用于电动车辆充电站的DC仪表的制作方法

用于电动车辆充电站的dc仪表
1.本发明涉及用于电动车辆充电站的直流(dc)仪表。
2.当前实施的用于电动车辆的充电站通常允许根据连接时间或每次充电以统一费率进行充电。然而，考虑到电动车辆使用的增加，需要测量充电期间的实际功耗，以便向用户计费消耗的能量的量。
3.鉴于需要就消耗的能量的量向用户计费，消耗能量的测量必须准确、可靠并且被保护免于篡改。
4.有鉴于前文，本发明的目的在于提供准确、可靠且易于实施的用于电动车辆充电站的dc仪表。
5.本发明的目的是提供在电动车辆充电站中易于安装并且制造和操作上经济的dc仪表，其中机械、热和系统集成代表主要限制。
6.本发明的目的是通过提供根据权利要求1的dc仪表来实现的。
7.本文公开了用于电动车辆充电站的dc仪表，其具有从充电站控制器延伸到电动车辆连接器的一对dc电源线。dc仪表包括仪表单元和传感器单元。仪表单元包括用户接口、用于连接到传感器单元的传感器接口、用于连接到充电站控制器的计量接口以及微处理器，该微处理器被配置为接收和处理从传感器单元接收的信号、与充电站控制器交换数据以及从用户接口接收命令并将信息输出到用户接口。
8.传感器单元是分离的，并经由用于传输测量信号的互连线缆在远离仪表单元的点处连接，传感器单元耦合到一对dc电源线中的一条dc电源线，被配置为测量流过所述电源线的电流，传感器单元还包括用于耦合到一对电源线中的每条电源线的电压传感器以测量该对电源线之间的电压差。传感器单元还包括微处理器，该微处理器具有模数转换器(adc)以将接收的模拟电压测量和电流测量信号转换为数字信号，传感器单元还包括通信接口，该通信接口被配置为通过互连线缆将加密数据传输到仪表单元。
9.在实施例中，传感器单元的微处理器包括用于使用电压测量和电流测量信号计算电动车辆消耗的功率的模块，功率测量值被传输到仪表单元。
10.在实施例中，根据每1到0.01秒(优选地在0.5到0.05秒之间)采样的电流测量信号和/或电压测量信号来计算功率测量计算。
11.在实施例中，电压传感器包括耦合到电压线缆的连接器，该电压线缆具有远离传感器单元的连接端以在电动车辆连接器处或电动车辆连接器附近连接到dc电源线。
12.在实施例中，传感器单元和仪表单元包括存储在相应存储器中的唯一标识号，一旦传感器单元和仪表单元已与它们的唯一标识号配对，它们就能够进行通信。
13.在实施例中，传感器单元和仪表单元包括用于传感器单元和仪表单元之间的数据加密通信的加密模块。
14.在实施例中，电流传感器是电流测量分流器，并且dc电源线中的一条dc电源线是被分开的并且包括用于连接到传感器单元的相应连接端子的连接端。
15.在实施例中，传感器单元包括至少具有底座和帽的外壳，初级导体连接端子设置为延伸出底座并被帽覆盖，传感器单元还包括用于电压传感器线缆的连接器和用于连接到
互连线缆的通信接口的连接器，盖可移除地可定位在端子和连接器上并且包括用于防篡改的固定到底座的装置。
16.在实施例中，除了从传感器单元传输到仪表单元的功率测量信号之外，还传输电压和电流测量数据。
17.在实施例中，传感器单元通信接口以小于50伏、优选地等于或小于24伏、例如5或12伏的电压经由互连线缆向仪表单元传输数据。
18.根据权利要求、具体实施方式和附图，本发明的其他目的和有利特征将是清楚的，其中：
19.图1是在电动车辆充电系统中实施的根据本发明实施例的dc仪表的示意性示意图；
20.图2是根据本发明实施例的dc仪表的示意性示意图；
21.图3a是根据本发明的实施例的dc仪表的传感器单元的透视图，其中盖处于打开位置；
22.图3b是图3a的传感器单元的透视图，其中盖和线缆被移除。
23.图3b是图3a的传感器单元的一部分的详细视图；
24.图3c是图3a的传感器单元的一部分的详细视图；
25.图4是根据本发明实施例的连接到dc仪表的单个公共仪表单元的多个传感器单元的示意图。
26.图5a和图5b说明了根据本发明实施例的安装在电源线对的不同线上的dc仪表的传感器单元；
27.图6是根据本发明实施例的dc仪表的传感器单元的电压传感器的示意性电路图。
28.参考附图，根据本发明的实施例的dc仪表1连接到电动车辆充电站控制器40，充电站控制器经由功率变换器41连接到在另一端连接到电动车辆(ev)连接器28的dc电源链路，该电动车辆(ev)连接器28被标准化并且被配置用于耦合到电动车辆。
29.dc仪表1包括通过互连线缆25互连的仪表单元2和传感器单元3。仪表单元2一方面经由所述互连线缆25连接到传感器单元3，另一方面连接到向电动车辆供应dc电流的充电站控制器的控制器41。到充电站控制器的互连包括数据连接，该数据连接优选地是线缆连接，诸如使用以太网协议的线缆。在变体中，数据连接也可以是无线数据通信连接，例如使用wi-fi和/或移动电话蜂窝通信网络。
30.互连线缆25可以包括用于传感器单元3和仪表单元2之间的数据通信的电缆和/或光缆，并且可以可选地进一步包括用于从仪表单元向传感器单元供电的电力线缆。数据和电源线缆可以使用例如根据can总线网络的标准协议。可以采用其他数据通信标准。
31.仪表单元2包括用户接口9，该用户接口9可以包括屏幕(例如液晶显示屏)、用于输入用户命令的按钮和用于指示错误或其他操作状态的状态灯。仪表单元还包括微处理器10，用于管理到与充电站控制器的计量接口的传入传感器信号和传出信号以及各种输入和输出功能。仪表单元在dc仪表的外壳中包括篡改传感器，该篡改传感器检测dc仪表的完整性，并且可以发出信号并记录dc单元外壳的任何闯入或打开或线缆的切断。dc仪表单元中的诸如用于维护或其他目的的授权访问之类的事件也可以由连接到处理器的存储器36的篡改传感器记录。
32.使用标准can网络用于传感器单元3和仪表单元2之间的互连是有利的，因为它对于电磁干扰是鲁棒的并且允许实现安全数据通信。
33.电流传感器单元2与仪表单元3的分离尤其有利之处在于，仪表单元可以定位在操作员和用户访问的方便位置，而传感器单元可以处于可能不太方便访问的受保护的环境中。仪表单元的功能包括连接到充电站控制器以及处理和传输测量信号，而传感器单元可以沿着充电dc线缆定位在离电动车辆充电桩不太远的位置，以便对实际充电连接器28附近的电压和电流进行准确测量。
34.传感器单元适于耦合到初级导体27a以测量流过初级导体的电流。在所说明的实施例中，传感器单元包括具有初级导体连接端子18的电流传感器5，从而允许初级导电线缆的端部被螺栓连接、夹紧、焊接或以其他方式连接到其上。在本实施例中，电流传感器采用电流测量分流器的形式，这种分流传感器本身在电流测量领域中是众所周知的，在此不再赘述。
35.在实施例中，传感器单元3包括至少一个温度传感器，以可以直接或间接感测分流器的温度的方式安装。测量的温度用于补偿传感器单元3中的测量的温度漂移。实际上，测量电子设备的工作温度可以是例如从-40℃到 130℃。
36.当使用两个温度传感器时，它们以可以准确感测分流器两侧的温度的方式被放置。这种对称温度测量允许估计分流器两侧的温度。由于这种估计，由两个金属结产生的热emf得到缓解。热emf的计算可以在微处理器中完成。
37.传感器单元包括具有底座14和帽16的外壳、安装在外壳内的微处理器7、安装在外壳中并提呈连接器12(例如到互连线缆25的可插拔连接器)的通信接口8，以及用于测量一对dc电源线27a、27b之间的电压差的电压传感器6。
38.电流测量分流器测量跨连接端29a、29b流动通过dc电源线中的一条dc电源线27a的dc电流，电流测量信号被馈送到模拟前端，然后馈送到微处理器7。
39.电流测量模拟前端集成了放大器，其增益由微处理器控制。这种本身众所周知的技术允许测量来自分流器的非常低幅度的信号。
40.微处理器可以有利地包括用于将模拟电流测量信号转换为数字信号的模数转换器(adc)24a。adc可以例如有利地采用已知的∑-δ转换器的形式。
41.传感器单元有利地包括篡改传感器，该篡改传感器检测外壳的完整性和任何打开外壳的破坏，以便检测任何篡改，特别是模拟信号的篡改。
42.传感器单元还包括电压传感器20，该电压传感器20适于测量一对dc电源线27a、27b之间的电压，电压测量信号被馈送到微处理器7中并经由模数转换器24b从模拟信号转换为数字信号，该模数转换器24b可以是与电流感测测量的adc相似或不同的类型。
43.电压和电流测量可用于计算功率的测量。
44.可以有利地通过传感器单元的微处理器7中的加密模块来加密功率测量信号以及可选的电压和电流测量信号以及馈送入互连线缆25到仪表单元2的其他数据。传感器单元和也设置有加密和解密模块的仪表单元之间的数据通信因此是安全的。此外，仪表单元2和传感器单元3各自设置有唯一标识符并且在第一次使用之前的认证过程期间或者例如在维护操作期间不时地进行匹配，使得传感器单元3和仪表单元2只有在经认证和匹配的情况下才能一起使用。这也将根据应用允许来自不同充电桩的多个传感器单元连接到单个仪表单
元，如例如图4中示意性说明的。
45.有利地，功率测量可以在传感器单元内执行并且传输到仪表单元。这提高了可靠性和安全性，并减少了要在传感器单元和仪表单元之间传输的测量信号的数量。然而，传感器单元3的电压和/或电流测量可以经由仪表单元2发送到充电站控制器41。传输的电压和/或电流测量可以用于为充电站的功率变换器42的控制添加冗余。
46.在有利的实施例中，电压传感器6包括电压线缆22，其在远离传感器单元的连接点处连接到dc电源线27a、27b，特别是在ev连接器中或靠近ev连接器的连接点37处，使得在连接点处测量准确的电压测量。优选地，电压线缆连接到ev连接器中的连接端子，以确保引起电压下降的在传感器单元和ev连接器之间的线缆的部分中的任何电阻不影响功率测量值。这种布置也允许传感器单元3定位在在距连接器28一定距离(例如2到50米)处的充电线缆27a上，使得传感器单元可以定位在安全外壳中的充电桩中，而带有ev连接器28的线缆27a、27b可以设置有一定的长度以允许到距充电桩一定距离的车辆的连接。
47.在变体中，电压测量可以在传感器单元3处进行，一个从第一电源线27a上的连接端29a之一获取，其它通过连接到其他dc电源线27b的线缆或其它导体获取。在后一种变体中，在第一次使用之前和可选地例如在维护间隔期间不时地，ev连接器28和电压线缆连接点37之间的电压降可以被测量并在功率测量输出信号的计算期间的校准函数中被考虑。
48.如图6最佳说明，电压传感器6可以有利地包括电压输入43，其中两个输入可以相对于地电势处于不同的电势，由此在所说明的分压器的上支路中的两个串联连接的电阻器在一个电阻器短路的情况下提供安全性。输入43连接到允许具有单端adc输入的放大器电路44。在所说明的电路中，较低的输入接地，使得两个所说明的“adc”块实际上形成单个adc 24b。输入43进一步连接到比较器电路45，以检测输入电压相对于地电势的较高绝对值，并且比较器电路的输出被馈送到逻辑电路46，该逻辑电路46确定两个可能增益中的哪一个用于解释adc的输出值：左侧的两个电压分压器可能具有略有不同的衰减水平，因为它们由具有特定容差的不同组件制成。在典型的用例中，只有一个电压相对于地是高的(数百伏)，而其它电压则相当小(毫伏到伏)。因此，当根据比较器的输出使用不同的增益时，可以最小化整体测量误差。
49.外壳4包括底座14和可移除帽16，其允许将dc电源线中的一条dc电源线27a的连接端29a、29b连接到传感器单元3，并且也用于将电压传感器线缆22连接到传感器外壳中的连接端子。帽被配置为覆盖端子并且可以进一步包括在外壳上的锁定柱，该锁定柱穿过帽中的孔口，锁定柱设置有孔口，从而允许密封件38的线穿过其中以确保只有在密封件破裂时才可取下盖。
50.还可以提供完整性传感器(未示出)以检测盖16是否从底座14移除，完整性传感器数据被存储在处理器7的存储器36中并且被传输到仪表单元2以警告传感器单元盖的破坏或打开。
51.可以设置在底座和围绕其外周边的盖之间的密封环以在外壳和底座之间提供防水密封。外壳内的电气和电子部件处于气密密封的环境中，在变体中该环境可以填充有在电流换能器领域本身已知的绝缘灌封材料。
52.传感器单元3的电力可以从仪表单元2供应。在变体中，传感器单元的电力可以从dc电源线27a和27b获得。考虑到与用于为车辆充电的电力的量相比可忽略不计的量，将不
需要对获得的电力进行补偿。
53.将传感器3单元和仪表单元2分离的另一优点是防止dc外壳电源线的高压，该高压可能是1到2千伏的数量级。这种分离是在传感器单元3中完成的，从而将通信线缆25和仪表单元2放置在安全的超低电压区域中。从而，可以安全地操作仪表单元2和通信线缆25。
54.根据电压测量传感器和电流测量传感器的adc输出的数字测量信号计算功率测量信号可以在相当低的频率(例如在大约1到100赫兹的数量级(例如通常大约10赫兹))计算。考虑到充电操作期间电流和电压的变化具有低频波动，此范围内的测量减少了计算要求和存储器，但允许准确的功率测量。低频测量采样也减少了传感器单元和仪表单元之间的数据传输器的量。然而，adc 24a 24b的采样可以在高频(例如大约500khz，这是∑-δadc的典型工作频率)执行。
55.将传感器单元3和仪表单元2分离的另一优点是可以将若干传感器单元连接到单个仪表单元2。电动车辆充电站可以提供若干独立的dc电源线，以为若干独立的电动车辆充电。
56.将传感器单元3和仪表单元2分离的另一优点是可以将传感器单元3安装在高侧位置或低侧位置。这种灵活性增强了在空间有限的充电桩中的集成可能性。
57.根据传感器单元3的高侧或低侧安装，电压测量模拟前端的电气配置是不同的。使用的高阻抗分压器的支脚直接取决于安装配置。高阻抗电阻分压器的两个支脚的增益不一样。增益差异导致电压测量不准确。为了补偿这种影响并避免使用高精度电阻器，中间电路感测正在使用的支脚，并将结果指示给微处理器。因此，微处理器使用两个内部补偿寄存器来减轻两个不同支脚的增益误差。
58.中间电路感测两个内部信号中的哪一个最接近参考电压。这指示高侧或低侧安装到微处理器。
59.电压测量模拟前端还可以包括连接到adc 24c的温度传感器t1、t2(如图2所示)以减少测量的温度漂移。通过考虑来自温度传感器的测得的温度，可以在微处理器中补偿参考电压的漂移。
60.附图标记列表
61.dc仪表1
62.仪表单元2
63.用户接口9
64.lcd、按钮、状态灯
65.微处理器10
66.传感器接口11
67.连接器12
68.电气
69.光学
70.(与充电站控制器)的计量接口30
71.电源31
72.防篡改传感器35
73.传感器单元3
74.外壳4
75.底座14
76.帽16
77.防篡改密封件38
78.电流传感器5
79.初级导体连接端子18a、18b
80.电压传感器6
81.电压连接器20
82.电压线缆22
83.远端连接点37
84.电压输入43
85.放大器电路44
86.比较器电路45
87.逻辑电路46
88.微处理器7
89.adc 24a、24b、24c
90.存储器36
91.通信接口8
92.数据连接器33
93.互连线缆25
94.dc电源线27a、27b
95.连接端29a、29b
96.ev连接器28
97.充电站
98.充电站控制器40
99.控制器41
100.功率变换器42