RU223266U1

RU223266U1 - CONSTRUCTION OF A DC CHARGING STATION BASED ON AN ELECTRIC TRANSPORT TRACTION SUBSTATION

Info

Publication number: RU223266U1
Application number: RU2023116836U
Authority: RU
Inventors: Евгений Георгиевич Порсев; Борис Витальевич Малозёмов; Николай Иванович Щуров
Filing date: 2023-06-27
Publication date: 2024-02-09

Abstract

Устройство зарядной станции постоянным током на базе тяговой подстанции электрического транспорта, включающее высоковольтный тяговый трансформатор, выпрямитель для питания постоянным током контактной сети, оборудования распределительного устройства тяговой контактной сети, зарядный терминал для личного транспорта, отличающееся тем, что высоковольтный тяговой трансформатор выполнен с дополнительной вторичной обмоткой на напряжение зарядного терминала. Создание зарядных терминалов для поддержания режима быстрого заряда аккумуляторных батарей автономных транспортных средств постоянным током до 200 А позволяет по сравнению с имеющимися аналогами обеспечивать предварительное согласование уровней напряжений на выходе конкретного зарядного терминала и подключаемой аккумуляторной батареи.

A DC charging station based on an electric transport traction substation, including a high-voltage traction transformer, a rectifier for DC power supply to the contact network, switchgear equipment for the traction contact network, a charging terminal for personal transport, characterized in that the high-voltage traction transformer is made with an additional secondary winding to the voltage of the charging terminal. The creation of charging terminals to support the fast charging mode of batteries of autonomous vehicles with a direct current of up to 200 A allows, in comparison with existing analogues, to ensure preliminary coordination of voltage levels at the output of a specific charging terminal and the connected battery.

Description

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности, к системам электроснабжения электрического транспорта и может быть использована на тяговых подстанциях электрического транспорта для выравнивания нагрузок и обеспечения заряда аккумуляторов транспортных средств на электрической тяге, работающих автономно, например, электромобилей.The utility model relates to the electric power industry, in particular to electric transport power supply systems, and can be used at electric transport traction substations to level loads and charge the batteries of electric vehicles operating autonomously, for example, electric vehicles.

Известно устройство зарядной станции на базе преобразовательной подстанции транспорта на электрической тяге [патент РФ №2509667, МПК В60М 3/06 Преобразовательная подстанция транспорта на электрической тяге // Осипов В.Е., Крикунов И.Е., Большаков А.В., Едигарян Т.А. - Заявл. 18.09.2012, Опубл. 20.03.2014, Бюл. №8], принятое за прототип. В состав преобразовательной подстанции, содержащей преобразователь высокого напряжения в напряжение для контактной сети в виде высоковольтного трансформатора, подключенного к входу выпрямителя, выход которого служит для подключения к контактной сети, дополнительно введены блок зарядных терминалов и преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов, причем вход преобразователя напряжения для зарядных терминалов подключен к выходу выпрямителя для подключения к контактной сети, а его выход подключен к входу блока зарядных терминалов. Преобразователь напряжения для блока зарядных терминалов содержит блок защиты, управляющий блок и блок источников тока, число которых в блоке равно числу зарядных терминалов в блоке зарядных терминалов, вход блока защиты подключен к входу преобразователя, а его выход соединен с входами источников тока, подключенными параллельно к входу блока источников тока. Выход каждого источника тока подключен к входу соответствующего зарядного терминала, блок защиты, источники тока и зарядные терминалы соединены с управляющим блоком каналами связи. Источник тока содержит инвертор, развязывающий трансформатор, выпрямитель и датчик тока, причем вход инвертора подключен к входу источника тока, а выход инвертора соединен с входом развязывающего трансформатора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого подключен к выходу источника тока. Датчик тока включен последовательно на выходе выпрямителя, инвертор выполнен с двумя управляющими входами, один из которых подключен через канал связи к управляющему блоку, а другой к выходу датчика тока.The design of a charging station based on a converter substation for electric-powered transport is known [RF patent No. 2509667, IPC V60M 3/06 Converter substation for electric-powered transport // Osipov V.E., Krikunov I.E., Bolshakov A.V., Edigaryan T.A. - Application 09/18/2012, Publ. 03/20/2014, Bulletin. No. 8], adopted as a prototype. The converter substation containing a high-voltage-to-voltage converter for the contact network in the form of a high-voltage transformer connected to the input of the rectifier, the output of which serves to connect to the contact network, additionally includes a block of charging terminals and a voltage converter for the block of charging terminals, the input of the voltage converter for charging terminals is connected to the output of the rectifier for connecting to the contact network, and its output is connected to the input of the charging terminal block. The voltage converter for the block of charging terminals contains a protection block, a control block and a block of current sources, the number of which in the block is equal to the number of charging terminals in the block of charging terminals, the input of the protection block is connected to the input of the converter, and its output is connected to the inputs of current sources connected in parallel to input of the current source block. The output of each current source is connected to the input of the corresponding charging terminal, the protection unit, current sources and charging terminals are connected to the control unit by communication channels. The current source contains an inverter, an isolating transformer, a rectifier and a current sensor, wherein the inverter input is connected to the current source input, and the inverter output is connected to the input of the isolating transformer, the output of which is connected to the input of the rectifier, the output of which is connected to the output of the current source. The current sensor is connected in series at the output of the rectifier, the inverter is made with two control inputs, one of which is connected via a communication channel to the control unit, and the other to the output of the current sensor.

Однако в указанном устройстве одновременное использование управляющего блока и блока защиты ведет к избыточности аппаратных средств управления, что усложняет само устройство и увеличивает его стоимость. Кроме того, использование инвертора, развязывающего трансформатора и выпрямителя в составе источника тока для безопасного и корректного начала работы зарядного терминала в соответствии с принятыми международными требованиями DIN SPEC 70121 и IEC 61851-23 потребует предварительного согласования уровня напряжения на выходе этого источника тока относительно произвольного уровня напряжения аккумуляторной батареи электромобиля, подключаемой к данному зарядному терминалу. Это, в свою очередь, требует дополнительных аппаратных и программных средств контроля уровней напряжений, что также усложняет устройство зарядной станции.However, in this device, the simultaneous use of a control unit and a protection unit leads to redundancy of control hardware, which complicates the device itself and increases its cost. In addition, the use of an inverter, an isolating transformer and a rectifier as part of a current source for the safe and correct start of operation of the charging terminal in accordance with accepted international requirements DIN SPEC 70121 and IEC 61851-23 will require preliminary coordination of the voltage level at the output of this current source relative to an arbitrary voltage level battery of an electric vehicle connected to this charging terminal. This, in turn, requires additional hardware and software for monitoring voltage levels, which also complicates the design of the charging station.

Устройство зарядной станции постоянным током на базе тяговой подстанции электрического транспорта (Патент РФ №203237 М.Кл. B60L 53/30 Устройство зарядной станции постоянным током на базе тяговой подстанции электрического транспорта / Щуров Н.И., Мятеж С.В. и др. - заявл. 14.10.2020; Опубл. 29.03.2021, Бюл. №10), включающее высоковольтный тяговый трансформатор, выпрямитель, оборудование распределительного устройства тяговой сети, а также датчик тока в составе зарядного терминала, кроме того датчик тока заряда подключен к управляемому источнику постоянного тока через два параллельно соединенных электрических аппарата, причем один полюс замыкающего контакта каждого из двух электрических аппаратов присоединен к выходу управляемого источника постоянного тока, а второй полюс замыкающего контакта первого электрического аппарата соединен непосредственно с входом зарядного терминала, при этом второй полюс замыкающего контакта второго электрического аппарата соединен с входом зарядного терминала через токоограничивающий резистор, причем для реализации программной части защитных функций и функций управления устройством зарядной станции устанавливается промышленный контроллер, один входной канал которого представляет проводной интерфейс для связи с автономным транспортным средством, другой входной канал промышленного контроллера соединен с датчиком тока заряда, и, кроме того, один выходной канал промышленного контроллера соединен с управляющим входом управляемого источника постоянного тока, а другой выходной канал промышленного контроллера соединен с блоком электрических коммутационных аппаратов.Construction of a direct current charging station based on a traction substation for electric transport (RF Patent No. 203237 M.Kl. B60L 53/30 Construction of a direct current charging station based on a traction substation for electric transport / Shchurov N.I., Myatezh S.V. et al. - application 10/14/2020; Published 03/29/2021, Bulletin No. 10), including a high-voltage traction transformer, a rectifier, traction network switchgear equipment, as well as a current sensor as part of the charging terminal, in addition, the charge current sensor is connected to a controlled source direct current through two parallel-connected electrical devices, with one pole of the closing contact of each of the two electrical devices connected to the output of the controlled DC source, and the second pole of the closing contact of the first electrical device is connected directly to the input of the charging terminal, while the second pole of the closing contact of the second electrical The device is connected to the input of the charging terminal through a current-limiting resistor, and to implement the software part of the protective functions and control functions of the charging station device, an industrial controller is installed, one input channel of which represents a wired interface for communication with an autonomous vehicle, the other input channel of the industrial controller is connected to a current sensor charge, and, in addition, one output channel of the industrial controller is connected to the control input of the controlled DC source, and the other output channel of the industrial controller is connected to a block of electrical switching devices.

Устройство зарядной станции обеспечивает режимы питания электротранспорта от контактной сети и питания зарядных терминалов для личного транспорта, но наличие дополнительных преобразователей постоянного тока в постоянный приводит к дополнительным потерям энергии и снижает надежность системы.The charging station device provides power modes for electric vehicles from the contact network and power supply for charging terminals for personal vehicles, but the presence of additional DC-to-DC converters leads to additional energy losses and reduces the reliability of the system.

Задача предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении количества преобразователей энергии и аппаратных средств и средств для контроля и управления зарядной станцией, и, таким образом, повышения надежности работы зарядной станции.The objective of the proposed utility model is to reduce the number of energy converters and hardware and means for monitoring and controlling the charging station, and thus increasing the reliability of the charging station.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве зарядной станции, принятым за прототип и содержащем высоковольтный тяговый трансформатор, выпрямитель, оборудование распределительного устройства тяговой сети и датчик тока в составе зарядного терминала, высоковольтный тяговый трансформатор выполнен с дополнительной вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение зарядного терминала, высоковольтный тяговой трансформатор выполнен с дополнительной вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение зарядного терминала, обеспечивающей предварительное согласование напряжения на выходе зарядного терминала до 200 А.This task is achieved by the fact that in the known charging station device, adopted as a prototype and containing a high-voltage traction transformer, a rectifier, traction network switchgear equipment and a current sensor as part of the charging terminal, the high-voltage traction transformer is made with an additional secondary winding designed for the voltage of the charging terminal , the high-voltage traction transformer is made with an additional secondary winding designed for the voltage of the charging terminal, providing preliminary coordination of the voltage at the output of the charging terminal up to 200 A.

На фиг. 1 представлена структурная блок-схема зарядной станции. Предлагаемое устройство зарядной станции (фиг. 1) содержит: 1 - тяговый трансформатор; 2 - выпрямитель контактной сети; 3 - оборудование распределительного устройства тяговой сети; 4 - управляемый источник постоянного тока; 5 - блок электрических контактных аппаратов; 6 - зарядный терминал; 7 - датчик тока заряда; 8 - промышленный контроллер; 9 - канал управления уровнем напряжения источника тока; 10 - канал управления электрическими аппаратами; 11 - сигнал от датчика тока; 12 - проводной интерфейс для связи с автономным транспортным средством.In fig. Figure 1 shows a block diagram of the charging station. The proposed charging station device (Fig. 1) contains: 1 - traction transformer; 2 - contact network rectifier; 3 - traction network switchgear equipment; 4 - controlled DC source; 5 - block of electrical contact devices; 6 - charging terminal; 7 - charge current sensor; 8 - industrial controller; 9 - channel for controlling the voltage level of the current source; 10 - channel for controlling electrical devices; 11 - signal from the current sensor; 12-wire interface for communication with an autonomous vehicle.

Устройство зарядной станции (фиг. 1) работает следующим образом. Тяговый трансформатор 1 понижает высоковольтное напряжение переменного тока питающей трехфазной сети, пониженное напряжение переменного тока поступает на вход выпрямителя 2 и преобразуется в напряжение 600 В постоянного тока, которое далее одновременно поступает как на оборудование распределительного устройства тяговой сети 3 для питания городского электрического транспорта, так и на вход управляемого источника постоянного тока 4, который в исходном состоянии формирует минимальный уровень напряжения постоянного тока. При этом контакты обоих электрических аппаратов в блоке электрических аппаратов 5 находятся в разомкнутом состоянии и питающее напряжение на зарядном терминале 6 изначально отсутствует. Когда автономное транспортное средство подключается к зарядному терминалу 6, сигнал по проводному интерфейсу 12 поступает в промышленный контроллер 8, который посылает сигнал по каналу управления 10 второму электрическому аппарату в блоке 5 на замыкание контакта К2 в цепи с токоограничивающим резистором. Далее промышленный контроллер 8, используя канал 9 для управления уровнем напряжения источника тока, обеспечивает режим согласования уровней напряжения на выходе зарядного терминала 6 и напряжения заряжаемой аккумуляторной батареи автономного транспортного средства. Для этого промышленный контроллер 8, плавно изменяет уровень напряжения на выходе управляемого источника постоянного тока 4, используя канал управления 9 и определяя при помощи сигнала 11 от датчика тока 7 минимальное значение тока заряда, которое достигается в том случае, когда напряжение на выходе управляемого источника постоянного тока 4 равно напряжению аккумуляторной батареи автономного транспортного средства, подключенного к зарядному терминалу 6. После согласования уровней напряжений промышленный контроллер 8 по каналу управления 10 посылает сигнал первому электрическому аппарату в блоке 5 на замыкание силового контакта KI и переводит устройство зарядной станции в основной режим заряда аккумуляторной батареи, увеличив ток заряда до номинального значения за счет регулировки уровня напряжения постоянного тока при помощи сигнала 9 и контролируя фактический ток заряда при помощи сигнала 11, идущего от датчика тока 7.The charging station device (Fig. 1) operates as follows. Traction transformer 1 reduces the high-voltage AC voltage of the three-phase supply network, the reduced AC voltage is supplied to the input of the rectifier 2 and is converted into a voltage of 600 V DC, which is then simultaneously supplied both to the equipment of the switchgear of the traction network 3 to power urban electric transport, and to the input of the controlled direct current source 4, which in the initial state forms the minimum level of direct current voltage. In this case, the contacts of both electrical devices in the block of electrical devices 5 are in an open state and the supply voltage at the charging terminal 6 is initially absent. When an autonomous vehicle is connected to the charging terminal 6, the signal via the wired interface 12 is sent to the industrial controller 8, which sends a signal via the control channel 10 to the second electrical device in block 5 to close contact K2 in the circuit with a current-limiting resistor. Next, the industrial controller 8, using channel 9 to control the voltage level of the current source, provides a mode for matching the voltage levels at the output of the charging terminal 6 and the voltage of the charged battery of the autonomous vehicle. To do this, the industrial controller 8 smoothly changes the voltage level at the output of the controlled DC source 4, using control channel 9 and determining, using a signal 11 from the current sensor 7, the minimum value of the charge current, which is achieved when the voltage at the output of the controlled DC source current 4 is equal to the voltage of the battery of an autonomous vehicle connected to the charging terminal 6. After agreeing on the voltage levels, the industrial controller 8, via control channel 10, sends a signal to the first electrical device in block 5 to close the power contact KI and switches the charging station device to the main battery charging mode batteries, increasing the charge current to the nominal value by adjusting the DC voltage level using signal 9 and controlling the actual charge current using signal 11 coming from current sensor 7.

Все остальные защитные и рабочие функции зарядной станции, в том числе функции выравнивания нагрузок тяговой подстанции в часы пик, аналогичны функциям, описанным в прототипе, и полностью поддерживаются промышленным контроллером 8 на программном уровне, при этом размещенные в блоке 5 электрические аппараты способны выполнять не только рабочее, но при необходимости и аварийное отключение зарядного терминала, обеспечивая требования электробезопасности путем создания видимого разрыва и обеспечения гальванической развязки источников электрической энергии в электрической цепи.All other protective and operational functions of the charging station, including the functions of leveling the loads of the traction substation during peak hours, are similar to the functions described in the prototype and are fully supported by the industrial controller 8 at the software level, while the electrical devices located in block 5 are capable of performing not only operational, but if necessary, emergency shutdown of the charging terminal, ensuring electrical safety requirements by creating a visible break and ensuring galvanic isolation of electrical energy sources in the electrical circuit.

Промышленная применимость полезной модели состоит в том, что устройство зарядной станции базируется на действующем оборудовании тяговой подстанции и собирается целиком из существующих стандартных модулей.The industrial applicability of the utility model lies in the fact that the charging station device is based on the existing equipment of a traction substation and is assembled entirely from existing standard modules.

Техническим результатом является создание зарядных терминалов для поддержания режима быстрого заряда аккумуляторных батарей автономных транспортных средств постоянным током до 200 А, которые по сравнению с прототипом и имеющимися аналогами с использованием части силового оборудования тяговой подстанции обеспечивают предварительное согласование уровней напряжений на выходе конкретного зарядного терминала и подключаемой аккумуляторной батареи.The technical result is the creation of charging terminals to maintain the fast charging mode of batteries of autonomous vehicles with a direct current of up to 200 A, which, in comparison with the prototype and existing analogues using part of the power equipment of a traction substation, provide preliminary coordination of voltage levels at the output of a specific charging terminal and the connected battery batteries.

Claims

1. A DC charging station based on an electric vehicle traction substation, including a high-voltage traction transformer that supplies a three-phase reduced AC voltage to the input of the rectifier, converting it into a direct voltage of 600 V, a rectifier that supplies direct current to the contact network, and equipment for the traction contact switchgear network that powers urban electric transport, a charging terminal for personal transport, characterized in that the high-voltage traction transformer is made with an additional secondary winding designed for the voltage of the charging terminal, providing preliminary coordination of the voltage at the output of the charging terminal up to 200 A.

2. The charging station device according to claim 1, characterized in that one or more additional secondary windings are added to the high-voltage traction transformer with an additional secondary winding according to the number of voltage levels of the charging terminals.