ЭЛЕКТРОЗАРЯДНАЯ СТАНЦИЯ

Полезная модель относится к устройствам зарядки батарей от сети переменного тока через преобразователи, в частности к электрозарядной станции для зарядки электромобилей.
Известно электрозарядное устройство (Электрозарядное устройство и метод управления: заявка на изобретение № US 2014180922, Соединенные Штаты Америки, заявл. 20.12.2013, опубл. 26.06.2014). Согласно данному техническому решению предусмотрено главное зарядное устройство, которое управляет множеством подчиненных зарядных устройств, принимает платежную информацию, передает сообщение о подтверждении получения платежа на платежный сервер через внешнюю сеть связи и получает платеж-утверждение через внешнюю сеть связи с платежным сервером. При получении одобрения платежа основное зарядное устройство передает инструкцию для зарядки электромобиля в подчиненное зарядное устройство через внутреннюю сеть связи. При этом главное зарядное устройство оборудовано RFID-ридером, терминалом для приема наличных, терминалом для банковских карт или другими устройствами для обеспечения возможности оплаты.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности использования автоматизированной системы управления для электрозарядного устройства, что обуславливает низкую эффективность и электробезопасность при эксплуатации. При этом в данном устройстве не предусмотрено измерение температуры, а также возможность удаленного мониторинга и статистического сбора данных с электрозарядных станций в процессе работы как по-отдельности с определенного блока, так и в целом с электрозарядной станции, что не позволяет предупредить аварийные ситуации и вовремя их избежать. Кроме того, в вышеприведенном техническом решении отсутствует возможность оперативного удаленного ввода в эксплуатацию электрозарядной станции оператором после устранения причин аварийных ситуаций.
Известна зарядная станция (Система и способ управления и контроля зарядным комплексом электромобилей: патент на изобретение №2608387, Российская Федерация, заявка № RU 2016114190, заявл. 13.04.2016, опубл. 18.01.2017). Согласно изобретению зарядная станция встроена в трансформаторную подстанцию с силовым трансформатором и соединена с блоком промышленного логического контроллера, который осуществляет этапы: а) в режиме реального времени считывает информацию об абсолютных значениях фазных токов в цепи на выходе силового трансформатора; б) на основе которой вычисляет суммарную мощность в цепи на выходе силового трансформатора; в) сравнивает вычисленную суммарную мощность с заранее заданным максимальным значением мощности; г) если при зарядке электромобиля мощность на выходе силового трансформатора превышает заранее заданное максимальное значение мощности, то вычисляет величину снижения мощности, потребляемой электромобилем, необходимую для выполнения условия на превышение заранее заданного максимального значения мощности; д) если при зарядке электромобиля мощность на выходе силового трансформатора не превышает заранее заданное максимальное значение мощности, то повторяет этапы а)-в); е) вычисляет необходимое снижение величины зарядного тока с учетом заранее определенного количества фаз подключения для зарядки электромобиля; ж) передает на зарядную станцию управляющий сигнал о снижении величины зарядного тока.
Недостатком данного технического решения является узконаправленный метод автоматизированного управления током заряда электрозарядной станции в зависимости от загрузки силового трансформатора комплектной трансформаторной подстанции без возможности осуществления мониторинга других технических параметров электрозарядной станции. Например, превышение допустимой температуры внутри электрозарядной станции. Это обуславливает низкую эффективность и электробезопасность при эксплуатации. При этом в данном техническом решении не предусмотрена возможность удаленного мониторинга и статистического сбора данных с электрозарядных станций в процессе работы как по отдельности с определенного блока, так и в целом с электрозарядной станции, что не позволяет предупредить аварийные ситуации и вовремя их избежать. Кроме того, в вышеприведенном техническом решении отсутствует возможность оперативного удаленного ввода в эксплуатацию электрозарядной станции оператором после устранения причин аварийных ситуаций.
Известна зарядная станция для электротранспорта (Зарядная станция для электротранспорта: патент на полезную модель №130459, Российская Федерация, заявка № RU 2012153817, заявл. 13.12.2012, опубл. 20.07.2013). В корпусе зарядной станции расположены связанные между собой исполнительный модуль (устройство управления процессом заряда), соединенный с розеткой для подключения зарядного кабеля электротранспорта (зарядный разъем), смонтированной на внешней поверхности корпуса, управляющий модуль (программируемый логический контроллер), средство для определения факта подключения зарядного кабеля, приемо-передающий модуль (модуль связи), устройство защитного отключения подачи электричества, датчики перемещения и наклона корпуса станции, светодиодный модуль внешней индикации состояния станции, автоматические выключатели для защиты от перегрузок и коротких замыканий, счетчик электроэнергии, предназначенный для измерения показателей электроэнергии, источник автономного питания.
Недостатком данного технического решения является узконаправленный метод автоматизированного управления током заряда электрозарядной станции в зависимости от обнаружения утечки электропроводки без возможности осуществления мониторинга других технических параметров электрозарядной станции. Например, превышение допустимой температуры внутри электрозарядной станции. Это обуславливает низкую эффективность и электробезопасность при эксплуатации. При этом в данном техническом решении не предусмотрена возможность удаленного мониторинга и статистического сбора данных с электрозарядных станций в процессе работы как по отдельности с определенного блока, так и в целом с электрозарядной станции, что не позволяет предупредить аварийные ситуации и вовремя их избежать. Кроме того, в вышеприведенном техническом решении отсутствует возможность оперативного удаленного ввода в эксплуатацию электрозарядной станции оператором после устранения причин аварийных ситуаций.
Технической проблемой является необходимость разработки электрозарядной станции с высокой эффективностью и электробезопасностью, пригодной для использования в рамках автоматизированной системы управления.
Техническим результатом является повышение эффективности предупреждения аварийных ситуаций на электрозарядных станциях, связанных с критической температурой.
Технический результат достигается тем, что в электрозарядной станции, включающей корпус, а также установленные внутри него программируемый логический контроллер, а также устройство управления процессом заряда электромобиля, устройство защитного отключения, датчик угла наклона и модуль связи, соединенные с программируемым логическим контроллером, при этом снаружи корпуса расположен зарядный разъем и модуль внешней индикации, соединенные с устройством управления процессом заряда электромобиля, согласно полезной модели снаружи корпуса расположен внешний датчик температуры воздуха и бесконтактный терминал оплаты, соединенные с программируемым логическим контроллером, а внутри корпуса расположен внутренний датчик температуры воздуха, соединенный с программируемым логическим контроллером.
Оснащение электрозарядной станции внешним датчиком температуры позволяет контролировать температуру снаружи электрозарядной станции. В случае, если температура снаружи электрозарядной станции выходит из диапазона допустимых значений, электрозарядная станция переходит в аварийный режим и переводит приборы электрозарядной станции в режим ожидания и отключает возможность зарядки, до того момента пока температура не вернется в заданный диапазон. При этом контроллер отправляет на удаленный центральный сервер значения температуры и, при превышении диапазонов температур, сообщение, сигнализирующее аварийный режим работы оператору-инженеру. Это необходимо для исключения возможности возникновения неисправностей аппаратуры, связанных с критической температурой.
Оснащение электрозарядной станции внутренним датчиком температуры позволяет контролировать температуру внутри электрозарядной станции. В случае если температура внутри электрозарядной станции выходит из диапазона допустимых значений, электрозарядная станция переходит в аварийный режим и отключает возможность зарядки, либо ограничивает величину зарядного тока до момента, пока температура не вернется в заданный диапазон. При этом контроллер отправляет на удаленный центральный сервер значения температуры и, при превышении диапазонов температур, сообщение, сигнализирующее аварийный режим работы оператору-инженеру. Это необходимо для исключения возможности возникновения неисправностей аппаратуры, связанных с критической температурой.
Установка внутри корпуса электрозарядной станции датчика угла наклона позволяет контролировать положение электрозарядной станции и, в случае изменения положения, вызванного природными катаклизмами или приступными действиями третьих лиц, электрозарядная станция переходит в аварийный режим, при котором контроллер отключает электропитание во избежание поражения человека электрическим током, а также отправляет срочное сообщение о чрезвычайной ситуации на удаленный центральный сервер оператору-инженеру. Это минимизирует риск порчи аппаратуры электрозарядной станции, вызванный механическими повреждениями проводки и других узлов электрозарядной станции. В некоторых вариантах реализации устройства датчик угла наклона устанавливается совместно с датчиком вибрации для большей эффективности предупреждения изменения положения электрозарядной станции.
Расположение внутри, либо снаружи корпуса электрозарядной станции автоматических выключателей на вводной кабельной линии необходимо для дублирующей защиты токопроводящих линий от токов короткого замыкания и устройство защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода, которые защитят от токов утечки.
В результате комплексное измерение параметров температуры и угла наклона может предотвратить аварийные ситуации заранее, либо перевести электрозарядную станцию в аварийный режим, оповестив об этом оператора-инженера централизованной сети. Кроме того, все измеренные параметры электрической сети дублируются по средствам беспроводной связи на центральный сервер.
Оснащение электрозарядной станции модулем связи, необходимо для соединения электрозарядных станций с центральным сервером через защищенный канал связи, включающий криптографический протокол, использующий симметричное шифрование. Это исключает возможности подключения третьих лиц к управлению электрозарядными станциями, а также предупреждения совершения неправомерных действий, создающих опасность для жизни и здоровья человека, либо сопровождающихся значительным имущественным ущербом.
Оснащение электрозарядной станции бесконтактным терминалом оплаты, который представляет собой компактное вендинговое решение для безналичной оплаты товаров и услуг, который в свою очередь оснащен цветным графическим дисплеем, позволяющим осуществлять вывод информационных сообщений режимов работы электрозарядных станций, в том числе и аварийных, а так же вывод динамической статистики в реальном времени, для информирования пользователя электрозарядной станции. Терминал поддерживает работу со всеми типами банковских бесконтактных карт (МИР, MasterCard PayPass, VISA PayWave и т.д.), MIFARE картами и мобильных систем оплаты основанных на NFC технологиях (PayPal, Google Pay, Apple Pay, Android Pay, Samsung Pay и т.д.) с выгрузкой электронных чеков. Необходимо для упрощения использования электрозарядной станцией имея при себе только повседневную бесконтактную банковскую карту, либо мобильный смартфон с NFC чипом, с приложением мобильной системы оплаты.
Оснащение электрозарядной станции программируемым (промышленным) логическим контроллером необходимо для объединения всех компонентов системы в автоматизированную систему управления, а также для автономного управления электрозарядной станцией без серьезного обслуживания и практически без вмешательства человека. При этом посредством модуля связи осуществляется передача на удаленный сервер централизованной системы статистических данных по всем параметрам электрозарядной станции, для удаленного управления и мониторинга оператором, пример (SCADA системы, Веб-интерфейс).
Оснащение устройством управления процессом заряда электрозарядной станции, которое представляет собой контроллер с необходимым и достаточным набором функций и операций, необходимо для обеспечения подключения электромобиля к электрозарядной станции.
В совокупности вышеприведенные модификации повышают эффективность предупреждения аварийных ситуаций на электрозарядных станциях и безопасность использования электрозарядной станции.
Заявленная электрозарядная станция представлена на Фиг. 1 - блок-схема устройства и Фиг. 2 - электрозарядная станция, общий вид.
Электрозарядная станция включает металлический антивандальный корпус 1 с полимерным покрытием и открывающейся дверцей. Внутри корпуса 1 расположен программируемый логический контроллер 2, представляющий собой ЭВМ и выполняющий функцию основного контроллера (в режиме мастер) электрозарядной станции. Контроллер 2 соединен с сетью питания. Электрозарядная станция также включает устройство управления процессом заряда электромобиля (в режиме слейв) 3, устройство защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода 4, датчик угла наклона 5, зарядный разъем 6, модуль внешней индикации 7, модуль связи (режим слейв) 8, внешний датчик температуры воздуха 9 и внутренний датчик температуры воздуха 10. Электростанция соединена с центральным сервером с помощью модуля связи 8 через защищенный беспроводной канал связи, включающий криптографический протокол, использующий симметричное шифрование, в частности, протокол SSL (Что такое SSL? [Электронный ресурс] / Джи-Эм-O Глобал Сайн. URL: https://www.globalsign.com/ru-ru/informatsionny-centr-ssl/chto-takoe-ssl.html (дата обращения: 09.06.2018). Устройство управления процессом заряда электромобиля 3 расположено внутри корпуса 1, соединено с контроллером 2 и представляет собой модуль с необходимым и достаточным набором функций и операций, для обеспечения подключения электромобиля к электрозарядной станции. Устройство защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода 4 расположено внутри корпуса 1 электрозарядной станции, соединено с контроллером 2 и представляет собой контактное коммутационное устройство для включения, проведения электрических токов при нормальных условиях эксплуатации и отключения, размыкания контактов, когда дифференциальный ток достигает заданного значения при установленных условиях, а с помощью привода дистанционного автовзвода может быть взведено в положение «включен», автоматически, либо удаленно оператором-инженером после выявления и устранения неисправности. Датчик угла наклона 5 расположен внутри корпуса 1 электрозарядной станции и соединен с контроллером 2. Зарядный разъем 6 расположен с наружной стороны корпуса 1 и соединен с устройством управления процессом заряда электромобиля 3, а так же с силовой электрической частью сети. В предпочтительном варианте реализации полезной модели в качестве зарядного разъема 6 использован разъем «Меннекес» из синтетических полимеров. Модуль внешней индикации 7 расположен снаружи корпуса 1 над каждым зарядным разъемом 6, если их в электрозарядной станции больше чем один, соединен с устройством управления процессом заряда электромобиля 3, который соединен с контроллером 2, и представляет собой отображающее устройство, например, светодиодный индикатор. Модуль связи 8 расположен внутри корпуса 1, соединен с контроллером 2 и выполнен в виде GSM-модема с выносной антенной. Внешний датчик температуры воздуха 9 расположен снаружи корпуса 1 и соединен с контроллером 2. Внутренний датчик температуры воздуха 10 расположен внутри корпуса 1 и соединен с контроллером 2, а также автоматический выключатель на вводной кабельной линии 11 и бесконтактный терминал оплаты 12.
Заявленное устройство работает следующим образом.
После установки и ручного введения электрозарядной станции в эксплуатацию, оператор-инженер (суперпользователь) с помощью персонального компьютера под своим именем пользователя и паролем добавляет электрозарядную станцую в общую сеть с центральным сервером. При этом центральный сервер формирует защищенный беспроводной канал связи, включающий криптографический протокол, использующий симметричное шифрование и организовывает постоянный обмен данными с контроллером 2 электрозарядной станции через модуль связи 8. В то же время контроллер 2 ведет постоянный мониторинг параметров состояния электрозарядной станции и отправляет результаты измерений на центральный сервер, а на модуле внешней индикации 7 отражается информация о том, что электрозарядная станция находится в режиме ожидания, если подключенных пользователей нет, в режиме готовности, если пользователь подключен, но не прошел идентификацию, либо в режиме зарядки, в том случае, если пользователь прошел идентификацию и заряжает электромобиль. Так же отображает режим аварии, если сработал хотя бы один из датчиков, аппаратов защиты или реле в устройстве. Модуль внешней индикации 7 так же показывает состояния режимов работы электрозарядной станции (режим ожидания/режим готовности/режим заряда/режим авария) установленный над каждым зарядным разъемом 6, если их больше чем один, трех цветный (красный/зеленый/синий), либо четырех цветный (красный/зеленый/синий/оранжевый), светодиодный индикатор. Режим аварии или режим ошибки сигнализируется модулем внешней индикации 7, если на стороне пользователя возникают следующие неполадки: кабельная сборка, с помощью которой подключается пользователь к электрозарядной станции, не рассчитана на прием большой мощности от электрозарядной станции, или в кабельной сборке произошла утечка тока, либо контрольные данные по управляющим проводникам CP и РР не могут быть прочитаны с электромобиля, устройством управления процессом заряда электромобиля 3, либо сигнал с зарядного устройства электромобиля не соответствует определенному стандарту впоследствии названный «неизвестный сигнал». Режимы таких ошибок описаны в определенных стандартах и за проверку данных параметров или режимов отвечает устройством управления процессом заряда электромобиля 3. Которое так же все состояния дублирует оператору-инженеру (пользователю) на удаленный сервер, через контроллер 2 и модуль связи 8 и на экран бесконтактного терминала оплаты 12. Так же бесконтактный терминал оплаты 12 соединенный с контроллером 2, в режиме заряда выводит на жидкокристаллический экран основные параметры сети, информацию о тарифах, время заряда и тому подобное для информирования пользователя. Аналогично информация с терминала дублируется и передается оператору-инженеру (пользователю), который имеет ограниченные права доступа к системе. В этом случае может только проводить мониторинг и частично управлять системой электрозарядных станций удаленно. Контроллер 2 в режиме реального времени получает данные о положении «включен», либо «выключен» от устройства защитного отключения с приводом дистанционного автовзвода 4, данные о температуре снаружи корпуса 1 от внешнего датчика температуры воздуха 9, данные о температуре воздуха внутри корпуса 1 от внутреннего датчика температуры воздуха 10 и данные о положении корпуса 1 от датчика угла наклона 5. В случае несоответствия одного из параметров состояния электрозарядной станции диапазону допустимых значений, контроллер 2 переводит электрозарядную станцию в аварийный режим, блокирует подачу тока на зарядный разъем 6 с помощью устройства управления процессом заряда электромобиля 3, при этом на экране бесконтактного терминала оплаты 12 выведется сообщение по какой причине возникла аварийная ситуация, а модуль внешней светодиодной индикации 7 изменит цвет на цвет «аварийного режима», так же контроллер 2 с помощью модуля связи 8 отправляет срочное сообщение на центральный сервер об аварии. При этом контроллер 2 продолжает осуществлять постоянный мониторинг параметров состояния электрозарядной станции и отправлять результаты измерений на центральный сервер. Оператор-инженер (пользователь) на центральном сервере, получив срочное сообщение о переводе электрозарядной станции в аварийный режим, анализирует результаты измерений параметров состояния и принимает решения об отправке ремонтной бригады к электрозарядной станции. В случае если все параметры состояния вернулись в допустимые диапазоны значения (например, понизилась до приемлемого значения температура внутри корпуса), оператор на центральном сервере может удаленно ввести электрозарядную станцию в эксплуатацию, переведя из аварийного режима в режим готовности. Оператор-инженер (суперпользователь) обладающий полным правом доступа к системе имеет возможность удаленно на определенной электрозарядной станции в любое время (установленной в любой течке мира, где есть непосредственная связь по GSM сетям) изменять параметры уставок рабочих диапазонов датчиков, то есть настроить под любые погодные условия на любой оптимальный режим работы, при которых электрозарядная станция будет максимально эффективна и безопасна для полноценной безаварийной работы и эксплуатации. Так же оператор-инженер (суперпользователь) обладающий полным правом доступа к системе имеет возможность удаленно на бесконтактном терминале оплаты 12 любой электрозарядной станции централизованной сети установить тарифы за пользование услугами электрозарядной станции.
Заявленная электрозарядная станция поясняется примером
Проводились стендовые испытания двух образцов электрозарядных станций для сравнительного исследования надежности, безопасности и эффективности при превышении значений допустимой температуры.
Образец 1 представляет собой техническое решение по прототипу, а именно электрозарядную станцию соединенную с центральным сервером беспроводной связью, при этом внутри корпуса электрозарядной станции установлен программируемый логический контроллер (Schneider-Electric, TM172PDG42R ПЛК M172, дисплей, 42 I/O, Eth, Франция), а также устройство управления процессом заряда электромобиля (Schneider-Electric, EVSE, Франция - подробностей у устройства управления зарядом нет), устройство защитного отключения (Schneider-Electric, EZ9R34440 EASY9 SE, Франция), датчик перемещения и угла наклона (Группа компаний «Грант», ДУН-02.01, Россия) и модуль связи (GSM-модем), соединенные с контроллером, при этом снаружи корпуса каждой электрозарядной станции расположен зарядный разъем (Туре 2 «Mennekes») и модуль внешней индикации (LED-индикация), соединенные с контроллером, так же по мимо всего остального в электрозарядной станции имеется контактор двухпозиционный, предназначенный для частых дистанционных включений и выключений силовых электрических цепей в нормальном режиме работы (Schneider-Electric, Tesys Е LC1E3210M5 SE, Франция).
Образец 2 представляет собой заявленную электрозарядную станцию, в основу которой были положены следующие конструктивные особенности. Образец 2 содержит датчики температуры воздуха (ОВЕН, ДТС125М.И, Россия), установленные в верхней части внутренней и внешней поверхности корпуса, датчик вибрации (HansfordSensors, HS-420 серии, Великобритания), установленный в верхней части внутренней поверхности корпуса. Остальные конструктивные элементы Образца 2 были аналогичны по функционалу конструктивным элементам Образца 1, но не идентичны.
Схема проведения испытаний: Образец 1 и Образец 2 были помещены в специальные камеры для проведения экспериментов. В камерах путем нагрева поднимали температуру воздуха свыше камерной на +5÷7°С, это не превышало допустимых рабочих температур оборудования. Температурные уставки Образца 2 были намеренно занижены, для диагностики срабатывания сигнализации и во избежание пожароопасных последствий в испытуемых камерах. Так как увеличение температуры так же может привести к пожароопасным последствиям на загазованной территории в данном случае в камере. Образец 1 дополнительно термометром не оснащался, соответственно не смог сигнализировать увеличение температуры. Термодатчики сработали на заданной отметке при превышении температуры, контроллер автоматически подал сигнал устройству управления зарядом электромобиля на частичное ограничение зарядного тока, и продублировал сообщение об аварийной ситуации оператору-инженеру (пользователю) на удаленный сервер. После открытия крышки камеры, температура начала снижаться и как только вернулась в заданный диапазон, станция возобновила работу.
Так же в течение всего эксперимента программируемый логический контроллер собирал и через модуль связи отправлял на удаленный сервер статистические данные о состояниях датчиков в режиме реального времени.
Результатом испытаний являлось выявленное срабатывание системы автоматического управления Образца 2 при превышение температуры воздуха внутри и снаружи электрозарядной станции от заданного диапазона (вследствие эксплуатации электрозарядной станции при высоких или низких температурах отличных от заданного диапазона, что может привести к выходу из строя оборудование, либо нестабильной его работе в результате которой может возникнуть аварийная ситуация), позволяет ограничить эксплуатационные характеристики электрозарядной станции во избежание аварии и предупредить пользователя и оператора-инженера о возникновении аварийной ситуации.
Таким образом, использование заявленной электрозарядной станции приводит к повышению эффективности предупреждения аварийных ситуаций на электрозарядных станциях, связанных с критической температурой, а также к улучшению получения качества услуг, за счет минимизации действий при использовании электрозарядной станции.