CN115494316A - 用于电缆状况监测的电缆系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于电缆状况监测的电缆系统、这种电缆系统的用途、用于制造这种电缆系统的方法、用于操作这种电缆系统的方法以及用于操作这种电缆系统的计算机程序元件。该电缆系统包括第一适配器单元、第一套筒单元和电缆，其中电缆至少包括第一端部。第一适配器单元能连接到能量存储系统，电缆被配置用于将电力传输到第一适配器单元。第一套筒单元布置在第一适配器单元与电缆的第一端部之间并配置为在它们之间提供保护。第一套筒单元包括被配置为基于施加在第一套筒单元上的应变来生成数据的第一传感器单元。第一传感器单元包括至少部分地延伸到电缆的第一端部的第一柔性电子元件。

Description

用于电缆状况监测的电缆系统
技术领域
本公开涉及一种用于电缆状况监测的电缆系统、这种电缆系统的用途、用于制造这种电缆系统的方法、用于操作这种电缆系统的方法以及用于操作这种电缆系统的计算机程序元件。
背景技术
高压(HV)电缆尤其用于在能量存储系统与电能源之间传输电力。在使用过程中，高压电缆可能会受到各种因素的影响，例如天气、空气中的悬浮颗粒和酸雨、清洁/打蜡/抛光产品及其在使用过程中附着在交通工具表面的沉积物、颗粒和烟雾。此外，高压电缆可能会因误用而受到损坏。例如，用户可能迫使电缆处于比允许的更小的限制中和/或柔性电缆可能弯曲超过其弹性极限。此外，在存放过程中，高压电缆可能会老化。电缆的保护层上可能会出现裂缝，和/或当电缆弹性发生微小变化时检测到微裂缝。
发明内容
因此，可能需要提供一种改进的电缆系统，其监测由外部影响引起的电缆老化。
该问题通过本发明的主题来解决。应当注意，以下描述的本公开的多个方面适用于电缆状况监测的电缆系统、这种电缆系统的用途、制造这种电缆系统的方法、操作这种电缆系统的方法、和用于操作这种电缆系统的计算机程序元件。
根据本公开，提出了一种电缆系统。该电缆系统包括第一适配器单元、第一套筒单元和电缆，其中电缆至少包括第一端部。第一适配器单元能连接到能量存储系统，并且电缆被配置用于将电力传输到所述第一适配器单元。所述第一套筒单元布置在所述第一适配器单元与所述电缆的第一端部之间，并且被配置用于在它们之间提供保护。所述第一套筒单元包括第一传感器单元，第一传感器单元被配置用于基于施加在所述第一套筒单元上的应变来生成数据。第一传感器单元包括至少部分地延伸到电缆的第一端部的第一柔性电子元件。
根据本公开的电缆系统可以允许精确地监测充电电缆的老化。特别地，电缆可以在与适配器单元的接合处弯曲，该接合处可以是电缆与要充电的能量存储系统和/或电能源之间的接口。通过将柔性电子设备定位在可能是电缆关键部分的接合处，可以可靠地检测到用户的行为和/或作用在电缆上的应力。特别地，可以实时地或至少以预定的时间间隔地监测影响电缆的外部影响，例如机械力、紫外线照射(UV exposure)、化学品暴露、温度、湿气侵入、加速度、重力、啮齿动物攻击等。因此，可以在早期检测到电缆的危险和故障，从而可以维持公共连接器(common collector)处的电压(CCV)的品质。
电缆可以包括被包装在护套中的绝缘元件包围和保护的导体元件。电缆可以连接到要(再)充电的能量存储系统。特别地，电缆的第一端部可以固定地附接到第一适配器单元。能量存储系统可以是电池系统，其存储电能并将电能供应给机器和/或设备以使它们运行。因此，第一适配器单元可以是连接器，并且它可以包括用于电气出口的插头或插座的形状。第一适配器单元可以包括例如IEC 62196类型1或类型2插座。电缆的另一端部也可以包括适配器单元，或者它可以直接连接到充电站或电能源。
在电缆的第一端部与第一适配器单元之间的接合处，可以布置第一套筒单元。换言之，电缆的第一端部与第一适配器单元可以在接合处结合在一起。接合处可能是电缆的关键部分，因为用户通常用力握住第一适配器单元，这可能导致接合处弯曲、扭曲和/或拉伸。第一套筒单元可以固定地附接到第一适配器单元并且至少部分地在电缆的第一端部上延伸以提供对这种脆弱点的保护。第一套筒单元可以由弹性材料例如橡胶或塑料制成。
包括第一柔性电子元件的第一传感器单元可以集成在第一套筒单元中，并且它可以监测电缆的状况。特别地，第一柔性电子元件可以基于其弹性检测经由第一适配器单元和/或电缆的第一端部而被施加在第一套筒单元上的应变。换言之，第一柔性电子元件可以通过第一柔性电子元件或第一传感单元伸缩的形态变化实时地测量被施加在第一套筒单元上的应力。第一传感器单元可以包括第一处理元件，该第一处理元件基于第一柔性电子元件的测量结果生成数据以确定被施加在第一套筒单元上的应变对于电缆的进一步使用是否可能是临界的(critical)。
在一个示例中，第一柔性电子元件被配置为基于施加在第一套筒单元上的拉伸应变可伸缩。第一柔性电子元件可以测量第一套筒单元上的压力分布，并将信号发送到第一传感器单元的第一处理元件。处理元件可以将信号转换成施加在第一套筒单元上的强度。在各种外部影响中，可能由人为引起的弯曲、扭曲和/或拉伸施加的拉伸应变或压缩应变可以根据用户的行为进行预测，以避免对电缆造成进一步的应力。因此，用户可以通过调整被施加在第一套筒单元和/或电缆上的拉伸应变来防止电缆或第一套筒单元的损坏。然而，该应用可以不限于人类使用，而第一柔性电子元件也可以测量由自动化系统例如机器人手臂施加的拉伸应变或压缩应变。
第一柔性电子元件不仅是柔性的而且是可伸缩的。术语“可伸缩的(stretchable)”可以理解为第一柔性电子元件可以在施加拉力时伸长，但在拉力移除时恢复到其原始尺寸和形状。为此目的，第一柔性电子元件的导电传感元件可以印刷在非常薄但柔性且适形的基板(层)上，这使得第一柔性电子元件能够伸缩。由于第一柔性电子元件可以从第一套筒单元延伸到电缆的第一端部，因此它可以精确地测量施加在电缆关键部分的拉伸应变，即电缆与第一套筒单元之间的接合处上的拉伸应变。
在一个示例中，第一传感器单元还被配置用于基于电缆的完整性来生成数据。换言之，第一柔性电子元件可以被配置用于基于电缆的弹性来生成数据。电缆的绝缘元件可以由橡胶、硅或任何适合于将导体元件与环境完全绝缘的聚合物材料制成。绝缘元件的材料可以与第一套筒单元的材料相同。或者，绝缘元件的材料可以不同于第一套筒单元的材料和/或电缆护套的材料。
然而，绝缘元件可能受到诸如拉伸应变、天气、湿度、温度、加速度、重力、紫外线照射、化学品暴露、湿气侵入、啮齿动物攻击等的外部应力的影响，这可能导致材料退化和/或电缆绝缘元件上的微裂纹/裂缝。这种材料老化可能影响绝缘元件的弹性。第一传感器单元可以基于第一柔性电子元件的测量结果生成在第一套筒单元与电缆的端部之间的接合处的弹性数据，以可靠地监测电缆的状态。因此，可以实现电缆的精确老化/损坏测量。
在一个示例中，第一传感器单元可以被配置用于基于电缆的电导率或电阻来生成数据。通常，第一传感器单元可以与电缆电流绝缘(galvanically insulated)。然而，电气量度的基于感应的测量结果可以允许确定电缆的导体元件的品质。
在一个示例中，第一传感器单元还被配置用于基于电缆的温度来生成数据。第一套筒单元或电缆的温度也可能影响它们的老化。通过第一传感器单元，优选通过第一柔性电子元件在第一套筒单元或电缆处的温度测量结果可以被记录为(logged as)累积温度，累积温度可能会损害电缆的绝缘元件的弹性。第一传感器单元可以生成在第一套筒单元与电缆的端部之间的接合处的温度数据，以可靠地监测电缆的状态。因此，可以实现电缆的精确老化测量。
在一个示例中，第一传感器单元可以进一步被配置用于基于电缆的湿度或紫外线照射来生成数据。第一柔性电子元件可以配置为测量第一套筒单元和/或电缆的第一端部上的湿度。此外，第一柔性电子元件可以测量可能会影响电缆老化的更多的外部影响，例如重力、加速度、平衡等。因此，第一传感器单元可以基于第一柔性电子元件在第一套筒单元与电缆的第一端部之间的接合处的测量结果来生成相应的测量数据。
在一个示例中，第一传感器单元可以被配置为组合所生成的数据并预测用户的偏好和/或行为。因此，可以实现动态测量系统，这改进了对电缆的监测。基于物联网(Internet of things，简称IoT)的方法可以进一步定制根据客户偏好/使用模式所需的数据获取。
在一个示例中，电缆系统还包括第二适配器单元和第二套筒单元。第二套筒单元布置在第二适配器单元与电缆的第二端部之间。第二套筒单元包括第二传感器单元，第二传感器单元被配置用于基于施加在第二套筒单元上的应变来生成数据。换言之，电缆系统可以对称地形成，使得第一适配器单元、第一套筒单元和第一传感器单元的相同布置设置在电缆的第二端部。电缆系统可以是可运输的(transportable)电缆系统。
电缆的第二端部可以固定地附接到第二适配器单元，并且第二套筒可以被配置用于在第二适配器单元与电缆的第二端部之间提供保护。此外，第二传感器单元可以包括至少部分地延伸到电缆的第二端部的第二柔性电子元件。第二柔性电子元件也可以被配置基于施加在第二套筒单元上的拉伸应变可伸缩。第二传感器单元可以进一步被配置为基于外部影响例如天气、重力、加速度、平衡、紫外线照射、化学品暴露、湿气侵入、啮齿动物攻击等来生成数据。因此，第二传感器单元可以在第二套筒单元与电缆的第二端部之间的接合处生成相应的测量数据，以执行电缆系统的精确老化测量。
如果需要，传感器的数量可以随着电缆的长度增加或相对于要设想的电缆的当前或未来应用而增加。
在一个示例中，第二适配器单元被配置为与充电站和/或能量源耦接。可运输电缆系统可以被配置为可连接到公共或私人充电站或可连接到用于对能量存储系统进行充电的电网。
在一个示例中，传感器单元可以包括允许双向使用的数据获取的能力，即允许交通工具到电网操作。
在一个示例中，电缆系统还包括控制单元。控制单元被配置用于接收由第一传感器单元和/或第二传感器单元生成的数据，并且基于接收到的数据估计电缆的老化状态。控制单元可以包括用于实时计算的能力并且提供数据储存库(data repository)。第一传感器单元和/或第二传感器单元可以被配置为将生成的测量数据发送到控制单元。基于测量数据，控制单元可以严格分析用户的行为或偏好，这可以允许计算电缆的老化程度以防止使用损坏的电缆。分析和计算的老化状态两者都可以存储在控制单元中以基于累积数据估计电缆的状态。
在一个示例中，控制单元还被配置为如果电缆需要更换，则基于电缆的老化状态生成警告信号。警告信号可以是光、消息和/或哔哔声的形式。控制单元可以将关于电缆老化状态的信息发送到用户接口设备，使得用户可以监测电缆的当前状态。另外，控制单元可以经由用户接口设备关于电缆的临界状态警告用户，使得用户可以修理或更换电缆。用户接口设备可以是例如计算机、移动设备、充电站上的显示器和/或要充电的交通工具中的显示器。
在一个示例中，控制单元被配置为经由无线通信从第一传感器单元和/或第二传感器单元接收数据。控制单元可以集成在第一或第二套筒单元中或单独地布置在电缆系统外部。例如，控制单元可以布置在用户接口设备、充电站和/或要充电的交通工具中。第一传感器单元、第二传感器单元(以及更多单元，如果需要的话)和控制单元可以包括无线通信模块，以经由无线互联网接入、Wi-Fi、蓝牙等相互发送和接收数据。因此，能够实现电缆的连续在线监测。
在一个示例中，第一适配器单元和/或第二适配器单元可以形成为手柄。在电缆系统被配置用于对能量存储系统充电的情况下，可以以可自由拆卸的方式连接到交通工具和/或充电站的每个适配器单元可以用户友好且符合人体工程学地形成。因此，第一适配器单元和/或第二适配器单元可以成形为便于抓握的手柄，以避免过大的力施加在电缆上。
在一个示例中，电缆系统被配置用于传输高压电力。电缆系统，特别是电缆、第一适配器单元和第二适配器单元，可以被配置为传输数kV至数百kV的电力。电缆可以是高压(HV)电缆。不同类型的HV电缆可用于仪器、点火系统以及交流(AC)和直流(DC)电力传输中的各种用途。
在一个实施例中，第一传感器单元和/或第二传感器单元可以包括片上系统设计(system-on-chip design)，用于基于本地可实现的(locally realizable)计算/估计来估计电缆的老化状态。
根据本公开，提出了一种如上所述的电缆系统的用途。电缆系统可以用于对电动交通工具的能量存储系统(再)充电。换言之，能量存储系统可以是电动交通工具的一部分。交通工具可以是插电式交通工具，其可以从外部电源充电。交通工具可以是电池电动交通工具或插电式混合动力交通工具。除了公路车辆交通工具，交通工具还可以是由能量存储系统提供动力以驱动其牵引电机的任何其他电动交通工具，例如轨道车辆、电动船只和/或电动飞机。但是，电缆系统可以不限于为能量存储系统充电，还可以用作连接至少一根其他电缆的延长电缆。
电缆系统还可以支持双向能量传输，交通工具到电网以及电网到交通工具、交通工具到交通工具等。
根据本公开，提出了一种用于制造用于电缆状况监测的电缆系统的方法。该方法包括
-提供第一适配器单元，
-提供第一套筒单元，其包括第一传感器单元，
-提供电缆，其至少包括第一端部，和
-在所述第一适配器单元与所述电缆的第一端部之间布置第一套筒单元。
所述第一适配器单元能与能量存储系统连接。所述电缆被配置用于将电力传输到第一适配器单元。所述第一套筒单元被配置用于在第一适配器单元与电缆之间提供保护。所述第一传感器单元被配置用于基于施加在第一套筒单元上的应变来生成数据。所述第一传感器单元包括至少部分地延伸到所述电缆的第一端部的第一柔性电子元件。
根据本公开，提出了一种用于操作电缆系统的方法。该方法包括
-将第一适配器单元与电动交通工具的能量存储系统连接，
-将第二适配器单元与充电站和/或能量源连接，
-经由电缆将电力从所述第二适配器单元传输到所述第一适配器单元，
-基于施加在所述第一套筒单元和所述第二套筒单元上的应变来生成数据，
-经由无线通信将生成的数据发送到控制单元，以及
-基于接收到的数据估计所述电缆的老化状态。
可替换地，所述第一适配器单元和/或所述第二适配器单元也可以连接到另一交通工具或电网/基础设施。
在一个实施例中，所述操作方法可以进一步包括经由片上系统设计基于本地可实现的计算/估计来估计电缆的老化状态。
在一个实施例中，所述操作方法可以应用基于物联网的方法来定制关于客户偏好/使用模式所要求的数据的获取。
在一个实施例中，所述操作方法可以进一步包括提供对天线的修改、提供对网络安全的修改、提供实时计算和数据存储的能力和/或提供对故障模式和校准的冗余。因此，可以实现电缆的精确老化测量。
可以在生产期间将定制天线印刷在柔性电子元件上。可预见的未来可能允许将GSM片上系统的小型化集成到包括数字SIM的柔性电子元件中。可伸缩电子设备上的定制防火墙可以确保仅连接到预编程的IP、端到端编码。
定制的处理能力可以在基于柔性电子元件的传感器单元上有效地执行监测功能。每当云服务出现问题时，系统同样可以继续监测所有需要的量度并确保安全运行。
根据本公开，提出了一种计算机程序元件。所述计算机程序元件当由节能处理元件和/或太阳能执行时适于解析如上所述的操作方法。
应当注意，上述实施例可以彼此组合，而与所涉及的方面无关。因此，该方法可以与结构特征相结合，同样，该系统可以与上述关于该方法的特征相结合。
本实施例的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得明显并且参照下文描述的实施例进行阐明。
附图说明
下面将参照附图描述示例性实施例。
图1示意性且示例性地示出了根据本公开的电缆系统的实施例。
具体实施方式
图1示出了用于监测电缆状况例如老化的电缆系统10。电缆系统可以用于为电动交通工具的能量存储系统充电。电动交通工具可以是插电式交通工具，其可以从外部电源充电。电动交通工具可以包括对交通工具到交通工具、交通工具到电网和交通工具到基础设施操作的修改。
电缆系统10包括第一适配器单元1、第一套筒单元2和电缆3，电缆3至少包括第一端部31。第一适配器单元1可连接到能量存储系统并且电缆3被配置用于将电力传输到第一适配器单元1。第一套筒单元2布置在第一适配器单元1与电缆3的第一端部31之间，并且被配置用于在它们之间提供保护。第一套筒单元2包括第一传感器单元4，第一传感器单元4被配置用于基于施加在第一套筒单元2上的应变(strain)生成数据。第一传感器单元4包括至少部分地延伸到电缆3的第一端部31的第一柔性电子元件5。
第一柔性电子元件5配置为检测影响电缆3和/或第一套筒单元2的外部影响。具体地，第一柔性电子元件5基于施加在第一套筒单元2上的拉伸应变或压缩应变而可伸缩。进一步地，第一柔性电子元件5还可以检测温度、弹性、湿度、重力、紫外线照射、化学品暴露、湿气侵入、啮齿动物攻击等。第一传感器单元4基于由第一柔性电子元件5检测到的信息生成数据，并将其发送到控制单元6。
电缆系统10可以对称地形成，使得其包括第二适配器单元和第二套筒单元。第二套筒单元可以布置在第二适配器单元与电缆3的第二端部之间。第二套筒单元可以包括第二传感器单元，第二传感器单元被配置用于基于施加在第二套筒单元上的应变生成数据。第二适配器单元可以连接到充电站和/或能量源以向能量存储系统提供电力。
控制单元6被配置用于接收由第一传感器单元4和/或第二传感器单元生成的数据，并基于接收到的数据估计电缆3的老化状态。控制单元6还被配置为如果电缆3需要更换、翻新或修理，基于电缆3的老化状态生成警告信号。控制单元6接收由第一传感器单元4和第二传感器单元生成的数据，并通过无线互联网接入、Wi-Fi、蓝牙等无线通信方式发送警告信号。
第一适配器单元1和/或第二适配器单元形成为手柄以便于电缆系统10的使用。
必须注意，本公开的实施例是参照不同的主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法类型权利要求描述的，而其他实施例是参考设备类型权利要求描述的。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得知，除非另有说明，除了属于一种主题的特征的任何组合之外，还认为与不同主题相关的特征之间的任何组合与本申请一起披露。然而，所有特征都可以组合起来提供协同效应，而提供的协同效应不仅仅是特征的简单总和。
虽然已经在附图和描述中详细图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和从属权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的公开内容时可以理解和实现公开的实施例的其他变化。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定量词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于电缆状况监测的电缆系统(10)，包括
-第一适配器单元(1)，
-第一套筒单元(2)，和
-电缆(3)，其至少包括第一端部(31)，
所述第一适配器单元(1)能连接到能量存储系统，
所述电缆(3)被配置用于将电力传输到所述第一适配器单元(1)，
所述第一套筒单元(2)被布置在所述第一适配器单元(1)与所述电缆(3)的所述第一端部(31)之间，并被配置用于在它们之间提供保护，
所述第一套筒单元(2)包括第一传感器单元(4)，所述第一传感器单元(4)被配置用于基于施加在所述第一套筒单元(2)上的应变来生成数据，并且
所述第一传感器单元(4)包括至少部分地延伸到所述电缆(3)的所述第一端部(31)的第一柔性电子元件(5)。
2.根据权利要求1所述的电缆系统(10)，所述第一柔性电子元件(5)被配置为基于施加在所述第一套筒单元(2)上的拉伸应变而可伸缩。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，所述第一传感器单元(4)还被配置用于基于所述电缆(3)的完整性来生成数据。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，所述第一传感器单元(4)还被配置用于基于所述电缆(3)的温度来生成数据。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，所述第一传感器单元(4)还被配置用于基于所述电缆(3)的湿度或紫外线照射来生成数据。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，还包括第二适配器单元和第二套筒单元，所述第二套筒单元被布置在所述第二适配器单元与所述电缆(3)的第二端部之间，所述第二套筒单元包括第二传感器单元，所述第二传感器单元被配置用于基于施加在所述第二套筒单元上的应变来生成数据。
7.根据权利要求6所述的电缆系统(10)，所述第二适配器单元被配置为与充电站和/或能量源耦接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，还包括控制单元(6)，所述控制单元(6)被配置用于接收由所述第一传感器单元(4)和/或所述第二传感器单元生成的数据并基于接收到的数据估计所述电缆(3)的老化状态。
9.根据权利要求8所述的电缆系统(10)，所述控制单元(6)还被配置为如果所述电缆(3)需要更换，则基于所述电缆(3)的老化状态生成警告信号。
10.根据前述权利要求8至9中任一项所述的电缆系统(10)，所述控制单元(6)被配置为经由无线通信从所述第一传感器单元(4)和/或所述第二传感器单元接收数据。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)，所述电缆系统(10)被配置用于传输高压电力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电缆系统(10)的用于为电动交通工具的能量存储系统充电的用途。
13.一种制造用于电缆状况监测的电缆系统(10)的方法，包括
-提供第一适配器单元(1)，
-提供第一套筒单元(2)，所述第一套筒单元(2)包括第一传感器单元(4)，
-提供电缆(3)，所述电缆(3)至少包括第一端部(31)，以及
-在所述第一适配器单元(1)与所述电缆(3)的所述第一端部(31)之间布置第一套筒单元(2)，
所述第一适配器单元(1)能连接到能量存储系统，
所述电缆(3)被配置用于将电力传输到所述第一适配器单元(1)，
所述第一套筒单元(2)被配置用于在所述第一适配器单元(1)与所述电缆(3)之间提供保护，
所述第一传感器单元(4)被配置用于基于施加在所述第一套筒单元(2)上的应变来生成数据，以及
所述第一传感器单元(4)包括至少部分地延伸到所述电缆(3)的所述第一端部(31)的第一柔性电子元件(5)。
14.一种用于操作根据前述权利要求1至11中任一项所述的电缆系统(10)的方法，包括
-将第一适配器单元(1)连接到电动交通工具的能量存储系统，
-将第二适配器单元与充电站和/或能量源连接，
-经由电缆(3)将电力从所述第二适配器单元传输到所述第一适配器单元(1)，
-基于施加在所述第一套筒单元(2)和所述第二套筒单元上的应变来生成数据，
-经由无线通信将生成的数据发送到控制单元(6)，以及
-基于接收到的数据估计所述电缆(3)的老化状态。
15.一种用于根据权利要求1至11所述的电缆系统(10)的计算机程序元件，当由处理元件执行时，所述计算机程序元件适于执行权利要求14所述的方法的步骤。
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