CN116917746A - 用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法，包括以下步骤：在第一中性节点(N)和第二接地节点(PE)之间注入交流测量信号；检测表示第一节点(N)和第二节点(PE)之间的电位差的电压信号；处理电压信号，从而提取具有等于测量信号频率的频率和与其相关的相位的第一信号；以及根据测量信号和所述第一信号的参考值之间的比率计算接地电阻值。

Description

用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量电池充电系统(优选地，牵引(汽车)电池)中的接地电阻的方法和设备。

背景技术

因此，本发明主要应用于汽车领域，特别是电池充电系统的设计和构造。

在电动车辆领域，事实上，电池组充电模式划分为两个截然不同的宏观类别：车载充电器和地面充电器。

顾名思义，“车载充电器”内置于车辆中，包括将电网中的交流电转换为电池组充电所需的直流电所需的所有电力和控制电子设备。

另一方面，“地面”充电器是通常的“柱”或壁盒，其通过向车辆提供直流电来直接操作转换。

因此，从用户的安全角度来看，这两种类型的电池充电器似乎都存在重大问题，因为它们必须管理来自电网的交流电并将其转换为直流电以对高压电池进行充电，并且必须配备有合适的保护系统。

这在非绝缘车载充电系统的构造中甚至更为关键，在该系统中，电池充电器具有与交流线路的直接(非感应)电连接。

与安全系统相关的主要研究领域之一是检查车辆或柱是否正确“接地”，在某些情况下，这是通过向电网注入电流信号、通过适当的计算测量产生的电压以及计算相应的接地电阻来实现的。

然而，不利的是，这种方法并非没有缺点，因为它的有效性与边界条件，即，噪声电网条件密切相关。

考虑到配电系统有许多用户连接到具有最多样应用的同一变电站，在生成电流信号时使用的频率已经被非常显著的干扰占据并不罕见。

在一些情况下，考虑到严格的监管约束，将可用于测量的电流强度限制在略高于1mA，这涉及到确定检测到的电压信号的哪个分量与注入信号相关以及哪个分量是噪声分量的实际困难。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备，其可以克服现有技术的上述缺点。

具体地，本发明的目的是提供一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备，其高度可靠并且通用，因此它们可以在不损失效率的情况下适应具有变化噪声水平的配电系统。

所述目的是借助于具有一个或多个权利要求的特征的用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备来实现的。

具体地，该方法包括在电网的第一中性节点和第二接地节点之间注入(或生成)交流测量信号。

优选地，测量信号具有预设频率和预设持续时间。

因此，检测表示所述第一节点和所述第二节点之间的电位差的电压信号。

根据本发明，因此，处理电压信号，从而提取具有等于所述预设频率的频率和与所述测量信号的相位相关的相位的第一信号。

应当注意，术语“相位相关”旨在定义第一信号具有相对于所述测量信号为零或随时间恒定的相移。

换句话说，通过知道测量信号或其频率，可以确定要检测的电压信号应该具有哪个频率，与与测量信号密切相关的相同频率的任何噪声分量不同，该频率必须相对于测量信号保持相同的相移，从而允许提取。

此时，一旦已知电压信号，就可以根据识别测量信号的值与所述第一信号的参考值之间的比率计算接地电阻值。

显然，由于配电系统处于交流电中，因此还必须同时考虑电路的等效阻抗和电容来计算电阻。

然而，根据本发明的另一方面，迄今为止描述的测量方法可以用作保护电池充电系统的方法的基础，这也是本发明的(独立的)目的。

实际上，该保护方法包括使用测量/计算的接地电阻值作为将其与参考极限值进行比较的基础，然后如果所述接地电阻值超过所述参考极限值，则将电池充电器的转换器组件与电网绝缘。

优选地，参考极限值被设置为小于300欧姆，更优选地大约200欧姆。

本发明的另一个目的是一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的设备，该设备配备有被配置为实施上面描述的方法的处理单元。

通过引用并入本文的从属权利要求对应于本发明的不同实施例。

附图说明

根据如附图中所示的用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法和设备的优选但非排他性的实施例的指示性并且因此是非限制性的描述，本发明的进一步特征和优点将变得更加显而易见，其中：

-图1示意性地示出了根据本发明的配备有保护设备的车载充电设备的结构；

-图2示意性地示出了根据本发明的用于测量接地电阻的设备的结构。

具体实施方式

参考附图，附图标记1通常表示根据本发明的用于测量电池充电系统中的接地电阻的设备。

以下将纯粹以示例的方式描述用于测量车载充电设备100内部的接地电阻的设备1；事实上，本说明书并不旨在限制本发明的应用和范围。

对于接地充电系统，可以提供类似的描述，例如柱或壁盒，但是由于测量接地电阻在车辆中更关键，因此在以下优选中，提供了本发明发现更大优点的应用的描述。

本文中的术语车载充电设备100通常旨在定义用于牵引电池组6的任何充电系统，该牵引电池组能够连接到AC电网，在给电池供电之前将其转换成直流电。

为此，充电设备100至少包括一个外壳C(接地)，该外壳与用于连接到电网G的连接插座9相关联，并且包含转换器组件4，该转换器组件被配置为将来自电网G的交流电转换成可用于对电池组6进行再充电的直流电。

因此，连接插座9被配置为接收三相L1、L2、L3和中性N两者。

优选地，充电设备100进一步包括沿着电流输入线布置的至少一个电磁干扰过滤元件，即，在连接插座9和转换器组件4之间。

更优选地，电磁干扰过滤元件是两个，第一个电磁干扰过滤元件5沿着(交流)电流输入线，第二个电磁干扰过滤元件7沿着(直流)电流输出线，即，在转换器组件4和电池组6之间。

在优选实施例中，充电设备100是非绝缘类型的，即，它在电池和配电系统之间提供物理(即，非感应)连接。

优选地，在这种类型的设备100中，转换器组件4包括至少一个升压模块和至少一个降压模块。

在优选实施例中，转换器组件4包括：

-第一转换级(或AC-DC转换器)，被配置为将来自电网G的交流电转换成直流电；

-充电级，优选地由电容器组限定，可操作地布置在第一转换级的下游，并且被配置为通过接收其输出来充电；

-第二转换级(或DC-DC转换器)，被配置为调制发送到电池组6的直流电的电平。

在优选实施例中，如上所述，充电设备100是非绝缘类型的，因此，第二转换级直接连接到电池组(即，没有转换/感应级)。

根据本发明的一个方面，作为本发明的单独目的，接地电阻与充电设备100相关联。

测量设备1被配置为通过测量所述电阻来检测任何接地问题。

该测量设备1包括具有可变振幅和频率(可能还有相位)的电流发生器2，该电流发生器被配置为在第一中性节点N和第二接地节点PE之间生成交流测量信号并将其注入电网G。

还提供了电压检测模块3，被配置为检测表示第一节点N和第二节点PE之间的电位差的电压信号。

具体地，检测模块3优选地被配置为在电流发生器2注入或生成测量信号之后检测电压信号。

此外，该检测模块3优选地是可变增益类型，并且被配置为根据电压信号的噪声水平来改变增益并因此改变电压信号的识别值(例如，振幅)。在优选实施例中，检测模块3包括峰值整流器，优选为双半波类型，被配置为生成表示所述电压信号模块的整流信号。

包括配置的处理单元10的所述测量设备1还被配置为在预定时间间隔内识别所述整流信号的峰值。

所述处理单元10进一步被配置为根据所述峰值放大或衰减测量信号的所述识别值(例如，振幅)。

更优选地，处理单元10因此被配置为随着峰值增加而减小所述识别值(例如，振幅)，反之亦然。

测量设备1进一步包括与所述检测模块3和所述电流发生器2相关联的放大器模块11。所述放大器模块11被配置为基于所述测量信号处理所述电压信号，从而提取具有与所述测量信号相对应的频率和与其相关的相位的第一信号。

应当注意，术语“相位相关”旨在定义第一信号具有相对于所述测量信号为零或随时间恒定的相移。

在优选实施例中，放大器模块11是锁定放大器(或相敏检测器)，其可以完全由硬件部件制成，或者优选地，具有由软件特征定义的架构的至少一部分。

该锁定放大器包括乘法器(参考信号和噪声信号)，其后是低通积分滤波器，其积分周期长于待提取信号的周期。

由于正弦函数是正交的，因此该运算的结果为零，如果：

-提取信号和载波具有不同的频率

-提取信号和载波具有相同的频率，但相位相差90°。

相反，如果它们等频或相位相差某个恒定角度，则结果具有除零和常数之外的值。

相反，如果信号具有等频分量，但具有连续可变的相位，则结果也是连续可变的。因此，这使得能够区分在给定频率下检测到的是噪声分量(具有连续可变相位)还是与测量信号相关联的分量(如上所述，具有与测量信号相关联、等于或相对于测量信号随时间以恒定方式相移的相位)。

可替代地，放大器模块11可以包括锁相环，该锁相环同样提供有乘法器和滤波器，但随后是受控振荡器。

就这一点而言，应当注意，测量设备1的处理单元10还被配置为根据识别测量信号的值与所述第一信号的参考值之间的比率计算接地电阻值。

优选地，测量设备1的处理单元10被配置为根据识别代表测量信号的参数的值与第一信号的相同参数的参考值之间的比率计算接地电阻值。

在一个实施例中，代表性参数由信号的振幅定义；可替代地，它可以是时域信号的值或又一个参数。

更优选地，处理单元被配置为将第一信号转换到频域，在频谱中识别与测量信号的预设频率对应的信号，并确定所述参考值与预设频率下的电压信号的值相对应。

换句话说，因此，处理单元10被配置为实施用于测量接地电阻的方法，这也是本发明的一个(独立的)目的。

因此，该方法包括在第一中性节点N和第二接地节点PE之间注入(或生成)交流测量信号。

测量信号由测量设备1的电流发生器2生成，并注入到上述两个节点之间。应当注意，可替代地，第二中性节点PE可以是：

-物理电网节点(即，直接连接到连接插座9的中性线的节点)；

-重构虚拟节点，其电位与接地电位相对应，并且与第一中性节点N和相位电连续。

此外，优选地，在生成或注入相位测量信号之前执行电网噪声分析。

该电网噪声分析步骤涉及检测表示电网电压的电压信号，以及识别自由频率范围，其中，所述电压信号具有最小值或零值(例如，最小或零振幅)。

因此，优选地，测量信号的预设频率在自由范围内，从而在执行测量期间最大限度地减少干扰。

此外，优选地，测量信号在参考时间间隔内具有极限平均值。

换句话说，电流条例规定在正常使用期间不得接触的金属部件具有接触电压，该接触电压不得通过人的身体产生不超过每个电流周期的极限值的电流，取决于电网频率，该极限值通常被认为是每20毫秒或16.6毫秒3.5mARMS。考虑到该极限值的一部分对于某些电子部件的运行是必要的，剩下的用于产生测量信号的只是极限值与所用部分之间的差。

因此，在优选实施例中，测量信号的单个电流周期内的极限平均值可以被量化为大约1mARMS。

因此，优选地，极限平均值是极限平均振幅。

为了使注入的信号比电网噪声更容易识别，电网噪声通常由于连接到单个电网变电站的大量负载而非常高，测量信号注入步骤优选地包括调制识别值和预定时间间隔，使得识别值具有与所述极限平均值兼容的最大值。

换句话说，如果需要放大识别值以使信号更明显，该方法包括(可选的)将时间间隔减少到电网的电流周期的部分的可能性，从而保持平均值低于极限值。

优选地，然后，该方法包括检测表示所述第一节点N和所述第二节点PE之间的电位差的电压信号。

然后，处理该电压信号，从而提取具有等于所述预设频率的频率和与所述测量信号的相位相关的相位的第一信号。

应当注意，术语“相位相关”旨在定义第一信号具有相对于所述测量信号为零或随时间恒定的相移。

因此，有利地，通过知道测量信号，可以确定要检测的电压信号应该具有哪个频率，与与测量信号密切相关的相同频率的任何噪声分量不同，该频率必须相对于测量信号保持相同的相移，从而允许提取。

在优选实施例中，该提取步骤借助于类似于锁定放大器中使用的放大和过滤程序来执行。

更准确地说，该电压信号处理步骤包括：

-将电压信号和参考信号相乘，从而获得包含等于电压信号的频率和参考信号的频率之和的第一频率内容和等于电压信号的频率和参考信号的频率之差的第二频率内容的结果信号；

-对获得的结果信号进行滤波，从而仅提取所述结果信号的第一或第二内容。

有利地，以这种方式，可以在高噪声环境中识别通过注入测量信号确定的唯一电压分量，从而允许测量接地电阻。该接地电阻实际上是根据识别测量信号的值与第一信号的参考值之间的比率来计算的。

如上所述，所述参考值由测量信号的预设频率(在频域中评估)下的电压信号值定义；优选地，如上所述，参考值对应于测量信号的预设频率下的电压信号振幅。

此外，有利地，可以在用于保护充电设备的方法和设备中使用这种用于测量接地电阻的方法和设备，这也是本发明的(独立的)目的。

事实上，通过遵循以上描述的测量方法，可以将接地电阻值与参考极限值(优选地小于300欧姆)进行比较，并且如果所述接地电阻值超过所述参考极限值，则将充电设备1的转换器组件4与电网G隔离。

在结构上，为了实现这一点，充电设备1配备有开关组件8，该开关组件组装到测量设备1，并且能够选择性地在闭合状态和断开状态之间切换，在闭合状态下，开关组件将插座9电连接到转换器组件4，在断开状态下，开关组件断开连接，将插座9(以及因此电网G)从转换器组件4(因此从电池组6)电释放。

本发明实现了预期的目的，并提供了重要的优点。

事实上，通过适当地处理(优选地，借助于放大器)“噪声”电压信号，可以选择性地提取唯一相关的信息，而不管电网噪声水平如何。

换句话说，这种解决方案保证了检测接地电阻的可能性，并提高了系统在任何类型的电网和噪声条件下的安全性。

Claims (13)

1.一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的方法，所述电池充电系统连接到或能够连接到电网(G)并设置有转换器组件(4)，所述转换器组件被配置为将来自所述电网(G)的交流电转换成能够用于对电池组(6)充电的直流电；所述方法包括以下步骤：

-检测表示所述电网电压的电压信号；

-识别自由频率范围，其中，所述电压信号具有最小值或零值；

-在第一中性节点(N)和第二接地节点(PE)之间注入交流测量信号；所述测量信号在所述自由范围内具有预设持续时间和预设频率；

-检测表示所述第一节点(N)和所述第二节点(PE)之间的电位差的电压信号；

-处理所述电压信号，从而提取具有等于所述预设频率的频率和与所述测量信号的相位相关的相位的第一信号；

-根据识别所述测量信号的值与所述第一信号的相应参考值之间的比率计算接地电阻值。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：

-将所述第一信号变换到所述频域中；

-在等于所述预设频率的频率值识别所述参考值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一信号的所述相位随时间以恒定的方式等于或不同于所述测量信号的所述相位。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述处理步骤涉及：

-将所述电压信号和参考信号相乘，从而获得包含等于所述电压信号的所述频率和所述参考信号的频率之和的第一频率内容和等于所述电压信号的所述频率和所述参考信号的频率之差的第二频率内容的结果信号；

-对获得的所述结果信号进行滤波，从而仅提取所述结果信号的第一内容或第二内容。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述识别值由与所述测量信号的振幅相对应的至少一个参数限定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量信号在每个电流周期内具有极限平均值；所述测量信号注入步骤涉及调制所述测量信号的所述识别值和所述预设持续时间，使得识别所述测量信号的所述值具有与所述极限平均值兼容的最大值。

7.根据权利要求6所述的方法，包括电网噪声分析步骤，其中：

-在给定时间间隔内检测噪声峰值；

-根据所述峰值调制所述测量信号的所述识别值和所述预设持续时间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二接地节点(PE)可以是，可替代地：

-物理电网节点；

-重构虚拟节点，其电位与接地电位对应，并且与所述第一中性节点(N)和所述相位(L1、L2、L3)电连续。

9.一种用于保护电池充电系统的方法，包括以下步骤：

-通过实施根据前述权利要求中任一项所述的测量方法来测量充电设备(100)中的接地电阻；

-将所述接地电阻值与所述接地电阻的参考极限值进行比较；

-如果所述接地电阻值超过所述接地电阻的所述参考极限值，则使所述充电设备(100)的所述转换器组件(4)与所述电网(G)绝缘。

10.一种用于测量电池充电系统中的接地电阻的设备，其中，所述充电系统连接到或能够连接到电网(G)并配备有转换器组件(4)，所述转换器组件被配置为将来自所述电网(G)的交流电转换成能够用于对电池组(6)充电的直流电；所述测量设备包括：

-电流发生器(2)，具有可变振幅和频率，被配置为在第一中性节点(N)和第二接地节点(PE)之间生成交流测量信号并将其注入电网(G)；

-电压检测模块(3)，被配置为检测表示所述第一节点(N)和所述第二节点(PE)之间的电位差的电压信号；

-处理单元(10)，被配置为：

-激活所述电流发生器(2)，从而在所述第一中性节点(N)和所述第二接地节点(PE)之间注入所述交流测量信号；所述测量信号具有预设频率和预设持续时间；

-响应于所述测量信号注入，从所述检测模块(3)接收电压信号；

-借助于被配置为从所述电压信号中提取第一信号的放大器模块(11)处理所述电压信号，所述第一信号具有等于所述预设频率的频率和与所述测量信号的相位相关的相位；

-根据识别所述测量信号的值与所述第一信号的相应参考值之间的比率计算接地电阻值。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述检测模块(3)是可变增益类型。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述放大器模块(11)是锁定放大器。

13.一种用于保护电池充电系统的设备，其中，所述充电系统连接到或能够连接到电网(G)并配备有转换器组件(4)，所述转换器组件被配置为将来自所述电网(G)的交流电转换成能够用于对电池组(6)充电的直流电；所述保护设备包括：

-根据权利要求10至12中任一项所述的测量设备(1)；

-开关组件(8)，接合到所述测量设备(1)，所述开关组件能够选择性地在闭合状态和断开状态之间切换，在所述闭合状态下，所述开关组件将所述插座(9)与所述转换器组件(4)电连接，在所述断开状态下，所述开关组件断开所述连接，将所述插座(9)从所述转换器组件(4)电释放；

其中，所述处理单元(10)被配置为如果所述接地电阻值大于极限值，则将所述开关组件(8)从所述闭合状态切换到所述断开状态。