CN110505973B

CN110505973B - 充电系统和相应的安全联锁布置

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Publication number: CN110505973B
Application number: CN201880025967.1A
Authority: CN
Inventors: O.森特克
Original assignee: Abb Electric Transportation Co ltd
Current assignee: ABB AS Norway
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2038-04-18
Also published as: US20200052505A1; CN110505973A; EP3613122B9; PL3613122T3; EP3613122A1; WO2018192951A1; US11476686B2; ES2907829T3; EP3613122B1

Abstract

本发明涉及一种充电系统，所述充电系统包括：数量为m的充电器（C1、C2、C3），所述充电器（C1、C2、C3）各自适于提供电能以对电动运载工具（E1、E2、E3、E4）充电，由此m是整数并且m≥1；数量为n的输出口端口（P1、P2、P3、P4），所述输出口端口（P1、P2、P3、P4）各自适于电连接电动运载工具（E1、E2、E3、E4），由此n是整数并且n≥2；以及可开关连接矩阵装置（M），所述可开关连接矩阵装置（M）包括数量为n的输出口端口开关（O1、O2、O3、O4），所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的至少一个充电器电连接到n个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之一，以及如果m>1，则所述可开关连接矩阵装置（M）包括数量为m‑1的充电器开关（S1、S2），所述充电器开关（S1、S2）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的两个充电器电连接，由此可开关连接矩阵装置（M）适于检测在至少两个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之间的短路和/或适于如果在至少两个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之间的短路被检测到，则生成故障信号。

Description

充电系统和相应的安全联锁布置

技术领域

本发明涉及充电系统，包括各自适于提供电能以对电动运载工具充电的多个充电器以及各自适于电连接电动运载工具的多个输出口端口。

背景技术

电动运载工具充电器通常被设计成一次对诸如电动公共汽车ebus的单个电动运载工具充电。因此，经常仅安装单个充电输出口和/或单个桩。如果提供多个输出口，则每个输出口专用于诸如例如CHAdeMO或CCS的特定充电标准。然而，多个电动运载工具经由这些输出口的即时充电是不可能的。

JP 2012210039 A描述了在商用设施的现场等部署的功率分配装置，其包含多个现场电池单元、分配器和多个充电桩。

现有技术充电器支持单个输出口/标准或多个输出口/标准，但没有此类即时充电特征。具体地说，现有技术缺乏用于实现安全且方便的多桩即时充电的解决方案。所有解决方案的至关重要方面是电动运载工具充电器必须避免连接到充电器输出口的电动运载工具之间的电池短路。

通过将充电器控制器编程以相应地操纵接触器和/或开关，现有技术解决方案解决了此问题。然而，在诸如软件错误、EMI等特殊条件下充电器控制器的适当操作未得到保证。另一方面，此类失效的后果是有害的，因为它们包含对电动汽车和充电器的可能损坏。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于多桩电动汽车充电器的安全联锁机构，使得如果出现被禁止的接触器状态，则该联锁强制充电系统关闭。

本发明的目的通过本发明申请所公开的主题而得以解决。

因此，该目的通过一种充电系统而得以解决，该充电系统包括：数量为m的充电器，所述充电器各自适于提供电能以对电动运载工具充电，由此m是整数并且m ≥ 1；数量为n的输出口端口，所述输出口端口各自适于电连接电动运载工具，由此n是整数并且n ≥ 2；以及可开关连接矩阵装置，所述可开关连接矩阵装置包括数量优选为n的输出口端口开关，所述输出口端口开关各自适于将m个充电器中的至少一个充电器电连接到优选为n个的输出口端口之一，以及如果m>1，则所述可开关连接矩阵装置包括数量优选为m-1的充电器开关，所述充电器开关各自适于将优选为m个的充电器中的至少两个充电器电连接，由此该可开关连接矩阵装置适于检测在至少两个输出口端口之间的短路和/或适于如果在至少两个输出口端口之间的短路被检测到，则生成故障信号。所述输出口端口开关和所述充电器开关各自是通过开关信号可控的，并且由此基于所述开关信号，所述短路被检测和/或所述故障信号被生成。所述可开关连接矩阵装置包括多个电开关状态检查装置，所述多个电开关状态检查装置各自适于确定所述输出口端口开关和/或充电器开关之一的开关状况，并且由此基于所述确定的开关状况，所述短路被检测和/或所述故障信号被生成。

本发明的关键点是可开关连接矩阵装置适于检测在至少两个输出口端口之间的短路。在此类情况下，按照第二备选方案，生成故障信号，根据所述故障信号能够强制关闭充电系统。因此，本发明提供了同时对多个电动运载工具充电的即时充电可能性，这在容量使用、增加的功能性和大幅增加的安全方面为充电系统带来了极大的灵活性。换而言之，本发明允许避免在连接到充电系统的充电器输出口端口的电动运载工具之间的电池短路。

充电器优选地被提供为带有例如50 kW DC快速充电能力的DC充电器，因此允许以200-500 V的输出电压以125 A（Combo-1）或以50-500 V的输出电压以120 A（CHAdeMO）在15分钟内的30%到80%的典型充电，和/或可满足用于输出口端口的EN61851-23/DIN 70121Combo-1和/或CHAdeMO 1.0 DC连接标准。在示例性实施例中，充电系统包括三个充电器（m=3）和四个输出口端口（n=4），使得提供了两个充电器开关（m-1）和四个输出口端口开关（n）。在此类情况下，输出口端口中的每两个输出口端口和相应的输出口端口开关能够被并联连接到每一个充电器，由此第三充电器能够经由两个充电器开关被连接到两个其它充电器，由此将充电器并联连接。在正常操作中，一旦相应输出口端口开关被接通以便连接电动运载工具和相应充电器，便用电能将连接到输出口端口之一的一个电动运载工具充电。此外，通过将相应充电器开关接通，充电器能够被连接到电动运载工具。

在短路被检测到和/或故障信号被生成的情况下，充电器开关和/或输出口端口开关优选地适于将充电器和/或输出口端口断开连接。优选的是，两个输出口端口和相应的两个输出口端口开关被并联连接到相应充电器。短路意味着例如在两个充电端口之间和/或在两个关联的电动运载工具和/或其电池之间的电连接。电动运载工具能够被提供为从现有技术已知的任何电动运载工具，例如电动公共汽车ebus，并且包括要由充电系统充电的电池。故障信号能够被发送到计算机网络以进行进一步处理，可触发警报等等。

根据另外的优选实施例，可开关连接矩阵装置适于如果短路被检测到和/或故障信号被生成，则将输出口端口开关和/或充电器开关中的至少一个断开以便清除短路，将至少一个充电器和/或至少一个输出口端口断开连接，和/或关闭充电系统。在短路发生（这可损坏连接的电动运载工具的电池）的情况下，可开关连接矩阵装置可通过关断相应充电器开关和/或输出口端口开关来有利地将至少一个相应的电动运载工具断开连接，由此解决短路。优选的是，仅一个电动运载工具被断开连接，使得连接到充电系统的剩余电动运载工具能够被连续充电。

根据优选实施例，可开关连接矩阵装置包括多个电开关状态检查装置，所述多个电开关状态检查装置各自适于确定输出口端口开关和/或充电器开关之一的开关状况，并且由此基于所确定的开关状况，短路被检测和/或故障信号被生成。开关状态检查装置能够被提供为用于确定相应输出口端口开关和/或充电器开关的开关状况的机械和/或电气装置，例如为光电二极管。优选的是，提供了数量为n+m-1的电开关状态检查装置，使得每个输出口端口开关和充电器开关被提供有此类装置。此类实施例允许用于开关状况确定的容易且具成本效益的实现。

根据另一优选实施例，输出口端口开关和充电器开关各自是通过开关信号可控的，并且由此基于开关信号，短路被检测和/或故障信号被生成。这样，不以机械方式检测开关状况。而是开关信号被用作用于确定输出口端口开关和/或充电器开关的开关状况的基础以便检测短路是否发生。

根据另一优选实施例，可开关连接矩阵装置包括至少一个逻辑装置，所述至少一个逻辑装置的输入侧被连接到输出口端口开关和充电器开关，并且如果短路被检测到，则所述至少一个逻辑装置的输出侧生成故障信号。优选的是，输入侧被连接到所有n个输出口端口开关和所有m-1个充电器开关。逻辑装置的输入侧优选地被连接到所有开关状态检查装置以便获得相应开关状况。该逻辑装置优选地包括如果短路发生则基于所确定的开关状况来确定故障信号的逻辑。

一般地，该逻辑装置能够被提供为从现有技术已知的任何逻辑部件。然而，根据另一优选实施例，该逻辑装置被提供为逻辑门、可编程逻辑阵列和/或可编程逻辑控制器。逻辑门是实现对一个或多个逻辑输入执行逻辑操作的布尔函数的物理装置，并且产生逻辑输出。可编程逻辑阵列（PLA）是用来实现组合逻辑电路的一种可编程逻辑装置。PLA经常包括一组可编程AND门平面，所述一组可编程AND门平面链接到一组可编程OR门平面，这能够随后被有条件地补充以产生逻辑输出。可编程逻辑控制器（PLC）优选地被提供为“硬”实时系统，由此输出结果响应于的输入条件在有限的时间内被产生。利用此类逻辑门、可编程逻辑阵列和/或可编程逻辑控制器及作为逻辑输入的所确定的开关状况，能够方便地确定短路是否发生，在短路发生的情况下，产生作为逻辑输出的故障信号。根据另外的优选实施例，逻辑装置包括OR、AND、NOR和/或NOR逻辑门。

根据另一优选实施例，n ≥ 4，n为偶数，并且输出口端口被提供为多桩充电连接，其中每两个输出口端口被一起组合为一个桩。此类实施例允许带有每桩两个输出口端口的舒适实现。充电系统和/或充电器可进一步包括功率转换器，所述功率转换器用于将来自诸如AC电网之类的功率源的AC功率转换成用于对电动运载工具充电的适合的DC形式（format）。

根据另外的优选实施例，m>3，并且m-1个充电器开关适于将m个充电器并联电连接。将两个或多于两个充电器并联连接增大了充电功率，使得电动运载工具在更短的时间中变得被充电。也称为电驱动运载工具的电动运载工具（EV）使用一个或多个电动机或牵引马达来推进。EV可包括道路和轨道车辆、水面和水下船舶、电动飞机和电动航天器。

根据另一优选实施例，可开关连接矩阵装置适于如果短路被检测到和/或故障信号被生成，则将输出口端口开关和/或充电器开关中的至少一个断开以便清除短路。这样，能够防止电动运载工具的电池被损坏。例如，如果多个电动运载工具通过使用多个充电器同时被充电，并且如果将一个另外的电动运载工具连接到充电系统导致短路，则仅将与对该另外的电动运载工具充电直接关联的输出口端口开关和/或充电器开关断开能够足以清除该短路。在示例中，这能够是被闭合以便开始该另外的电动运载工具的充电的输出口端口开关和/或充电器开关。术语断开和/或闭合意思是通过所述开关的电连接被中断和/或被建立。

一般地，输出口端口开关和/或充电器开关能够被提供为从现有技术已知的任何开关部件。根据优选实施例，多个输出口端口开关和/或多个充电器开关被提供为接触器。优选的是，每个输出口端口开关和/或每个充电器开关被提供为接触器或者包括两个接触器。接触器是用于切换电力电路的电控制开关，并且通常由具有比被切换的电路更低功率电平的电路控制。电开关状态检查装置能够被集成到接触器中以便确定开关状况。能够从控制接触器的电路获得开关信号。

该目的还通过一种安全联锁布置而得以解决，所述安全联锁布置包括如前面所述的至少两个充电系统以及连接到可开关连接矩阵装置并且适于从可开关连接矩阵装置接收故障信号的联锁装置。该联锁装置因此可在中央控制被安装在地理上不同位置的多个充电系统的短路的发生。该联锁装置可包括和/或能被连接到计算机网络，和/或可包括用于描绘在地理上的短路的发生的屏幕。

根据优选实施例，该安全联锁装置包括至少一个（例如两个或三个）电动运载工具和/或ebus，所述电动运载工具和/或ebus被电连接到用于对电动运载工具和/或ebus充电的充电端口。优选的是，电动运载工具和/或ebus通过电缆和/或连接器电连接到充电端口以便容易地建立到电动运载工具和/或ebus的电池的电连接。

附图说明

从下文描述的实施例将明白本发明的这些和其它方面，并且将参照下文描述的实施例，阐明本发明的这些和其它方面。

在附图中：

图1将根据本发明的优选实施例的充电系统示出为框图，

图2将根据本发明的优选实施例的充电系统示出为单线图，

图3是根据本发明的优选实施例的充电系统的可开关连接矩阵装置，

图4是根据本发明的优选实施例的充电系统的另外的可开关连接矩阵装置，以及

图5是示意图中的优选实施例的示例性实现。

具体实施方式

图1到2各自将根据本发明的优选实施例的充电系统在图1中示出为框图并且在图2中示出为单线图。充电系统包括数量为m的充电器C1、C2、C3，即m = 3个充电器C1、C2、C3，其各自适于提供电能以对电动运载工具E1、E2、E3、E4充电。除此之外，只要m是整数并且m≥ 1，任何其它数量的m个充电器C1、C2、C3能够被使用。

充电器C1、C2、C3各自被提供为带有50kW DC快速充电能力的DC充电器，因此允许以200-500 V的输出电压以125 A（Combo-1）或以50-500 V的输出电压以120 A（CHAdeMO）在15分钟内的30%到80%的典型充电，由此充电器C1、C2和C3满足用于相应输出口端口P1、P2、P3、P4的EN61851-23/DIN 70121 Combo-1规范和CHAdeMO 1.0 DC连接标准。如从图1和2能看到的，提供数量n = 4的输出口端口P1、P2、P3、P4，其各自适于电连接一个电动运载工具E1、E2、E3、E4，由此数字n是整数并且n ≥ 2。每两个输出口端口P1、P2、P3、P4被一起组合为桩PO1、PO2。

充电系统进一步包括用于将充电器C1、C2、C3与输出口端口P1、P2、P3、P4和/或电动运载工具E1、E2、E3、E4电连接的可开关连接矩阵装置M。可开关连接矩阵装置M包括数量n= 4的输出口端口开关O1、O2、O3、O4，由此每个输出口端口开关O1、O2、O3、O4适于将m个充电器C1、C2、C3中的至少一个充电器电连接到四个输出口端口P1、P2、P3、P4之一。此外，在m大于1的情况下（这在本实施例中被满足），可开关连接矩阵装置M进一步包括数量为m-1=2的充电器开关S1、S2，其各自适于将三个充电器C1、C2、C3中的两个充电器并联电连接。每两个输出口端口开关O1、O2、O3、O4被组合成桩PO。

四个输出口端口开关O1、O2、O3、O4和两个充电器开关S1、S2各自被提供为接触器。在如图2中示出的实施例中，第一输出口端口开关O1和第二输出口端口开关O2被并联连接，第三输出口端口开关O3和第四输出口端口开关O4也被并联连接。因此，第一电动运载工具E1和第二电动运载工具E2不能被即时充电，因为这将造成在第一电动运载工具E1与第二电动运载工具E2的电池之间的短路。因此，同时要么第一输出口端口开关O1必须是断开的，要么第二输出口端口开关O2必须是断开的，以便避免短路。也不能同时对第三电动运载工具E1和第四电动运载工具E2充电。在第一充电器开关S1和第二充电器开关S2是闭合的情况下，一次只能对一个电动运载工具E1、E2、E3、E4充电。否则，在电动运载工具E1、E2、E3、E4的电池之间将存在短路的风险。

因此，为避免此类短路，可开关连接矩阵装置M适于检测在至少两个输出口端口P1、P2、P3、P4之间的短路和/或适于如果在至少两个输出口端口P1、P2、P3、P4之间的短路被检测到，则生成故障信号。换而言之，可开关连接矩阵装置M适于在接触器的任何被禁止状态被检测到的情况下发起故障信号，使得在电动运载工具E1、E2、E3、E4的电池之间的任何可能短路被避免。在此类情况下，即如果短路被检测到和/或如果故障信号被生成，则可开关连接矩阵装置M将输出口端口开关O1、O2、O3、O4和/或充电器开关S1、S2中的至少一个断开以便清除短路，将至少一个充电器C1、C2、C3断开连接和/或关闭充电系统。

具体地说，为确定输出口端口开关O1、O2、O3、O4和充电器开关S1、S2的开关状况，如图3中所示出的，可开关连接矩阵装置M包括多个电开关状态检查装置D，所述多个电开关状态检查装置D被提供为光电二极管并且安装在输出口端口开关O1、O2、O3、O4中的每个输出口端口开关处和在充电器开关S1、S2中的每个充电器开关处。备选地或另外，如图4中所示出的，用于开关输出口端口开关O1、O2、O3、O4和充电器开关S1、S2的开关信号能被用来检测短路和/或生成故障信号。

通过确定作为到逻辑装置L的输入信号的开关状况和/或开关信号，如在图5中所示出的，逻辑装置L被配置成如果在其输出侧上检测到短路，则生成故障信号。这样，可开关连接矩阵装置M包括至少一个逻辑装置L，所述至少一个逻辑装置L的输入侧被连接到输出口端口开关O1、O2、O3、O4和充电器开关S1、S2。逻辑装置L能够被提供为逻辑门、可编程逻辑阵列和/或可编程逻辑控制器。如从图5能看到的，逻辑装置L包括多个OR、AND、NOR和/或NOR逻辑门。

本发明进一步涵盖一种未示出的安全联锁布置，所述安全联锁布置包括如前面所述的至少两个充电系统以及连接到可开关连接矩阵装置M的联锁装置G。这样，联锁装置G适于从可开关连接矩阵装置M接收故障信号。

虽然本发明已在附图和前面描述中被详细图示和描述，但此类图示和描述要被视为是说明性或示例性而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、公开和随附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明中能够理解和实现所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅仅事实不指示这些措施的组合不能被用来获益。权利要求中的任何参考标记不应被视为限制范围。

标号列表

C1、C2、C3 充电器

E1、E2、E3、E4 电动运载工具

P1、P2、P3、P4 输出口端口

M 可开关连接矩阵装置

O1、O2、O3、O4 输出口端口开关

S1、S2 充电器开关

D 开关状态检查装置

L 逻辑装置

PO 桩

G 　　　　　　　联锁装置

Claims

1.一种充电系统，包括

数量为m的充电器（C1、C2、C3），所述充电器（C1、C2、C3）各自适于提供电能以对电动运载工具（E1、E2、E3、E4）充电，其中m是整数并且m ≥ 1，

数量为n的输出口端口（P1、P2、P3、P4），所述输出口端口（P1、P2、P3、P4）各自适于电连接所述电动运载工具（E1、E2、E3、E4），其中n是整数并且n ≥ 2，以及

可开关连接矩阵装置（M），所述可开关连接矩阵装置（M）包括多个输出口端口开关（O1、O2、O3、O4），所述多个输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的至少一个充电器电连接到所述输出口端口（P1、P2、P3、P4）之一，以及如果m > 1，则所述可开关连接矩阵装置（M）包括多个充电器开关（S1、S2），所述多个充电器开关（S1、S2）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的至少两个充电器电连接，其中

所述可开关连接矩阵装置（M）适于检测在至少两个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之间的短路和/或适于如果在至少两个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之间的所述短路被检测到，则生成故障信号，以及

所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）和所述充电器开关（S1、S2）各自是通过开关信号可控的，并且基于所述开关信号，所述短路被检测和/或所述故障信号被生成，

其中所述可开关连接矩阵装置（M）包括多个电开关状态检查装置（D），所述多个电开关状态检查装置（D）各自适于确定所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）和/或充电器开关（S1、S2）之一的开关状况，并且基于确定的开关状况，所述短路被检测和/或所述故障信号被生成。

2.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述可开关连接矩阵装置（M）包括数量为n的输出口端口开关（O1、O2、O3、O4），所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的至少一个充电器电连接到n个输出口端口（P1、P2、P3、P4）之一，以及如果m > 1，则所述可开关连接矩阵装置（M）包括数量为m-1的充电器开关（S1、S2），所述充电器开关（S1、S2）各自适于将m个充电器（C1、C2、C3）中的至少两个充电器电连接。

3.根据权利要求2所述的充电系统，其中所述可开关连接矩阵装置（M）适于如果所述短路被检测到和/或所述故障信号被生成，则将所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）和/或所述充电器开关（S1、S2）中的至少一个断开以便清除所述短路，将至少一个充电器（C1、C2、C3）断开连接和/或关闭所述充电系统。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的充电系统，其中所述可开关连接矩阵装置（M）包括至少一个逻辑装置（L），所述至少一个逻辑装置（L）的输入侧被连接到所述输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）和所述充电器开关（S1、S2），并且如果所述短路被检测到，则所述至少一个逻辑装置（L）的输出侧生成所述故障信号。

5.根据权利要求4所述的充电系统，其中所述逻辑装置被提供为逻辑门、可编程逻辑阵列和/或可编程逻辑控制器。

6.根据权利要求5所述的充电系统，其中所述逻辑装置包括OR、AND和/或NOR逻辑门。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的充电系统，其中n ≥ 4，n为偶数，并且所述输出口端口（P1、P2、P3、P4）被提供为多桩充电连接，其中每两个输出口端口（P1、P2、P3、P4）被一起组合为一个桩（PO）。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的充电系统，其中m > 3，并且所述充电器开关（S1、S2）适于将m个充电器（C1、C2、C3）并联电连接。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的充电系统，其中所述多个输出口端口开关（O1、O2、O3、O4）和/或所述多个充电器开关（S1、S2）被提供为接触器。

10.一种安全联锁布置，包括至少两个根据权利要求1-9中的任一项所述的充电系统，以及连接到所述可开关连接矩阵装置（M）并且适于从所述可开关连接矩阵装置（M）接收所述故障信号的联锁装置（G）。

11.根据权利要求10所述的安全联锁布置，包括至少一个电动运载工具（E1、E2、E3、E4），所述至少一个电动运载工具（E1、E2、E3、E4）被电连接到用于对所述电动运载工具充电的充电端口。

12.根据权利要求10所述的安全联锁布置，包括电动公共汽车，其电连接到用于对所述电动公共汽车充电的充电端口。