能である。
【0013】
車両用の、特に電気自動車またはハイブリッド車用の、本発明による車載電気システム、特に高電圧車載電気システムは、そのような保護装置を備える。
【0014】
本発明による車両、特に電気自動車またはハイブリッド車は、そのような保護装置を備え、特に車載電気システム、特に高電圧車載電気システムは、そのような保護装置を備える。
【0015】
車両、特に電気自動車またはハイブリッド車、特にその種の車両の高電圧バッテリーを電気充電するための、本発明による直流充電ステーション、特に車外にある直流充電ステーション、特に高電圧直流充電ステーションは、そのような保護装置を備える。
【0016】
「高電圧」という用語は特に６０Ｖ以上の電気直流電圧を意味することと理解するべきである。特に、「高電圧」という用語はＥＣＥ Ｒ １００基準を順守していると解釈すべきである。
【0017】
本発明による解決策は、車両、特に電気自動車およびハイブリッド車における、および直流充電ステーションにおける、Ｙコンデンサーに関する課題を解決するものである。その種のＹコンデンサーはＥＭＣ（ＥＭＣ＝電磁両立性）干渉の放出を削減するための方策として使用されている。但し、高電圧の安全性の理由から潜在的な危険性が増す恐れがある。例えば、ＳＡＥ Ｊ１７７２，ＩＥＣ６０４７９－１および２基準はＹコンデンサーにおいて含まれた充電量を健康への危険性（Ｃ１特性）として言及している。車両の作動電圧が高まるにつれ、これらの基準の必要とされている制限値内に遵守することが非常に困難になってくる。場合によっては、強化された特に二重の電気絶縁等は安全条件を遵守しようとする他の方法も許されていない。更なる基準ＬＶ１２３および関連する基準では、例えば、全てのＹコンデンサーの充電量のために、０．２Ｊの最大エネルギー量を定めている。別の方法による抜け道が可能であれば、例えば、既に前記した強化された二重の電気絶縁を使用することができる。但し、これは一緒に結合された全ての高電圧システムが絶縁によって強化されている場合のみ実施可能である。これはつまり、例えば、直流充電の場合、車両と直流充電ステーションの両方が、特に充電極において、それぞれ絶縁が強化されていなくてはならない。但し、これに対する強制的な基準がないため、安全条件には遵守しないが、異なる絶縁設計によるシステムを結合することが可能となる。
【0018】
この問題は、特に接地電位が基準電位に関して高電圧電位の移動を検出するため、基準電位に関しては高電圧電位毎の電圧測定が人体電流の結果、つまり、特に人間の体が高電圧電位のひとつと基準電位との接触の結果となるため、説明されている本発明によって解決される。影響を受けている高電圧電位においてなるべく迅速に電圧を落とすためには、基準電圧に対する電圧が減らされ、放電抵抗器が付け加えられ、充電されていない保護コンデンサーが電気的に並列に追加されることが好ましい。基準電位への影響を受けた高電圧電位との間の電圧は従ってより低いレベルに下がり、電圧の割に人体電流を減らす。本発明による解決策は従って特に人体におけるＹコンデンサーによって発生する電気ショックを減らすことを可能にしてくれる。従って前記されている必要条件を遵守することも可能となる。同様に、人体抵抗によって変換されたＹコンデンサーの電気エネルギーを０．２Ｊ以下に制限することが可能であるが、Ｙコンデンサーに貯蔵されているエネルギーはより高くなる場合がある。
【0019】
上述のように、保護コンデンサーは放電抵抗器と電気的に並列接続されることが好ましい。放電抵抗器単体は人体の電流を迅速に減らすために非常に低い抵抗を有していなくてはならない。但し、不利な点として、これが低抵抗絶縁不良を発生させることである。従って、放電抵抗器と保護コンデンサーが電気的に並列接続される組み合わせの方がより好ましい。放電抵抗器は、既に電気的に並列接続されている保護コンデンサーが接続時に電圧がゼロであることを保証してくれる。スイッチを入れた後、影響のある高電圧電位のＹコンデンサーの迅速な放電を保証してくれる。
【0020】
従って、保護回路は、例えば、正電位線と基準電位線との間の放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列回路、および、負電位線と基準電位線との間の放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、保護コンデンサーが放電抵抗器と電気的に並列接続されている。代わりに、保護回路は２つの保護回路部を備え、第一保護回路部は正電位線と基準電位線との間に第一放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、第一保護コンデンサーは第一放電抵抗器と電気的に並列接続されており、および第二保護回路部は負電位線と基準電位線との間に第二放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、第二保護コンデンサーは第二放電抵抗器と電気的に並列接続されている。
【0021】
例えば、保護コンデンサーが放電抵抗器と電気的に並列接続されているだけではなく、保護コンデンサーと保護抵抗器から成る電気的直列回路が電気的に並列接続されている。保護抵抗器は、保護コンデンサーを介して電流を制限するために有利に使用される。
【0022】
従って、保護回路は、例えば、正電位線と基準電位線との間の放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列回路、および負電位線と標準電位線との間の放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、保護コンデンサーと保護抵抗器から成る電気的直列回路が、放電抵抗器に電気的に並列接続されている。代わりに、保護回路は２つの保護回路部を備え、第一保護回路部は、正電位線と基準電位線との間に第一放電抵抗器と第一回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、第一保護コンデンサーと第一保護抵抗器の電気的直列回路が第一放電抵抗器に電気的に並列接続されており、第二保護回路部は、負電位線と基準電位線との間に第二放電抵抗器と第二回路ブレーカーの電気的直列回路を備え、第二保護コンデンサーと第二保護抵抗器の電気的直列回路が第二放電抵抗器に電気的に並列接続されている。
【0023】
例えば、第一電圧測定装置と第一回路ブレーカーとに結合された第一電圧評価装置は、第一電圧測定装置によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に第一回路ブレーカーを作動させるために提供され、および、第二電圧測定装置と第二回路ブレーカーとに結合された第二電圧評価装置は、第二電圧測定装置によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に第二回路ブレーカーを作動させるために提供されている。
【0024】
代わりに、例えば、電圧測定装置と回路ブレーカーとに結合された共通の電圧評価装置が、第一電圧測定装置によって確認された電圧と第二電圧測定装置によって確認された電圧とを評価するために提供され、および第一電圧測定装置によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に第一回路ブレーカーを作動させ、および第二電圧測定装置によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に第二回路ブレーカーを作動させるために提供される。
【0025】
残留電流測定装置を使用する場合、例えば、残留電流測定装置と回路ブレーカーとに結合された電流評価装置が、測定残留電流の評価のため、および測定残留電流に基づいて第一回路ブレーカーおよび／または第二回路ブレーカーを作動させるために提供される。
【0026】
可能な実施形態の一つとして、共通の電圧評価装置が、第三電圧測定装置と第四電圧測定装置とに結合され、第三電圧測定装置は正電位線と基準電位線との間の電圧を測定するために正電位線と基準電位線との間に配置され、第四電圧測定装置は負電位線と基準電位線との間の電圧を測定するために負電位線と基準電位線との間に配置され、第一切り替え装置は第一電圧測定装置への接続ポイントと第三電圧測定装置への接続ポイントとの間の正電位線の中に配置され、第二切り替え装置は第二電圧測定装置への接続ポイントと第四電圧測定装置への接続ポイントとの間の負電位線に配置される。この実施形態は。特に電気自動車またはハイブリッド車の高電圧車載電気システムに好ましく、第一および第二切り替え装置が高電圧車載電気システムの充電接触器となり、それは直流充電ステーションへの接続後直流充電のために閉じられる。この解決策は切り替え装置以前より決めることが可能、つまり、充電接触器が閉じられており、保護回路が例えば、充電ケーブルにおける絶縁不良の際における法的制限に遵守できることに関係なく、Ｙコンデンサーの静電容量が直流充電ステーションと車両の並列接続の結果として増加する。
【0027】
それぞれの回路ブレーカーは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはサイリスタなどの半導体スイッチとして設計される。
【0028】
本発明の実施形態の例は図面と関連して、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】保護装置を有する直流回路網の一実施形態を模式的に示す図である。
【図3】代替的な保護装置を模式的に示す図である。
【図4】保護装置を有する直流回路網の別の実施形態を模式的に示す図である。
【図5】保護装置を有する直流回路網の別の実施形態を模式的に示す図である。
【図6】シミュレーションの模式的シミュレーション結果を示す図である。
【図7】シミュレーションの模式的シミュレーション結果を示す図である。
【図8】シミュレーションの模式的シミュレーション結果を示す図である。
【図9】部品最適化保護回路を模式的に示す図である。
【図10】保護装置を模式的に示す図である。
【図11】保護回路の動作モードを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
互いに対応する部分は、全ての図において同じ参照符号がつけられている。
【0031】
電気直流回路網１用の、特に高電圧回路網用の保護装置８が、以下の図１から図１３を参照して説明される。示された例において、高電圧回路網は、車両２の、特に電気自動車またはハイブリッド車の高電圧車載電気システム３であり、そこでは保護装置８が好適に使用される。しかしながら、保護装置８は、車両２およびその他車両、特に電気自動車およびハイブリッド車が車両２の高電圧バッテリー６を電気的に充電するために接続可能な、直流充電ステーション５においても代替的または追加的に使用可能である。そして直流回路網１は、車両２の接続された状態で、車両２の車載回路網３、特に高電圧車載回路網３、および直流充電ステーション５を備える。この直流充電ステーション５で電気的に充電される車両２の高電圧バッテリー６は、車両２の運転のための少なくとも１つの電気駆動装置のために、特に電気エネルギーを提供するために使用される。
【0032】
車両２と直流充電ステーション５の両方において、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－が、ＥＭＣ（ＥＭＣ＝電磁両立性）干渉の放出を減らす対策として使用されている。特に、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－は、ほとんどの場合、例えばコモンモードまたは差動モードスロットルなどの誘導性干渉抑圧フィルターに比べ、より効率的でよりコンパクトなＥＭＣフィルター対策である。従って、ＥＭＣの観点から、大きな静電容量値を有するＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－を使用することが有利である。
【0033】
しかしながら、電動車両２、換言すれば、例えば、電気自動車またはハイブリッド車の欠点は、車両ユーザーが高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－に接触可能とされ、同時に接地電位に接続される場合、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－のエネルギー容量が彼らにとって重要であることである。その時には、彼らは電気ショックを受ける。この電気ショックの度合いにより、健康リスクがあり得る。例えば、心室細動または死に至ることがある。このような電気ショックは、通常「単一故障」と呼ばれるものを構成し、避けるべきである。従って、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－のエネルギー容量は、車両ユーザーへの危険を排除するために、基準によって制限されている。
【0034】
従って、高電圧の安全性の観点から、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の小さい静電容量値が有利である。基準が、例えばＬＶ１２３で規定されている下では、最大エネルギー容量、特に０．２Ｊは、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－において超えてはならず、または、例えばより大きな絶縁とするなど、「代替手段」が取られるべきである。但し、この必然的な結果は、２つの高電圧システム、例えば車両２と直流充電ステーション５を結合するとき、より大きな絶縁が「代替手段」として選択される場合、関係する両方の部分が同時に常にこのより大きな絶縁を有していなければならないことである。しかしながら、これは現在保証できない。
【0035】
他の基準、例えばＳＡＥ Ｊ１７７２、ＩＥＣ６０４７９－１およびＩＥＣ６０４７９－２の下では、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－のエネルギー容量は、健康リスクとしておよび超えてはならない変数として言及されておらず、代わりに充電量が、規定値を超えてはならない有害なメカニズムとして言及されている。例えば、人体の電流ＩＲＫの期間と人体の電流ＩＲＫ値との関係を示すグラフがまた提供される。例えばより大きな絶縁などの別の方法は、ここでは認められていない。
【0036】
図１は、車両２の直流充電プロセスにおける高電圧回路網として構成された電気直流回路網１の一実施形態の回路構成を示す。従って、直流回路網１は、充電ケーブル４によって接続される車両２の高電圧車載電気システム３および直流充電ステーション５を備える。示された実施例において、充電ケーブル４は、既に車両２の直流充電接続部の接続接点ＡＫ＋、ＡＫ－に接続されており、高電圧電位線ＨＶ＋Ｌ、ＨＶ－Ｌにおける車両２の充電接触器ＬＳ＋、ＬＳ－はまだ開いている。
【0037】
左側には、充電ステーション電圧源８、充電ステーション内部抵抗ＲＬＳ、およびＹコンデンサーＣｙＬ＋、ＣｙＬ－を有する直流充電ステーション５がある。
【0038】
次にこれらの右側に充電ケーブル４が示されている。
【0039】
次にその右側に、高電圧電気システム３を有する車両２が示されており、それは充電接触器ＬＳ＋、ＬＳ－、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、例えばＥＭＣフィルター、ＸコンデンサーＣｘ、例えば直流中間回路、および主接触器ＨＳ＋、ＨＳ－を有する高電圧バッテリー６を備える。高電圧バッテリー６はバッテリー電源７として示されており、それは例えば、バッテリー内部抵抗ＲＢａｔｔを有する、電気的に直列および／または並列に接続された複数の個別セルを備える。
【0040】
また、この回路図では、人体ＭＫが、人体抵抗ＲＫおよび絶縁不良ＩＦのためのスイッチ符号で示されており、例えば欠陥のある充電ケーブル４の場合、ここでは例えば正電位ＨＶ＋に不良がある。絶縁不良ＩＦは同様に、負電位ＨＶ－でも発生することがある。これはここには示されていない。絶縁不良ＩＦが発生すると、スイッチ符号が閉じられる。この種の絶縁不良ＩＦの場合で、人体ＭＫが高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－の一方と基準電位Ｍとの間で接触した場合、人体ＭＫを通して放電が発生する。
【0041】
人体ＭＫを通しての放電を避ける、または少なくとも許容レベルまでそれを減らすために、特に、健康リスクの見地から、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－により電気ショックを減らすために、保護回路９を有する保護装置８が提供される。示されている例では、保護装置８は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位Ｍとの間の電圧を測定するために、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬ（つまり正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍ、特に接地電位、特に車両外殻）との間に第一電圧測定装置ＳＶ１を備え、および、負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬ（つまり負電位ＨＶ－と基準電位Ｍ、特に接地電位、特に車両外殻）との間に第二電圧測定装置ＳＶ２を備える。
【0042】
代わりに、示されていない実施形態では、第一電圧測定装置はＨＶ電位（ＨＶ－またはＨＶ＋）と基準電位Ｍとの間に配置されることができ、そして各第二電圧測定装置は２つのＨＶ電位（ＨＶ－およびＨＶ＋）の間に配置されることができる。
【0043】
電圧測定、特に電圧測定装置ＳＶ１、ＳＶ２は、規定電圧を下回った場合に、関連する回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２を制御する。回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２はそれぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチとして構成されている。その結果、放電回路網は、正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍ、特に外殻との間に接続され、または、放電回路網は、負電位ＨＶ－と基準電位Ｍ、特に外殻との間に接続される。示されている例の中で、これらの放電回路網は、保護回路９の保護回路部９．１、９．２である。
【0044】
それぞれの放電回路網、換言すればそれぞれの保護回路部９．１、９．２は、以下に保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２と呼ばれる充電されていないコンデンサー、および、以下に放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２と呼ばれる電気的に並列接続された抵抗器から構成される。更に、保護抵抗器Ｒｓ、Ｒｓ１、Ｒｓ２が提供され、それは保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２に電気的に直列接続されている。また例えば、放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２のみを提供することができるが、これは人体の電流ＩＲＫを迅速に減らすために、非常に低い抵抗でなくてはならない。しかしながら、この欠点は、低抵抗絶縁不良を発生させることである。その結果、保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２と放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２との組み合わせのみが、以下で考慮される。
【0045】
各Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２は、電気的に並列接続された保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２が接続時に無電圧であることを保証する。スイッチを入れた後、それは影響を受ける高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－のＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の迅速な充電を保証する。図１に従って示す例では、車両２内に保護回路９を備えた保護装置８が配置されている。しかしながら、直流充電ステーション５内に同じ機能を配置することも可能である。
【0046】
図２は、保護装置８、特に保護回路９、特に各保護回路部９．１と９．２の操作モードを示す。不良検出は、基準電位Ｍに関し電圧測定を介して行われる。
【0047】
直流充電プロセスの間、高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－は基準電位Ｍに関し対称的に配分される必要はないが、基準電位Ｍに関し高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－の絶縁値は、例えば１００オーム／ボルト以上を少なくとも保証されなくてはならない。高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－の人体との接触は絶縁抵抗を減少させ、結果的に、基準電位Ｍに関し高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－のシフトをもたらす。
【0048】
車両２または直流充電ステーション５における絶縁モニターは定期的に絶縁抵抗をチェックするが、絶縁不良ＩＦの検出までに経過する時間の長さが、車両２では最大３０秒であり、または直流充電ステーション５では最大２分であって、それは長すぎて、絶縁が消失している場合、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＦ＋、ＣｙＦ－内に蓄積されたエネルギーから人へのショックに対する保護を形成することができない。
【0049】
Ｃｙショックを減らすための保護回路９を有する保護装置８の操作モードは、例えば、基準ＳＡＥ Ｊ１７７２、ＩＥＣ６０４７９－１およびＩＥＣ６０４７９－２にて記載されている危険な電位に関する制限値に焦点を当てる。図で示されている人体ＭＫの中を流れる電荷量は、ここでは有害メカニズムとして述べられている。従って、その目的は、電荷の流れを最小限にするため、人体電流ＩＲＫを検出および減らすことである。機械的な充電接触器ＬＳ＋、ＬＳ－および／または主接触器ＨＳ＋、ＨＳ－を単に作動させるだけでは遅すぎる。
【0050】
上述の保護回路９では、絶縁値の低下が電圧測定によって迅速に検出され、その結果、放電された保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２が、例えばハードウェア回路を介して、人体抵抗ＲＫまたはＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－に関係する高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－に直ちに並列接続される。従って電圧は、高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－および基準電位Ｍにわたって急激に減少する。人体ＭＫを介して流れる電流は、電圧の減少に比例して低下する。
【0051】
放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２には２つの機能がある。一方は、保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２が接続される前にそれが完全に放電されていることを保証することである。他方は、その接続後に、この高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－と基準電位Ｍとの間の既に減少された電圧の減少を加速させることであり、その結果、人体ＭＫを通る電流もまた、更に下落する電圧と共に減少する。別の高電圧電位ＨＶ－、ＨＶ＋は、基準電位Ｍに関し同じ範囲内で電圧を上げるが、人体ＭＫによって触れられないため、危険性はない。更なるステップにおいて、高電圧バッテリー６の主接触器ＨＳ＋、ＨＳ－が有利に開かれ、直流充電ステーション５内の接触器および／または充電接触器ＬＳ＋、ＬＳが開かれ、そして最終ステップとして、車両２のＸコンデンサーＣｘおよびＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－がアクティブ放電される。
【0052】
図３は、残留電流測定装置１０による残留電流測定を介した代替の故障検出を示す。基準電位Ｍに関するそれぞれの高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶの電圧測定を介した故障検出の代わりに、残留電流検出を使用することも可能である。このために、保護装置８は、基準電位線ＭＬに残留電流測定装置１０を備える。第一回路ブレーカーＳＳ１および／または第二回路ブレーカーＳＳ２は、残留電流測定装置１０によって残留電流が測定された場合、閉じるように作動可能であり、したがって、そのような場合には、それに応じて制御され、閉じられる。残留電流測定装置１０と回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２に接続される電流評価装置１１は、測定された残留電流を評価するために、および測定された残留電流に基づいて第一回路ブレーカーＳＳ１および／または第二回路ブレーカーＳＳ２を作動させるために、ここで提供されることが好ましい。
【0053】
但し、この方法は、比較的高い直流充電電流が非常に低い残留電流のために分析されなくてはならないため、非常に困難である。更に、直流充電ステーション５の出力電流には、リップル電流、つまり交流成分を含んでいるため、残留電流においてコモンモード干渉と差動モード干渉との間の区別をしなければならない。
【0054】
電圧測定を介した不良検出は従って実行も簡単で好ましい。以下では、電圧測定による不良検出が更に説明される。
【0055】
保護回路９を有する保護装置８は、特定の規格、例えばＩＥＣ６０４７９－１規格に準拠可能である。直流充電電圧が高ければ高いほど、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－に印加される電圧は高くなる。これはまた、仮定の人体抵抗ＲＫに対して、接触開始におけるＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の電圧に比例してより大きな電流という結果となる。人体を通る電流は、抵抗器を介したコンデンサー放電の進行と共に、特に指数関数の形で減少する。接触開始時の電流は、電圧と抵抗の商から計算される。最大充電電圧が９２０Ｖと仮定し、基準電位Ｍ（各Ｙコンデンサーで４６０Ｖ）に対して対称的であると仮定される高電圧電位分布を用いると、４６０Ｖ／１２００オーム＝３８３ｍＡの接触電流の初期値が得られる。この電流の初期値から始めて、この電流を６の平方根で除算することによって正弦波交流電流へ変換することができる。これはＳＡＥ Ｊ１７７２規格におけるいわゆるＣ１特性曲線におけるＸ軸上の値に相当する。この電流の持続時間は、コンデンサー放電の時定数ｔ＝ＲｘＣを計算することによって求めることができる。対応する期間（Ｙ軸）は、３ｘｔに相当する。例えば、約１００ミリ秒この状態が許容される。５ｍＡ未満の残留人体電流ＩＲＫが、目標として選ばれて、つまり、残留電圧は６Ｖ未満でなければならない。
【0056】
ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の電圧が高ければ高いほど、例えば、基準電位Ｍに対して非対称の高電圧電位分布を持つほど、最大滞留時間はより短くなる。５００ｍＡ以上の電流は、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－で最大電圧が６００Ｖとなるため、許可されない。さらに、充電プロセスを中止しなければならない。
【0057】
保護回路９を有する保護装置８によって、必要な最大電流持続時間を維持可能かどうか計算することができる。この条件が満たされない場合、更なる欠陥が身体に危険を及ぼすため、充電プロセスを直ちに中止しなければならない。この計算の入力変数は、両方の高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－のＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－での電圧測定値、回路の反応速度の知識、および最大許容電流滞留時間の値表である。
【0058】
図４は、安全または安全でない動作状態の判定を示している。回路が２つの追加の電圧測定装置ＳＶ３、ＳＶ４によって拡張されている。従って、充電接触器ＬＳ＋、ＬＳの接続前で、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の静電容量が、直流充電ステーション５と車両２の並列接続の結果として必然的に増加する前でも、例えば充電ケーブル４における絶縁不良の場合に、保護回路９が法定制限値に順守できるか否かを判定することができる。理想的には、車両２のいわゆる接触器接続検出は、４つ全ての電圧測定に使用される。但し、電圧評価時に保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２をオンにするまでの最大遅延時間を超えないことが条件である。従って、これはハードウェア側で有利に行われ、マイクロプロセッサーを介して評価は行われない。
【0059】
ここでは電圧評価装置１２が提供され、その中で電圧測定装置ＳＶ１からＳＶ４によって検出された電圧が評価され、それに従って回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２が作動可能となる。更に、この電圧評価装置１２は、更なる情報Ｉを、特に、低速の制御装置または直流充電ステーション５に出力することができることを提供してもよい。例示的な情報Ｉは、充電接触器ＬＳ＋、ＬＳ－の開閉、直流充電プロセスの中断、高電圧バッテリー６の主接触器ＨＳ＋、ＨＳ－の開閉、車両２の高電圧中間回路のアクティブ放電の開始、および／または全てが正常で、直流充電プロセスを開始することができる情報Ｉである。
【0060】
図５は、特に車両２の駆動操作、交流充電操作および組み立ておよびサービス作業のための、直流充電ステーション５のない直流回路網１を示す。直流充電の状態との唯一の違いは、直流充電ステーション５がないことである。例えば、事故による欠陥のある高電圧ケーブルまたは高電圧電気システムの欠陥ハウジングは、メカニズム不良として考えられる。また、高電圧システムが組み立てまたはメンテナンス中に破損した場合、保護回路９を有する保護装置８は充電量を減らすことができる。
【0061】
絶縁不良ＩＦによって発生したＹショックを減らすための保護回路９は、上述のものと同一である。このため、保護回路９を有する保護装置８は、車両２に当然配置される。その機能は、直流充電中の絶縁不良のためで上述のものと同一である。高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－の一方と基準電位Ｍとの間の電圧低下の検出によって、それぞれ保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２が接続され、影響を受けた高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－のＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の合計容量が放電される。また、高電圧バッテリー６の主接触器ＨＳ＋、ＨＳの開放が好適に命じられ、車両２のＸコンデンサーＣｘとＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－の両方のアクティブ放電が開始される。充電接触器ＬＳ＋、ＬＳ－は既に前から開いており、開いたままとなる。
【0062】
以下では、正電位ＨＶ＋において障害を有する直流充電ステーション５での直流充電中の絶縁不良によるＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の放電シミュレーションが説明される。直流充電ステーション５の電圧は９２０Ｖである。高電圧バッテリー６のバッテリー電圧は９１５Ｖである。全ての絶縁抵抗は１Ｍオームである。充電ステーション５のＹコンデンサーＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の静電容量はそれぞれ５００ｎＦである。車両２のＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－の静電容量はそれぞれ１０００ｎＦである。人体抵抗ＲＫは１２００オームである。第一保護回路部９．１の第一放電抵抗器Ｒｅ１は１２００オームである。第一保護回路部９．１の第一保護コンデンサーＣｓ１の静電容量は２００μＦである。第一保護回路部９．１の第一保護抵抗器Ｒｓ１は１オームである。
【0063】
時間ｔ＝０．０５秒において、絶縁不良ＩＦを示すスイッチを閉じることにより、人体抵抗ＲＫは正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍとの間に接続される。正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍとの間の電圧が３５０Ｖを下回ると、第一回路ブレーカーＳＳ１が閉じられ、放電回路網、つまり、第一保護回路部９．１が接続される。
【0064】
シミュレーションは、第一保護コンデンサーＣｓ１のスイッチを入れた後の５ｍＡ未満の目標値に基づいている。この値に時間制限はない。但し、放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２によってより迅速に減らすことができるより大きな人体電流ＩＲＫが目標値として許容されている場合、それぞれの保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２の大幅な減少が可能となる。
【0065】
図６から図８はシミュレーション結果を示している。図６は、時間ｔで、直流充電ステーション５および車両２のＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の電圧ＵＣｙＦ＋、ＵＣｙＦ－、ＵＣｙＬ＋、ＵＣｙＬ－および電流ＩＣｙＦ＋、ＩＣｙＦ－、ＩＣｙＬ＋、ＩＣｙＬ－を示す。人体抵抗ＲＫは、ｔ＝０．０５ｓ時に接続される。静電容量の再充電が行われ、それはこのスケールでは見ることはできないが、図７の人体電流ＩＲＫの図ではより明確である。但し、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の電圧ＵＣｙＦ＋、ＵＣｙＦ－、ＵＣｙＬ＋、ＵＣｙＬ－において、再充電が見られる。ｔ＝約０．０５１ｓから、第一保護コンデンサーＣｓ１が接続される。これはＹコンデンサーＣｙＬ＋、ＣｙＦ＋のほぼ瞬時の放電につながる。ｔ＝約０．０５１５ｓ時における残留電圧は５．２Ｖである。再充電電流（電位によって約６０Ａ－１３０Ａ）は、第一保護抵抗器Ｒｓ１によって決められる。高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－が保護コンデンサーＣｓ１によって再充電された後、つまり、約０．０５１ｓ後に、負電位ＨＶ－と基準電位Ｍの電圧は９１１．４Ｖである。
【0066】
図７は、人体抵抗ＲＫの電圧ＵＲＫ、その電流ＩＲＫ、第一放電抵抗器Ｒｅ１の電流ＩＲｅ１、および第一保護コンデンサーＣｓ１の電流ＩＣｓ１と電圧ＵＣｓ１を示している。障害発生時の人体電流ＩＲＫは３８３ｍＡである。それは、第一回路ブレーカーＳＳ１のスイッチが入るまで、約２９２ｍＡの値に指数関数的に減少する。第一回路ブレーカーＳＳ１が閉じた後、正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍとの間の電圧が３５０Ｖ未満の場合、人体電流ＩＲＫは約４．３ｍＡ（ｔ＝約０．０５１ｓで）の値まで落ち、これは同様に指数関数的に減少する。第一回路ブレーカーＳＳ１が閉じると、第一保護コンデンサーＣｓ１内の電流ＩＣｓ１は、全てのＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の電流ＩＣｙＦ＋、ＩＣｙＦ－、ＩＣｙＬ＋、ＩＣｙＬ－の合計に相当する。それは約３５０Ａである。
【0067】
図８は、人体抵抗ＲＫの電流ＩＲＫ、および人体抵抗ＲＫの中を流れる電荷ＬＲＫ、および人体抵抗ＲＫを介して移されるエネルギーＥＲＫを再び示している。電荷ＬＲＫは、ｔ＝約０．０５１ｓの時に約０３２６Ｃであり、その後少しだけ増加する。人体抵抗ＲＫを介して移されたエネルギーＥＲＫは０．１３１Ｊで、それはＬＶ１２３規格で要求される最大値０．２Ｊよりも低い。この最大値は、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の中に蓄えられるエネルギーに実際適用されるが、このエネルギー容量は人体ＭＲＫ内で放電し、保護回路９によって制限されないと仮定される。従って、この保護回路９は、「代替手段」を構成することもできる。
【0068】
図９は、部品最適化保護回路９を示す。Ｃｙショックを減らすための保護回路９の場合、例えば車台接地のために人体抵抗ＲＫを介してただひとつの高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－が基準電位Ｍに接続されていると仮定できる。仮に両電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－が基準電位Ｍ、特に車台接地に接続された場合、これは高電圧バッテリー６または直流充電ステーション５の短絡に相当し、ヒューズ、または制御可能な切断装置を有する電流センサーによって分離されなければならない。
【0069】
このことから、Ｃｙショックを減らすための保護回路９は、正電位ＨＶ＋と負電位ＨＶ－に対して同時に使用してはいけないことが明らかである。従って、単一の保護コンデンサーＣｓ、放電抵抗器Ｒｅ、および保護抵抗器Ｒｓは、図９で示されているように、両高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－を保護するために使用されることができる。従って、２つの保護回路部９．１、９．２を必要としない。２つの電圧測定装置ＳＶ１、ＳＶ２による電圧測定、および保護回路９の接続のための２つの回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２が維持されなければならない。図９はその種の部品の最適化を示す。これは、放電抵抗Ｒｅが、例えば車両２と直流充電ステーション５におけるＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の高い作動電圧または大きな静電容量のために、より大きな部品値を仮定する場合に便利である。
【0070】
図１０は、特に部品最適化保護回路９を有する、つまり、２つの保護回路部９．１、９．２を有しない、保護装置８の一実施形態を示す。回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２は、ここではそれぞれＭＯＳＦＥＴで設計されているが、その他の半導体スイッチ、例えば、ＩＧＢＴまたはサイリスタも可能である。保護装置８、特にその保護回路９は、車両２または直流充電ステーション５に統合されるために必要な追加の労力に対しここで低減される。正電位ＨＶ＋、負電位ＨＶ－および基準電位Ｍへの接続ＡＨＶ＋、ＡＨＶ、ＡＭは、不良障害発生のときだけミリ秒範囲で電流が流れるため、非常に小さく抑えることができる。それ以外では、接続ＡＨＶ＋、ＡＨＶ－、ＡＭは、電流なしで電圧測定のためだけに使用される。保護回路９を有する保護装置８をわずかな変更で既存の高電圧システムに迅速に組み込むことが可能である。計画時間に余裕があれば、この機能はもちろん既存の装置に組み込むことも可能である。
【0071】
図１１は、コンデンサー、ここでは保護コンデンサーＣｓを既存の容量性分圧器に追加することによる、電圧低減の操作を示す。容量性電圧分圧器は、車両２および直流充電におけるＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－に相当する。時間ｔ＜０．５ｓまでは、両ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－の直列回路を介して、正電位ＨＶ＋と負電位ＨＶ－との間に分圧があり、両ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－のサイズは同じで、それは例えば１μＦで、高電圧電位ＨＶ＋、ＨＶ－が基準電位Ｍに関して対称的に分けられる。
【0072】
この例での目標電圧は４００Ｖである。元の電圧が設定電圧の２倍、つまり、８００Ｖのため、それぞれのＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－の電圧が落ちる。時間ｔ＝０．５ｓでは、第一回路ブレーカーＳＳ１のスイッチが入り、１０μＦの保護コンデンサーＣｓが正電位ＨＶ＋のＹコンデンサーＣｙＦ＋と並列接続されるようになり、それによって容量性を合計１１μＦに増やす。負電位ＨＶ－のＹコンデンサーＣｙＦ－を有する容量性電圧分圧器は、従って正電位ＨＶ＋と基準電位Ｍとの間の電圧を６７Ｖまで下げ、その間、負電位ＨＶ－のＹコンデンサーＣｙＦ－の電圧が７３３Ｖまで上がる。ＸコンデンサーＣｘの電圧は常に８００Ｖのままである。
【0073】
保護コンデンサーＣｓのスイッチを入れた後の所望の電圧は、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－と比較して保護コンデンサーＣｓの寸法を決定することによって調整することができる。保護コンデンサーＣｓがＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－と比べて大きければ大きいほど、残留電圧がそれだけ低くなる。
【0074】
【0075】
従って、保護装置８は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間の電圧を測定するために正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第一電圧測定装置ＳＶ１を備え、および負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間の電圧を測定するために負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第二電圧測定装置ＳＶ２を備える。
【0076】
更に、保護装置８は保護回路９を備える。保護回路９は、図９および図１０に示されているように、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間の放電抵抗器Ｒｅと第一回路ブレーカーＳＳ１の電気的直列回路、および、負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間の同じ放電抵抗器Ｒｅと第二回路ブレーカーＳＳ２の電気的直列回路、を備える。
【0077】
代わりに、保護回路９は、図１から図５に示されているように、２つの保護回路部９．１、９．２を備え、第一保護回路部９．１は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第一放電抵抗器Ｒｅ１と第一回路ブレーカーＳＳ１の電気的直列回路を備え、第二保護回路部９．２は、負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第二放電抵抗器Ｒｅ２と第二回路ブレーカーＳＳ２の電気的直列回路を備える。
【0078】
保護装置８の保護回路９の両変形例では、第一回路ブレーカーＳＳ１は、指定された電圧値を電圧が下回ったことを第一電圧測定装置ＳＶ１が確認した場合に、閉じるように作動可能とされ、第二回路ブレーカーＳＳ２は、指定された電圧値を電圧が下回ったことを第二電圧測定装置ＳＶ２が確認した場合、閉じるように作動可能とされる。
【0079】
２つの電圧測定装置ＳＶ１、ＳＶ２に代えて、図３に示すように、基準電位線ＭＬに残留電流測定装置１０を提供することができる。そして、保護回路９の両変形例において、残留電流測定装置１０によって残留電流が測定された場合、第一回路ブレーカーＳＳ１および／または第二回路ブレーカーＳＳ２が閉じるように作動可能とされる。
【0080】
既に上述したように、保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２は有利には放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２と電気的に並列接続される、つまり図９および図１０に示されているように、単独の保護コンデンサーＣｓが単独の放電抵抗器Ｒｅと並列接続される、または、図１から図５に示されているように、それぞれの保護コンデンサーＣｓ１、Ｃｓ２が、それぞれの保護回路部９．１、９．２の放電抵抗器Ｒｅ１、Ｒｅ２と電気的に並列接続される。
【0081】
従って、図９および図１０に示されているように、保護回路９は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間の放電抵抗器Ｒｅと第一回路ブレーカーＳＳ１の電気的直列回路、および負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間の放電抵抗器Ｒｅと第二回路ブレーカーＳＳ２の電気的直列回路を備え、保護コンデンサーＣｓは放電抵抗器Ｒｅと電気的に並列接続されている。代わりに、図１から図５に示されているように、保護回路９は両保護回路部９．１、９．２を備え、第一保護回路部９．１は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第一放電抵抗器Ｒｅ１と第一回路ブレーカーＳＳ１を備え、第一保護コンデンサーＣｓ１が第一放電抵抗器Ｒｅ１と電気的に並列接続されており、そして第二保護回路部９．２は、負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第二放電抵抗器Ｒｅ２と第二回路ブレーカーＳＳ２を備え、第二保護コンデンサーＣｓ２が第二放電抵抗器Ｒｅ２と電気的に並列接続されている。
【0082】
ここで示す例では、保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２は、放電抵抗器Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２と電気的に並列接続されているだけでなく、保護コンデンサーＣｓ、Ｃｓ１、Ｃｓ２と保護抵抗器Ｒｓ、Ｒｓ１、Ｒｓ２から成る電気的直列回路が電気的に並列接続されている。
【0083】
従って、図９および図１０に示されているように、保護回路９は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間の放電抵抗器Ｒｅと第一回路ブレーカーＳＳ１の電気的直列回路、および負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間の放電抵抗器Ｒｅと第二回路ブレーカーＳＳ２の電気的直列回路を備え、保護コンデンサーＣｓと保護抵抗器Ｒｓから成る電気的直列回路が放電抵抗器Ｒｅと電気的に並列接続されている。代わりに、図１から図５に示されているように、保護回路９は両保護回路部９．１と９．２を備え、第一保護回路部９．１は、正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第一放電抵抗器Ｒｅ１と第一回路ブレーカーＳＳ１から成る電気的直列回路を備え、第一保護コンデンサーＣｓ１と第一保護抵抗器Ｒｓ１の電気的直列回路が、第一放電抵抗器Ｒｅ１と電気的に並列接続されており、そして第二保護回路部９．２は、負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間に第二放電抵抗器Ｒｅ２と第二回路ブレーカーＳＳ２から成る電気的直列回路を備え、第二保護コンデンサーＣｓ２と第二保護抵抗器Ｒｓ２の電気的直列回路が、第二放電抵抗器Ｒｅ２と電気的に並列接続されている。
【0084】
例えば、第一電圧測定装置ＳＶ１と第一回路ブレーカーＳＳ１とに結合された第一電圧評価装置は、第一電圧測定装置ＳＶ１によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に第一回路ブレーカーＳＳ１を作動させるために提供され、および、第二電圧測定装置ＳＶ２と第二回路ブレーカーＳＳ２とに結合された第二電圧評価装置は、第二電圧測定装置ＳＶ２によって確認された電圧を評価するため、および指定された電圧制限値を電圧が下回った場合に第二回路ブレーカーＳＳ２を作動させるために提供される。
【0085】
代わりに、例えば図４に示されているように、電圧測定装置ＳＶ１、ＳＶ２と回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２とに結合された共通の電圧評価装置１２が、第一電圧測定装置ＳＶ１によって確認された電圧と第二電圧測定装置ＳＶ２によって確認された電圧とを評価するために提供され、そして、第一電圧測定装置ＳＶ１によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に第一回路ブレーカーＳＳ１を作動させ、および第二電圧測定装置ＳＶ２によって確認された電圧が指定された電圧制限値を下回った場合に第二回路ブレーカーＳＳ２を作動させるために提供される。
【0086】
残留電流測定装置１０が使用される場合、例えば、測定残留電流の評価のため、および測定残留電流に基づいて第一回路ブレーカーＳＳ１および／または第二回路ブレーカーＳＳ２を作動させるために、残留電流測定装置１０と回路ブレーカーＳＳ１、ＳＳ２とに結合された電流評価装置１１が設けられている。
【0087】
一つの可能な実施形態において、図４に示されているように、第三電圧測定装置ＳＶ３と第四電圧測定装置ＳＶ４とが結合される共通の電圧評価装置１２を設けることができ、第三電圧測定装置ＳＶ３は正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間の電圧を測定するために正電位線ＨＶ＋Ｌと基準電位線ＭＬとの間に配置され、第四電圧測定装置ＳＶ４は負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間の電圧を測定するために負電位線ＨＶ－Ｌと基準電位線ＭＬとの間に配置され、ここでは正電位線ＨＶ＋Ｌにおける充電接触器ＬＳ＋という形態での第一切り替え装置が、第一電圧測定装置ＳＶ１への接続ポイントと第三電圧測定装置ＳＶ３への接続ポイントとの間の正電位線ＨＶ＋Ｌに配置され、そして負電位線ＨＶ－Ｌにおける充電接触器ＬＳ－という形態での第二切り替え装置が、第二電圧測定装置ＳＶ２への接続ポイントと第四電圧測定装置ＳＶ４への接続ポイントとの間の負電位線ＨＶ－Ｌに配置される。
【0088】
保護装置８の好ましい使用方法が以下で説明される。８００Ｖレベルの高電圧システムを有する車両２においては、ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－による放電の制限値を規範的に遵守することは困難である。これは、特に車両２内で既に占有されている設置スペースによって追加で大きな部品用の高電圧システムに変更を加えることができない既存の車両２に適用される。説明された解決策は、簡単、廉価、および車両２内で少ない設置スペースで設置できるため、ここでは有用である。
【0089】
更に、記載された解決策は特に基準に基づいて規定を満たし、車両２の承認を簡単にし、または承認がすべて可能になる。小型の電子装置の追加を伴う、この保護装置８とその保護回路９により、高電圧システムおよびその部品において何も変更せずに、制限値が達成される。
【0090】
ＬＶ１２３において必要とされる０．２Ｊの最大エネルギー容量は、直流充電ステーション５によって６３２Ｖで既に超過している。「別の方法」、つまり代わりの方法が従って不可欠である。二重絶縁が現在唯一の解決策として議論されている。全ての結合システム、つまり車両２と直流充電ステーション５は、同時に絶縁性を強化しなければならず、これは現在保証できない。但し、保護装置８とその保護回路９により、人体ＭＫを流れるエネルギーを０．２Ｊ以下の値に抑えることができる。これは従って、「別の方法」に対する更なる解決策を表す。
【0091】
保護装置８とその保護回路９は例えば充電プラグまたは充電ケーブル４の破損等、直流充電中に絶縁が破損した場合、人間が触れた場合にＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－の危険な放電電流を減らすことができる。他の全ての車両の状態において、絶縁破損の場合、人間の接触による危険な放電電流は同様に低減される。
【0092】
ＹコンデンサーＣｙＦ＋、ＣｙＦ－、ＣｙＬ＋、ＣｙＬ－のより大きな設計により、ＥＭＣ抑圧の改善が可能である。高電圧システム全体の二重絶縁の要件の放棄が可能である。これは、車両２および直流充電ステーション５に適用される。
【0093】
保護回路９を有する保護装置８は、車両２および／または直流充電ステーション５の中に配置できる。
【符号の説明】
【0094】
１ 直流回路網
２ 車両
３ 高電圧電気システム
４ 充電ケーブル
５ 直流充電ステーション
６ 高電圧バッテリー
７ バッテリー電源
８ 保護装置
９ 保護回路
９．１，９．２ 保護回路部
１０ 残留電流測定装置
１１ 電流評価装置
１２ 電圧評価装置
ＡＨＶ＋，ＡＨＶ－，ＡＭ 接続
ＡＫ＋，ＡＫ－ 接続接点
Ｃｓ，Ｃｓ１，Ｃｓ２ 保護コンデンサー
Ｃｘ Ｘ－コンデンサー
ＣｙＦ＋，ＣｙＦ－ Ｙ－コンデンサー 車両
ＣｙＬ＋，ＣｙＬ－ Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＥＲＫ エネルギー
ＨＳ＋，ＨＳ－ 主接触器
ＨＶ＋，ＨＶ－ 高電圧電位
ＨＶ＋Ｌ，ＨＶ－Ｌ 高電圧電位線
Ｉ 情報
ＩＣｓ１ 電流第一保護コンデンサー
ＩＣｙＦ＋，ＩＣｙＦ－ 電流 Ｙ－コンデンサー 車両
ＩＣｙＬ＋，ＩＣｙＬ－ 電流 Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＩＦ 絶縁不良
ＩＲｅ１ 電流 第一放電抵抗器
ＩＲＫ 電流 人体抵抗
ＬＲＫ 電荷
ＬＳ＋，ＬＳ－ 充電接触器
Ｍ 基準電位
ＭＬ 基準電位線
ＭＫ 人体
ＲＢａｔｔ バッテリー内部抵抗
Ｒｅ，Ｒｅ１，Ｒｅ２ 放電抵抗器
ＲＫ 人体抵抗
ＲＬＳ 充電ステーション内部抵抗
Ｒｓ，Ｒｓ１，Ｒｓ２ 保護抵抗器
ＳＳ１，ＳＳ２ 回路ブレーカー
ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４ 電圧測定装置
ｔ 時間
ＵＣｓ１ 電圧 第一保護コンデンサー
ＵＣｙＦ＋，ＵＣｙＦ－ 電圧 Ｙ－コンデンサー 車両
ＵＣｙＬ＋，ＵＣｙＬ－ 電圧 Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＵＲＫ 電圧 人体抵抗
２ 車両
３ 高電圧電気システム
４ 充電ケーブル
５ 直流充電ステーション
６ 高電圧バッテリー
７ バッテリー電源
８ 保護装置
９ 保護回路
９．１，９．２ 保護回路部
１０ 残留電流測定装置
１１ 電流評価装置
１２ 電圧評価装置
ＡＨＶ＋，ＡＨＶ－，ＡＭ 接続
ＡＫ＋，ＡＫ－ 接続接点
Ｃｓ，Ｃｓ１，Ｃｓ２ 保護コンデンサー
Ｃｘ Ｘ－コンデンサー
ＣｙＦ＋，ＣｙＦ－ Ｙ－コンデンサー 車両
ＣｙＬ＋，ＣｙＬ－ Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＥＲＫ エネルギー
ＨＳ＋，ＨＳ－ 主接触器
ＨＶ＋，ＨＶ－ 高電圧電位
ＨＶ＋Ｌ，ＨＶ－Ｌ 高電圧電位線
Ｉ 情報
ＩＣｓ１ 電流第一保護コンデンサー
ＩＣｙＦ＋，ＩＣｙＦ－ 電流 Ｙ－コンデンサー 車両
ＩＣｙＬ＋，ＩＣｙＬ－ 電流 Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＩＦ 絶縁不良
ＩＲｅ１ 電流 第一放電抵抗器
ＩＲＫ 電流 人体抵抗
ＬＲＫ 電荷
ＬＳ＋，ＬＳ－ 充電接触器
Ｍ 基準電位
ＭＬ 基準電位線
ＭＫ 人体
ＲＢａｔｔ バッテリー内部抵抗
Ｒｅ，Ｒｅ１，Ｒｅ２ 放電抵抗器
ＲＫ 人体抵抗
ＲＬＳ 充電ステーション内部抵抗
Ｒｓ，Ｒｓ１，Ｒｓ２ 保護抵抗器
ＳＳ１，ＳＳ２ 回路ブレーカー
ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４ 電圧測定装置
ｔ 時間
ＵＣｓ１ 電圧 第一保護コンデンサー
ＵＣｙＦ＋，ＵＣｙＦ－ 電圧 Ｙ－コンデンサー 車両
ＵＣｙＬ＋，ＵＣｙＬ－ 電圧 Ｙ－コンデンサー 直流充電ステーション
ＵＲＫ 電圧 人体抵抗
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】