ДАТЧИК И СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КОРПУСА ЗАРЯДНОЙ КОЛОНКИ
SENSOR AND METHOD FOR IDENTIFYING MECHANICAL DEFORMATION OF BODY OF CHARGING COLUMN

Настоящее изобретение относится к датчику и способу идентификации механической деформации корпуса зарядной колонки, выполненной с возможностью зарядки накопителя электроэнергии транспортного средства с электрическим приводом. Настоящее изобретение также относится к соответствующему способу и зарядной колонке, оборудованной датчиком согласно настоящему изобретению.
Современные электромобили обычно допускают два режима зарядки. Транспортное средство имеет так называемое бортовое зарядное устройство для зарядки с требуемым напряжением переменного тока или трехфазную штепсельную розетку, при этом указанное зарядное устройство управляет как требуемым преобразованием в постоянный ток, так и операцией зарядки батареи, содержащейся в транспортном средстве. Однако такой режим зарядки переменным током чрезвычайно ограничен с точки зрения скорости зарядки за счет доступной мощности соединения, как правило, не более 16 А или 32 А, и за счет установки зарядного устройства с достаточной мощностью. В современных электромобилях это приводит к длительности зарядки в несколько часов, чтобы проехать 100 км.
В связи с большой длительностью зарядки переменным током была разработана зарядка постоянным напряжением, то есть так называемая зарядка постоянным током. В этом случае, в отличие от зарядки переменным током, автомобиль не содержит собственного бортового зарядного устройства. Вместо этого процесс зарядки выполняет зарядная колонка или зарядная станция вне транспортного средства, которая, таким образом, также формирует ток и напряжение, необходимые для зарядки батареи транспортного средства. Во время процесса зарядки зарядные линии постоянного тока, которые должны быть предусмотрены, подключают непосредственно к контактам батареи, то есть к высоковольтной батарее транспортного средства. Как правило, между зарядными линиями постоянного тока и батареей отсутствует развязка по постоянному току. Мощность зарядных станций постоянного тока в настоящее время составляет до 50 кВт. Сегодня желательно достичь мощности до 300 кВт, чтобы превзойти скорости зарядки более 20 км/мин. Кроме того, для достижения соответствующей скорости зарядки делаются попытки получить зарядное напряжение до 1000 В. Таким образом, подзарядка во время поездки должна быть доведена до величины таких порядков, с которой пользователи привыкли заправлять транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Примерные подробности относительно зарядки постоянным током и соответствующих процессов в зарядной системе и в транспортном средстве описаны, например, в стандарте DIN EN 61851.
Предусмотрена возможность усовершенствования транспортных средств для обеспечения более высокой скорости зарядки от до сих пор привычных 400 В до по меньшей мере 800 В, что может соответствовать приблизительно рабочему диапазону от 600 В до 950 В, иногда даже от 420 В до 980 В, за счет напряжения, зависящего от состояния заряда и определенной вариации в одной конфигурации батареи. За счет высокого напряжения при одном и том же токе может быть передана более высокая мощность. Таким образом, сокращенный период зарядки может быть использован для решения одной из основных проблем электромобилей.
В случае если зарядные колонки используют упомянутые высокие напряжения до 1000 В и в то же время соответствующие зарядные колонки обычно доступны в местах, непосредственно доступных для транспортных средств, существует риск того, что зарядные колонки будут повреждены транспортными средствами или другими движущимися объектами, даже такими, как, например, животные и т. д., или колонки будут повреждены в других случаях вандализма. В этом случае вследствие высоких напряжений невозможно гарантировать, что не будут повреждены никакие компоненты зарядных колонок, и пользователю не может грозить большая опасность, исходящая от поврежденных зарядных колонок.
Из предшествующего уровня техники известны концепции блокировки непосредственного доступа транспортных средств к зарядным колонкам.
Кроме того, известны различные концепции идентификации столкновения и/или вандализма.
В документе JP 2010-263666 A, например, раскрыта зарядная станция, которая содержит автоматический выключатель, который разрывает цепь, как только датчиками обнаружения столкновения, например ускорения при столкновении, обнаруживается столкновение.
В документе DE 10 2011 076 183 A1 раскрыто устройство и способ защиты электрического соединения от повреждений. С этой целью предусмотрен детектор повреждений, который обнаруживает, например, влагу на электрических контактах штепселя или на поверхности индукционной пластины, после чего процесс зарядки прерывается или процесс продолжается с уменьшенной мощностью зарядки.
В документе US 2013/0193918 A раскрыт детекторный блок, с помощью которого может быть идентифицирована неисправность в зарядной станции, в электромобиле или в соединении между зарядной станцией и электромобилем. В этом случае указанная неисправность подразумевает неправильное расположение электромобиля относительно зарядной станции, неправильное положение зарядной рукоятки, температуру вне требуемого предела или ток вне требуемого диапазона.
На фоне таких аналогов, известных из указанного предшествующего уровня техники, задачей настоящего изобретения было предоставление возможности минимизации потенциального риска, который может возникнуть от зарядных колонок вследствие повреждения даже при использовании зарядных колонок с напряжением до 1000 В, без необходимости ограничивать доступ к ним транспортных средств, подлежащих зарядке.
Для достижения этой цели предлагается датчик, зарядная колонка и способ, обладающие отличительными признаками независимых пунктов формулы изобретения. Возможные конфигурации могут быть понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и описания.
Согласно изобретению предложен датчик для идентификации механической деформации корпуса зарядной колонки, выполненной с возможностью зарядки накопителя электроэнергии транспортного средства с электрическим приводом, при этом датчик содержит по меньшей мере: механически устойчивый удлиненный стержень, имеющий первую концевую часть, расположенную в продольном направлении, и вторую концевую часть, расположенную напротив первой концевой части в продольном направлении, при этом стержень своей первой концевой частью соединен с основанием зарядной колонки и проходит в продольном направлении, то есть по направлению ко второй концевой части, приблизительно параллельно части зарядной колонки, которая чувствительна к деформациям корпуса, в частности боковой стенке корпуса; электрический контактный чувствительный элемент, который расположен на второй концевой части стержня; и активирующий элемент, который соединен с частью зарядной колонки, которая чувствительна к деформациям корпуса, выполнен с возможностью активации электрического контактного чувствительного элемента и расположен в зоне электрического контактного чувствительного элемента таким образом, что при нормальном состоянии корпуса указанный активирующий элемент постоянно активирует электрический контактный чувствительный элемент, а при наличии деформации корпуса указанный активирующий элемент автоматически деактивирует электрический контактный чувствительный элемент.
В одной возможной конфигурации электрический контактный чувствительный элемент содержит контактную поверхность, при контакте с которой, в частности, активирующего элемента, электрический контактный чувствительный элемент активируется или активирован.
В еще одной конфигурации величина площади контактной поверхности выбрана как раз такой, что случайная временная деформация стержня и/или деформация стержня и/или части зарядной колонки, которая чувствительна к деформациям корпуса, не приводят к автоматической деактивации электрического контактного чувствительного элемента вследствие тепловых колебаний.
В еще одной конфигурации стержень изготовлен из стали, алюминия или их комбинации.
В еще одной конфигурации активирующий элемент содержит регулировочный элемент, в частности в виде винта, посредством которого может быть отрегулирована глубина вдавливания электрического контактного чувствительного элемента, при этом указанная глубина вдавливания предусмотрена с целью активации.
Хотя есть условие, чтобы при нормальном состоянии корпуса активирующий элемент, предусмотренный согласно настоящему изобретению, постоянно активировал электрический чувствительный элемент, или электрический контактный чувствительный элемент, указанный активирующий элемент не прочно механически соединен со стержнем или с электрическим контактным чувствительным элементом. Предусмотренная контактная поверхность электрического контактного чувствительного элемента, или опорная площадка, в этом случае должна быть как можно меньше, но достаточно большой, чтобы выдерживать случайные временные деформации стержня, а также тепловые колебания, которые могут быть вызваны, например, погодой летом и зимой.
Часть зарядной колонки, чувствительная к деформациям корпуса, предпочтительно является не частью конструкции зарядной колонки, а частью, положение которой зависит от механической целостности всей конструкции зарядной колонки.
В дополнение к регулированию глубины вдавливания электрического контактного чувствительного элемента, регулировочный элемент активирующего элемента, предусмотренный в одной конфигурации, также применяется для проведения проверки в случае инспектирования, которое может быть проведено.
В еще одной конфигурации при деактивации контактная поверхность электрического контактного чувствительного элемента поднимается вверх по меньшей мере настолько, что повторное приведение в действие или повторная активация в случае стержня или активирующего элемента, который был отогнут обратно, маловероятна. Это означает, что когда электрический контактный чувствительный элемент автоматически деактивируется один раз, то электрический контактный чувствительный элемент больше не может активироваться активирующим элементом автоматически. Это предназначено для предотвращения ситуации, в которой в случае деформации корпуса зарядной колонки и после деактивации электрического контактного чувствительного элемента, предусмотренного по желанию, случайная повторная активация электрического контактного чувствительного элемента не возможна, в результате чего нельзя предположить, что деформация корпуса зарядной колонки произошла или вызвана за счет повторной активации электрического контактного чувствительного элемента.
В еще одной конфигурации датчик согласно настоящему изобретению дополнительно содержит первый электрический контакт, который расположен относительно электрического контактного чувствительного элемента с возможностью замыкания электрическим контактным чувствительным элементом при активации электрического контактного чувствительного элемента и автоматического размыкания при деактивации электрического контактного чувствительного элемента.
В одном предпочтительном варианте осуществления электрический контактный чувствительный элемент представляет собой электрический переключатель, который замыкает первый электрический контакт при вдавливании контактной поверхности, которой снабжен электрический переключатель, и размыкает первый электрический контакт при высвобождении контактной поверхности. Этот первый электрический контакт предпочтительно встроен в так называемую управляющую линию, которая как токовый контур, запитывается, например, током посредством блока безопасности, и электрическая целостность которой непрерывно контролируется блоком управления. В дополнение к упомянутому электрическому контактному чувствительному элементу и первому электрическому контакту указанный токовый контур содержит дополнительные последовательно включенные защитные контакты. В случае размыкания одного из этих защитных контактов обеспечивается немедленное обесточивание по меньшей мере наиболее открытой части высоковольтных частей и/или компонентов зарядной колонки. Обычно это делается без программного обеспечения, чтобы гарантировать соблюдение функциональных требований безопасности более строгого уровня полноты безопасности (SIL) в соответствии со стандартом IEC 61508.
В еще одной конфигурации электрический контактный чувствительный элемент содержит второй электрический контакт, который при деактивации электрического контактного чувствительного элемента автоматически изменяет свое состояние, при этом происходит либо его размыкание, либо замыкание, в зависимости от того, в каком состоянии он находился, когда контактный чувствительный элемент был активирован, что контролирует интегральная схема системы управления зарядной колонки, как правило, с помощью цифрового входа. Интегральная схема может представлять собой, в частности, микроконтроллер системы управления зарядной колонки. В этом случае указанный контроль осуществляется с помощью программного обеспечения. Такой вид обнаружения программным обеспечением позволяет идентифицировать обнаруженную неисправность, а также дает возможность определить время возникновения неисправности и подключиться к дополнительным данным, например от клиентов, о процессах зарядки, типах транспортных средств, погоде, изображениях или видео c камеры, в записи в журнале, при этом указанные данные собирают в зарядном парке, содержащем зарядную колонку.
Кроме того, согласно настоящему изобретению предложена зарядная колонка, содержащая вышеописанный датчик.
Кроме того, заявлен способ идентификации механической деформации корпуса зарядной колонки, выполненной с возможностью зарядки накопителя электроэнергии транспортного средства с электрическим приводом, при этом на зарядной колонке предусмотрен вышеописанный датчик.
Датчик, предложенный согласно настоящему изобретению, позволяет обнаружить повреждение корпуса зарядной колонки вследствие механической деформации корпуса всего в несколько миллиметров. Датчик согласно настоящему изобретению дополнительно обеспечивает простое обнаружение того, что зарядная колонка погнута, зарядная колонка частично оторвана от своего основания, боковая стенка зарядной колонки деформирована и/или деформирована боковая рама конструкции зарядной колонки, а также воздействие на зарядную колонку больших ударных нагрузок.
Кроме того, функционирование датчика согласно настоящему изобретению также может быть легко проверено во время обслуживания.
Дополнительные преимущества и конфигурации изобретения можно понять из описания и из прилагаемых графических материалов.
Само собой разумеется, что вышеупомянутые отличительные признаки и еще не рассмотренные отличительные признаки могут использоваться не только в соответствующей указанной комбинации, но также и в других комбинациях или по отдельности без отклонения от объема настоящего изобретения.
Изобретение схематически показано в графических материалах со ссылкой на вариант осуществления и подробно описано со ссылкой на графические материалы.
На фиг. 1 показан электромобиль, который подключен к зарядной колонке с помощью зарядного кабеля.
На фиг. 2 показано схематическое изображение части зарядной колонки, содержащей датчик согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показано схематическое изображение части зарядной колонки на фиг. 2, содержащей датчик согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показано схематическое изображение еще одной части зарядной колонки на фиг. 2, содержащей конструкцию из частей датчика согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фигуры описаны в сочетании друг с другом и в полном объеме, и одинаковые компоненты обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций.
На фиг. 1 показан электромобиль 100, который подключен к зарядной колонке 10 с помощью зарядного кабеля 110. В случае масштабной установки зарядных колонок 10 следует предположить, что, с одной стороны, зарядные колонки больше не будут иметь в каждом случае навес, как на обычных заправочных станциях, и, кроме того, множество указанных зарядных колонок, как правило, устанавливаются в зарядных парках, которые предполагают свободный доступ для подлежащих зарядке соответствующих транспортных средств. В результате зарядные колонки 10, зарядный кабель 110 и электромобиль 100 всегда расположены под открытым небом, где они подвергаются всем возможным внешним воздействиям. Поскольку одновременно делаются попытки усовершенствования транспортных средств для обеспечения более высоких скоростей зарядки, чем при предыдущем напряжении от 400 В до 800 В, предусмотрены зарядные колонки, в частности быстрые зарядные колонки постоянного тока, которые используют напряжения до 1000 В. За счет высокого напряжения при том же токе может передаваться более высокая мощность, что связано с существенно более коротким периодом зарядки. Так как зарядные колонки теперь предполагают установку в местах, непосредственно доступных для подлежащих зарядке транспортных средств, опасность повреждения зарядных колонок транспортными средствами или повреждения зарядных колонок вследствие вандализма или других внешних воздействий высока, даже если предусмотрены небольшие столбики 11 для предотвращения повреждения транспортным средством. Вследствие высоких напряжений, которые должны предоставляться зарядными колонками, здесь особенно высока опасность того, что поврежденные компоненты зарядной колонки в случае повреждения соответствующей зарядной колонки могут быть чрезвычайно опасны для окружения.
На фиг. 2 показана часть зарядной колонки 10, в которой расположен один вариант осуществления датчика 20 согласно настоящему изобретению. Датчик 20 предусмотрен для идентификации механической деформации корпуса 11 зарядной колонки 10, выполненной с возможностью зарядки накопителя электроэнергии транспортного средства с электрическим приводом. Датчик 20 содержит механически устойчивый удлиненный стержень 21, имеющий первую концевую часть 21_1, расположенную в продольном направлении, и вторую концевую часть 21_2, расположенную напротив первой концевой части 21_1 в продольном направлении. Стержень 21 своей первой концевой частью 21_1 соединен с основанием 12 зарядной колонки 10. Здесь для соединения предусмотрено винтовое соединение. В показанном здесь варианте осуществления стержень 21 расположен в продольном направлении приблизительно параллельно боковой стенке 13 корпуса 11. Боковая стенка 13 корпуса 11 представляет собой часть зарядной колонки 10, которая чувствительна к деформациям корпуса. Датчик 20 также содержит электрический контактный чувствительный элемент 22, который расположен на второй концевой части 21_2 стержня 21. Кроме того, датчик 20 содержит активирующий элемент 14, который соединен с боковой стенкой 13 зарядной колонки 10, которая чувствительна к деформациям корпуса 11, и выполнен с возможностью активации электрического контактного чувствительного элемента 22. С этой целью активирующий элемент 14 расположен в зоне электрического контактного чувствительного элемента 22 таким образом, что при нормальном состоянии корпуса 11, как показано на фиг. 2, указанный активирующий элемент постоянно активирует электрический контактный чувствительный элемент 22. С этой целью электрический контактный чувствительный элемент 22, как более ясно видно на фиг. 3, содержит контактную поверхность 23, при контакте с которой электрический контактный чувствительный элемент 22 активируется или активирован.
В показанном здесь варианте осуществления электрический контактный чувствительный элемент 22 выполнен в виде переключателя, к контактной поверхности 23 которого для активации необходимо приложить усилие или давление, в результате чего контактная поверхность 23 вдавливается. В данном случае контактная поверхность 23 вдавливается регулировочным элементом 15 активирующего элемента 14, при этом регулировочный элемент может быть выполнен, например, в виде винта и поэтому также может быть соответствующим образом выровнен по своей высоте относительно контактной поверхности. Величина площади контактной поверхности 23 выбрана как раз такой, что случайная временная деформация стержня 21 и/или деформация стержня 21 и/или боковой стенки 13 не приводят к автоматической деактивации электрического контактного чувствительного элемента 22 вследствие тепловых колебаний. Это означает, что даже если небольшие деформации боковой стенки 13 на фиг. 3, например, вправо или влево или стержня 21 на фиг. 3 вправо или влево должны были привести к смещению регулировочного элемента 15 на контактной поверхности 23, то в случае небольших колебаний регулировочный элемент 15 по-прежнему продолжает опираться на контактную поверхность 23 и, таким образом, контактирует с контактной поверхностью 23 постоянно. Регулировочный элемент 15 теряет контакт с контактной поверхностью 23 только в том случае, если возникают относительно большие деформации боковой стенки 13 или стержня 21, и контактная поверхность 23, которую регулировочный элемент 15 вдавливает в нормальном состоянии, проходит тогда вверх в свободное положение и, таким образом, больше не вдавливается регулировочным элементом. Если деформация боковой стенки 13 и/или стержня 21 была устранена, то, тем не менее, регулировочный элемент 15 активирующего элемента 14 не будет автоматически снова вдавливать контактную поверхность 23, поскольку свободное состояние контактной поверхности 23 такое, что небольшое скольжение регулировочного элемента 15 обратно на контактную поверхность 23 практически предотвращается. Таким образом, обеспечивается дополнительная безопасность, а именно то, что после деформации зарядной колонки датчик заново выравнивается во время надлежащего технического обслуживания зарядной колонки и только после этого может использоваться снова.
Стержень 21 изготовлен из стали, алюминия или комбинации стали и алюминия. В показанном здесь варианте осуществления часть зарядной колонки 10, которая чувствительна к деформации и на которой должен быть установлен активирующий элемент 14, является боковой стенкой, но в целом может быть любой частью зарядной колонки 10, положение которой зависит от механической целостности всей конструкции зарядной колонки 10. Винт 15, показанный здесь, который предусмотрен в активирующем элементе 14, в дополнение к регулированию глубины вдавливания контактной поверхности 23 контактного чувствительного элемента 22, также позволяет проводить проверки в случае выполняемого инспектирования или технического обслуживания.
Как уже упоминалось, после отделения от контактного чувствительного элемента 22 контактная поверхность 23 поднимается настолько, что после устранения деформации зарядной колонки 10 и стержня 21 повторное приведение в действие или повторная активация не могут происходить автоматически.
На фиг. 4 также показано схематическое изображение части зарядной колонки 10, при этом датчик 20 в этом случае показан только с некоторыми из его компонентов, а именно со стержнем 21, имеющим свою первую концевую часть 21_1 и свою вторую концевую часть 21_2, и активирующим элементом 14, содержащим регулировочный элемент 15. Электрический контактный чувствительный элемент 22 здесь не показан. Стержень 21 своей первой концевой частью 21_1 привинчен к основанию 12 зарядной колонки 10. Стержень 21 проходит по существу параллельно боковой стенке 13 зарядной колонки 10. В верхней части или во второй концевой части 21_2 стержня 21 предусмотрено два винта, при этом с помощью этих винтов электрический контактный чувствительный элемент (здесь не показан) может быть прикреплен ко второй концевой части 21_2. Активирующий элемент 14 прикреплен к боковой стенке 13 и прочно привинчен к указанной боковой стенке двумя винтами. Здесь на активирующем элементе 14 в качестве регулировочного элемента 15 предусмотрен винт, при этом винт должен быть установлен относительно контактной поверхности 23 электрического контактного чувствительного элемента 22 таким образом, чтобы при нормальном состоянии зарядной колонки, то есть когда она не повреждена, электрический контактный чувствительный элемент был постоянно активирован, то есть чтобы контактная поверхность 23 постоянно вдавливалась регулировочным элементом 15 и в результате замыкала или удерживала замкнутым дополнительно предусмотренный первый электрический контакт.
Как уже упоминалось, электрический контактный чувствительный элемент 22 предпочтительно выполнен в виде электрического переключателя, который при вдавливании контактной поверхности 23, например посредством регулировочного элемента 15, замыкает первый электрический контакт, а после высвобождения — размыкает его. Указанный первый электрический контакт предпочтительно встроен в так называемую управляющую линию (здесь не показана). Управляющая линия, или линия безопасности, как правило, представляет собой последовательную схему, к которой необходимо применять регулируемый ток, при этом указанная последовательная схема состоит из блоков, контролирующих отдельные компоненты зарядного парка, при этом указанные блоки содержат по меньшей мере одно реле или один переключатель. При нормальной работе все реле замкнуты. В случае прерывания или размыкания одного из этих переключателей обеспечивается обесточивание по меньшей мере наиболее открытой части высоковольтных частей и/или компонентов зарядной колонки. Электрическая целостность управляющей линии постоянно контролируется блоком безопасности, посредством которого в конечном счете также постоянно контролируется целостность зарядной колонки.
Электрический контактный чувствительный элемент 22 может содержать еще один, то есть второй, электрический контакт, который либо размыкается, либо замыкается, когда регулировочный элемент 15 теряет контакт с контактной поверхностью 23. Указанный второй контакт (здесь не показан) предпочтительно контролируется интегральной схемой, в частности микроконтроллером, системы управления зарядной колонки, использующей программное обеспечение посредством цифрового входа. Обнаружение программным обеспечением деформации позволяет точно идентифицировать причину неисправности и подключаться к дополнительным данным, собранным в зарядном парке.
Показанная зарядная колонка 10, содержащая датчик 20 согласно настоящему изобретению, позволяет обнаруживать повреждение корпуса 11 вследствие механической деформации корпуса 11 всего в несколько миллиметров. В этом случае можно легко обеспечить простое обнаружение того, что зарядная колонка 10 погнута, зарядная колонка 10 частично оторвана от своего основания 12, боковая стенка 13 зарядной колонки 10 деформирована и/или деформирована боковая рама конструкции зарядной колонки 10, а также воздействие на зарядную колонку 10 больших ударных нагрузок.
Кроме того, функционирование датчика также может быть легко проверено во время обслуживания.