CN102470775B - 用于电动车辆的电气配送系统再充电站 - Google Patents

Abstract

一种电动车辆再充电站，其可以在翻新或新建工程期间被容易地结合至现有建筑物电气配送系统中。该系统具有至少一个外壳和车辆充电连接器。电路中断器具有与配送系统的相应第一和第二相连接的线路端子。接触器式继电器具有耦合至相应的电路中断器和电动车辆充电连接器相的第一和第二相以及针对每个相的可分离接触件，用于选择性地将电功率连接至充电连接器。再充电器控制器耦合至接触器，用于促使对可分离接触件的选择性分离和闭合，从而将电功率传送至电动车辆。再充电站系统还可以结合电费率计量功能以及从控制器至远程控制器的通信能力。人机界面可以耦合至控制器。

Description

用于电动车辆的电气配送系统再充电站

要求优先权

本申请要求保护以下各专利申请的权益：于2009年8月11日提交且分配序列号为61/232,964、名称为“Electric Vehicle Recharging Station”的我公司的共同待审美国临时专利申请；于2010年3月22日提交且分配序列号为61/316,098、名称为“Residential Scale Electric Vehicle Recharge Station with Monitor”的美国临时专利申请；以及于2010年4月5日提交且分配序列号为61/320,801、名称为“Residential Scale Electric Vehicle Recharge Station with Monitor”的美国临时专利申请，通过引用将所述各专利申请并入此处。

技术领域

本发明涉及车辆外部的电动车辆充电站。通过将充电站连接至车辆出口来对车辆充电。本发明更具体地涉及适于由电气技师结合至现有标准建筑物电气配送系统中以作为建筑物电气配送系统翻新或新建工程的一部分的再充电站及针对它们的使用的方法。本发明的再充电系统结构特征和操作结合了一般对于电气技师、电功率和配送服务提供商以及建筑物电气配送系统设计工程师来说熟悉的技术。

背景技术

尽管存在主要来自于车辆制造商和技术设计者的专用于机载电动车辆充电系统的大量技术文献，但是对于专用于如何将电功率从电力网路由至车辆的实践解决方案，存在相对较少文献。实际上，对电动车辆的需求将受到公众的以下认知限制：将能够找到容易可用的再充电站。

为了开始满足车辆充电站将在不久的将来可用于公众的公众认知，车辆产业已经推动了针对至少一个汽车工程师协会类型J1772标准化电气连接器配置的解决方案，该电气连接器配置适于连接至标准车辆出口（与标准化器具塞绳插头和有线设备出口类似）。然而，实质上存在对在特设的进行中的基础上创建电动车辆再充电站基础设施的需要，因为电动车辆变为整个车辆运输基础的较大部分。

与例如替换现有厨房冰箱或电动干衣机相比，电动车辆再充电对现有建筑物电气配送系统提出较高需求。较近的历史示例是：当必须对建筑物电气配送系统进行重新配置以适应中央空气调节气候控制系统时。当中央空气调节系统技术变得普遍时，建筑物电气配送系统设计者、功率生产商和配送服务提供商以及电气技师必须配置用于翻新和新建工程市场二者的系统升级。该产业现在面临着相同类型的挑战，因为其符合对电动车辆再充电应用的需求。

改变电动车辆电池所必需的相对较高的持续电流汲取需要建筑物电气配送系统升级以便在充电操作期间保护建筑物配送系统、正在充电的车辆及其关联操作者。附加的建筑物配送系统电气硬件必须能够满足电工规程，并符合建筑物拥有者获得财产保险范围所必需的设计标准（例如，保险商实验室、加拿大标准协会等等）。实际上，如果期望被结合至建筑物电气系统中的新再充电设备技术被迅速且以经济高效的方式采用，则该新再充电设备技术必须是电气系统设计者、政府电气检查权威机构、电气技师、建筑物维护专家和再充电操作者所熟悉的。

因此，在本领域中存在对一种电动车辆再充电站系统和方法的需要，所述电动车辆再充电站系统和方法可以通过建筑物电气系统翻新或者在新建工程期间作为附加分支而容易地添加至现有建筑物电气配送设计。这样，消费者可以在具有以下信心的情况下选择购买电动车辆：被许可的电气技师可以快速地对家用或工作电气配送系统进行升级以适应车辆充电站，并且检查权威机构将在后续的建筑物允许复查过程期间批准安装。

发明内容

相应地，本发明的目的是：使用电气技师、电气系统设计者和建筑物检查权威机构已拥有的知识，创建可被结合至现有设计建筑物电气配送系统中的电动车辆再充电站。

本发明的另一目的是：利用在执行其他类型的已知现有系统升级或新建工程时遇到的类似的努力和成本来安装这种再充电站。

根据本发明，通过可被结合至住宅、办公室和其他商用或工业建筑物环境中的电动车辆的电气配送系统再充电站以及用于其操作的方法来实现这些和其他目的。再充电站具有模块化构造并预期使用被电气技师公知且采用并且已被建筑物规范和政府检察员批准的安装构造特征和技术而结合至现有建筑物电气配送系统中。

本发明的再充电站的特征在于：适于结合至电气配送系统中且位于电动车辆外部的至少一个电气配送系统外壳。该站具有电动车辆充电连接器，该电动车辆充电连接器具有至少第一和第二电源相（phase），用于与电动车辆的充电出口电气连接。该连接器耦合至至少一个外壳中的一个。所述至少一个外壳中的一个中的电路中断器具有与电气配送系统的相应至少第一和第二相连接的线路端子。所述至少一个外壳中的一个中的接触器式继电器具有耦合至相应的电路中断器和电动车辆充电连接器相的相应的至少第一和第二相以及针对每个相的可分离接触件，用于选择性连接和断开从电气配送系统至充电连接器的电功率。再充电器控制器耦合至接触器，用于促使对可分离接触件的选择性分离和闭合，从而将电功率传送至电动车辆。期望地，可以将这些特征结合至可与建筑物的现有负载中心或电气配送配电板耦合的单个外壳中。备选地，可以将电路中断器结合至现有负载中心中，该现有负载中心进而连接至下游再充电站。再充电站系统还可以结合电费率计量功能以及从再充电器控制器至远程控制器的通信能力。人机界面可以耦合至控制器。

本发明的特征还在于一种用于对具有充电出口的电动车辆进行充电的方法，包括：通过促使再充电器控制器将接触器式继电器可分离接触件分离，如上所述提供电动车辆再充电器；将充电连接器连接至车辆充电出口；以及此后，促使所述再充电器控制器闭合接触器可分离接触件，从而将电功率传送至电动车辆。所述再充电器控制器可以在发生从包括以下各项的事件组选择的事件时促使接触器将电功率传送至电动车辆：日期、日时（time of day）、电功率成本、电动车辆的充电特性、电动车辆请求、远程操作者动作、以及人操作者动作。所述方法还可以包括：提供耦合至向充电连接器馈电的第一和第二相并与电功率提供商控制器进行通信的电气仪表，用于将功率消耗信息提供给功率提供商。该仪表可以与控制器通信。

本领域技术人员可以随意实施本发明的特征中的任一个或这些特征的任何组合。

附图说明

可以通过结合附图考虑以下具体实施方式来容易地理解本发明的教导，在附图中：

图1是来自电气配送系统负载中心的本发明示例性远程安装的电动车辆再充电站的立面透视图；

图2是与电气配送系统负载中心成组的本发明第二示例性安装的电动车辆再充电站的立面透视图；

图3是本发明的再充电站的控制电路和功率配送的示例性实施例的示意图；

图4是包括GFCI类型电路中断器的本发明的再充电站的示例性实施例的示意图；

图5是在再充电站外壳中没有电路中断器的情况下本发明的再充电站的示例性实施例的示意图，其中，再充电器控制器结合电路保护功能，并且该站直接有线连接至电气配送系统负载中心标准双极过载/过电流电路中断器；

图6是与图4的再充电站类似的本发明的再充电站的示例性实施例的示意图，但是，其中，控制器结合电路保护功能，并且电路中断器是标准过载/过电流设备；

图7是本发明的再充电站的示例性封装实施例的透视图；

图8是在没有外壳的情况下本发明的再充电站的示例性封装实施例的另一透视图；以及

图9至12示出在对示例性电动车辆进行充电期间处于不同代表性操作状态的本发明再充电器控制器的充电系统。

为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同参考标记来表示附图所公有的相同元素。

具体实施方式

在考虑了以下描述之后，本领域技术人员将清楚地认识到，可以在本发明的电动车辆再充电站中容易地利用我们的发明的教导，可以使用电气配送系统设计者、检查官员和电气技师已经熟悉的技术，在新的或现有的住宅或其他类型的建筑物电气配送系统中容易地安装本发明的电动车辆再充电站。

总体上参照图1和2，示出了附加至建筑物墙壁21外部的具有外壳22的已知住宅或其他建筑物低电压电气配送系统负载中心20。如本领域技术人员已知，可以通过将负载中心20插入墙壁空腔内（例如插入墙壁立柱之间），将负载中心20与墙壁表面21齐平地安装。导线管23保持电气配送功率电路布线，其将多相电功率从电力网直接或间接路由至负载中心20中，并将负载中心下游的功率配送至其他电力电路。

负载中心20具有电功率配送领域内的已知构造，并包括相应的第一和第二相汇流条24、26和中性总线28。在美国，每个电源相电位是120伏。汇流条24、26上的立柱适于与电路中断器（例如双极（相）接地故障电路中断器（GFCI）30）接合。电路中断器也被称作电路断路器。如本领域已知，电路中断器30可以包括：电子模块31，其可以控制电路中断器的跳闸操作，提供远程监视或功率计量功能，并能够通过任何已知通信介质来与远程控制器60进行通信，通过非限制性示例，所述已知通信介质包括：经过电力线的高频载波信号、无线信号或者计算机通信数据总线（包括Zigbee和互联网兼容协议）。

电动车辆再充电器站系统40通过导线管23耦合至负载中心20的下游，或者，其外壳42可以通过外挂（knock out）和相关耦合硬件直接组合至负载中心外壳22。可选地，再充电器站40可以包括人机界面（HMI）44，该人机界面（HMI）44可以包括指示灯、读出器和用户输入的指令键区。手动接通/关断按钮46使用户能够随意进行车辆充电或终止。有利地，外壳42可以包括线缆吊架48。电动车辆充电连接器50耦合至充电线缆52，以插入与车辆连接的配对插座55。

参照图3所示的本发明的再充电器站40的一个示例性实施例以及图7和8所示的总体示例性封装布局，电路中断器80具有与负载中心20中的相应相汇流条24、26耦合的相应的第一和第二相线路接线头84、86。输入相中的每一个路由通过经由车辆充电连接器50管脚1和2的对应下游输出相。接触器式继电器90（进而被接触器式继电器92启动）具有针对每个相应相的可分离接触件94、96对，以选择性地将功率与电动车辆连接和断开。优选地，接触器90是（但不必须是）美国全国电气制造商协会（NEMA）电动机接触器，其构造、操作和维护是电气配送系统领域内公知且得到接受的。

充电系统再充电器控制器100启动接触器式继电器92，以便选择性地将通电或断电路由至电动车辆。再充电器控制器100具有电气配送领域内的已知构造，并可以包括实现所存储的软件指令的硬件、固件和处理器的组合。

再充电器控制器100可以通过如先前关于电路中断器电子模块31讨论的已知通信介质耦合至远程控制器60，或者在其中集成有去到远程控制器60的远程通信接口110。远程控制器60的示例性类型可以包括车辆控制器、功率提供商或功率配送服务提供商控制器（包括某些管辖区中需要或促进的电力公司网关）、以及住宅监视/远程操作者控制器。住宅监视/远程操作者控制器将允许住户监视充电操作或改变家里远离充电站的另一部分中的充电状态。再充电器控制器100还可以包括先前结合电路中断器电子模块31描述的功率计量功能。在一个实施例中，再充电器控制器100耦合至可选的人机界面（HMI）44。

如图3所示，再充电器系统40中的示例性电路的其余部分包括与相和中性电力线直接耦合的12伏直流电源120。如果再充电器控制器100结合了计量功能，则已知的电力变压器122（例如电流变压器（CT）或Rogowski线圈）将计量信息供给再充电器控制器。

结合单刀双掷（SPDT）继电器135、继电器140和电阻器15，振荡器130将12伏DC信号或+/-12伏方波振荡信号供给与连接器的管脚4中的汽车连接器50连接的任何车辆。这里将参照图9至12来描述选择性DC或振荡信号的目的。HMI 44可以包括涉及再充电器系统操作参数的用户可观看指示灯，通过示例，所述再充电器系统操作参数包括以下各项中的一项或多项：

144A   存在AC功率

144B   车辆连接到充电器

144C   准备好对车辆充电

144D   存在系统故障

144E   充电正在进行中。

再充电器控制器100可以结合附加监视和控制功能（例如由HMI 44启动），包括计量、选择性电路保护功能、以及基于控制器上存储的或通过远程控制器60而传送至控制器的事件和参数的充电开始/停止。例如，再充电器控制器100可以被配置为促使接触器90将电功率传送至电动车辆，这从包括以下各项的事件组选择的：日期、日时、电功率成本、电动车辆的充电特性、电动车辆请求、远程操作者动作、以及人操作者动作。人操作者可以优先于再充电器控制器100通过使用HMI 44或手动接通/关断开关46而对接触器90进行激活。

图4至6描绘本发明对不同充电站40实施例和再充电器控制器100功能水平的示例性应用。在图4中，再充电器控制器100不具有接地故障检测能力。电路中断器80是具有独立自包含接地故障以及其他故障监视和响应能力的GFCI或CCID。

在图5中，再充电器控制器100有线连接至负载中心20中的标准过载/过电流双极电路中断器30，并包括将由GFCI或CCID电路断路器以其他方式执行的一个或多个故障检测和监视功能。因此，如由可适用的规范和产品证书标准可以允许的那样，设计者可以随意将电路监视和控制功能中的一个或多个分配给再充电器控制器100。为了实现附加的监视和控制功能（例如接地故障监视），附加的电流感测线圈122A耦合至再充电器控制器。在图5的实施例中，再充电站40不包括内部电路中断器80，从而实现了较小的总体封装和组件成本。

图6示出结合了电路中断器80的实施例，所述电路中断器80未结合GFCI或CCID监视功能。在再充电器控制器100中结合了这些附加的较高级的控制和监视功能。如图5的实施例中那样，附加的电流感测线圈122A耦合至再充电器控制器100。

如下，图9至12示出了处于由汽车工程师协会SAE在2010年1月的 J1772 JAN2010规范授权的不同充电状态的电动车辆再充电器40。图9示出了SAE状态 A，其中，车辆未连接至充电站40。连接器50的管脚4读数为12伏。图10示出了向状态B的转变，其中，充电站利用连接器50而连接至车辆，但是并未准备好对车辆充电。对振荡器130进行激活，从而向车辆指示充电站40能够开始充电。振荡器波形占空比将可用的充电安培数传送至车辆。DC或振荡电压在连接器50的管脚4处为9伏。图11示出向状态C和D的转变，其中，连接器50的管脚4的读数将分别为6伏或3伏。可选地，车辆结合了由车辆制造商选择的状态C或D。优选地，充电器能够适应普遍接受的可选状态C或D。图12是备选的故障状态，其中，根据SAE规范，管脚4的读数将为0伏或-12伏。尽管这里已经详细地示出并描述了结合本发明的教导的各种实施例，但是本领域技术人员可以容易地设计出仍结合这些教导的许多其他变型实施例。

Claims (16)

1.一种电动车辆再充电器，这种类型的电动车辆再充电器具有：

位于电动车辆外部的电气配送系统外壳（40）；

电动车辆充电连接器（50），其具有至少第一电源相（φ1）和第二电源相（φ2），用于与电动车辆的充电出口（55）电气连接，该连接器耦合至所述外壳；

所述外壳中的电路中断器（80），其具有用于与电气配送系统（20）的相应至少第一和第二相连接的线路端子；

所述外壳中的接触器式继电器（90），其具有耦合至相应的电路中断器（80）和电动车辆充电连接器（50）相的相应的至少第一和第二相以及针对每个相的可分离接触件（94、96），用于选择性地连接和断开从电气配送系统至充电连接器的电功率；以及

再充电器控制器（100），其耦合至所述接触器式继电器，用于促使对可分离接触件的选择性分离和闭合移动，从而选择性地将电功率传送至电动车辆；

其特征在于，该控制器被配备和布置为通过促使接触器式继电器接触移动来执行以下各项中的一项或多项：作为所述电路中断器的电路故障监视和控制功能；功率计量；以及响应于检测到事件或接收到外部充电命令而进行充电，其中，所述再充电器控制器与从包括以下各项的组选择的远程控制器（60）进行远程通信：电功率提供商控制器、远程监视器控制器、或者耦合至连接器的电动车辆，这促使所述再充电器控制器使得将电功率选择性地传送至电动车辆。

2.根据权利要求1所述的再充电器，还包括：耦合至向充电连接器馈电的所述至少第一和第二相并与远程控制器（60）进行远程通信的电气仪表，用于向所述远程控制器（60）提供功率消耗信息。

3.根据权利要求2所述的再充电器，其中，该仪表与所述再充电器控制器进行通信。

4.根据权利要求1所述的再充电器，其中，所述再充电器控制器执行作为所述电路中断器的电路故障保护和监视功能。

5.根据权利要求1所述的再充电器，其中，在外壳中使所述电路中断器和电动机接触器肩并肩地定向，并且，所述电路中断器和再充电器控制器共享电路故障保护和监视功能。

6.根据权利要求1所述的再充电器，还包括手动接通-关断开关（46），用于促使对接触器可分离接触件的选择性分离和闭合。

7.根据权利要求1所述的再充电器，其中，所述外壳（40）直接耦合至功率配送负载中心（20）。

8.根据权利要求1所述的再充电器，包括两个外壳，其中，所述外壳中的一个（22）是其中具有电路中断器（30）的功率配送负载中心，并且另一外壳（40）具有在其中的接触器、再充电器控制器和附着到其的充电连接器。

9.根据权利要求8所述的再充电器，还包括：耦合至向充电连接器馈电的所述至少第一和第二相并与电功率提供商控制器进行远程通信的电气仪表，用于将功率消耗信息提供给功率提供商。

10.根据权利要求1所述的再充电器，其中，所述电路中断器是从包括以下各项的组中选择的：接地故障电路中断器或充电电路中断设备。

11.根据权利要求1所述的再充电器，其中，所述充电连接器是汽车工程师协会类型J1772连接器。

12.根据权利要求1所述的再充电器，还包括耦合至所述再充电器控制器的人机界面（44），其包括系统状态指示器。

13.一种用于对具有充电出口（55）的电动车辆进行充电的方法，包括：

提供电动车辆再充电器，其具有：

      位于电动车辆外部的电气配送系统外壳（40）；

      耦合至所述外壳的电动车辆充电连接器（50），其具有至少第一和第二电源相；

      所述外壳中的电路中断器（80），其具有用于与电气配送系统（20）的相应至少第一和第二相连接的线路接线头（84、86）；

      所述外壳中的接触器式继电器（90），其具有耦合至相应的电路中断器和电动车辆充电连接器相（1、2）的相应的至少第一和第二相以及针对每个相的可分离接触件（94、96）；以及

      耦合至接触器式继电器的再充电器控制器（100），该控制器能够执行以下控制器功能中的一项或多项：作为所述电路中断器的电路故障监视和控制功能，功率计量，以及响应于检测到事件或接收到外部充电命令而进行充电，用于促使对可分离接触件的选择性分离和闭合；

促使所述再充电器控制器使得分离接触器可分离接触件；

将充电连接器连接至车辆充电出口；以及

促使所述再充电器控制器响应于执行所述控制器功能中的一个而断开或闭合接触器可分离接触件，从而控制将电功率传送至电动车辆，其中，所述再充电器控制器响应于远程操作者动作促使接触器将电功率传送至电动车辆或者停止将电功率传送至电动车辆。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述再充电器控制器响应于从包括以下各项的事件组中选择的事件促使接触器将电功率传送至电动车辆或者停止将电功率传送至电动车辆：日期、日时、电功率成本、电动车辆的充电特性、电动车辆请求、电路故障监视和控制检测以及人操作者动作。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括提供耦合至向充电连接器馈电的所述至少第一和第二相并与远程控制器（60）进行远程通信的电气仪表，用于向所述远程控制器（60）提供功率消耗信息。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，该仪表与所述再充电器控制器进行通信。