CN110799378B - 用于电动交通工具的充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电动交通工具的充电装置，其包括多个充电接头（2）、多个电流变换器（3）以及可开关的接头矩阵（4），所述接头矩阵被配置成用于借助至少一个断路器（15）将至少一个电流变换器（3）与至少一个充电接头（2）连接，以向相应的充电接头（2）提供最大额定电流
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
、多个高压保护开关（12），其中，除了接头矩阵（4）以外，在每个电流变换器与每个充电接头之间在相应的直流电流路径中布置高压保护开关（12）中的至少一个，并且每个高压保护开关被配置成用于开关最大电流
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
，以及具有电流变换器壳体（11），所述电流变换器壳体内部布置有所有电流变换器、接头矩阵和所有高压保护开关。

Description

用于电动交通工具的充电装置
技术领域
本发明涉及用于电动交通工具的充电装置，其包括多个充电接头，所述多个充电接头中的每个充电接头被配置成用于与至少一个电动交通工具进行功率交换、多个电流变换器，所述多个电流变换器中的每个电流变换器被配置成用于将来自功率源的功率转换为合适的形式以对电动交通工具进行充电、以及可开关的接头矩阵，所述接头矩阵被配置成用于将至少一个电流变换器与至少一个充电接头连接。
背景技术
从现有技术中已知用于电动交通工具的充电装置，并且也将其称为充电站、充电桩或充电点。充电装置通常具有多个充电接头，在最简单的情况下，所述多个充电接头被设计为插座，并且可在其中插入用于给电动交通工具“加油（Betanken）”的充电线缆，或者具有用于与电动交通工具连接的这种充电线缆。根据广泛使用的标准IEC 6185-1，充电线缆可以固定地与电动交通工具连接，两侧上可以配设有插接连接器（Steckverbinder）或可以固定地与充电接头连接。在欧洲，用于连接充电线缆的插接连接器通常按照标准IEC 62196进行设计，例如设计为所谓的Combo 2-插头（Combo 2-Stecker）或耦合器，以用于在200-600 V的直流电压以及高达400 A的直流电流的情况下具有高达240kW的直流充电。此外，存在其他的用于插接连接器的标准，例如在日本广泛使用的通用标准CHAdeMO或在北美广泛使用的通用标准SAE J1772。例如根据通用标准ISO 6469-3，在充电接头中设置了高压保护开关，以接通和断开用于给电动交通工具加油的直流电流。
在上述充电装置中，通常空间上远离电流变换器以及远离可开关的接头矩阵布置充电接头。当电流变换器和电流变换器壳体内部的可开关的接头矩阵布置在停车场边缘处时，通常将充电接头分派给停车场的相应的停车位，直接地安装在该停车位处。在较大安装中，充电接头与电流变换器以及可开关的接头矩阵之间的距离可以是几十米或几百米。
虽然接头矩阵的优点是：使多个电流变换器并联连接以对各个电动交通工具进行充电，以便由此提高了可用的充电功率并且对应地缩短了充电持续时间，但是上述配置的缺点在于：如果完全没有电动交通工具与充电接头连接，在充电接头上仍然提供了功率。尽管在一般的运行情况下这不会显示出问题，然而可能会出现下述情况：例如由于通过故意的损坏而引起的充电接头的或在充电接头中高压保护开关的损伤或通过由电动交通工具而造成的事故，在所述情况中，在未使用的充电接头处待处理（anstehen）的功率示出了危险，这可能导致例如短路、电弧形成、火花击穿或甚至充电接头的损坏等。
发明内容
从这种情况出发，本发明的任务是提供用于电动交通工具的充电装置，其特征在于改进的运行安全性。
所述任务通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中说明了有利的设计方案。
因此，该任务通过用于电动交通工具的充电装置来解决，其包括多个充电接头，所述多个充电接头中的每个充电接头被配置成用于与至少一个电动交通工具进行功率交换、多个电流变换器，所述多个电流变换器中的每个电流变换器被配置成用于将来自功率源的功率转换为合适的形式以对电动交通工具以直流电流进行充电、以及可开关的接头矩阵，所述接头矩阵被配置成用于借助至少一个断路器将至少一个电流变换器与至少一个充电接头连接，以向相应的充电接头提供最大额定电流、多个高压保护开关，其中，除了接头矩阵以外，在每个电流变换器与每个充电接头之间在相应的直流电流路径中布置高压保护开关中的至少一个，并且每个高压保护开关被配置成用于开关最大电流，并且具有电流变换器壳体，所述电流变换器壳体内部布置有所有电流变换器、接头矩阵和所有高压保护开关。
因此，本发明的要点在于：高压保护开关没有在充电接头处与所分派的该充电接头布置（例如设置在充电接头的壳体内部），而是布置为在空间上远离电流变换器壳体内部的充电接头（例如接头矩阵的壳体的内部）。只有在接通高压保护开关之后，才为相应的充电接头供应有电能，用于对电动交通工具以直流电流进行充电。如果在相应的电流路径中布置的高压保护开关断开，则不会为对应的充电接头供应有电能，也就是说不会施加以直流电流。换言之，特别是在不对电动交通工具加油时，可以通过断开高压保护开关来将包括接头矩阵与充电接头之间的电气连接在内的充电接头无电流地开关。
相对于从现有技术中已知的充电装置，在所述从现有技术中已知的充电装置中，高压保护开关布置在充电接头内部，并且充电接头在未连接电动交通工具的情况下也同样地供应有电能，通过所提出的充电装置确保了当断开高压保护开关时，例如由于电动交通工具的事故而引起的在充电接头中出现的短路或充电接头的其他机械损伤不会导致电弧、火花击穿或其他对生命或电动交通工具的危险。对应地，相对于从现有技术中已知的解决方案，所提出的充电装置的故障概率显著更低。
由于在充电接头中未布置用于开关直流电流的高压保护开关，因此可以使充电接头更加非常紧凑地实施。所以相对于从现有技术中已知的充电接头，在所述从现有技术中已知的充电接头中布置的高压保护开关同样需要用于冷却以及必要的话需要空气调节的装置，这种装置在所提出的充电接头中不再需要，因为与此相反，高压保护开关设置在电流变换器壳体内部或在接头矩阵内部或在电流变换器与接头矩阵之间。对应地，可以将该概念另外理解成，除了通常在接头矩阵中设置高压保护开关以用于接头矩阵的给定运行之外，还在相应的电流路径中设置多个另外的高压保护开关。在现有技术中另外的高压保护开关代替地设置在充电接头内部。
为了设计充电接头原则上存在不同的可能性。优选地，充电接头配设有线缆，该线缆的一端部与充电接头固定地连接，并且该线缆的另一端部被设计为具有用于与电动交通工具连接的充电插头。优选地，按照标准EN 62196设计充电接头，并且该充电接头具有例如根据类型2通用标准（Typ 2-Standard）的充电耦合器（也被称为曼奈柯斯插头（MennekesStecker）），以便给电动交通工具供应有直流电流。作为电动交通工具原则上可以是每个以电动机驱动的交通工具，例如还可以是电动公共汽车，其中，在电动交通工具中设置了电池，通过从充电接头取得的电气功率将对该电池进行充电。
电流变换器被优选地设计为从现有技术中已知的直流变换器，并且例如允许分别为150、300或450kW的功率转换。电流变换器（英语：Power Converter）也被称为功率转换器。在直流电流侧，根据之前所描述的充电装置的第二替代方案，电流变换器经由直接的线缆连接或经由高压保护开关与接头矩阵连接。在这种情况下，优选地在每个电流变换器与接头矩阵之间分别设置高压保护开关。在交流电流侧，电流变换器优选地经由变压器与交流电网连接。高压保护开关被优选地设计为，使得总是“安全地”确保电流路径的中断或充电接头与电流变换器的分离，而不会在中断时产生电弧等。高压保护开关被优选地根据ISO6469-3来设计，和/或被设计为用于针对乘用车（Pkw）的最大500的负载电压以及针对卡车（Lkw）的最大900的负载电压。进一步优选地，每个高压保护开关被配置成用于开关>4、5或6的最大电流。
按照优选的扩展方案，在接头矩阵与每个充电接头之间、在每个电流变换器与接头矩阵之间和/或在至少一个电流变换器与每个充电接头之间的接头矩阵内部布置有高压保护开关中的一个。电流变换器壳体例如由塑料、金属、石材、混凝土、所述材料的混合物和/或防风地制成，使得可将电流变换器壳体例如安装在用于电动交通工具的停车场处。电流变换器壳体被优选地设计为封闭的壳体，在该封闭的壳体中布置了电流变换器、接头矩阵和高压保护开关。壳体可以配设有可锁闭的门和/或开口。
按照备选的优选的扩展方案，充电装置具有接头矩阵壳体，其中，在接头矩阵壳体内部布置有接头矩阵，并且在每个充电接头与至少一个电流变换器之间布置有高压保护开关中的一个。可以类似于之前所描述的电流变换器壳体来设计接头矩阵壳体，例如通过来自塑料等的封闭壳体来制成，在该接头矩阵壳体的内部布置有接头矩阵和高压保护开关。
按照另外优选的备选的扩展方案，充电装置具有接头矩阵壳体，其中，该接头矩阵壳体布置在电流变换器壳体内部，并且在接头矩阵壳体内部以及在每个充电接头与该接头矩阵之间布置有接头矩阵。按照该设计方案，接头矩阵布置在接头矩阵壳体内部，该接头矩阵壳体又设置在电流变换器壳体内部。优选地如之前的那样来设计接头矩阵壳体，例如按照变压器壳体或该变压器壳体的部分的类型来设计。
按照本发明的优选的扩展方案，所有高压保护开关布置在远离充电接头的地点处，和/或布置为彼此之间至少相距5、10或20米。分离的地点例如可以是描述为分离的空间或分离的建筑物。同样，如之前所描述地那样，高压保护开关可以布置在接头矩阵内部或布置在接头矩阵与电流变换器之间的单独空间中，例如在停车场的边缘处，而充电接头直接布置在停车场的各个停车位处。进一步优选地，高压保护开关布置为与充电接头相距至少50、100或150米。又进一步优选地，在没有高压保护开关的情况下设计和/或配置充电接头，使得可以在没有开关在充电接头中布置的高压保护开关的情况下与电动交通工具进行功率交换是可能的。
按照另外的优选的设计方案，充电装置具有带有至少5、10或20米的长度的多个连接线缆，其中，在每个充电接头与接头矩阵之间设置有用于与电动交通工具进行功率交换的连接线缆。优选地，连接线缆具有至少50、100或150米的长度，其中，该长度也可以更大。优选地，连接线缆被固定地安装在充电接头与接头矩阵之间，例如安装在停车场的土地内部，在该土地处安装有充电装置。
原则上，可以以多种方式设计接头矩阵。按照优选的扩展方案，接头矩阵被配置成用于将至少两个电流变换器与充电接头连接，或者被配置成用于将至少一个电流变换器与至少一个充电接头、以及将至少一个另外的电流变换器与另外的充电接头同时地连接，使得一个充电接头不与另外的充电接头连接，和/或通过接头矩阵借助于决策规则使至少一个电流变换器与至少一个充电接头的连接是可控制的。接头矩阵被进一步优选地设计为使得与接头矩阵连接的充电接头和电流变换器是以不同的方式可连接的。借助接头矩阵，可以将来自电流变换器中的至少一个的电流分配给不同的或多个充电接头。在接头矩阵内部，在作为输入的电流变换器中的至少一个与作为输出的充电接头中的至少一个之间的电气连接可以由机械开关、固态开关、断路器、安全元件、无源半导体或其组合构成。
优选地，接头矩阵具有控制单元，以便控制接头矩阵的运行。进一步优选地，根据经由互联网连接的系统的输入，通过电动交通工具和/或通过由计算机实现的方法，接头矩阵是可控制的。在优选使用充电通用标准EN 62196类型2的情况下，可以在电动交通工具与充电装置之间设置双向通信通道，借助该双向通信通道，一方面充电装置可以读取由电动交通工具支持的充电功率，和/或另一方面，电动交通工具可以从充电装置请求充电功率。可以由接头矩阵通过多个电流变换器的连接（例如通过并联连接不同的电流变换器）来实施该请求，由此对应地提高了用于对电动交通工具进行充电的功率。
按照另外的优选的设计方案，接头矩阵具有多个基于半导体的断路器，用于将至少一个电流变换器与至少一个充电接头连接。在接头矩阵内部和/或在接头矩阵与电流变换器之间布置的断路器同样优选地设计为基于半导体的断路器（例如为IGBT），作为保护和/或用于开关高达350 A或500 A的直流电流。
按照优选的扩展方案，充电接头具有人机接口、配置成用于给充电接头冷却和/或供热的调温装置、输入单元、中央控制、和/或用于监视充电过程的接口、充电协议接口CPI。例如将人机接口设计为输入装置/输出装置。调温装置可以按照具有水冷却和/或空气冷却的空调装置的类型来设计。在之前所描述的电流变换器壳体和/或接头矩阵壳体内部，同样可以设置用于冷却和/或供热对应的壳体的调温装置，该调温装置可以与充电接头的调温装置连接。
按照优选的扩展方案，充电装置具有监视装置，其中，充电接头被配置成在与电动交通工具进行功率交换时检测充电错误并将充电错误报告给监视装置。在该关联下，按照优选的扩展方案规定：电流变换器中的至少一个、接头矩阵和/或监视装置被配置成在检测到充电错误之后中断与电动交通工具的功率交换。充电错误例如可以显示电压降和/或电流降、短路等。优选地通过计算机控制设计监视装置，和/或处于与高电压保护开关一起相互关联（Wirkzusammenhang）。对应地，可以通过断开高压保护开关或通过从功率源分离相关的电流变换器来中断与电动交通工具的功率交换。
按照另外的优选的设计方案，在该关联下规定：监视装置被配置成用于检测在电流变换器处的转换错误，并且在检测到转换错误之后断开引起转换错误的电流变换器。优选地，监视装置还被配置成用于在检测到转换错误之后将另外的电流变换器与充电接头连接，使得可无中断地进一步对电动交通工具进行充电。可以通过断开对应地与电流变换器连接的高压保护开关来实现对引起转换错误的高压保护开关的断开。还可以通过从充电接头移除充电插头（例如，通过弹出充电插头）来实现与电动交通工具的功率交换的中断。
附图说明
下面将参考所附附图根据优选的实施例来更详细地解释本发明。
附图中：
图1以示意图示出了根据本发明的第一优选实施例的用于电动交通工具的充电装置；
图2以示意图示出了根据本发明的另外的优选实施例的用于电动交通工具的充电装置，以及
图3以示意图示出了根据本发明的又其他的另外的优选实施例的用于电动交通工具的充电装置。
具体实施方式
图1至图3以示意图分别示出了根据本发明的优选的实施例的用于电动交通工具1的充电装置。充电装置具有多个充电接头2、多个电流变换器3以及可开关的接头矩阵4。分别配设充电接头2以用于与相应的电动交通工具1进行功率交换，该电动交通工具1借助连接线缆5与充电接头2电气连接。
按照标准IEC 62196分别设计充电接头2以进行直流充电，其中，充电线缆5在该充电线缆的一端部处与相应的充电接头2连接，并且在该充电线缆的另一端部处具有根据所述标准的插接连接器。与此相适配地是，在电动交通工具1处设置有对应的充电插座或充电耦合器，充电线缆5的插接连接器可插入到该充电插座或充电耦合器中。每个充电接头2具有不同的操作元件，例如具有显示和输入装置的人机接口6、调温装置7，借助该调温装置7可冷却以及可供热充电接头2、以及输入单元8、中央控制和用于监视充电过程9的接口、充电协议接口CPI。
充电接头2分别布置成与接头矩阵4在空间上相距至少20米，并且借助连接线缆10与接头矩阵4电气连接，所述连接线缆10对应地同样具有至少20米的长度。如充电线缆5一样，连接线缆10被设计为用于交换电气功率。
当将充电接头2布置在紧邻相应的电动交通工具1的停车场的停车位处时，电流变换器壳体11布置在停车场边缘处，在所述电流变换器壳体11内部布置有所有电流变换器3、接头矩阵4以及所有高压保护开关12。电流变换器壳体11由具有金属部分的塑料防风地制成，并且安装在距停车位至少20米处。
电流变换器3被设计为直流变换器并且在直流电压侧与接头矩阵4连接。在交流电压侧，电流变换器3一起与变压器13的次级侧连接。在初级侧，变压器与作为功率源14的电网连接。同样地，每个电流变换器3用于将由功率源14提供的电气功率转换为合适的形式以对电动交通工具1以直流电流进行充电。
接头矩阵4具有多个基于半导体的断路器15，以便将至少一个电流变换器3与至少一个充电接头2连接。为此，根据决策规则接头矩阵4是可控制的。在图1所示的配置中，可以通过闭合两个基于半导体的断路器15来将所有三个电流变换器3并联连接。只要每个电流变换器3可以转换150kW的电气功率，则在这种情况下单个电动交通工具1将可利用450kW进行充电。按照图1中具体示出的具有未闭合的基于半导体的断路器15的配置，一方面，可以利用由在上面示出的电流变换器3提供的电气功率来对在上面示出的电动交通工具1进行充电，并且另一方面，与此同时可以利用由在下面示出的电流变换器3提供的电气功率来对在下面示出的电动交通工具1进行充电。
相对于从现有技术中已知的充电装置，在所述从现有技术中已知的充电装置中，高压保护开关12布置在充电接头2内部用于开关对电动交通工具1进行充电而所需的电气功率，所描述的充电装置的特征在于：在充电接头2中没有高压保护开关12（至少未用于开关电气功率以对电动交通工具进行充电）被布置。高压保护开关12如图1和图2中所示的那样布置在电流变换器壳体11内部、或如图3所示的那样布置在接头矩阵壳体16内部在电流变换器3与充电接头2之间。在附图中，将接头矩阵4、电流变换器壳体11和高压保护开关12描绘为封闭的部分；但这些部分也可以完全地或部分地组合。
接头矩阵4布置在封闭的接头矩阵壳体16内部，所述封闭的接头矩阵壳体16与电流变换器3一起布置在电流变换器壳体11内部。如已经说明的那样，在图1中所示的设计方案中，所有高压保护开关12布置在接头矩阵壳体16内部，其中，分别在每个充电接头2与接头矩阵3的基于半导体的断路器15之间设置高压保护开关12。不仅在电流变换器壳体11内部，而且还在接头矩阵壳体16内部将高压保护开关12布置在接头矩阵4的输出侧。
相反，在图2中所示的设计方案中，高压保护开关12布置在每个电流变换器3与接头矩阵4之间。在此，高压保护开关12设置在接头矩阵壳体16外部，然而仍在电流变换器壳体11内部。
图3中所示的设计方案示出了高压保护开关12与接头矩阵4的基于半导体的断路器的组合，而所述基于半导体的断路器均布置在接头矩阵4内部、接头矩阵壳体16内部以及同样在电流变换器壳体11内部。
通过所提出的充电装置，确保在高压保护开关12断开时，例如通过电动交通工具1的事故而引起出现的短路或对充电接头2的其他机械损伤不会导致电弧、火花击穿或其他对生命或电动交通工具1的危险。对应地，相对于从现有技术中已知的解决方案，所提出的充电装置的故障概率显著更低。
附图标记列表
1     电动交通工具
2     充电接头
3     电流变换器
4     接头矩阵
5     充电线缆
6     人机接口
7     调温装置
8     输入单元、中央控制
9     用于监视充电过程的接口、充电协议接口
10    连接线缆
11    电流变换器壳体
12    高压保护开关
13    变压器
14    功率源
15    断路器
16    接头矩阵壳体。

Claims (14)

1.一种用于电动交通工具（1）的充电装置，包括：
多个充电接头，所述多个充电接头中的每个充电接头被配置成用于与至少一个电动交通工具进行功率交换；
多个电流变换器，所述多个电流变换器中的每个电流变换器被配置成用于将来自功率源的功率转换为合适的形式以对所述电动交通工具以直流电流进行充电；
可开关的接头矩阵，所述可开关的接头矩阵被配置成用于将至少两个电流变换器与至少一个充电接头连接，或者用于同时将至少一个电流变换器与至少一个充电接头连接，并且将至少一个其他电流变换器与一个其他充电接头连接，使得所述一个充电接头不与所述其他充电接头连接，和/或其中将所述至少一个电流变换器与所述至少一个充电接头连接可以由所述接头矩阵使用决策规则来控制，在每种情况下借助至少一个断路器，以向相应的充电接头提供最大额定电流；
多个高压保护开关，其中，除了所述接头矩阵以外，在每个电流变换器与每个充电接头之间在相应的直流电流路径中布置所述高压保护开关中的至少一个，并且每个高压保护开关被配置成用于开关最大电流；
空间上远离所述充电接头布置的电流变换器壳体，并且在所述电流变换器壳体内部布置有所有电流变换器、所述接头矩阵和所有高压保护开关；以及
监视装置，其中，所述充电接头被配置成在与所述电动交通工具进行功率交换时检测充电错误并将所述充电错误报告给所述监视装置，
其中，所述电流变换器中的至少一个、所述接头矩阵和/或所述监视装置被配置成在检测到所述充电错误之后中断与所述电动交通工具的功率交换。
2.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，在所述接头矩阵与每个充电接头之间、在每个电流变换器与所述接头矩阵之间和/或在至少一个电流变换器与每个充电接头之间的所述接头矩阵内部布置有所述高压保护开关中的一个。
3.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，所述充电装置具有接头矩阵壳体，其中，在所述接头矩阵壳体内部布置所述接头矩阵，并且在每个充电接头与至少一个电流变换器之间布置所述高压保护开关中的一个。
4.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，所述充电装置具有接头矩阵壳体，其中，在所述电流变换器壳体内部布置所述接头矩阵壳体，并且在所述接头矩阵壳体内部布置所述接头矩阵，并且在每个充电接头与所述接头矩阵之间布置所述高压保护开关中的一个。
5.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所有高压保护开关布置为距所述充电接头至少5米。
6.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所有高压保护开关布置为距所述充电接头至少10米。
7.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所有高压保护开关布置为距所述充电接头至少20米。
8.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，所述充电装置具有带有至少5米的长度的多个连接线缆，其中，在每个充电接头与所述接头矩阵之间设置有连接线缆。
9.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，所述充电装置具有带有至少10米的长度的多个连接线缆，其中，在每个充电接头与所述接头矩阵之间设置有连接线缆。
10.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，所述充电装置具有带有至少20米的长度的多个连接线缆，其中，在每个充电接头与所述接头矩阵之间设置有连接线缆。
11.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所述接头矩阵具有多个基于半导体的断路器，用于将所述至少一个电流变换器与所述至少一个充电接头连接。
12.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所述充电接头具有人机接口、配置成用于给充电接头冷却和/或供热的调温装置、输入单元、和/或用于监视充电过程的接口。
13.根据权利要求12所述的用于电动交通工具的充电装置，其中所述输入单元是中央控制单元，和/或所述用于监视充电过程的接口是充电协议接口。
14.根据权利要求1所述的用于电动交通工具的充电装置，其中，所述监视装置被配置成用于检测在电流变换器处的转换错误，并且在检测到所述转换错误之后断开引起所述转换错误的电流变换器。
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