ЗАЩИЩЕННАЯ БОРТОВАЯ СИСТЕМА ЗАРЯДКИ БАТАРЕИ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ОТ СЕТИ ПИТАНИЯ
SECURED BOARD SYSTEM OF CHARGING VEHICLE BATTERY FROM POWER SUPPLY

Изобретение касается безопасности пользователя бортового устройства зарядки батареи автотранспортного средства и, в частности, оценки качества заземления сети питания, подключенной к устройству зарядки батареи автотранспортного средства.
Во время зарядки батареи электрического автотранспортного средства от сети питания к батарее автотранспортного средства проходят токи большой величины. Чтобы можно было правильно заряжать автотранспортное средство, эти токи делятся с учетом требований сети питания.
Деление электрических токов приводит к появлению токов утечки, которые необходимо удалять через заземление сети питания. Это заземление соединено с корпусом автотранспортного средства и таким образом отводит все паразитные токи.
Чтобы обеспечить полную безопасность при зарядке, необходимо убедиться, что заземление сделано качественно, то есть что эквивалентное сопротивление заземления меньше сопротивления человека, касающегося корпуса автотранспортного средства. Без наличия такого заземления может появиться феномен тока касания. Если человек коснется корпуса автотранспортного средства, то его тело будет служить проводником между зарядным устройством и землей, и таким образом через него пойдут все токи утечки, которые без дополнительного контрольного устройства станут потенциально опасными.
Некачественное заземление, то есть заземление, имеющее сопротивление, эквивалентное сопротивлению человеческого тела, также позволяет части токов утечки проходить через тело человека. Действительно, если человек коснулся корпуса автотранспортного средства во время зарядки, токи утечки получат два параллельных пути с одинаковым сопротивлением, и таким образом половина токов утечки могут пойти на землю через человека.
Чтобы избежать возможности любого появления тока касания, необходимо убедиться перед началом зарядки автотранспортного средства, что значение сопротивления заземления ниже определенного порога.
Для оценки сопротивления между землей и нулем сети питания можно вводить импульсы тока непосредственно на заземление с замыканием на ноль сети и замерять напряжение между нулем и землей.
В идеале подаваемый на заземление ток измеряется так же, как и напряжение, которое является отображением вводимого тока в соответствии с законом Ома. Таким образом, значение сопротивления получают, разделив измеренное значение напряжения на измеренный ток.
К сожалению, таким простым способом нельзя получить правильные результаты, так как напряжение между нулем и землей подвержено сильному искажению. Действительно, как это уже упоминалось выше, любое электрическое устройство в большей или меньшей степени вырабатывает токи утечки. Эти токи, уходя через заземление, также будут искажать измерение напряжения между нулем и землей.
Например, на стоянке, где парковочные места оборудованы штепсельными розетками для подзарядки батареи, оценку сопротивления производят в месте, чрезвычайно насыщенном помехами от зарядных устройств, работающих на соседних стояночных местах. К этим токам помех добавляются дефекты, связанные с сетью питания, которые вызывают временное изменение напряжения между нулем и землей.
Некоторые данные известны для всего комплекса этих помех. При низких частотах, а именно для частот ниже 1 кГц, эти помехи вырабатываются на гармониках сети питания, к примеру 50 Гц, 100 Гц и т.д., и имеют максимальную амплитуду 7 В для эффективного напряжения и 6,6 мА для токов. Эти уровни помех определяются нормами EDF (Государственное электроэнергетическое управление Франции).
Для высоких частот нормы EDF предусматривают амплитуды токов помех, постоянно изменяющиеся в пределах от 6,6 мА на 1,5 кГц до 66 мА на 15 кГц, при этом амплитуда тока остается в значении 66 мА до 150 кГц.
Наконец, последнее требование связано с тем, что не всякий ток можно направлять на землю. Тем более, нельзя отключать сеть, к которой подключена цепь. Следовательно, нельзя подавать импульсы с большой амплитудой и/или большой продолжительности.
Таким образом, стоит задача, несмотря на все источники погрешностей, рассчитать сопротивление заземления, соблюдая требования, обусловленные необходимостью установки бортовой системы на автотранспортное средство, процессоры которого работают на максимальной частоте 10 кГц.
В продаже имеются приборы, осуществляющие расчет сопротивления заземления. Эти приборы имеют вычислительную мощность намного выше той, которая имеется на автотранспортном средстве, но стоят слишком дорого, чтобы рассматривать возможность их установки на каждое автотранспортное средство.
К тому же, эти приборы созданы не для того, чтобы обеспечивать безопасность человека. В действительности они созданы лишь для того, чтобы выдавать информацию о величине сопротивления заземления.
В патентной заявке CN 201508392 описан способ измерения сопротивления заземления, позволяющий подавлять только одну частоту в напряжении ноль-земля. Однако помехи, создаваемые другими гармониками, не подавляются и продолжают мешать измерению напряжения земля-ноль и, как следствие, определению сопротивления земли.
В патентной заявке ЕР 1482317 описан способ подачи тока большой амплитуды с целью улучшения отношения сигнала к шуму при измерении напряжения земля-ноль. Однако этот способ требует наличия соответствующей окружающей среды, способной выдерживать высокие пики тока в заземлении, и может быть использован только на заводе, где защитные устройства выдерживают токи утечки в десятки тысяч раз большие, чем защитные устройства домашней сети, которые обычно срабатывают при токе, превышающем 33 мА.
В патентной заявке ЕР 642027 описан способ, базирующийся на подаче напряжения между землей и нулем. Однако применение такого способа требует наличия системы намного большей мощности для установки на автотранспортном средстве и для подачи напряжения в сеть.
Задачей изобретения является устранение этих недостатков с помощью бортовой системы автотранспортного средства, используя способ оценки сопротивления заземления на борту, позволяющий фильтровать помехи, вызванные сетью питания.
Одним из объектов изобретения, согласно варианту реализации, является защищенная система зарядки батареи автотранспортного средства от сети питания. Установленная на автотранспортном средстве система включает в себя средства измерения частоты сети питания, средства подачи импульсов тока в сеть питания, средства измерения напряжения между землей и нулем сети питания, аналоговый фильтр для фильтрации на высоких частотах измеряемых напряжений, цифровой фильтр для фильтрации на низких частотах напряжений, отфильтрованных аналоговым фильтром, и средства определения сопротивления между землей и нулем сети питания на основании напряжений, прошедших через цифровые фильтры, и амплитуды импульсов тока.
В соответствии с общим признаком изобретения цифровой фильтр содержит усредняющий фильтр, определяющий среднее значение по N измерениям напряжения, производимым через временные интервалы Т+T/N, где Т - период сети питания, определенный средствами измерения частоты сети питания.
Таким образом, при обычной сети питания на 50 Гц и среднем значении, полученном по 40 измерениям, усредняющий фильтр определит среднее значение по 40 измерениям напряжения, выполненным с интервалом в 20,5 мс между двумя измерениями.
Высокие частоты содержат частоты, превышающие 2 кГц, а именно частоты, превышающие 5 кГц. Низкие частоты содержат частоты менее 5 кГц, а именно частоты, находящиеся в пределах между 50 Гц и 2 кГц.
В случае сети питания с частотой 60 Гц и при среднем значении, полученном по 40 измерениям напряжения, измерения должны быть разделены временным интервалом 17,1 мс с округлением до 0,1 мс (Т=16,7 мс).
Предпочтительно, аналоговый фильтр является аналоговым фильтром второго порядка с частотой отсечки, находящейся между 800 Гц и 1,2 кГц и предпочтительно равной 1 кГц, и с коэффициентом затухания, находящимся между 0,6 и 0,8 и предпочтительно равным 0,7, с тем, чтобы получить величину затухания -20 дБ при частоте 3 кГц.
Выбор аналогового фильтра, имеющего такие характеристики, позволяет максимально уменьшить длительность импульсов тока, подаваемых в сеть питания для осуществления измерений. Уменьшение длительности импульсов тока позволяет увеличить амплитуду импульсов тока и таким образом улучшить соотношение сигнал / шум.
Предпочтительно, учитывая полосу пропускания аналогового фильтра, для того, чтобы измеренное напряжение являлось отображением тока подаваемых импульсов, то есть для учета времени ответа аналогового фильтра, импульсы тока имеют продолжительность, как минимум превышающую 0,8 мс, предпочтительно равную 1 мс, и максимальную амплитуду, находящуюся между 18 и 22 мА и предпочтительно равную 20 мА.
Защищенная бортовая система предпочтительно включает в себя средства управления защитой, выполненные с возможностью активировать зарядку батареи от сети питания только при условии, если величина измеренного сопротивления заземления ниже порога активации.
Таким образом, если заземление сети питания имеет сопротивление, превышающее порог активации, то есть сопротивление, являющееся, по меньшей мере, эквивалентным сопротивлению человеческого тела, сеть питания не подключается к батарее автотранспортного средства и зарядка не начинается. Это позволяет избежать риска появления тока касания.
В этом случае порог активации может, как правило, соответствовать сопротивлению, заключенному между 20 и 600 Ом и предпочтительно равному 200 Ом.
Другим объектом изобретения, согласно варианту осуществления, является способ защищенной зарядки батареи автотранспортного средства от сети питания с оценкой сопротивления между землей и нулем сети питания, согласно которому измеряют частоту сети питания, подают импульсы тока в сеть питания, производят измерения напряжения между землей и нулем сети питания в ответ на каждый импульс, на высоких частотах производят аналоговую фильтрацию измеренных напряжений, на низких частотах производят цифровую фильтрацию напряжений, отфильтрованных аналоговыми фильтрами, и определяют сопротивление между землей и нулем по напряжениям, полученным после цифровой фильтрации, и по амплитуде импульсов тока.
В соответствии с общим признаком цифровая фильтрация включает в себя определение среднего значения по N измерениям напряжения, разделенным временным интервалом Т+Т/N, где Т - период сети питания, определенный на основании измерения частоты сети питания.
Предпочтительно, аналоговая фильтрация включает в себя фильтрацию второго порядка с частотой отсечки, находящейся между 800 Гц и 1,2 кГц, предпочтительно равной 1 кГц, и с коэффициентом затухания, находящимся между 0,6 и 0,8, предпочтительно равным 0,7.
Предпочтительно импульсы тока имеют продолжительность, превышающую 0,8 мс и предпочтительно равную 1 мс, и максимальную амплитуду, находящуюся между 18 и 22 мА и предпочтительно равную 20 мА.
Предпочтительно продолжительность импульсов тока, направленных в сеть питания, соответствует, по меньшей мере, периоду сети питания.
Предпочтительно можно выполнить N=40 измерений напряжения между землей и нулем, чтобы подавить первые 39 гармоник сети питания.
Предпочтительно сеть питания подключают к батарее только в случае, если измеренное сопротивление земли ниже порога активации.
О других преимуществах и характеристиках изобретения можно узнать при рассмотрении детального описания варианта его реализации и варианта его применения, которые не носят ограничительного характера, и прилагаемых чертежей, на которых:
фиг. 1 - схема защищенной бортовой системы зарядки батареи автотранспортного средства в соответствии с вариантом реализации;
фиг. 2 - блок-схема способа измерения сопротивления заземления сети питания в соответствии с вариантом его применения;
фиг. 3 - две диаграммы Боде амплитуды и фазы, иллюстрирующие работу двух фильтров системы, показанной на фигуре 1.
На фиг. 1 изображена защищенная система 1 в соответствии с вариантом реализации изобретения. Защищенная система 1 размещена на автотранспортном средстве и предназначена для подключения между сетью питания 2 и батареей 3 автотранспортного средства во время зарядки батареи.
Система 1 содержит средства 4 измерения частоты сети питания 2 и средства 5 подачи импульсов тока в сеть питания 2. Средства 4 измерения частоты подключены к средствам 5 подачи импульсов тока таким образом, чтобы выдавать значение частоты сети питания 2 на средства 5 подачи импульсов тока. Средства 5 подачи импульсов тока устанавливают минимальную продолжительность импульсов для периода Т сигнала сети питания 2. Для сети питания от 2 до 50 Гц минимальная продолжительность импульсов тока будет 1 мс.
Система 1 содержит также средства измерения 6 напряжения между землей и нулем сети питания 2, которые измеряют напряжение в ответ на каждый импульс тока, подаваемого на землю и возвращающегося обратно через ноль сети питания 2.
Процессоры автотранспортного средства работают на максимальной частоте 10 кГц. В соответствии с теоремой Шеннона известно, что с помощью цифрового фильтра абсолютно невозможно фильтровать помехи, вызванные частотами, превышающими 5кГц. Для того чтобы можно было избавиться от высокочастотных помех при измерениях напряжения, система 1 содержит аналоговый фильтр 7, подключенный на выходе средств измерения 6 напряжения.
Аналоговый фильтр 7, используемый в этом варианте реализации, является аналоговым фильтром второго порядка с частотой отсечки 1 кГц и с коэффициентом затухания 0,7 для достижения величины затухания -20 дБ при частоте 3 кГц. Предпочтительно используют фильтр, обладающий именно такими характеристиками, а не какой-либо другой аналоговый фильтр, так как он позволяет максимально уменьшить продолжительность импульсов тока и таким образом, позволяет увеличить амплитуду подаваемых импульсов тока.
Система 1 содержит цифровой фильтр 8, связанный с выходом аналогового фильтра 7. Цифровой фильтр 8 позволяет устранить помехи, вызванные гармониками сети питания 2 между 50 Гц и 2 кГц. Свыше 2 кГц помехи успешно подавляются аналоговым фильтром.
Для того чтобы измеренное напряжение отображало ток подаваемых импульсов, с учетом полосы пропускания аналогового фильтра, желательно, чтобы минимальная продолжительность подаваемых импульсов тока соответствовала, по крайней мере, времени реакции аналогового фильтра для того, чтобы фильтрация на высоких частотах была эффективна. Для этого продолжительность подаваемых импульсов должна, по крайней мере, соответствовать периоду сигнала сети питания 2. Таким образом, для сети питания 3 с частотой 50 Гц минимальная продолжительность подаваемых импульсов тока должна быть равна 1 мс.
Более длительная продолжительность импульса тока заставит уменьшать амплитуду импульсов тока, чтобы избежать размыкания системы. Кроме того, важно подавать импульсы как можно большей амплитуды, так как они вырабатывают в ответ более сильные напряжения и, следовательно, более заметные по отношению к помехам.
В случае сети питания 2 с частотой 50 Гц для импульса в 1 мс амплитуда импульсов тока должна быть не более 20 мА, чтобы избежать риска отключения системы. Импульс в 20 мА при сопротивлении 50 Ом создаст напряжение в 1 В, которое затеряется в помехах 50 В (сумма помех на гармониках сети питания). Значит, необходимо максимально подавить цифровым способом гармоники сети питания 2.
Для этого цифровой фильтр 8 содержит усредняющий фильтр, который дает возможность подавлять до бесконечной величины заданные частоты. Например, зарегистрировать две точки, разделенные 10 мс, и получить усредненное значение, которое позволит полностью подавить 50 Гц.
Цифровой фильтр подключен к средствам 4 измерения частоты сети питания 2 для получения информации относительно электрического периода Т сети питания 2.
Зарегистрировав сорок точек замеров напряжения, равномерно распределенных на 20 мс электрического периода, можно подавлять до 39-й гармоники сети, то есть до частоты 1950 Гц в сети питания 2, работающей на 50 Гц.
Однако, имея амплитуду импульса 20 мА, невозможно подавать импульсы в 1 мс с промежутком в 500 мкс. Для того чтобы все-таки получить эту усредненную величину, система выполняет измерения, сдвигаясь при каждом новом измерении на электрический период Т сигнала сети питания 2 дополнительно к измерительному сдвигу d, равному d=T/N, где N - число измерений, выполняемых за электрический период Т сигнала.
Таким образом, в случае сети питания 50 Гц и среднего значения, получаемого за 40 измерений, первое измерение будет выполнено при t=0, а второе при t=20,5 мс, то есть с интервалом, соответствующим результату сложения величины электрического периода Т=1/50=20 мс с величиной измерительного сдвига d=20/40=0,5 мс. Это второе измерение будет идентично измерению, выполненному всего лишь через 500 мкс после первого, так как сигнал помех является периодичным с периодом Т=20 мс.
Выполняя таким образом сорок измерений напряжения в конце импульса с интервалом 20,5 мс и вычисляя среднее значение измеренных напряжений, полученных в результате этих сорока измерений, цифровой фильтр 8 подавляет помехи в гармониках сети и позволяет найти постоянную составляющую, вызванную импульсами тока, подаваемыми на сеть питания 2.
Среднее значение напряжения, полученное в результате цифровой фильтрации, подается на средства определения 9 сопротивления между землей и нулем сети питания 2. Значение сопротивления земли определяют путем деления указанного среднего напряжения на амплитуду импульсов тока, подаваемых в сеть питания 2.
Система 1 содержит средства управления защитой 10, подключенные на входе к средствам определения 9 и на выходе к батарее 3 автотранспортного средства. Если полученная величина сопротивления земли ниже пороговой величины 500 Ом, происходит подключение к батарее 3 автотранспортного средства, и зарядка может начинаться. В противном случае батарея 3 электрически не подключается к сети питания 2, и зарядка не происходит.
На фиг. 2 представлена блок-схема способа оценки сопротивления между землей и нулем сети питания, используемого при зарядке батареи автотранспортного средства в соответствии с вариантом его применения.
На первом этапе 210 измеряют частоту сети питания 2, подключенной к автотранспортному средству для подзарядки батареи 3 автотранспортного средства.
На следующем этапе 220 в сеть питания 2 направляют импульсы тока. Продолжительность импульсов зависит от выбранного аналогового фильтра 7, который, в свою очередь, зависит от периода сети питания 2.
Затем, на этапе 230 выполняют измерения напряжения между землей и нулем сети питания 2 после каждого из подаваемых импульсов тока.
На следующем этапе 240 проводят аналоговую фильтрацию на высоких частотах каждого измеренного напряжения.
Затем на этапе 250 получают величину измерения, потом на этапе 260 тестируют число сделанных измерений. Если не удается выполнить при этом 40 измерений, возобновляют измерение, начиная с новой подачи импульса тока на этапе 220 на следующем электрическом периоде Т, сместив при этом на этапе 270 момент измерения на время сдвига d=T/N, или же в случае сети питания 2 на 50 Гц на время сдвига d=0,5 мс.
После выполнения 40-го измерения, на следующем этапе 280 производят цифровую фильтрацию на низких частотах, вычисляют среднее значение сорока измеренных напряжений и, наконец, на этапе 290 определяют сопротивление между землей и нулем, разделив среднее напряжение на амплитуду импульсов тока.
Фиг. 3 представляет на двух диаграммах Боде амплитуду и фазу действия аналогового фильтра пунктирными линиями и цифрового фильтра сплошными линиями для частоты 50 Гц сети питания 2.
Защищенная система 1 адаптирована к условиям автомобиля и позволяет проверить качество заземления внутренней сети перед тем, как начать зарядку батареи автотранспортного средства, на котором размещена указанная система.