ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА, СЕТЬ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ И СПОСОБ ИХ РАБОТЫ
CHARGER FOR ACCUMULATOR, NETWORK OF SEVERAL CHARGERS AND METHOD OF THEIR OPERATION

Настоящее изобретение относится к зарядному устройству для аккумулятора электромобиля, сети из нескольких соединенных одно с другим зарядных устройств такого типа и способу работы таких зарядных устройств.
При организации зарядной станции для обслуживания нескольких электромобилей необходимо принять решение относительно мощности заряда, которую должны обеспечивать устанавливаемые на станции зарядные устройства для аккумуляторов. Вместе с ростом требований к заряду увеличивается потребность во все более мощных зарядных устройствах. Здесь целью может быть предоставление оптимальной услуги заряда аккумуляторов для каждого электромобиля на каждом зарядном посту зарядной станции. В результате каждое зарядное устройство может иметь такую мощность, чтобы обеспечивать наибольшую мощность заряда, какую можно прогнозировать в условиях реальной эксплуатации. На практике, однако, это означает, что зарядные устройства будут иметь избыточную мощность с точки зрения требований большинства электромобилей, которые нужно будет заряжать.
Примером здесь является Заявка на выдачу патента США US 2004189251, описывающая зарядное устройство - необязательно специально предназначенное для электромобилей, - которое может быть оснащено дополнительными преобразователями энергии для увеличения мощности этого устройства.
Другое, отличное от указанного, решение предлагается международной Заявкой на выдачу патента WO 0197360, описывающей конфигурацию из нескольких зарядных устройств, где либо каждое из двух зарядных устройств может отдавать энергию своему электромобилю, либо оба зарядных устройства могут заряжать один и тот же электромобиль.
Целью настоящего изобретения является создание зарядного устройства для аккумулятора электромобиля, которое позволило бы преодолеть недостатки известных устройств.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, предложена сеть из нескольких зарядных устройств для аккумулятора электромобиля, так что каждое зарядное устройство имеет первое силовое соединение для обмена энергией с источником питания, преобразователь энергии, который осуществляет преобразование энергии от источника питания в зарядный ток подходящей величины для заряда электромобилей, по меньшей мере одно второе силовое соединение для обмена энергией с электромобилем и по меньшей мере одно третье силовое соединение для обмена энергией с другим зарядным устройством, рассматриваемое зарядное устройство конфигурировано для направления потока энергии ко второму силовому соединению, когда нужно зарядить электромобиль от источника питания, и/или по меньшей мере к одному третьему силовому соединению, когда нужно передать энергию другому зарядному устройству, и/или для направления потока энергии по меньшей мере от одного третьего силового соединения ко второму силовому соединению, когда нужно энергию от другого зарядного устройства, присоединенного к третьему силовому соединению, передать электромобилю.
Здесь необходимо подчеркнуть, что поток энергии может быть эквивалентно положительным или отрицательным, так что аккумулятор электромобиля также может быть разряжен, чтобы передать энергию через преобразователь источнику питания. Силовое соединение может быть оснащено несколькими разъемами или адаптерами, чтобы можно было, например, присоединить электромобили, имеющие различные физические силовые соединители.
Описанное выше зарядное устройство может обмениваться энергией с источником питания, электромобилем, который нужно зарядить, и другим преобразователем энергии. Во время обычной работы обмен энергией с источником питания может происходить преимущественно в направлении от этого источника к зарядному устройству и от зарядного устройства к аккумулятору электромобиля или к другому зарядному устройству (и через него, непрямым путем, также к аккумулятору электромобиля). В такой системе дополнительная энергия может быть получена от другого зарядного устройства и передана аккумулятору, либо энергия может быть передана другому зарядному устройству. С этой целью энергию можно распределять таким образом, что одновременно могут присутствовать несколько потоков энергии. Во время заряда аккумулятора передача энергии означает по существу управление током в направлении аккумулятора, поскольку напряжение определяется самим аккумулятором.
Суммируя, настоящее изобретение делает возможным соединить вместе несколько зарядных устройств с целью создания более мощной зарядной системы с несколькими зарядными соединениями.
Практический вариант зарядного устройства может содержать управляемый силовой переключатель, соединенный по меньшей мере с двумя компонентами из группы, куда входят преобразователь энергии, второе силовое соединение и по меньшей мере одно третье силовое соединение, и контроллер для направления потоков энергии посредством управления переключателем, конфигурированный для установления по меньшей мере одного из соединений - соединения преобразователя энергии со вторым силовым соединением, когда нужно зарядить аккумулятор электромобиля от источника питания; соединения преобразователя энергии по меньшей мере с одним третьим силовым соединением, когда нужно передать энергию другому зарядному устройству; и/или соединения указанного по меньшей мере одного третьего силового соединения со вторым силовым соединением, когда нужно энергию от другого зарядного устройства передать электромобилю. Силовой переключатель может представлять собой управляемое каким-либо способом электрическое переключающее устройство, например, управляемый вручную электрический переключатель, реле, полупроводниковый прибор, транзистор, полевой МОП-транзистор (MOSFET), твердотельное реле, герконовое реле, тиристор или (оптический) триак.
Вследствие возможности получить часть преобразованной энергии от соседнего преобразователя энергии, принадлежащего присоединенному зарядному устройству, нет необходимости делать рассматриваемый преобразователь энергии слишком мощным, а вполне достаточно сделать его мощность подходящей для зарядки аккумулятора обычного электромобиля. Эта мощность может составлять, например, 10 кВт. Когда это зарядное устройство соединено на щите с другим преобразователем энергии мощностью 10 кВт, электромобиль может через второе силовое соединение получить полную мощность 20 кВт. Другая предельная ситуация характеризуется тем, что нужно передать все 10 кВт соседнему зарядному устройству. Очевидно, что можно получить более высокую мощность, кратную мощности одного зарядного устройства, когда имеются больше трех силовых соединений, так что вместе соединены несколько зарядных устройств.
В одном из вариантов по меньшей мере одно второе и по меньшей мере одно третье силовые соединения и/или присоединенные к ним кабели рассчитаны на передачу мощности, по меньшей мере кратной мощности, преобразуемой одним преобразователем энергии. Это позволяет применить несколько аналогичных или одинаковых зарядных устройств, которые могут быть полностью использованы для заряда, если нужно, аккумулятора одного электромобиля.
В рассматриваемом варианте первое силовое соединение каждого зарядного устройства может получать энергию от источника питания, такого как ввод от электросети общего пользования, возобновляемый источник энергии, генератор или накопитель энергии - аккумулятор, конденсатор или маховик. В другом варианте, где несколько зарядных устройств соединены одно с другими, каждое из этих зарядных устройств может получать энергию от своего, отличного от других зарядных устройств, источника питания, присоединенного к первому силовому соединению этого зарядного устройства.
В некоторых вариантах преобразователь энергии может представлять собой двунаправленный преобразователь, позволяющий передавать энергию от электромобиля к одному из соединений источника питания. Такая конфигурация может позволить реализовать функцию, обычно именуемую «от электромобиля - в сеть» ("vehicle-to-grid"), но может быть также использована для заряда стационарного аккумулятора от одного из аккумуляторов электромобилей.
Контроллер зарядного устройства может быть дополнительно конфигурирован для управления переключением на основе информации, полученной по меньшей мере из одного источника - электромобиля, аккумулятор которого нужно зарядить, другого зарядного устройства, соединенного с рассматриваемым зарядным устройством, сети другого источника питания или устройства дистанционного управления. Для этой цели могут быть предусмотрены средства связи, например второе силовое соединение может содержать также линии связи, обеспечивающие связь с бортовой системой управления электромобилем, аккумулятором или двигателем, которая может сообщить такие данные, как (максимальные) зарядные токи, максимальное имеющееся время заряда или другой подобный параметр.
Зарядные устройства могут быть оснащены разъемами для соединения с сетью связи, обеспечивающей связь устройств одного с другим. Зарядное устройство, к которому присоединен электромобиль, может определить, например, на основе связи с электромобилем, какая мощность нужна, чтобы зарядить аккумулятор электромобиля в течение заданного времени, и затем запросить у одного или нескольких соседних зарядных устройств дополнительную мощность, если потребная мощность окажется больше мощности преобразователя энергии рассматриваемого зарядного устройства.
Более того, сеть может предоставить информацию относительно ограничений доступной мощности.
Дополнительная возможность состоит в том, что зарядное устройство оснащено средствами дальней связи, такой как радиосвязь или связь через Интернет, для получения команд управления или данных относительно требований к мощности из главного центра управления.
Если, например, одно из зарядных устройств, соединенных одно с другим, не имеет никакого из перечисленных выше средств связи, средства связи могут использоваться совместно несколькими зарядными устройствами. Например, когда четыре зарядных устройства соединены одно с другими и при этом только одно из зарядных устройств имеет соединение с Интернет, это соединение может быть использовано совместно с другими устройствами посредством линий связи, ассоциированных с третьими силовыми соединениями.
В одном из вариантов контроллер конфигурирован для соединения первого силового соединения со вторым силовым соединением, чтобы можно было заряжать аккумуляторы электромобилей, имеющих бортовые зарядные устройства, прямо от источника питания. Помимо возможности заряжать аккумуляторы электромобилей, имеющих бортовые зарядные устройства, это дает возможность использовать преобразователь энергии рассматриваемого зарядного устройства для передачи энергии другому зарядному устройству, присоединенному к третьему или другим дополнительным силовым соединениям.
Для регулирования уровня мощности и формы тока, поступающего к электромобилю или другому зарядному устройству, преобразователь энергии может быть дополнительно соединен с контроллером с целью управления требуемой выходной мощностью и формой тока. Здесь контроллер для управления переключателем и контроллер для управления преобразователем энергии объединены и, например, реализованы в одном общем микропроцессоре.
Используя зарядные устройства согласно настоящему изобретению, можно разработать несколько успешных вариантов. Таким образом, каждое из нескольких зарядных устройств может быть соединено с источником питания, в результате чего все эти устройства совместно образуют модульную зарядную систему путем соединения зарядных устройств одного с другими посредством по меньшей мере третьих силовых соединений. В зависимости от того, сколько имеется силовых соединений - три или более, возможны различные схемы соединений между устройствами. Далее будут более подробно рассмотрены несколько примеров.
Когда зарядные устройства имеют только по одному третьему силовому соединению для присоединения к другому зарядному устройству, эти третьи силовые соединения всех зарядных устройств могут быть присоединены одно к другому, образуя силовую шину или звездообразное соединение. Число зарядных устройств, к которому может быть применена такая конфигурация, составляет два или более. При использовании двух зарядных устройств может быть проложена прямая линия связи между ними, а при увеличении числа используемых зарядных устройств может быть организована связь через Этернет или другая система связи на основе IP-протокола.
Когда каждое зарядное устройство имеет по меньшей мере два третьих силовых соединения, соединения между модулями в модульной зарядной системе могут быть выполнены по кольцевой схеме, иными словами, каждое зарядное устройство оказывается присоединено к двум соседним зарядным устройствам. Преимущество этого варианта состоит в том, что полученная в результате конфигурация менее чувствительна к обрывам, когда одно из соединений оказывается разорванным, поскольку зарядное устройство может в этом случае получать или отдавать энергию через оставшееся другое соединение.
Еще в одном варианте каждое зарядное устройство имеет несколько третьих силовых соединений, а модульная зарядная система образована путем совместного присоединения третьих силовых соединений нескольких зарядных устройств. Полученная конфигурация представляет собой «паутину», где все или по существу все зарядные устройства соединены непосредственно одно с другим, что приводит к очень высокой надежности.
В следующем варианте зарядная система оснащена техническим решением для учета потерь (таких как падение напряжения), возникающих в зарядных кабелях или в кабелях, соединяющих третьи силовые порты каждого последующего зарядного устройства. Примерами таких решений являются кабели большого диаметра или, более сложное решение, система с контроллером, который может управлять преобразователем энергии для компенсации падения напряжения в каждом кабеле. Такие системы могут быть особенно выгодными, когда расстояния между отдельными зарядными устройствами велики или когда много зарядных устройств соединены вместе.
В другом варианте зарядное устройство оснащено по меньшей мере одной системой для измерения количества электрической энергии, переданной, например, через первое силовое соединение, второе силовое соединение или третье силовое соединение. В таком случае система, составленная из большого числа зарядных устройств, может быть оснащена множеством приборов для измерения количества энергии или соответствующими способами измерения.
В одном из примеров физической реализации первое силовое соединение и преобразователь энергии могут физически располагаться в одном из изолированных отсеков системы, тогда как второе силовое соединение и третье силовое соединение могут находиться в другом изолированном отсеке. Настоящее изобретение не ограничивается конкретной физической конфигурацией, поскольку существуют множество возможных вариантов конструкции и компоновки системы. Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на следующие чертежи. Здесь:
- Фиг.1a-1d показывают общие схемы вариантов зарядных устройств;
- Фиг.2 показывает первую конфигурацию соединения нескольких зарядных устройств;
- Фиг.3 показывает вторую конфигурацию соединения нескольких зарядных устройств;
- Фиг.4 показывает третью конфигурацию соединения нескольких зарядных устройств;
На Фиг.1а представлена структурная схема варианта 1 зарядного устройства согласно настоящему изобретению. Это зарядное устройство содержит первое силовое соединение 2 для обмена энергией с источником питания, таким как электрическая сеть, например, хотя здесь может быть использован какой-либо другой источник, включая солнечные или ветровые источники энергии. Преобразователь энергии представляет собой преобразователь 3 переменного тока в постоянный ток, управляемый микроконтроллером 4. Имеется второе силовое соединение 5 для обмена энергией с электромобилем (не показан). Показаны также третье и четвертое силовые соединения 6, 7 для обмена энергией с другим зарядным устройством, составляющие часть так называемого силового концентратора, встроенного в зарядное устройство и содержащего также управляемый силовой переключатель 8. Контроллер 4 используется также для управления 9 переключателем 8 и, в частности, для присоединения преобразователя энергии по меньшей мере к одному третьему силовому соединению, когда нужно передать энергию другому зарядному устройству, и для присоединения по меньшей мере одного третьего силового соединения ко второму силовому соединению, когда нужно передать энергию от другого зарядного устройства автомобилю.
Как показано на Фиг.1а, переключатель 8 может представлять собой многополюсный переключатель. Токовая линия соединена с дополнительными компонентами (в рассматриваемом примере это автоматический выключатель 10 с аварийной кнопкой, предохранитель 12, диод 11, измеритель 13 тока, измеритель 14 напряжения и монитор 15 изоляции), которые нужны для обеспечения правильной работы, безопасности и/или соответствия стандартам заряда. Более того, имеется сетевое соединение 16, равно как и возможность присоединить дополнительный источник питания к зарядному устройству, чтобы заряжать аккумулятор электромобиля прямо от этого источника. Имеется интерфейс 18 пользователя для предоставления информации человеку, заряжающему аккумулятор электромобиля. Наконец, присутствуют второй диод 19, чтобы защитить зарядное устройство от токов, которые могут течь от электромобиля, и измерительный модуль 20 для измерений параметров в точке соединения с электромобилем.
На Фиг.1b показан вариант, когда второе силовое соединение 5 присоединено непосредственно к электромобилю и только третье силовое соединение 6 присоединено через переключатель к четвертому силовому соединению 7 соседнего зарядного устройства. Электромобиль содержит собственный переключатель, работой которого управляет система управления электромобилем.
На Фиг.1с показан вариант, в котором зарядные устройства соединены одно с другими. Соединениями между этими зарядными устройствами управляют посредством присутствия электромобиля на соединении с зарядным устройством. Переключатель размыкается в присутствии электромобиля. Электромобиль остается присоединен только к зарядному устройству, с которым он соединен непосредственно, а также к зарядным устройствам, расположенным слева от него.
Присутствие электромобиля можно обнаружить, например, по присутствию или отсутствию напряжения, тока или сопротивления на разъеме. Например, электромобиль может подать питание выключателю, чтобы разомкнуть его.
На Фиг.1d показан еще один вариант, использующий диод в цепи зарядного соединения, так что нет необходимости сразу же размыкать выключатель при обнаружении присутствия электромобиля. Когда с зарядной системой соединены два электромобиля с разными напряжениями аккумуляторов, диод предотвратит разряд аккумулятора, имеющего более высокое напряжение. Вместо этого вся энергия зарядной системы пойдет в аккумулятор с наименьшим напряжением. В качестве опции может быть установлен дополнительный выключатель, чтобы создать возможность заряжать аккумулятор, имеющий более высокое напряжение, путем разделения двух зарядных устройств.
На Фиг.1е показан вариант изобретения, где зарядные устройства соединены непосредственно одно с другим. В качестве стратегии заряда здесь может быть применена последовательная система, когда каждый из электромобилей по очереди получает суммарную мощность всех зарядных устройств. Другая стратегия заряда состоит в том, что сначала аккумулятор с самым низким напряжением заряжается до уровня другого аккумулятора с самым низким напряжением из оставшихся. После этого рассматриваемые два аккумулятора с самым низким напряжением заряжаются параллельно, пока не достигнут уровня следующего аккумулятора с самым низким напряжением из оставшихся, который в свою очередь присоединяется к системе и начинает заряжаться.
На Фиг.2 показана первая конфигурация соединения нескольких зарядных устройств 1a-1d, таких как зарядное устройство 1, представленное на Фиг.1, но только третьи силовые соединения 6a-6d. Эти третьи силовые соединения 6a-6d в рассматриваемой схеме присоединены одно к другому и образуют силовую шину 22. Три из четырех вторых силовых соединений 5a-5d присоединены к электромобилям 23а-23с. Преобразователь энергии зарядного устройства 1с может быть использован для передачи преобразованной энергии одному или нескольким электромобилям 23а-с для заряда их бортовых аккумуляторов.
На Фиг.3 показан вариант 24, где каждое зарядное устройство 1a-1d имеет третье и четвертое силовые соединения 6a-6d, 7a-7d для присоединения к другим зарядным устройствам. Третье силовое соединение 6a-6d каждого зарядного устройства присоединено к четвертому силовому соединению 7а-7b соседнего зарядного устройства соответственно. Два электромобиля 23а и 23b присоединены ко вторым силовым соединениям 5b, 5d.
На Фиг.4 показан еще один вариант 27, где каждое зарядное устройство 1a-1d имеет по три силовых соединения 6a-6d, 7a-7d, 26a-26d для присоединения ко всем соответствующим другим зарядным устройствам. К соответствующим вторым силовым соединениям этих зарядных устройств присоединены электромобили 23a-23d для заряда их аккумуляторов.