Зарядное устройство

Полезная модель относится к устройствам для зарядки электроэнергией различных аккумуляторных устройств, преимущественно транспортных средств, таких как электрические скутеры, байки и т.п., реализованной на основе комплектных распределительных устройств для электроснабжения, преимущественно дорожного/наружного освещения.
Развитие различных видов электрического транспорта обусловило потребность в организации разветвленных сетей шаговой доступности для зарядки таких транспортных средств. Однако анализ показал, что известные технические решения не в полной мере обеспечивают означенную потребность.
Известно зарядное устройство транспортных средств многоканальной структуры, которое может выполнять зарядку с помощью множества зарядных отводов, подключенных к одному основному модулю, может управлять уровнем зарядки с помощью каждого из зарядных отводов и содержит: релейный модуль, соединенный с модулем источника питания для подачи питания извне для подачи питания на транспортное средство для зарядки, блок подключения отвода для раздельного подключения множества зарядных каналов, ответвленных от релейного модуля, блок распределения для определения коэффициента распределения мощности в соответствии с количеством зарядных каналов, обнаруженных блоком подключения отвода, один или более отводов, подключенные к блоку подключения отводов, и блок настройки связи для настройки связи между каждым из зарядных отводов и релейным модулем, при этом зарядные отводы предназначены для подсоединения к зарядным кабелям заряжаемых транспортных средств (патент KR №1019508750000 В1, опубл. 21.02.2019).
К недостаткам аналога следует отнести сложность и дороговизну организации разветвленных сетей шаговой доступности для зарядки транспортных средств на его основе.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является зарядное устройство, содержащее, помимо прочего, управляемый контроллер с блоком интерфейса для подключения к вышестоящей системе управления и имеющее n≥1 каналов выдачи электроэнергии, каждый из которых имеет входные и выходные шины фазы и нуля, контакторы включения каналов выдачи электроэнергии, подключенные к управляющим выходам упомянутого контроллера, измерители тока и блоки коммерческого учета электроэнергии. Это зарядное устройство является частью системы зарядки транспортных средств, которая содержит трансформаторную подстанцию, например, киоскового типа, в которой расположены соединенные кабельными линиями: силовой трансформатор; блок распределительных устройств высшего напряжения; блок распределительных устройств низкого напряжения; и по меньшей мере одну зарядную станцию переменного или постоянного тока с терминалом подключения электромобиля к зарядной станции, при этом указанная по меньшей мере одна зарядная станция соединена с блоком промышленного логического контроллера для ограничения загрузки зарядной станции, причем блок промышленного логического контроллера выполнен с интерфейсом шины RS-485, так что блок промышленного логического контроллера считывает информацию об абсолютных значениях фазных токов в цепи на выходе силового трансформатора через шину RS-485 от датчиков фазных токов, посредством токовых трансформаторов (патент РФ №2608387 С1, опубл. 18.01.2017).
К недостаткам прототипа, как и аналога, следует отнести сложность и дороговизну организации разветвленных сетей шаговой доступности для зарядки транспортных средств на его основе.
Представляется целесообразным использовать в качестве основы для организации разветвленных сетей шаговой доступности для зарядки транспортных средств систему питания и управления дорожным/наружным освещением с использованием профильного для нее протокола DALI. К преимуществам использования системы управления освещением в целях организации разветвленных сетей шаговой доступности для зарядки транспортных средств следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих устройств/блоков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п. освещения, ее надежность и помехозащищенность, при этом существующая система управления дорожным/наружным освещением аппаратно вполне способна взять на себя, помимо управляющей, и ряд вспомогательных функций, включая но не ограничиваясь - взаимодействие с клиентскими физическими и/или виртуальными терминалами посредством Ethernet, Wi-Fi и т.п. Следует также отметить, что система питания и управления дорожным/наружным освещением с использованием профильного для нее протокола DALI уже нашла широкое применение для организации на ее основе различных сервисов (см., например, патенты US №11197360 B1, RU №211317 U1 и др.).
Технической проблемой является устранение отмеченных выше недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования зарядного устройства в распределенных цифровых системах на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что в зарядном устройстве, содержащем контроллер с блоком интерфейса для подключения к вышестоящей системе управления и имеющем n≥1 каналов выдачи электроэнергии, каждый из которых имеет входные шины фазы и нуля и выходные шины, контакторы включения каналов выдачи электроэнергии, подключенные к управляющим выходам упомянутого контроллера, измерители тока и блоки коммерческого учета электроэнергии, блок интерфейса выполнен двунаправленным двухпроводным с возможностью подключения к внешней шине DALI, каждый канал выдачи электроэнергии снабжен дифференциальным токовым трансформатором с синфазными обмотками, к которым с одной стороны подключены выходные шины, а с другой стороны - контакторы, соединяющие соответствующие синфазные обмотки с входными шинами фазы и нуля, при этом выходные шины соединены с измерителем напряжения, выход которого соединен с соответствующим информационным входом контроллера, вторичная обмотка дифференциального токового трансформатора соединена с дифференциальным усилителем контроля тока, выход которого соединен с соответствующим информационным входом контроллера, входные шины фазы и нуля соединены с измерителем входного напряжения, выход которого соединен с соответствующим информационным входом контроллера, входная шина фазы содержит встроенный токовый шунт, концы которого соединены с измерителем тока и блоком коммерческого учета электроэнергии, выходы которых соединены с информационными входами упомянутого контроллера, а блок коммерческого учета электроэнергии также соединен с входной шиной нуля, кроме того, контакторы выполнены в виде встроенного в входную шину нуля электромеханического реле и встроенного в входную шину фазы твердотельного реле, входы которых соединены с соответствующими управляющими выходами контроллера.
Полезная модель поясняется изображениями, на которых показаны
на Фиг. 1 - принципиальная схема заявленного зарядного устройства;
на Фиг. 2 - пример исполнения блока интерфейса контроллера зарядного устройства;
на Фиг. 3 - условная схема контактов контроллера зарядного устройства для подключения n>1 каналов выдачи электроэнергии.
Цифровые позиции на изображениях означают следующее
1 - контроллер;
2 - блок интерфейса DALI;
3 - измеритель входного напряжения;
4 - электромеханическое реле;
5 - твердотельное реле;
6 - токовый шунт;
7 - блок коммерческого учета электроэнергии;
8 - измеритель тока;
9 - дифференциальный усилитель контроля тока;
10 - измеритель выходного напряжения;
11 - дифференциальный токовый трансформатор;
12 - транзисторный управляющий ключ электромеханического реле;
13 - входная шина фазы (L);
14 - входная шина нуля (N);
15 - выходные шины (к потребителю электроэнергии);
16 - двунаправленный двухпроводной интерфейс с возможностью подключения к внешней шине DALI;
х
17 - провод Т DALI (выход с контроллера);
x
18 - провод R DALI (вход на контроллер);
19 - канал выдачи электроэнергии;
20 - вход фазы измерителя входного напряжения;
21 - вход нуля измерителя входного напряжения,
латинскими буквами а, b, с, d, е, f, g, h, k обозначены соответствующие нижеприведенному описанию входы и выходы контроллера 1.
х
x
n
n
n
n
n
n
В соответствии с заявленной полезной моделью, зарядное устройство содержит контроллер 1 с блоком интерфейса 2 для подключения к вышестоящей системе управления (не показана) и n≥1 каналов 19 выдачи электроэнергии (Фиг. 1). Блок интерфейса 2 выполнен с двунаправленным двухпроводным интерфейсом 16 с возможностью подключения к внешней шине DALI и представляет собой стандартный диодный мост, пара противоположных вершин которого формирует упомянутый двунаправленный двухпроводной интерфейс 16, а пара других противоположных вершин через подключенные транзисторные оптроны формирует провод Т DALI 17 - выход сигналов с контроллера 1, и провод R DALI 18 - вход сигналов на контроллер 1 (Фиг. 2). Целесообразно на входе от силовой линии питания освещения (не показана) к входным шинам фазы 13 и нуля 14 ввести измеритель входного напряжения 3, входы 20 и 21 которого, как и входные шины фазы 13 и нуля 14 каналов 19 выдачи электроэнергии, соответственно соединяются с фазой и нулем силовой линии питания освещения, а выход соединен с соответствующим информационным входом (g) контроллера 1. Каждый из каналов 19 выдачи электроэнергии имеет входные шины фазы 13 (L) и нуля 14 (N) и выходные шины 15 (к потребителям электроэнергии, которые на изображениях не показаны). При этом каждый канал 19 выдачи электроэнергии снабжен дифференциальным токовым трансформатором 11 с синфазными обмотками, к которым с одной стороны подключены выходные шины 15, а с другой стороны - контакторы, соединяющие соответствующие синфазные обмотки с входными шинами фазы 13 и нуля 14, при этом выходные шины 15 соединены с измерителем напряжения 10, выход которого соединен с соответствующим информационным входом (f) контроллера 1. Вторичная обмотка дифференциального токового трансформатора 11 соединена с дифференциальным усилителем контроля тока 9, выход которого соединен с соответствующим информационным входом (d) контроллера 1. Входная шина фазы 13 содержит встроенный токовый шунт 6, концы которого соединены с измерителем тока 8 и блоком коммерческого учета электроэнергии 7, выходы которых соединены с информационными входами (соответственно е и b) упомянутого контроллера 1, а блок коммерческого учета электроэнергии 7 также соединен с входной шиной нуля 14. Контакторы включения/выключения каналов 19 выдачи электроэнергии выполнены в виде встроенного в входную шину нуля 14 электромеханического реле 4 и встроенного в входную шину фазы 13 твердотельного реле 5, входы которых (электромеханического реле 4 - через транзисторный ключ 12, а твердотельного реле 5 - напрямую) соединены с соответствующими управляющими выходами (соответственно а и с) контроллера 1. Как следует из формулы полезной модели, зарядное устройство может содержать от 1 до n каналов 19 выдачи электроэнергии, при этом каждый из каналов 19 посредством входных шин 13 и 14 соединен с внешним источником питания (в частности, системой питания дорожного/наружного освещения), а входами/выходами, идентичными описанным выше, соединен с соответствующими входами/выходами а, …, a; b, …, b; с, …, c; d, …, d; е, …, e; f, …, f контроллера 1 (Фиг. 3). Число n подключаемых каналов 19 ограничивается количеством соответствующих входов/выходов контроллера 1.
Заявленное зарядное устройство работает следующим образом.
Контроллер 1 работает под управлением вышестоящего процессора распределенной цифровой системы управления на базе системы управления дорожным/наружным освещением, общаясь с ним через блок интерфейса 2 по шине DALI. Рассмотрим работу одного канала 19 выдачи электроэнергии. По каждой из своих выходных шин 15 канал 19 обеспечивает двухполюсную коммутацию, по нейтрали - электромеханическим реле 4, по фазе - твердотельным реле 5. Для включения внешней нагрузки (потребителя) на выходные шины 15 контроллер 1 вначале включает через соответствующий транзисторный ключ 12 электромеханическое реле 4, а затем твердотельное реле 5. Отключение производится в обратном порядке. Помимо функции включения/выключения твердотельное реле 5 выполняет функцию защиты вышестоящей силовой линии питания освещения от ее аварийного отключения в случае превышения токовой нагрузки (например, короткое замыкание) на уровне потребителя. Опыты показали, что в силу быстродействия твердотельного реле контроллер 1 отключает канал 19 быстрее, чем создаются условия для срабатывания собственной защиты вышестоящей силовой линии питания освещения, причем в случае замены твердотельного реле 5 на электромеханическое реле, аналогичное реле 4, скорость реакции снижается, и собственная защита вышестоящей силовой линии питания освещения срабатывает, что ставит в зависимость от зарядного устройства надежность всей системы питания и управления дорожным/наружным освещением, включая и организованные на ее основе иные сервисы. Кроме того, ток, протекающий на выходную шину 15 по цепи от входной шины фазы 13 оперативно контролируется измерителем тока 8 на токовом шунте 6 и при его превышении контроллер 1 принимает решение о аварийном выключении, путем снятия сигнала управления с твердотельного реле 5. Этот же ток, пройдя через внешнюю нагрузку (потребителя), по цепи возвращается в шину нуля 14, а в дифференциальном токовом трансформаторе 11 указанные токи взаимно вычитаются, при этом во вторичной обмотке трансформатора формируется напряжение пропорциональное разности этих токов. Разностное напряжение поступает на дифференциальный усилитель контроля тока 9 и далее на соответствующий информационный вход (d) контроллера 1. Превышение уровнем напряжения предварительно определенного/рассчитанного порога соответствует значительной утечке тока в нагрузке и является поводом для аварийного отключения. Блок (микросхема) коммерческого учета электроэнергии 7, измеряя значения напряжений с одной стороны на токовом шунте 6, а с другой между фазовой 13 и нулевой 14 шинами, осуществляет точный коммерческий учет отпускаемой электроэнергии. Данные измерений поступают в контроллер 1. Зарядное устройство (множество зарядных устройств) размещается в корпусе, который устанавливается на/в элементах осветительной инфраструктуры, преимущественно на/в опорах дорожного освещения на необходимой высоте, удобной для подключения транспортного средства, входными шинами 13 и 14 соответствующим образом подключается к силовой линии питания освещения (стандарт - 220В переменного тока), а интерфейсом 16 к внешней двухпроводной двунаправленной шине DALI распределенной цифровой системы управления на базе системы управления дорожным/наружным освещением. Выходные шины 15 конфигурируются в виде соответствующих разъемов/розеток под зарядные кабели обслуживаемых транспортных средств.
Простота решения и возможность использования в распределенных цифровых системах управления на базе системы управления освещением с интерфейсом DALI обеспечивает заявленный технический результат и преимущества от применения данной полезной модели. Проведенные натурные эксперименты и результаты компьютерного моделирования показали, что заявленное зарядное устройство в полной мере позволяет его использование в распределенных цифровых системах на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемые качество, надежность и безопасность.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования зарядного устройства в распределенных цифровых системах на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.