用以对消费者提供供应装置中若干能量的装置及方法

摘要

本发明涉及一种用以提供电能给消费者电路的装置，包含单独指定给所述消费者的保护及监测装置(50)，所述消费者电路可经由连接装置(10)连接至所述保护及监测装置的输出，其中所述保护及监测装置(50)具有用以检测至少一个电能的传感器装置(31、32)及受所述等传感器装置(31、32)控制的分析装置(52)，所述分析装置包含以预定的方式指定至少一个安全相关触发标准的参数化装置，其中在达到所述至少一个安全相关触发标准时，消费者电路的切换装置(54)被控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用以提供供给消费者的电能，尤其是用以提供供给电动车辆的电能的方法及装置，及由充电站及电动车辆组成的系统，以及针对电动车辆的充电过程的应用。 

背景技术

安全层面在有关电力消费者的供应，尤其是对电动车辆发挥关键性的作用。一种已知技术中，特别可以是电动车辆的充电站的供应装置配备多个不同组件，其个别功能描述如下： 

然而，首先，供应装置必须具有也称为「电度表」的能量计量器，从能量供应公司提取的电能数量被检测且可供进一步收费之用。 

所述计量器检测电源电力网中分别被提供的相电流，及所施加 

的电压。由此，它们利用对时间的乘法及积分以确定以千瓦小时为单位表示的已使用有功电能。 

这些计量器中最广泛使用的计量器为所谓的「法拉利(Ferraris)计量器」，其依据感应原理来工作。依据此原理，单相或多相交流电共同以及电源电压感生旋转磁场在铝盘上，因涡流而在该铝盘上产生扭矩。此扭矩与电流与电压的向量乘积成比例。铝盘在由永久磁铁组成的涡流煞车中运转，产生与速度成比例的煞车力矩。因此，边缘的一部分可以透过窗口从外部看见的铝盘具有与有功电功率成比例的速度。该铝盘具有与之结合的滚轮型计量器，使得能量通量可被读取为一以千瓦小时(kWh)为单位的数值。 

就给付消费者而言，例如，给付私人住户中的消费者，具有二或二以上计数器的机电能量计量器被使用，以便依一日中的时间而定以不同价格来计费。例如，利用受控于能量供应公司所在地的中央脉动控制系统控制的内建或外置脉动控制接收器，切换发生在所述计数 器之间。以此方式，能量消耗可在低网络负载时期内，例如夜间，以一较低廉的价格向消费者收费。 

其它已知的装置为数字电能计量器(所谓的「智能型电表」)，不含机械性移动组件。 

电流利用变流器，例如，具有软环形磁心者或具有罗哥斯基(Rogowski)线圈的电流量测系统，利用分路电阻或使用霍尔组件来检测。消耗能量的费用使用电路来计算。结果馈送至文数显示器，例如，液晶显示器(LCD)。数字电子能量计量器具有能够远程读取的特定优势，由于计量器数据是以电子方式，例如透过因特网传送至电力提供者，故使得目前为止已成惯例的年度读数成为多余的。 

各种不同形式用来传送数据至能量供应公司的计费单元的数据接口在使用中，例如，红外线、SO接口、远程抄表系统(M-Bus)、零电位接点、EIB/KNX或电力线通讯(PLC)，其中数据经由标准电源供应线传送。 

除此之外，众所周知，消费者的供应装置具有监测装置，以保障他们的正确运作及，如有需要，一旦供应装置过载则启动适当的保护措施。就它们的功能而言，此包括用以连接或断开消费者电力电路的切换装置，旨在保护电路免于因电缆过热或短路而产生的损坏的熔断装置，及故障电流监测装置。 

切换装置以如同电磁启动开关(「跳闸开关」)的已知方式被建构，其中控制电流流经电磁线圈，磁引力机械启动闭合主要电路的一接点。只要控制电流流动，开关就维持在闭合位置。跳闸开关与继电器不同之处在于具有较高的切换功率。 

已知的残余电流监测装置类型特别是所谓的FI开关(也称为RCD「残余电流保护装置」)，倘若定义的差异电流位准被超过(在国内系统中通常为30mA)，则将电流监测电路与跨接所有极点的剩余网络，即，相对于除了保护导体以外的其余者断开。 

为了实现此目的，RCD比较输出电流的位准与返回电流的位准。流经完整系统中的RCD的带正负号所有电流总和必定等于零。比较在求和变流器中执行，将所有带有适当符号向消费者往返流动的电流加 在一起。若电流在电路中某处转入地面，则求和变流器中的输出及返回电流的总和为非零值：电流差ΔI，该电流差造成触发RCD且因此电源被切断。 

交流(AC)(AC感测)类型的故障电流保护装置仅检测正弦故障电流。因此，在实施上，所谓的「A型」脉冲电流感测故障电流保护装置是常用的。这些装置检测纯粹正弦交流电及脉冲直流(DC)故障电流。此额外的感测能力利用用于所使用的环形磁带心的特殊磁性材料而获得。脉冲电流灵敏故障电流保护装置独立于电源电压而工作。 

电力电子技术的硬件组件，诸如，举例来说，变频器、整流器、不间断电源(UPS)、交换网络部件或相位角控制器，产生双极脉波宽度调变输出电压，该电压具有最高20kHz的切换频率。若发生故障，则所述硬件组件此外还可造成50Hz AC及DC脉波故障电流-具有广泛频率的平滑DC故障电流及AC故障电流，以及混频(就变频器而言，例如，切换频率及输出频率)。A型FI保护开关不能正确地检测所述故障电流，因此不能保证FI保护开关的正确触发一定发生。因此，依据VDE 0160/EN 50178「Equipping of heavy duty electricalsystems with electronic hardware components」的段落5.2.11.2及5.3.2.3，如果电力系统的电子组件可在故障情况下产生稳定的DC故障电流，若发生直接及间接接触，则「B型」RCD将被用于保护。 

所述所谓的全电流灵敏故障电流保护开关(「B型」)包含用以检测稳定DC故障电流的第二求和变流器。若发生故障，则电子单元传送切断命令至触发装置。对DC故障电流的监测以一种与电源电压无关的方式进行。因此，此装置需要电源电压，其为抽接自外部电源线的中性线。开关的脉冲电流灵敏部分与此无关且独立于电源电压而作用，如同A型一般。 

所述类型的故障电流保护开关需要高准确性检测电流及供做后续处理量测信号的传感器。除此之外，规则指定FI开关必须以一特定的时间间隔来测试。为此，它们被手动启动或利用为此目的而提供的附加装置来启动。 

最后，作为供应装置的监测装置中的第三组件，传输线保护开 关(LS开关或MCB「小型断路器」)形式的过流保护装置是已知的。传输线保护开关可重复使用，若发生过载，则非自启动重置熔断组件自动切断电路。此种装置保护传输线不因可能由于过剩电流流动持续期间造成的过热而受损。 

过剩电流可因过载或短路而引起。若过流保护装置系在发生过载的情况下被引发，则断开连接发生在流经传输线保护开关的电流的指定标准值超过一个持续时段时。直到触发发生为止所经过的时间依过剩电流的强度而定-在高过剩电流下的时间短于标准电流的小过量下的时间。为了实现触发，双金属带被使用，当由流动电流加热时该双金属带弯曲且触发切断机件。过剩电流保护装置在不同电流强度下的响应时间称为特征曲线且以电流-时间曲线来表示。 

若系统中发生短路，则非常快速、通常在几毫秒之内的触发，必须利用传输线保护开关中的电流通过的电磁铁而发生。此需要传感器适当检测及进一步处理量测信号的电路组件。传输线保护开关亦可因为例如维修工作或临时服务关闭而被手动触发。出于此目的，双态触变开关或触发按钮被设置在开关的正面上。 

另一已知的方法系组合传输线保护开关与FI模块，以获得在故障电流情况由该FI模块检测期间可经由传输线保护开关发生传输线关闭的一种情况。 

上述监测及熔断器保护装置在以各种不同方式描述的个别组件形式实施的过程中使用。例如，包括大量不同电力消费者的个别电路或消费者分支电路，每一个由适当尺寸的组件提供熔断器保护。在此配置中，在不同的分支电路中，应用适当方法来形成需要的组件尺寸，大部份牵涉阶层式熔断设计。此意谓熔断也在网络的不同电压位准被实现，因此组件是彼此分离的。 

另一方面，本发明所处理的问题系开发监测及安全设计，适合一种应用，其中单一电能消费者体验一种对其消费者电路特别定制而与其它消费者无关的熔断系统。 

发明内容

此问题利用用以提供电能给消费者电路的装置来解决，该装置具有下列特征：其具有单独指定给该消费者的保护及监测装置，该消费者电路可经由连接装置连接至该保护及监测装置的输出，其中该保护及监测装置具有用以检测至少一个电量的传感器装置及受该等传感器装置控制的分析装置，该分析装置包含以可预定的方式指定至少一个安全相关触发标准的参数化装置，其中在达到该至少一个安全相关标准时，针对消费者电路的切换装置可以被控制。 

在一种用以提供电能给消费者电路的方法中，此问题由下列步骤来解决： 

-检测该消费者电路中的至少一个电能且转送此电能至分析装置， 

-在该分析装置中为至少一个安全相关触发标准指定一个参数， 

-在达到该至少一个安全相关触发标准时控制切换该消费者电路的开关。 

此解决方案的其特征在于，，对照于上述由个别监测装置组成的已知的熔断器保护设计，若采用一种为单一消费者电路定制的熔断器保护的设计，则可省却多个传感器或功能模块。此导致相对应的材料及成本节省，因为多个功能可被去除。利用为该至少一个触发标准提供一个大尺度可任选的参数化，甚至已知的过剩电流保护装置的缺失亦可被消除，该等缺失例如，因为特征曲线实质上由所使用的双金属装置的材料性质定义，传输线保护开关仅可相对于其熔断特征曲线(电流-时间特征曲线)被不充分地参数化。此处尤其重要的是统合程度藉此可达成仅需要单一开关的地步，该开关根据需要可指定给各种不同功能(故障电流监测、过剩电流监测、跳闸切断)。 

依据本发明获得其它的解决方案优势，如在依附请求项中所记载的实施例中所描述者： 

由于熔断器保护及监测装置具有检测所供应电流的大小及/或时间历程的过剩电流监测装置的事实，传输线保护开关的功能可被仿真。 

若消费者电路中的最大容许值可由参数化装置预指定，则在如 果发生短路时产生有效过剩电流保护。 

由于电流-时间特征曲线对应于可预指定熔断曲线的事实，传输线保护开关对热过载保护的特征曲线可被模拟，实际上相对于已知的被动传输线保护开关具有大为改进的变化性。 

由于保护及监测装置具有故障电流监测装置的事实，FI开关的功能可被仿真，其中AC故障电流(A型FI开关)的发生及DC故障电流(B型FI开关)的发生可受监测。 

较佳地是，霍尔传感器装置及变流器适于用作传感器装置。 

切换装置的适当装置包括功率电流开关，尤其是继电器、跳闸开关、功率晶体管、功率晶闸管或所述组件的组合。 

在依据本发明的装置的组态中，由能量供应装置供应的能量计量器被置于保护及监测装置的上游，使得由消费者提取的该等能量可被检测及记录。 

需特别指出的还有每一个消费者可被指定给单独的保护及监测装置的事实，这意味着在支出及适应性角度上被最佳化。在此配置中，每一个消费者被指定给单独的能量计量器，其意味着每一个单元将被视为自包含式个别系统(「单独式」)。 

依据本发明的解决方案的其它特定特征曲线将从保护及监测装置可并入遥控功能中看出。尤其重要的是远程维护及监测故障功能或错误情况的可能性。例如，远程再启动在切换装置触发之后是可能的。特定安全功能还可从当故障发生时可由切断所有相获得非活性状态的事实达到。若不存在监测装置的外部备份，则这是重要的。 

在依据本发明的解决方案的另一组态中，可使保护及监测装置接收充电站的充电控制电路的引示信号作为其输入信号中的输入信号，或可选择地，保护及监测装置接收充电控制电路的「插头出现(Plug Present)」信号作为其输入信号中的输入信号。 

附图说明

在下文中，借助于绘示示范性实施例的附图更详细地描述本发明的目的。该等图式绘示： 

图1是由消费者及经由连接装置连接至该消费者的供应装置组成的已知系统的结构的方块电路图； 

图2是对应于第1图中所示的该示范性实施例的能量计量器的细节图； 

图3是依据本发明的该示范性实施例的消费者供应装置的监测及保护装置的方块电路图； 

图4是依据第3图的供应装置的监测及保护装置的细节图。 

具体实施方式

图1绘示消费者2，其可以是电动车辆形式的电力消费者，消费者2可经由连接装置10，例如，缆线，连接至充电站形式的供应装置12。 

充电站12具有插座14、监测及保护组件18、20、22及连接至电源能量供应13的接线盒的能量计量器16。在经由缆线10为车辆2的电池充电期间，电流从电源能量供应13经由计量器16及插座14 并经由缆线10、计量器8及充电装置6流入电池。计量器16计算流入电池的能量的数量。 

监测及保护组件包含用以提供控制切换负载电路的开与关的FI开关18、被动传输线保护开关20及跳闸开关22。 

跳闸开关22的控制经由充电站网关计算机24来实现。传输线保护开关20以已知的方式工作，即其是在过载情况下自动切断电路的组件。因此，负载电路免受起因于过剩电流在延长期上流动的过热所引起的损坏，其中过剩电流可能因过载或短路引起。若触发由于过载而发生，则断开连接发生在流经传输线保护开关的电流的指定标准值超过延长时段时。直到触发发生为止所经过的时间依过剩电流水平而定且依据表示电流-时间特征曲线的曲线而变化。 

若系统中发生短路，则非常快速的触发通常在几毫秒内发生。传输线保护开关20还可被手动触发，例如，针对维护工作及针对临时关闭。出于此目的，双态触变开关或触发按钮被设置在开关20的正面上。在其被触发之后，开关20可再次利用充电站的运营者手动 接通。 

FI开关18还设有外部机械按钮启动，如先前技术中众所周知的，为了容许执行适当的手动流程。所述手动流程可以是，例如，有关FI开关18的例行测试。 

从第2图中可以看出，能量计量器16的输入端上，即其面对电源能量供应13的连接器上包含用于此量测点所呈现的相电压的第一检测器31及用于流入计量器16的相电流的第二检测器32。检测器31、32被设计成用于相对应的电量的检测器，例如，像环形核心变流器、霍尔传感器等。根据检测器31、32的输出信号，在指定时段上供应的该等能量被计算且被提供在计量器16的显示装置33上查看。 

计量器16是可远程读取的计量器，其经由通讯网路40连接至中央计费单元42。通讯网路40可以是电源能量供应13的一部分，使得，例如，通讯可利用电力线通讯而在能量供应网络13上进行。通讯网路40还可以是一有线或无线通讯网路。为了实现通讯，例如，IP协议可被使用。 

在计量器16的输出端不仅具有计算能量的显示装置34，而且具有检测器32所检测的相电流的额外输出单元35。额外输出单元35可直接输出检测器32的量测值或由此量测值衍生的后处理信号。作为一种替代的输出，额外输出单元35还可输出来自检测器31的相电压或适当后处理的信号。最后，额外输出单元35还可以发射共同衍生自检测器31及32的信号的输出信号，尤其是有效相功率。 

额外输出单元35，如同输出单元34，被指定给用于已量测能量的数据接口36，其中此数据接口可与能量的数据接口分开或一起构成(如第2图中所示者)。 

相电流或另一电信号经由数据接口36被提供，用于与下文中所描述的监测及保护装置一起做进一步处理。 

依据本发明的该示范性实施例的电力车辆充电站的设计相关于第3图说明如下： 

从电源能量供应13中引出的供电线可以是一条三相AC电流线， 放电至充电站12内的接线盒。缆线由该处接至「电量计」16，较佳地是，电量计16具有上文相关于第2图所描述的数字能量计量器的形式，且其输出值透过RS 232串行接口或另一类型的串行或并行接口传送至充电站网关计算机(LSG)24以供分析量测的能量。在离开能量计量器16之后，供电线以三相形式接至整合数字监测及保护装置50。 

充电站的插座14位于整合数字监测及保护装置50的输出端，所欲能量借助于充电缆线10经由该插座14供给电动车辆2。 

插座14与充电站网关计算机LSG 24之间的通讯，例如，经由PWN技术进行，而充电站网关计算机24与电力线通讯模块PLC 26之间的通讯，例如，经由以太网协议进行。 

整合数字监测及保护装置50的基本结构相关于第4图被说明。装置50包含分析装置52，在其输入施加传感器31、32的输出信号当作电信号，尤其是相电流及相电压。所述传感器31、32可以例如是相同组件，其亦可形成相关于第2图所描述的能量计量器的输入信号。 

电输入值在分析电路52内相关其振幅及时间特征曲线被进一步处理，且与储存在分析电路52内或在别处预定的参数做比较。因此，利用指定参数，触发标准被定义，在分析电路52的输出达到该触发标准之后，控制信号被输出。因此负载电路被切换，即，先前切断的切换为接通，或先前接通的切换为切断。 

以下部分描述可藉下述的此设计来实施的功能： 

利用传感器31、32，充电电路中的电流或电压的时间特征曲线可被检测及分析。由于持续检测，所述信号及它们的分析结果也可提供为定期文件。此外，传感器31、32的输出信号还可经由适合的接口供该充电电路的其它组件使用。相关于第2图所说明的关于能量计量器16的应用仅为多种可能中的一种。 

若最大容许振幅值在电流轨迹中被超过，切换装置54被控制以导致切换关闭程序，使能获得过剩电流保护，例如，在短路情况下。除此之外，切换装置54的安全切换还可利用电流或电压检测而被检 测及监测。 

由分析电路52预定的参数中的参数可以是一特定熔断特征曲线，用以模拟特定电流-时间特征曲线。所欲的电流-时间特征曲线可利用该特征曲线的数字仿真而在大范围内变化。此允许过剩电流保护调整至特定的可指定的触发特征曲线值。尤其是，可使先前储存的安全特征曲线被提供，在每一种情况下，对应用而言为适当的一者可从中选出。例如，与充电缆线的特定插头匹配的特征曲线可被加以使用。因此，例如，可利用插头表面、或利用配置在出现的插头或监测线芯与中性导体之间的插头中的电阻器，以确认插头或充电缆线的最大充电电流水平。利用此信息，各自的安全特征曲线亦可被匹配。相对于响应特征曲线不能参数化的被动传输线保护开关的已知功能，此方法产生更大程度的灵活性。在功能视角上，响应特征曲线的适当的参数化使在熔断条件下的周围温度效应能够得到补偿。此应防止装置仅由于上升的周围温度效应而无一故障实际存在下被触发。熔断器的触发特征曲线亦可在运作期间修改，例如，由于已连接缆线的分析的结果中发现的信息或由于对网络及/或安装瓶颈的发现。 

数字分析装置52亦可利用适当的电流信号分析及相对应的差异形成来检测充电电路中的故障电流，且利用控制切换装置54，其可使该装置关闭。此可包括对AC故障电流及DC故障电流的分析，这意味着对应于A型及B型FI开关的特征曲线可被模拟。此处尤其重要的是若发生检出故障电流(AC或DC)，切换装置54可能永久性切断且仅在再启动充电站网关计算机之后再次切换至作用模式。在此情况下，再启动例程可改造以适应此功能。这也意味着安全规程，诸如适用于德国的安全规程也可被实施，该规则始终需要切换故障电流保护开关以使其独立于电源电压而工作。 

作为另一显著的安全功能，可使如果发生电源供应故障时，则切换装置被强制断开。此亦保护了FI开关的功能。 

而且，依据本发明的示范性实施例，FI开关功能的自动测试功能可被提供。在此组态中，监测及保护装置50可被强制仿真故障电流。此可例如利用以受控方式连接在相位或另导体与保护导体之间的 电阻器而实现，于是FI开关的继电器被驱动(且若需要的话不被触发)，且藉此控制信号由外部检测，从而功能被判定为是正确的。此模拟可针对所有三相分别实施及/或以预指定的时间间隔来实施。相对以往实务的特定优势于是在于此合法及强制性预描述的测试功能由外部装置自动执行，而无需负责人出现在充电站现场。例如，这样的测试流程可在每一充电流程完成之后进行。 

由于先前描述的解决方案，充电站中的组件及布线需求在相当大程度上减少，因为任何双功能性，诸如在使用单独的安全组件时不可避免者，实际上被避免。 

此组态提供相当大的优势，尤其是对于针对电动车辆且能量供应仅供给消费者的充电站中所存在的此类应用。由于与减少的组件需求相关联的高度灵活性，安全需求与消费者的特定需求的最佳化匹配被获得。