郭青龍

立體車庫充電樁供電自適應(yīng)無弧開合系統(tǒng)的研制

郭青龍

(廣東綠網(wǎng)新能源科技有限公司，廣東 珠海 519060)

介紹了一種面向立體車庫配套的充電樁供電用隔離刀閘無電弧開合自動供電裝置系統(tǒng)。這種裝置系統(tǒng)在對移動車位上已被連接并進(jìn)入待充電狀態(tài)的充電汽車安全穩(wěn)定到達(dá)有效庫位后，利用校正機(jī)構(gòu)讓隔離開關(guān)活動刀閘與庫位上的靜止刀閘卡口進(jìn)行合分閘位置校正確認(rèn)并自動合閘、監(jiān)測判斷并給出是否啟動充電樁的功率輸出回路進(jìn)入充電狀態(tài)指令。該系統(tǒng)借助隔離開關(guān)刀閘動靜觸頭分閘后可移離，合閘前須對齊，無負(fù)載開合無電弧的特點(diǎn)，為立體車庫待充電車輛移庫后接入固定大功率電源提供了安全可靠的拓展應(yīng)用選型方案。

立體車庫；充電樁；隔離開關(guān)；位置雙確認(rèn)；無電弧開合

0 引言

隨著大功率充電管理技術(shù)的發(fā)展與充電樁作為基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃的納入，居民消費(fèi)能力的提升各地汽車保有量數(shù)據(jù)逐年壯大，繼而停車難和電動汽車?yán)m(xù)航充電矛盾也就越來越凸顯。相應(yīng)地隨著近年來立體車庫技術(shù)的自動化和人性化設(shè)計完善成熟[1-3]，在解決停車難的同時電動汽車方便快捷充電變成為立體車庫需要面對的新問題[4-5]。顯然，讓傳統(tǒng)立體車庫順應(yīng)當(dāng)前社會需求并實(shí)現(xiàn)集約化管理完全可以帶動電動汽車應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。不過，相比立體車庫的停車密度而言，增加了充電功能下的充電設(shè)施及消防安全則是隨之來的極大應(yīng)用顧慮[6]：確保大功率充電時與地面電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)安全接駁是消除充電安全隱患的技術(shù)策略之一。與之對應(yīng)地，當(dāng)前已有諸多技術(shù)完成了技術(shù)并開始付諸應(yīng)用[7-13]。這些技術(shù)文獻(xiàn)有著各自的適配性取舍設(shè)計——有考慮降低功率器件插接電弧的，有考慮防水防靜電和通流便捷安全的。文獻(xiàn)[14]在升降類立體車庫基礎(chǔ)上設(shè)計了一種滑環(huán)換向器機(jī)構(gòu)，以應(yīng)對小功率充電功能和信號傳輸連續(xù)性，雖有一定的應(yīng)用意義，但顯然這種結(jié)構(gòu)并不適合電動汽車的應(yīng)用。文獻(xiàn)[15]的研究雖適應(yīng)電動汽車，但這種技術(shù)方案顯然只適合帶有無線充電模塊的單一類型車輛，不具備廣泛應(yīng)用性。而文獻(xiàn)[16]的研究設(shè)計顯然是在充分評估了這些類似設(shè)計后才考慮采用集控式充電機(jī)組的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)各種不同結(jié)構(gòu)立體車庫的充電應(yīng)用的，但從最終的市場應(yīng)用角度來說，這類集成化設(shè)計雖好卻存在面向?qū)ο髢H限制于能布置這種定向設(shè)計系統(tǒng)的用戶而不是廣泛大眾，尤為突出的是這些帶電的“滑動”或“移動”導(dǎo)電件連接部件都只能采用“定制”化的而不是“大眾”化的兼容問題：只能在自己的產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的拓展應(yīng)用而無法實(shí)現(xiàn)“通存通兌”的效果。

本文設(shè)計研究的系統(tǒng)裝備正是在綜合這些公開文獻(xiàn)中的優(yōu)點(diǎn)后，充分利用當(dāng)前配電系統(tǒng)常用的一種無電弧開合隔離開關(guān)的全新“拆裝”式設(shè)計組合，并結(jié)合當(dāng)前充電樁供電功能需求，設(shè)計完成了一種新穎的可應(yīng)用于任何結(jié)構(gòu)形式的立體車庫中的智能化開關(guān)系統(tǒng)裝置。這種系統(tǒng)裝置有自己的功能中央處理系統(tǒng)與通信單元，通過與傳統(tǒng)充電樁在用戶端的狀態(tài)量組合后，實(shí)現(xiàn)功率負(fù)載的無電弧開合、電動汽車端的無損及無人為介入的自動供電，從而協(xié)助充電樁完成樁機(jī)與地面固定端電網(wǎng)的良好安全隔離防護(hù)及通流控制，是立體車庫充電設(shè)施擴(kuò)建或新建的優(yōu)選設(shè)計選型方案。

1 總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合當(dāng)前電動汽車存庫時間的應(yīng)用場景與可能存在充電方式、最大充電時間、車庫結(jié)構(gòu)形式、停運(yùn)時間及其整體后期運(yùn)營成本等綜合因素[17-20]，本文基于適配通用型充電樁的功率輸出應(yīng)用與充電啟動機(jī)理，設(shè)計完成了可直接面向運(yùn)營用戶的集分離式隔離刀閘機(jī)械開關(guān)與智能化位置確認(rèn)校正、無電流自動合閘送電與分閘斷電一體化的安全配電裝置系統(tǒng)。整體系統(tǒng)功能單元設(shè)置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

基于安全可靠性考慮，新系統(tǒng)在電動汽車車位移庫入位前處于由市電適配單元、電源管控單元和小型備用電池單元下的庫位移動端自備電源狀態(tài)工作。當(dāng)待充電電動汽車在立體車庫控制系統(tǒng)下移庫入位后，系統(tǒng)裝置自動進(jìn)入位置確認(rèn)狀態(tài)：由功率驅(qū)動器帶動相應(yīng)的機(jī)械傳動裝置移送分離式隔離開關(guān)動靜觸頭組件進(jìn)行合閘前的位置校正，位置狀態(tài)確認(rèn)時依賴機(jī)械系統(tǒng)給出的狀態(tài)開關(guān)量提供的模擬信號。一旦位置狀態(tài)確認(rèn)符合狀態(tài)向量時，主控單元的中央處理器給出對應(yīng)的合閘指令，由功率驅(qū)動單元驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)完成刀閘的閉合導(dǎo)通，導(dǎo)通條件全部符合時主控單元給出供電回路串接的自保持翻轉(zhuǎn)式功率接觸器接通負(fù)載。至此完成隔離刀閘的無電弧合閘驅(qū)動。充電終了后先行斷開接觸器，再執(zhí)行隔離刀閘的無電流無電弧分閘指令。

1.1 主控單元

本系統(tǒng)以ATmega128為主控單元核心信息處理芯片完成系統(tǒng)裝置所需的實(shí)時動作指令解析、機(jī)械裝置位置狀況檢測及數(shù)據(jù)傳輸處理和實(shí)時狀態(tài)向量處置等功能，其高達(dá)1 MIPS/MHz的數(shù)據(jù)吞吐能力完全適合智能化通信管理和系統(tǒng)處理速度的多種任務(wù)需求[21]。

1.2 雙確認(rèn)系統(tǒng)

基于新系統(tǒng)裝置的主導(dǎo)電回路在對車位移庫到位對接地面固定供電點(diǎn)連接中采用供配電系統(tǒng)常用的隔離開關(guān)進(jìn)行動靜觸頭進(jìn)行有效的“拆分”裝配方式來實(shí)現(xiàn)，顯然被分別固定在移動車位上的動觸頭系統(tǒng)與固定庫位上的帶電靜觸頭而言應(yīng)該有著良好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性，并實(shí)施與應(yīng)用場景適配的刀閘位置識別技術(shù)[22]才能保障設(shè)備運(yùn)行安全有效的完成“合閘”供電動作。為實(shí)現(xiàn)這一有效的管控目的，系統(tǒng)特采用了獨(dú)立的位置狀態(tài)確認(rèn)單元來完成。

充分評估當(dāng)前配電用隔離開關(guān)分合閘位置雙確認(rèn)檢測方案各有優(yōu)缺點(diǎn)[23]，綜合系統(tǒng)工程化量產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文中的“拆分”式隔離刀閘實(shí)際工作的應(yīng)用機(jī)理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搭建了如圖2所示的位置檢測確認(rèn)系統(tǒng)單元，確保整體裝備系統(tǒng)的有效穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖2 雙確認(rèn)系統(tǒng)框圖

特別地，為減少不必要的低壓用電電源管理，本文設(shè)計的位置確認(rèn)布置的光電器件用電部分被設(shè)立在動觸頭區(qū)域的車位“移動端”，而光電開關(guān)非用電工作的輔助器件則布置在庫位“固定端”。

在位置確認(rèn)系統(tǒng)設(shè)計時充分評估性價比與施工難易程度，采用機(jī)械行程開關(guān)作為位置確認(rèn)系統(tǒng)啟動的前提要素，采用激光漫反射光電開關(guān)作為供電開關(guān)動靜觸頭位置確定的第一位置條件，紅外線U槽型傳感器作為動靜觸頭對齊校正第二條件，當(dāng)兩個條件滿足狀態(tài)向量定義后，對主控單元給出位置校正終了信息，主控單元給出動觸頭系統(tǒng)合閘指令。一旦動觸頭機(jī)械系統(tǒng)合閘到位后，動觸頭機(jī)械聯(lián)動裝置給出對應(yīng)的壓力信號至位置狀態(tài)數(shù)據(jù)處理器轉(zhuǎn)換成合閘合格信息反饋給主控單元。主控單元只有獲得位置正常與合閘正常的雙重信息后才執(zhí)行對應(yīng)的后續(xù)充電啟動過程，并在充電終了后提前移庫中斷充電、接觸器輔助觸頭給出斷開信息后，自動斷開隔離刀閘，等待車位的下一次機(jī)動移庫。

1.3 動靜觸頭組件

本文中的動靜觸頭組件是新系統(tǒng)裝置的主要功率電流導(dǎo)電回路，也是實(shí)現(xiàn)庫位固定端與車位移動端功率供電的有效連接器件。基于最大程度的應(yīng)用便捷性與用戶維護(hù)的可行性，在其載流允許范圍與絕緣電壓符合公共用電安全的前提下，采用常用電力配電低壓隔離開關(guān)配套器件及原有功能性結(jié)構(gòu)為主體，拓展應(yīng)用為原動觸頭刀閘被設(shè)置在本文下的系統(tǒng)裝置上一體化固定在可移動的“車位”上，而原有的靜觸頭則被固定在地面的庫位旁。當(dāng)有需要充電的移動車位到達(dá)后，動刀刀閘在獲得位置確認(rèn)系統(tǒng)的有效“確認(rèn)”后，主控系統(tǒng)對串接在隔離刀閘回路中的功率接觸器給出控制指令，完成刀閘回路的負(fù)載電流通路，進(jìn)而完全避免隔離刀閘會帶著負(fù)荷與庫位供電端進(jìn)行合閘或者分閘操作。相應(yīng)地，為獲得隔離開關(guān)刀閘機(jī)械系統(tǒng)合閘與分閘的雙向穩(wěn)定性驅(qū)動，采用BTM7752G為馬達(dá)驅(qū)動芯片[24]，該芯片的內(nèi)置過壓、過流保護(hù)功能有利于立體車庫復(fù)雜電磁環(huán)境。

2 功能設(shè)計

本文系統(tǒng)設(shè)計集成時，確立這是一種面向立體車庫運(yùn)營用戶的市場化選擇與易于維護(hù)相結(jié)合的新系統(tǒng)裝備，也是一種可以適配當(dāng)前已知文獻(xiàn)下的非專用型常規(guī)交直流充電樁在立體車庫中的應(yīng)用，更是當(dāng)前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)拓展應(yīng)用中具備網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、通信和計算處理優(yōu)勢的智能化系統(tǒng)集合。

2.1 充電流程控制

本文研究的新系統(tǒng)裝置是常規(guī)充電樁的一個拓展應(yīng)用附屬配套設(shè)施而不需要對立體車庫中所配套的充電樁進(jìn)行集中管控約束。故而充電控制導(dǎo)向與胡道棟等[25]研究的集群式管理存在很大的應(yīng)用性區(qū)別——新系統(tǒng)裝置注重的是本體內(nèi)部數(shù)據(jù)的良好運(yùn)算與模擬量管控，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電終端中的拓展應(yīng)用智能化集成，也是一種具備物聯(lián)網(wǎng)功能下的能獨(dú)立運(yùn)行的智能化系統(tǒng)配電終端裝備。鑒于此，本文研究的控制系統(tǒng)同樣需要具備互動、優(yōu)化、兼容與集成的綜合性特色[26]，基于實(shí)際功能與面向?qū)ο蟮牟煌?，無論實(shí)際充電用戶采用的支付方式是在線卡或者是離線卡甚至是專用APP模式，本系統(tǒng)都是基于充電樁的“待充電已準(zhǔn)備好”模式進(jìn)入啟動、采集主回路大電流而判斷充電是否終了的。而對應(yīng)地非充電終了的提前取車“中斷充電”，則是依據(jù)取車移庫動到達(dá)庫位時作為主動斷電狀態(tài)依據(jù)的。故本文下的系統(tǒng)方案設(shè)計時采用了如圖3所示控制管控流程。

圖3 充電流程管理

按照設(shè)計方案，本系統(tǒng)裝置主要完成移動車位充電樁的與庫位上固定電網(wǎng)接口的“供電”連接?？紤]直接面向立體車庫的應(yīng)用運(yùn)維，本文系統(tǒng)下的系統(tǒng)裝置采用直接采集原有充電樁上的充電槍位置狀態(tài)作為系統(tǒng)啟動的前提：對原有充電樁進(jìn)行無損更換帶有充電插頭位置檢測[27]的“充電槍收納座”后即可獲得有效的充電槍是否在“收納位”的信息。根據(jù)充電槍頭是在收納座還是已經(jīng)被移出做出有效的主程序運(yùn)行啟動信息，實(shí)現(xiàn)最大可能的兼容當(dāng)前市售充電樁。

當(dāng)然，由于移動車位移庫到固定庫位前各種結(jié)構(gòu)條件的限制，絕大部分立體車庫在停車端的“移動車位”無法布置有效的功率電源(線)，故而本系統(tǒng)自帶有貯備電池電源作為移庫前為充電樁與本方案下的主要工作電路提供基礎(chǔ)低壓工作能源，由于本電源系統(tǒng)的存在，充電樁的非功率供電部分可以無損對接而在電動汽車停車到位后，即可拿出充電槍對接并在充電樁上進(jìn)行充電操作。就目前市售的充電樁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而言，基本采用的是先進(jìn)行有益的各種充電前的“預(yù)備”操作，待“確定”后才啟動對應(yīng)的“功率供電”回路。鑒于此，倘若充電樁的主功率供電回路處于“無電”狀態(tài)顯然并不影響這些充電樁的本級操作與基本信息傳遞，僅有一些具備輸出監(jiān)測能力的充電樁會給出一定的“故障”代碼之類的提示，而這這并不干涉本文下的系統(tǒng)裝置進(jìn)入下一步工作流程。

特別地，在整個充電管控過程中，基于供電安全和觸頭刀閘應(yīng)用可能需要檢修的頻次考慮，本系統(tǒng)裝置在充電送電管控流程中多次反復(fù)監(jiān)測負(fù)載斷開開關(guān)——大功率自保持繼電器的當(dāng)前工作位置狀況：觸點(diǎn)是閉合狀態(tài)還是斷開狀態(tài)？以借此獲得最大可能的提前斷開大功率車負(fù)載消除負(fù)載電流可能帶來的電弧對觸點(diǎn)的灼傷甚至電弧的飛濺[28]，影響刀閘觸頭的導(dǎo)電及絕緣性能——進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隔離刀閘的無電弧斷開及閉合操作。隨著移庫到位后的位置狀態(tài)確認(rèn)，系統(tǒng)裝置自動啟動各種校正與監(jiān)測并給出故障信息提示，在需要時按設(shè)定的條件通過物聯(lián)網(wǎng)組件對外發(fā)送資訊。

2.2 位置確認(rèn)控制

自動或手動型隔離開關(guān)因其靈活的組裝結(jié)構(gòu)與檢修方式在接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，也正是其運(yùn)行安裝環(huán)境等因素的影響，隔離開關(guān)的傳動、導(dǎo)電部分會因卡滯、變形、移位等原因出現(xiàn)刀閘不能正常合分的現(xiàn)象[29]。結(jié)合本系統(tǒng)的應(yīng)用與結(jié)構(gòu)需要等特點(diǎn)，為確保選用的隔離開關(guān)的刀閘能有效進(jìn)入既有的工作狀態(tài)并結(jié)合當(dāng)前已知的公開文獻(xiàn)提出的各種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[22-23,30]功能后，采用如圖4所示的主要確認(rèn)流程來實(shí)現(xiàn)必要的動靜觸頭之間因?yàn)檐囄慌c庫位之間的不確定性“配套匹配”使用帶來的位置誤差并完成自主校正與故障反饋判斷。

圖4 位置確認(rèn)流程

本文所提出的位置確認(rèn)管控流程是基于立體車庫中可移動車輛車位端安裝的、隔離開關(guān)的動刀刀閘與固定在庫位端的、靜刀刀閘的有效定位與確認(rèn)來完成的，鑒于移動車位與庫位之間的“配套應(yīng)用”不確定性，也既這里實(shí)際應(yīng)用的“動靜觸頭”刀閘并不是單純的、隔離開關(guān)動靜觸頭刀閘之間存在的“始終對應(yīng)”關(guān)系，而是遵照立體車庫管理系統(tǒng)的隨機(jī)配對應(yīng)用，故而這里采用了多重位置反復(fù)校正和狀態(tài)向量判斷?；诜侵苯印芭鋵Α钡膭屿o觸頭管控的需要，系統(tǒng)裝置在移動端組合了激光反射位置校正單元、紅外線U性槽小面積擋板阻擋式定位校正單元，并考慮實(shí)際校正中可能出現(xiàn)不可預(yù)見的單一U槽檢測位移變形帶來的整體位置失誤設(shè)置了一個后備補(bǔ)充功能單元。

位置確認(rèn)管控以待充電汽車所在的移動端車位到庫終了位置信號為輔助啟動運(yùn)行條件。因?yàn)槭禽o助觸發(fā)信號，顯然，倘若到達(dá)的車位上并不是需要充電的對象時，即便到庫終了信號到達(dá)，這部分程序也不會獨(dú)自執(zhí)行，雖然本功能是嵌入在整體系統(tǒng)中可獨(dú)立運(yùn)行的功能單元，但是這一程序并不獨(dú)立于是否需要充電的主程序之外運(yùn)行。且當(dāng)激光與紅外校正運(yùn)行完畢后，本程序還將繼續(xù)等待系統(tǒng)返回的主供電回路已經(jīng)準(zhǔn)備好的信息，以進(jìn)一步確認(rèn)之前運(yùn)行的動靜觸頭刀閘“對齊”是不是滿足供電條件，進(jìn)而再次監(jiān)測由動觸頭合閘到位、動靜觸頭兩者“咬合”后帶來的“壓力”信號是不是正常，只有這個信號也能正常給出時，主控系統(tǒng)才會給出“位置確認(rèn)”完畢的信息。這其中，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的其他因素，位置確認(rèn)收集壓力信息反饋的時間給出了不超過20s的時間間隔余量，確保壓力信息反饋前有足夠的刀閘機(jī)械運(yùn)行中間過程時間。

3 結(jié)語

本文所述系統(tǒng)裝置在立體車庫充電樁的布局應(yīng)用技術(shù)中是一種用戶友好型便捷運(yùn)維與安全應(yīng)用的全新系統(tǒng)裝置。本系統(tǒng)裝置面向的是直接的運(yùn)營維護(hù)管理用戶，也即常規(guī)立體車庫運(yùn)營用戶可以自由選擇充電樁供應(yīng)商，而不是通過立體車庫捆綁亦或者是基于車庫應(yīng)用而設(shè)計的。顯然，對于運(yùn)營用戶而言，車庫的后期運(yùn)維管理更容易獨(dú)自實(shí)現(xiàn)而不是“獨(dú)此一家別無分店”。同時，由于本系統(tǒng)裝置的絕大部分功能組件運(yùn)行在車庫的“移動端”，對應(yīng)的庫位上的布置功能組件僅僅是一個帶有安全保護(hù)罩的“靜觸頭”組件而已，完全可以考慮“全庫”安裝而沒有太多的成本壓力。再者，這里使用的動靜觸頭導(dǎo)電刀閘組件來自低壓配電設(shè)備的主要功能件，運(yùn)營用戶完全可以考慮自主采購與更換，大大提高了用戶后期的維護(hù)便捷性。更有益的是，本系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)充分結(jié)合當(dāng)前配電終端實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計組合，對應(yīng)智能化信息需求[26,31]，用戶可在收到本系統(tǒng)給出的相關(guān)可能性故障代碼后，自主判定檢修的針對性與經(jīng)濟(jì)效益性。更為立體車庫在新能源車輛整體數(shù)量增加時、傳統(tǒng)車位能否與電動汽車相互便捷性兼容，運(yùn)營用戶能否結(jié)合當(dāng)前既有資產(chǎn)進(jìn)行有效的整合后進(jìn)行升級改造提供極大的技術(shù)選型可行性、新建或基于部分新能源車庫位的功能提升而不是全庫可移動車位一次性進(jìn)行充電樁布置建設(shè)提供良好的兼容性選擇方案。

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Development of power supply adaptive arcless breaking-closing system for stereo garage charging pile

GUO Qinglong

(Green-net New-energy Technology Co., Ltd., Zhuhai 519060, China)

This paper introduces an automatic power supply device system for arcless breaking and closing of power supply isolator for charging pile used in stereo garage. After the charged vehicle that has been connected to the mobile parking space and entered into the state to be charged reaches the effective garage safely and stably, the system uses the correction mechanism to correct the closing and closing position of the disconnector movable switch and the static knife switch on the garage position, and to close automatically, monitor and judge whether the power output circuit starting the charging stake enters the charging state command or not. The system can be moved after the dynamic and static contacts of the disconnector switch are opened, aligned before closing, no load and no arc. This provides a safe and reliable extended application option for the stereo garage to access fixed power supply after the charging vehicle is moved to the garage.

stereo garage; charging pile; disconnector; double confirmation of position; arcless breaking and closing

2020-09-10

郭青龍(1975—)，男，本科，高級工程師，從事直流電源與智能電器的研制工作。E-mail: 13326669315@163.com