Контактное устройство станции зарядки электромобилей

Полезная модель относится к конструкции электрических проводников, в частности к электрическим кабелям, снабженным устройствами для теплового рассеяния. Может быть использована в качестве зарядного кабеля в составе станции зарядки электромобилей большой мощности. Может быть применима для зарядных станций мощностью более 200 кВт.
На данный момент многие производители станций зарядки электромобилей выпускают станции мощностью более 200 кВт. Такие мощности вызывают необходимость подвода к нагрузке токов большой величины. Для этого используют медный кабель, большого сечения, что неудобно для потребителей услуг зарядных станций, т.к., такой кабель громоздкий и тяжелый. Из существующего уровня техники известно применение замкнутых контуров жидкостного охлаждения для кабелей зарядных станций. Недостатком такого охлаждения зарядного кабеля является громоздкость и сложность конструкции зарядного кабеля. Использование внутри кабеля прямой и обратной линии с хладагентом не обеспечивает равномерное охлаждение кабеля с его разных сторон.
Известна зарядная станция, содержащая зарядный кабель по патенту на изобретение RU 2670089, H01B 7/42, 2017. В одном варианте исполнения применяют замкнутый цикл охлаждения накопителя электроэнергии электромобиля. Зарядный кабель содержит канал для текучей среды. Текучую среду направляют от зарядной станции к первому устройству штепсельного соединения и от первого устройства штепсельного соединения обратно к зарядной станции. Текучая среда представляет собой жидкость, которую можно всасывать из емкости. Для циркуляции текучей среды в контуре зарядная станция содержит по меньшей мере один насос для текучей среды или компрессор. Недостатком является сложность конструкции зарядной станции, содержащей замкнутый охлаждающий контур, недостаточное охлаждение зарядного кабеля и элементов его разъема.
В другом варианте исполнения изобретения текучая среда представляет собой воздух, который втягивают из внешнего пространства зарядной станции. Также можно использовать другой газ, или смесь газов. В этом случае воздух могут выдувать на накопитель электроэнергии электромобиля после прохождения через контур охлаждения, или направлять в замкнутый контур охлаждения для повторного охлаждения или нагрева. Недостатком является сложность конструкции, громоздкость и большой вес зарядного кабеля недостаточная интенсивность охлаждения зарядного кабеля и элементов штепсельного соединения, размещенных на его конце.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана зарядная станция электромобиля, снабженная охлаждающим трубопроводом по заявке на изобретение DE 102010007975, H01М 10/44, 2011. В одном варианте исполнения изобретения зарядный кабель соединяет зарядную станцию с накопителем электроэнергии электромобиля. Для снижения потерь мощности при быстрой зарядке электромобиля, которые приводят к нагреву накопителя электроэнергии, предусмотрены линии охлаждения. Линии охлаждения соединяют транспортное средство с охлаждающим устройством, встроенным в зарядную станцию. Охлаждающее устройство включает в себя насос, обратный охладитель и другие компоненты для охлаждения хладагента. Хладагент транспортируется по контуру между охлаждающим устройством и накопителем электроэнергии. В других конструкциях вместо насоса может быть предусмотрен компрессор. Недостатком является сложность конструкции системы охлаждения аккумулятора электромобиля, необходимость использования прямой и обратной линии в замкнутом охлаждающем контуре, громоздкость и большой вес зарядного кабеля, неравномерное охлаждение зарядного кабеля, недостаточное охлаждение элементов разъема кабеля и электромобиля, перегрев которых снижает надежность работы станции.
В другом варианте исполнения зарядная станция имеет компрессор, который направляет по трубопроводу сжатый воздух к накопителю электроэнергии транспортного средства и обтекает его, в результате чего накопитель электроэнергии охлаждается. Оттуда сжатый воздух, используемый в качестве охлаждающей среды, выходит наружу. Вместо сжатого воздуха также можно использовать другой газ, например азот. Недостатком является сложность конструкции элементов системы охлаждения, предусматривающей обтекание охлаждающим газом аккумулятора электромобиля. Необходимость стыка трубопровода со сжатым воздухом в разъеме зарядного кабеля станции и электромобиля не позволяет в достаточной мере охлаждать контактные элементы самого зарядного кабеля. Это может привести к их недопустимому нагреву и поломке систем электромобиля и станции зарядки.
Во всех вариантах исполнения зарядной станции по патенту DE 102010007975 линии охлаждения и зарядный кабель расположены в общем узле, который может быть выполнен в виде шланга, кабеля, трубы, гибкой трубы и т.п. На свободном конце зарядного кабеля находится соединительный блок, который может быть присоединен к соединительному блоку транспортного средства, адаптированному к нему. Два соединительных блока выполнены в виде вилок и розеток. При соединении двух соединительных блоков автоматически подключают как зарядный кабель, так и линии охлаждения. Их точное соединение контролируют датчиком. Необходимость расположения прямой и обратной линий охлаждения усложняет конструкцию зарядного кабеля. Необходимость использования датчика в узле соединения зарядного кабеля с зарядным гнездом электромобиля усложняет конструкцию коннектора. Расположение вдоль зарядного кабеля обратной линии с нагретой средой, подаваемой к охладителю, способствует неравномерности температуры на его поверхности из-за нагрева кабеля с одной стороны, и охлаждения с другой стороны. Это может привести к повреждению оболочки зарядного кабеля, что снижает надежность его работы.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности работы зарядного кабеля зарядной станции большой мощности.
Технический результат достигается за счет того, что в зарядном кабеле станции зарядки электромобилей, содержащем электрический кабель и канал для охлаждающего газа, выполненный с возможностью соединения с устройством сжатия газа, зарядный штекер для соединения с ответным гнездом электромобиля, согласно полезной модели, охлаждающий канал выполнен в виде перфорированной трубки, конец трубки выполнен с разветвлениями и расположен внутри зарядного штекера, свободные концы трубок разветвления выполнены открытыми, в корпусе зарядного штекера выполнены отверстия для выхода охлаждающего газа.
Перфорированная трубка может быть обвита вокруг электрического кабеля.
Технический результат обеспечивается за счет того, что в контактном устройстве, которым является зарядный кабель электромобиля, выполнение трубки с охлаждающим воздухом, обвитой вокруг кабеля, позволяет равномерно, с определенным шагом охлаждать диаметрально противоположные участки кабеля. Витая форма трубки и ее перфорация позволяет повысить эффективность тепломассообмена с поверхности электрического кабеля за счет соударения, перемешивания и отклонения струй воздуха, выдуваемого из расположенных под разными углами отверстий в трубке, что повышает интенсивность охлаждения. Выполнение конца трубки с разветвлениями позволяет расположить отводы трубки с охлаждающей воздушной средой вокруг контактных элементов, расположенных внутри зарядного штекера. Это позволяет эффективно охлаждать контактные элементы штекера. Выполнение свободных концов трубок разветвления с перфорацией обеспечивает обдув охлаждающим воздухом каждого контактного элемента штекера с разных сторон, исключает повышение температуры от влияния друг на друга соседних элементов, способствует их равномерному охлаждению. Отверстия для выхода воздуха в корпусе зарядного штекера позволяют выводить нагретый воздух из охлаждающего канала, что обеспечивает возможность поступления в него нового объема охлаждающей среды и интенсивного прохождения охлаждающего газа вдоль поверхности электрического кабеля. Эффективное охлаждение электрического кабеля и зарядного штекера позволяет повысить надежность работы зарядного кабеля. Кроме того, выдув воздуха из отверстий в корпусе зарядного штекера препятствует попаданию влаги в контактные элементы штекерного разъема, что предотвращает короткое замыкание и преждевременный выход их из строя как зарядного кабеля, так и станции в целом.
На фигуре 1 представлена схема подключения зарядного кабеля зарядной станции к электромобилю.
На фигуре 2 схематично представлен зарядный кабель станции зарядки электромобилей.
Зарядная станция 1 содержит преобразователь 2 переменного тока в постоянный, компрессор 3, соединенный с ресивером 4, узел подключения 5 зарядного кабеля 6. Электромобиль 8 снабжен зарядным гнездом 7. Линия подачи охлаждающего газа, в качестве которого используют воздух, снабжена обратными клапанами 9. Ресивер 4 снабжен прибором определения давления 10. Зарядный кабель 6 содержит место подключения 11 к зарядной станции 1, оболочку 12, внутри которой расположен изолированный электрический кабель 13 и охлаждающий канал. Оболочка 12 может быть выполнена из полиэтилена, либо другого полимера, пригодного для изготовления изоляции кабеля, химически стойкого и не теряющего эластичность при низких температурах. Подключение электрического кабеля 13 в узле подключения 5 стандартное. Зачищенные и обжатые концы кабеля прикреплены болтами к источнику тока. А охлаждающая трубка 14, являющаяся охлаждающим каналом, надета на штуцер подачи воздуха и обжата хомутом. Охлаждающий канал представляет собой витую трубку 14 с множеством отверстий 15, выполненных вдоль всей длины витой трубки 14. Трубка может быть расположена вдоль электрического кабеля с параллельным расположением их продольных осей, а может быть 14 обвита вокруг электрического кабеля 13 с определенным шагом витков. Конец зарядного кабеля 6 оснащен зарядным штекером 16. На участке входа кабеля в корпус штекерного разъема 16 выполнен гермоввод, для предотвращения попадания влаги в разъём. Внутри штекера 16 выполнено разветвление 17 электрического кабеля 13 и разветвление 18 охлаждающей трубки 14. Концы проводов электрического разветвления 17 зачищены и соединены с контактными элементами 19 штекера 16. Контактные элементы 19 выполнены в виде гильз. Воздушная охлаждающая трубка 14 надета на штуцер, который распределяет потоки воздуха ко всем гильзам 19 для их охлаждения. Концы разветвления трубки охлаждения 18 выполнены открытыми и размещены во внутренней полости корпуса штекера 16 между контактными элементами 19 электрического разъема. В корпусе и в контактной части штекера 16 выполнены отверстия 20 для выхода охлаждающего воздуха.
Зарядный кабель станции зарядки электромобилей работает следующим образом.
Преобразователь 2 зарядной станции 1 мощностью 200 - 250 кВт преобразует переменный ток с величиной напряжения 380В в постоянный ток с величиной напряжения 200÷1000В. Выход преобразователя 2 соединяют с электрическим кабелем 13 зарядного кабеля 6 через узел его подключения 5. Выходной патрубок ресивера 4 с помощью штуцера соединяют с трубкой охлаждения 14. Зарядный штекер 16 устанавливают в зарядное гнездо 7 электромобиля 8. С помощью преобразователя 2 зарядной станции 1 мощностью 200 - 250 кВт преобразуют переменный ток с величиной напряжения 380В в постоянный ток с величиной напряжения 200÷1000В. Передают электроэнергию от зарядной станции 1 аккумулятору электромобиля 8 по электрическому кабелю 13 зарядного кабеля 6. При этом происходит нагрев электрического кабеля 13 и контактных элементов 19 зарядного штекера 16, выполненных в виде металлических гильз. Для охлаждения электрического кабеля 13 и зарядного штекера 16 используют витую трубку охлаждения 14. Воздух с температурой окружающей среды, поступающий в компрессор 3 из внутреннего пространства зарядной станции сжимают и подают в ресивер 4, создавая в нем давление не более 10 атм. Компрессор работает до наполнения ресивера. Открывают клапан 9 на выходе из ресивера 4 и подают сжатый охлаждающий воздух в витую перфорированную трубку 14. Воздух под давлением выходит из отверстий 15 трубки 14, витки которой охватывают электрический кабель 13 по всей его длине, или расположены вдоль поверхности кабеля 13. Струи охлаждающего воздуха, выходя из отверстий 15, расположенных вдоль витков трубки 14 под разными углами к оси электрического кабеля 13, соударяются, меняют направление, создают завихрения и движение воздуха вдоль всей длины кабеля 13, интенсивно охлаждая его. Попадая внутрь корпуса зарядного штекера 16, струи охлаждающего воздуха омывают контактные гильзы 19, охлаждая их и защищая от недопустимого перегрева выше 95°С. Выходя из открытых концов трубок разветвления 18, воздух охлаждает внутреннее пространство и корпус зарядного штекера 16. При этом происходит защита штекерного устройства 16 как от критического перегрева, так и от попадания влаги внутрь корпуса и на контактные элементы 19. Кроме того, происходит наружное охлаждение контактного гнезда электромобиля и его аккумулятора. В результате предотвращается повреждение изоляции зарядного кабеля 6, нагрев до критической температуры корпуса зарядного штекера 16 и его контактных элементов, предотвращается короткое замыкание внутри штекера 16. Все это повышает надежность работы зарядного кабеля и увеличивает его долговечность.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить надежность работы зарядного кабеля зарядной станции большой мощности.