Способ и зарядная станция для электрической зарядки накопителя электрической энергии
Изобретение относится к области электротехники, конкретно к способу электрической зарядки накопителя (201, 303) электрической энергии посредством зарядной станции (101, 501). Технический результат - обеспечение надлежащего функционирования устройства, осуществляющего управление процессом зарядки. Для чего регистрируют электрическое подключение накопителя (201, 303) электрической энергии к зарядной станции (101, 501), при этом зарядная станция (101, 501) подводит зарядную электрическую энергию к подключенному к ней накопителю (201, 303) энергии, если между зарядной станцией (101, 501) и подключенным накопителем (201, 303) регистрируется обмен коммуникационными сигналами. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к способу и зарядной станции для электрической зарядки накопителя электрической энергии.
Известны автономные самоходные агрегаты, например автономные газонокосилки. Такие агрегаты, как правило, приводятся в действие электричеством. Подача энергии обеспечивается, в частности, аккумулятором автономного агрегата, причем этот аккумулятор необходимо периодически подзаряжать с помощью зарядной станции, называемой также базовой станцией. Для этого автономный агрегат подъезжает к базовой станции таким образом, чтобы произошло его электрическое соединение с зарядным контактом этой станции. Если автономный агрегат не находится у базовой станции, то по соображениям безопасности на соответствующие зарядные контакты не подается полное зарядное напряжение. Поэтому обнаружение наличия надежного электрического соединения автономного агрегата с зарядной станцией является важным условием подачи полного зарядного напряжения на зарядные контакты.
В качестве накопителя электрической энергии обычно используют литий-ионные аккумуляторы. При использовании этих аккумуляторов необходимо, в частности, очень тщательно контролировать процесс зарядки, поскольку зарядка, протекающая в нештатном режиме, может быть сопряжена с повышенным риском возникновения пожара. Для обеспечения надлежащего выполнения зарядки осуществляется управление процессом зарядки аккумулятора(-ов) автономного агрегата и наблюдение за этим процессом, в частности, посредством управляющих устройств, расположенных на самом агрегате. В этом случае до начала процесса зарядки необходимо обеспечить не только надежное подключение автономного агрегата к зарядной станции, но и надлежащее функционирование управляющего устройства, отвечающего за контроль зарядки.
Известны способы пассивного обнаружения подключенного автономного агрегата зарядной станцией.
Например, в описании изобретения к патенту ЕР 1706797 В1 предлагается обнаружение процесса подключения автономного агрегата к зарядной станции путем идентификации резисторной схемы на этом автономном агрегате.
В описании изобретения к патенту ЕР 1721279 В1 процесс подключение автономного агрегата обнаруживают путем контроля уровня напряжения на этом агрегате.
Недостатком известных способов обнаружения является, однако, то обстоятельство, что они не могут обеспечить надлежащее функционирование управляющего устройства, осуществляющего управление процессом зарядки и наблюдение за этим процессом.
Исходя из вышеизложенного задача, положенная в основу настоящего изобретения, усматривается в том, что разработать способ и зарядную станцию для электрической зарядки накопителя электрической энергии, в которых были бы устранены недостатки известных решений и обеспечивалось бы надежное электрическое соединение накопителя электрической энергии с зарядной станцией с целью гарантированной зарядки этого накопителя.
Другая задача, положенная в основу настоящего изобретения, состоит в том, чтобы создать накопитель электрической энергии с возможностью надежного подключения (стыковки) к зарядной станции с целью гарантированной зарядки.
Еще одна задача, положенная в основу настоящего изобретения, включает создание передвижного устройства с накопителем электрической энергии, в котором обеспечивалась бы надежность электрического соединения с зарядной станцией с целью гарантированной зарядки накопителя электрической энергии.
Эти задачи решаются в соответствии с содержанием независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Объектом изобретения является способ электрической зарядки накопителя электрической энергии посредством зарядной станции. В случае накопителя электрической энергии речь в предпочтительном варианте может идти об аккумуляторной батарее, которая может именоваться аккумулятором. В частности, под накопителем электрической энергии может подразумеваться литий-ионный аккумулятор. Накопитель электрической энергии имеет стыковочное приспособление, предназначенное для подключения к зарядно-стыковочному приспособлению зарядной станции. При этом стыковочное приспособление накопителя электрической энергии содержит два зарядных контакта. В частности, один зарядный контакт соединен с контуром передачи, а другой зарядный контакт - с контуром приема. Зарядно-стыковочное приспособление зарядной станции также содержит два зарядных контакта, причем в предпочтительном варианте может быть предусмотрено, что один зарядный контакт соединен с контуром передачи, а другой зарядный контакт - с контуром приема. В общем случае контур передачи можно также называть ТХ-контуром, а контур приема - RX-контуром. Поэтому соответствующие зарядные контакты в общем случае можно называть зарядным ТХ- и RX-контактом.
На первом этапе осуществляется регистрация электрического подключения накопителя электрической энергии к зарядной станции. Согласно изобретению, зарядная станция подводит зарядную электрическую энергию к подключенному к ней накопителю энергии только после того, как будет зарегистрирован, или обнаружен, обмен коммуникационными сигналами между зарядными контактами этих устройств. В соответствии с изобретением напряжение на зарядных контактах зарядной станции повышается до зарядного лишь по завершении обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным к ней накопителем энергии.
Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат заключается в повышении безопасности эксплуатации накопителя энергии и зарядной станции
Поскольку завершение обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и накопителем энергии возможно лишь после надежного подключения (стыковки) накопителя энергии к зарядной станции, этим обеспечивается то, что образованное в результате подключения надежное электрическое соединение накопителя энергии с зарядной станцией является достаточным для создания возможности гарантированной зарядки накопителя энергии. Поэтому на стыковочное приспособление накопителя электрической энергии может подаваться зарядное напряжение.
Если между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии отсутствует обмен коммуникационными сигналами, то это, как правило, свидетельствует о ненадлежащем функционировании накопителя электрической энергии. Подача зарядного напряжения в этом случае привела бы к зарядке накопителя энергии в нештатном режиме. Поскольку, однако, в соответствии с настоящим изобретением подача зарядной энергии в накопитель происходит лишь в случае регистрации обмена коммуникационными сигналами, что свидетельствует о надлежащем функционировании всей системы, то это позволяет благоприятным образом избежать нештатного протекания процесса зарядки и сопутствующего ему производственного или пожарного риска. В отсутствие подключенного к зарядной станции накопителя электрической энергии или передвижного устройства на зарядные контакты либо вообще не подается напряжение, либо подается низкое напряжение, не представляющее опасности.
Кроме того, объектом изобретения является зарядная станция для электрической зарядки накопителя электрической энергии. Зарядная станция содержит зарядно-стыковочное приспособление для подключения накопителя электрической энергии, содержащее два зарядных контакта. Кроме того, предусмотрен детектор для обнаружения подключенного накопителя электрической энергии. Зарядная станция также содержит управляющее устройство, выполненное с возможностью повышения напряжения на зарядных контактах зарядно-стыковочного приспособления в случае обнаружения подключенного накопителя энергии лишь по завершении обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным к ней накопителем энергии. Управляющее устройство в предпочтительном варианте выполнено в виде контроллера, в еще более предпочтительном варианте - микроконтроллера. Например, зарядная станция может содержать источник электрической энергии, электрически связанный посредством управляющего устройства с зарядно-стыковочным приспособлением для подачи зарядной электрической энергии в подключенный накопитель энергии. Согласно настоящему изобретению детектор содержит магнитный датчик и/или коммуникационный интерфейс для обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии. В качестве интерфейса может, в частности, использоваться интерфейс EIA-232. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается протоколом передачи RS232. В общем случае может быть предусмотрен любой протокол передачи, в частности двусторонний протокол передачи. В частности, в случае, когда зарядно-стыковочное приспособление имеет два зарядных контакта, обмен коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем электрической энергии может осуществляться через эти контакты. Коммуникация между зарядной станцией и подключенным к ней накопителем электрической энергии может осуществляться посредством модуляции зарядного напряжения, в частности напряжения, приложенного к зарядным контактам. Такая модуляция может также именоваться коммуникацией по линиям передачи энергии. Этот вариант осуществления обладает, в частности, тем преимуществом, что коммуникация может осуществляться через уже имеющиеся зарядные контакты, благодаря чему нет необходимости создавать дополнительные коммуникационные интерфейсы. Это, в частности, обеспечивает возможность снижения затрат, а также получения особо компактной конструкции.
Кроме того, изобретение может быть реализовано в накопителе электрической энергии, содержащем стыковочное приспособление для подключения к зарядно-стыковочному приспособлению зарядной станции.
Например, стыковочное приспособление накопителя энергии может включать один или несколько зарядных контактов, в частности два зарядных контакта. В предпочтительном варианте один зарядный контакт соединен с RX-контуром, а другой - с ТХ-контуром. Поэтому соответствующие зарядные контакты можно также называть зарядным RX- и ТХ-контактом. Накопитель электрической энергии содержит, далее, магнит и/или коммуникационный интерфейс для обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем. В предпочтительном варианте накопитель электрической энергии содержит устройство контроля зарядки с возможностью, в частности, наблюдения за процессом зарядки и/или управления этим процессом. В частности, устройство контроля зарядки может быть выполнено в виде контроллера, в частности микроконтроллера. В предпочтительном варианте коммуникационный интерфейс и стыковочное приспособление накопителя энергии могут быть выполнены как единое целое. Это означает, что через стыковочное приспособление накопителя энергии может осуществляться обмен коммуникационными сигналами с зарядной станцией. В предпочтительном варианте обмен коммуникационными сигналами осуществляется через зарядный(-е) контакт(-ы) стыковочного приспособления накопителя энергии. В этом варианте осуществления также возможно получение особо компактной конструкции, поскольку отсутствует необходимость в дополнительных коммуникационных интерфейсах. В частности, если накопитель электрической энергии содержит магнит, то зарядная станция может обнаружить подключение к ней накопителя электрической энергии посредством детектора, содержащего, например, магнитный датчик. Можно сказать, что магнит, окруженный соответствующим магнитным полем, посылает в зарядную станцию магнитные коммуникационные сигналы.
Кроме того, изобретение может быть реализовано в передвижном (мобильном) устройство, содержащем накопитель электрической энергии. Передвижное устройство также содержит стыковочное приспособление для подключения накопителя электрической энергии к зарядной станции. Наряду с этим передвижное устройство содержит управляющее устройство, выполненное с возможностью передачи и приема коммуникационных сигналов через стыковочное приспособление. В предпочтительном варианте стыковочное приспособление содержит один или несколько зарядных контактов, в частности два зарядных контакта, через которые может осуществляться снабжение накопителя зарядной электрической энергией. В предпочтительном варианте один зарядный контакт соединен с RX-контуром, а другой - с ТХ-контуром. Поэтому соответствующие зарядные контакты можно также называть зарядным RX- и ТХ-контактом. В частности, под стыковочным приспособлением понимается стыковочное приспособление описанного выше накопителя электрической энергии. Согласно одному варианту осуществления, предусматривается, что передвижное устройство содержит магнит, благодаря чему зарядная станция, содержащая магнитный датчик, может надежно обнаруживать стыковку с ней передвижного устройства. Согласно другому варианту осуществления, передвижное устройство может представлять собой полуавтономное или автономное передвижное устройство. Передвижное устройство может также именоваться рабочим агрегатом, в частности самоходным рабочим агрегатом. В предпочтительном варианте передвижное устройство представляет собой газонокосилку, в частности автономную газонокосилку (робот-газонокосилку), или садовый культиватор, в частности автономный садовый культиватор (робот-культиватор). Согласно еще одному варианту осуществления, передвижное устройство может представлять собой автопогрузчик с вильчатым захватом или транспортное средство, приводимое в действие электричеством и служащее для перевозки людей и/или грузов. В предпочтительном варианте передвижное устройство представляет собой рабочий агрегат.
Если в приведенном ниже описании упоминается коммуникация между зарядной станцией и накопителем электрической энергии, то под этим следует также понимать одновременную соответствующую коммуникацию между зарядной станцией и передвижным устройством, и наоборот.
Согласно одному варианту осуществления, коммуникация, или взаимодействие, зарядной станции и передвижного устройства или накопителя электрической энергии реализуется по полудуплексной и/или дуплексной схеме. В предпочтительном варианте обмен коммуникационными сигналами осуществляется через один или несколько зарядных контактов, в частности через два зарядных контакта, в предпочтительном варианте посредством модуляции напряжения, приложенного к зарядным контактам. Зарядные контакты могут также именоваться контактными штырьками. В предпочтительном варианте для обмена коммуникационными сигналами используется интерфейс EIA-232. Электронная схема для такого интерфейса обычно уже имеется на многих зарядных станциях или передвижных устройствах, так что можно создать простой интерфейс передачи данных без изменения конструкции устройства. Коммуникация, реализуемая по дуплексной схеме, может также именоваться двусторонней коммуникацией.
Согласно одному варианту осуществления изобретения коммуникационные сигналы, которыми обмениваются зарядная станция и накопитель, включают в себя идентификационный сигнал для идентификации зарядной станции и/или накопителя энергии. Может быть также предусмотрено, например, несколько идентификационных сигналов. Этот вариант осуществления обладает, в частности, тем преимуществом, что с помощью данной зарядной станции можно зарядить только определенные накопители энергии или передвижные устройства. Зарядная станция не отреагирует на недопустимые накопители энергии или передвижные устройства. Этим путем может быть решена и обратная задача, то есть данный накопитель энергии и данное передвижное устройство могут быть заряжены только от определенной зарядной станции. Тем самым можно благоприятным образом обеспечить защиту передвижного устройства и накопителя энергии от кражи, поскольку эти устройства можно зарядить только от определенной зарядной станции, в отсутствие которой они являются бесполезными.
Согласно одному варианту осуществления изобретения при обнаружении отсутствия обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии зарядная станция подводит к этому накопителю электрическую энергию аварийной зарядки. Отсутствие обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии является признаком того, что накопитель электрической энергии отключен, в частности, для защиты от глубокой разрядки. Передвижное устройство с таким накопителем электрической энергии не функционирует. Такое передвижное устройство может также именоваться обесточенным. Поскольку, однако, зарядная электрическая энергия подводится, согласно настоящему изобретению, к накопителю энергии только при наличии обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии, то в случае обесточенного передвижного устройства или отключенного накопителя такой подвод зарядной электрической энергии не мог бы иметь места. Так как, однако, в данном примере осуществления изобретения обнаруживается отсутствие обмена коммуникационными сигналами, после чего происходит подвод электрической энергии аварийной зарядки к подключенному накопителю, то в результате накопитель все же снабжается, в определенной мере, электрической энергией, благодаря чему появляется возможность обмена коммуникационными сигналами между накопителем электрической энергии/передвижным устройством и зарядной станцией, в частности при достаточно продолжительной аварийной зарядке. Затем этот обмен опять обнаруживается, вследствие чего зарядная станция подает на свое зарядно-стыковочное приспособление полное зарядное напряжение, обеспечивающее зарядку накопителя электрической энергии. Благодаря переданной энергии аварийной зарядки устройство контроля зарядки, которое может использоваться в ряде вариантов осуществления, тоже обладает достаточной энергией, чтобы выполнять наблюдение и/или управление применительно к процессу зарядки, обеспечивая его надлежащее протекание. Энергия аварийной зарядки, подводимая к аккумулятору, как описано выше, ограничивается, в частности, величиной напряжения и/или силы тока таким образом, чтобы она ни в коем случае не представляла опасности для живых существ и/или заряжаемого аккумулятора.
Согласно одному варианту осуществления изобретения регистрация подключения накопителя электрической энергии включает в себя подачу на него электрической величины, например тока и/или напряжения. В предпочтительном варианте заряжают конденсатор в схеме зарядки или контроля накопителя электрической энергии и измеряют изменение напряжения конденсатора во времени. Можно, например, также предусмотреть зарядку конденсатора в передвижном устройстве. В частности, зарядная станция может посылать на зарядные контакты токовые импульсы малой и, следовательно, безопасной величины. Эти токовые импульсы заряжают в подключенном накопителе электрической энергии/передвижном устройстве конденсатор в определенной схеме передвижного устройства. В промежутках между поступлением токовых импульсов осуществляется измерение напряжения на зарядных контактах. В отсутствие подключенного к зарядной станции накопителя электрической энергии/передвижного устройства отсутствует и регистрируемое напряжение на зарядных контактах. Если, однако, имеет место подключение к зарядной станции накопителя электрической энергии/передвижного устройства, то появляется возможность измерения величины напряжения, уменьшающейся со временем и являющейся характеристической для кривой разрядки конденсатора с определенными параметрами, в частности емкостью. Наличие конденсатора в накопителе электрической энергии/передвижном устройстве может быть обнаружено и в случае обесточенного передвижного устройства или отключенного накопителя энергии, так что измерение напряжения конденсатора позволяет также надежно обнаружить подключение.
Согласно другому варианту осуществления изобретения при подключении происходит электрическое замыкание электрического колебательного контура, питаемого электрической энергией посредством зарядной станции. Такой электрический колебательный контур может, в частности, также именоваться осциллятором. В результате подключения накопителя электрической энергии/рабочего устройства к зарядной станции происходит закольцовывание, или замыкание, колебательного контура, который начинает генерировать электрические колебания, что может также именоваться запуском осциллятора. До подключения накопителя электрической энергии/передвижного устройства к зарядной станции колебательный контур является разомкнутым и, следовательно, не закольцованным, в связи с чем не может функционировать. В накопителе электрической энергии/передвижном устройстве можно расположить один или несколько пассивных конструктивных элементов, например конденсатор и/или катушку, которые при подключении закольцовывают колебательный контур. Поскольку колебательный контур получает электрическую энергию от зарядной станции, то этот контур, будучи закольцованным, может функционировать и в случае обесточенного передвижного устройства или отключенного накопителя электрической энергии, благодаря чему и в этом случае обеспечивается надежное обнаружение подключения.
Краткое описание чертежей
Изобретение подробней описано ниже посредством предпочтительных примеров осуществления и со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - зарядная станция,
на фиг.2 - накопитель электрической энергии,
на фиг.3 - передвижное устройство,
на фиг.4 - блок-схема последовательности операций по реализации способа электрической зарядки накопителя электрической энергии,
на фиг.5 - зарядная станция и передвижное устройство,
на фиг.6А-6В - пример осуществления процесса стыковки,
на фиг.7 - временная диаграмма процесса коммуникации,
на фиг.8 - другая временная диаграмма процесса коммуникации.
Для одинаковых элементов ниже использованы одинаковые ссылочные обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана зарядная станция 101 для электрической зарядки накопителя электрической энергии (не показан). Зарядная станция 101 может также именоваться базовой станцией. Зарядная станция 101 содержит зарядно-стыковочное приспособление 103, выполненное с возможностью такой установки в нем накопителя электрической энергии, при которой обеспечивается подключение последнего к зарядной станции. Зарядно-стыковочное приспособление 103 имеет два зарядных контакта 105, на которые может подаваться зарядное напряжение. Зарядная станция 101 содержит, кроме того, детектор 107 для обнаружения подключенного накопителя электрической энергии. Детектор 107 содержит магнитный датчик 109 и коммуникационный интерфейс 111 для обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем электрической энергии. Кроме того, предусмотрено управляющее устройство 113, выполненное с возможностью подачи на зарядно-стыковочное приспособление 103 электрической энергии в случае обнаружения подключенного накопителя энергии. Это, в частности, означает, что в случае подключения накопителя электрической энергии к зарядно-стыковочному приспособлению 103 и обнаружения этого подключения посредством детектора 107 управляющее устройство 113 подает зарядное напряжение на оба зарядных контакта 105, благодаря чему может осуществляться электрическая зарядка накопителя энергии. Если к зарядной станции 101 не подключен накопитель электрической энергии, то зарядное напряжение на зарядные контакты 105 не подается. В другом (не показанном) варианте осуществления детектор может содержать только один магнитный датчик 109 или только один коммуникационный интерфейс 111. Под коммуникационным интерфейсом 111 в предпочтительном варианте понимается интерфейс EIA-232. В частности, коммуникационный интерфейс 111 может быть выполнен как одно целое с обоими зарядными контактами 105. Это, в частности, означает, что коммуникация между накопителем электрической энергии и зарядной станцией 101 осуществляется через оба зарядных контакта 105, например посредством модуляции напряжения. Этот тип коммуникации может также именоваться коммуникацией по линиям передачи энергии. В предпочтительном варианте коммуникация зарядной станции 101 и накопителя электрической энергии реализуется по полудуплексной схеме через два зарядных контакта 105. Можно также предусмотреть двустороннюю коммуникацию, или коммуникацию по дуплексной схеме. Поскольку в соответствии с изобретением подача полного зарядного напряжения осуществляется лишь при наличии надежного соединения зарядной станции 101 и накопителя электрической энергии друг с другом, то в данном случае благоприятным образом снижается опасность поражения высоким зарядным напряжением/током, В отсутствие подключения накопителя электрической энергии к зарядной станции 101 напряжение на зарядных контактах 105 либо отсутствует, либо имеет незначительную величину и не представляет опасности.
На фиг.2 показан накопитель 201 электрической энергии, который может быть выполнен, например, в виде литий-ионного аккумулятора. Накопитель 201 электрической энергии содержит стыковочное приспособление 203 с двумя зарядными контактами 205. В частности, два зарядных контакта 205 могут быть выполнены с возможностью сопряжения с зарядными контактами 105 зарядно-стыковочного приспособления 103 зарядной станции 101, показанной на фиг.1. Кроме того, накопитель 201 электрической энергии содержит магнит 207. Если, например, накопитель 201 электрической энергии подключен к зарядной станции 101, показанной на фиг.1, то магнитный датчик 109 обнаруживает магнит 207 накопителя 201, благодаря чему обеспечивается возможность обнаружения надежного соединения накопителя 201 и зарядной станции 101. Поскольку магнит 207 окружен магнитным полем (не показано), то накопитель 201 электрической энергии посылает магнитные сигналы в зарядную станцию 101. Эти магнитные сигналы могут также именоваться коммуникационными сигналами, в частности магнитными коммуникационными сигналами. При регистрации магнитным датчиком 109 этих магнитных коммуникационных сигналов, испускаемых магнитом 207, осуществляется подвод зарядной электрической энергии к накопителю 201. Накопитель 201 электрической энергии содержит, далее, устройство 209 контроля зарядки, выполненное, в частности, с возможностью управления процессом зарядки накопителя 201 и/или наблюдения за этим процессом.
На фиг.3 показано передвижное устройство 301, содержащее накопитель 303 электрической энергии. Накопитель 303 электрической энергии может быть выполнен, например, в виде литий-ионного аккумулятора. Передвижное устройство 301 содержит, кроме того, стыковочное приспособление с двумя зарядными контактами 307. Зарядные контакты 307 выполнены, в частности, таким образом, чтобы обеспечивать стыковку с зарядной станцией 101 через зарядные контакты 105 зарядно-стыковочного приспособления 103 этой станции, благодаря чему зарядная станция 101 может осуществлять через зарядные контакты 307 подвод зарядной электрической энергии, например зарядного электрического напряжения, к накопителю 303 электрической энергии, вследствие чего происходит зарядка последнего. Кроме того, для наблюдения за процессом зарядки накопителя 303 электрической энергии предусмотрено управляющее устройство 309. Управляющее устройство 309 выполнено, далее, с возможностью передачи и приема коммуникационных сигналов через стыковочное приспособление 305. В частности, управляющее устройство 309 может осуществлять передачу и прием коммуникационных сигналов через оба зарядных контакта 307 стыковочного приспособления 305. Кроме того, передвижное устройство 301 содержит магнит 311, так что зарядная станция 101, показанная на фиг.1, может обнаружить этот магнит 311 с помощью магнитного датчика 109, благодаря чему обеспечивается возможность обнаружения надежной стыковки передвижного устройства 301 и зарядной станции 101. Передвижное устройство 301 может быть выполнено, например, в виде газонокосилки. В других (не показанных) примерах осуществления передвижное устройство 301 может быть также выполнено в виде автономного садового культиватора, другого автономного агрегата, автопогрузчика с вильчатым захватом или транспортного средства, приводимого в действие электричеством и служащего для перевозки людей и/или грузов. В общем случае передвижное устройство 301 может также именоваться рабочим агрегатом, в частности полуавтономным или автономным рабочим агрегатом. В другом (не показанном) примере осуществления накопитель 303 электрической энергии передвижного устройства 301 может также представлять собой накопитель 201, показанный на фиг.2. В этом случае можно отказаться, например, от стыковочного приспособления 305 и/или магнита 311 и/или, в частности, от управляющего устройства 309, если предусмотрено такое исполнение устройства 209 контроля зарядки, которое обеспечивает передачу и прием коммуникационных сигналов через оба зарядных контакта 205 стыковочного приспособления 203 накопителя энергии.
На фиг.4 представлена блок-схема последовательности операций по реализации предпочтительного варианта осуществления способа электрической зарядки накопителя электрической энергии посредством зарядной станции. На первом этапе 401 осуществляется электрическое подключение накопителя электрической энергии к зарядной станции. На этапе 403 происходит обмен коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии. После обнаружения этого обмена (этап 405) к накопителю подводится, посредством зарядной станции, зарядная электрическая энергия (этап 407). Тем самым здесь благоприятным образом обеспечивается подача зарядной станцией зарядного напряжения на ее зарядные контакты только в случае надежной стыковки накопителя электрической энергии и зарядной станции. В другом предпочтительном и не показанном варианте осуществления может быть также предусмотрено подключение к зарядной станции передвижного устройства, содержащего накопитель электрической энергии. В этом случае также реализуются этапы 401-407, описанные выше.
На фиг.5 показана зарядная станция 501 с зарядно-стыковочным приспособлением 503. Зарядно-стыковочное приспособление содержит два зарядных контакта 505, которые ниже могут также именоваться первыми контактами. Зарядные контакты 505 соединены соответственно с контуром передачи (TX) и контуром приема (RX). Эти контуры не показаны на чертеже по соображениям его упрощения. Кроме того, оба первых зарядных контакта 505 соединены с источником электропитания (не показан) с возможностью переключения. Оба первых зарядных контакта 505 выполнены с возможностью стыковки с зарядными контактами 507 передвижного устройства 509, которые ниже могут также именоваться вторыми зарядными контактами. Это означает, что передвижное устройство 509 может быть пристыковано посредством вторых зарядных контактов 507 к первым зарядным контактам 505 зарядной станции 501. Передвижное устройство 509 содержит накопитель электрической энергии (не показан), который может, в частности, снабжать электрической энергией приводные двигатели (не показаны) передвижного устройства 509. Кроме того, зарядная станция 501 содержит магнитный датчик 511, который может обнаружить магнит 513 передвижного устройства 509 при подключении последнего к зарядной станции 501.
Кроме того, предусмотрен ограничивающий провод 515, который определяет границу рабочей поверхности 517 и на который подается токовый сигнал I. Этот ток может быть обнаружен (например, индуктивным образом) передвижным устройством 509, вследствие чего последнее не переезжает через ограничивающий провод 515 и работает поэтому на рабочей поверхности 517. На рабочей поверхности 517 передвижное устройство 509 работает, в частности, в автономном или полуавтономном режиме. Например, если в случае передвижного устройства 509 речь идет об автономной газонокосилке (роботе-газонокосилке), то рабочая поверхность 517 представляет собой поверхность газона, на которой косят траву с помощью этого передвижного устройства 509. Если, например, в случае передвижного устройства 509 речь идет об автономном или полуавтономном пылесосе (роботе-пылесосе), то рабочая поверхность 517 может представлять собой пол и/или ковер, очищаемый с помощью этого пылесоса.
В представленном примере осуществления магнитный датчик 511 выполнен в виде магнитного выключателя, который замыкается при обнаружении магнита 513, то есть при подключении передвижного устройства 509 к зарядной станции, в результате чего на оба зарядных контакта 505 подается зарядное напряжение. В отсутствие передвижного устройства 509, подключенного к зарядной станции 501, магнитный выключатель 511 разомкнут и зарядное напряжение на первые контакты 505 не подается. Как у зарядной станции 501, так и у передвижного устройства 509 имеется управляющее устройство (не показано), выполненное с возможностью передачи и приема коммуникационных сигналов через соответствующие зарядные контакты 505 и 507, благодаря чему обеспечивается обмен коммуникационными сигналами между зарядной станцией 501 и передвижным устройством 509. Например, может осуществляться модуляция напряжения, приложенного к зарядным контактам 505 и 507. В частности, коммуникация может выполняться по полудуплексной или дуплексной схеме. Коммуникация по дуплексной схеме может также именоваться двусторонней коммуникацией между зарядной станцией 501 и передвижным устройством 509. Представленный в данном примере магнитный выключатель 511 может, вообще говоря, использоваться и в других примерах осуществления, поэтому его применение не ограничивается примером, показанным на фиг.5.
На фиг.6А-6В представлен пример осуществления процесса стыковки передвижного устройства 509 с зарядной станцией 501. Передвижное устройство 509 обрабатывает рабочую поверхность 517 (фиг.6А) и находится в автономном или полуавтономном рабочем режиме. Если, например, передвижное устройство 509 обнаруживает, что заряд накопителя электрической энергии достиг определенной энергетической пороговой величины, соответствующей остановке, или опустился ниже последней, то передвижное устройство 509 прекращает выполнение задания и движется в направлении зарядной станции. Например, может быть предусмотрена посылка зарядной станцией 501 сигнала на возвращение передвижному устройству 509, после чего последнее также прекращает работу и движется в направлении зарядной станции 501. При этом может быть предусмотрено, что передвижное устройство 509 использует ограничивающий провод 515 в качестве указателя направления для движения к зарядной станции 501, то есть передвижное устройство 509 может ориентироваться по ограничивающему проводу 515, как показано на фиг.6Б. На фиг.6В показано передвижное устройство 509, подключенное к зарядной станции 501. Магнитный датчик 511 обнаружил присутствие магнита 513 и замкнул свой магнитный выключатель 511. Вследствие этого на первые зарядные контакты 505 подается зарядное напряжение для зарядки накопителя электрической энергии передвижного устройства 509. Пока передвижное устройство 509 не находится в состоянии стыковки с зарядной станцией 501, на первые зарядные контакты 505 последней зарядное напряжение не подается. В этом случае магнитный датчик 511 не обнаруживает присутствие магнита 513, вследствие чего соответствующий зарядный контур не замыкается. Может быть, например, также предусмотрено, что магнит 513 вызывает срабатывание магнитного датчика 511, в результате чего осуществляется подача энергии аварийной зарядки, имеющей более низкую и безопасную величину. Подача зарядной энергии нормальной (высокой) величины в предпочтительном варианте происходит лишь после осуществления успешной коммуникации между передвижным устройством 509 и зарядной станцией 501.
На фиг.7 показана временная диаграмма процесса коммуникации, представленного в качестве примера. По оси X откладывается время. Кроме того, на диаграмму наносятся сигналы, передаваемые или принимаемые зарядной станцией 501 через оба ее зарядных контакта 505. BS обозначает базовую станцию 501. TX обозначает первый зарядный контакт 505, соединенный с контуром передачи. RX обозначает первый зарядный контакт 505, соединенный с контуром приема. AG обозначает соответственно передвижное устройство 509. Обозначение TX аналогичным образом относится ко второму зарядному контакту 507, соединенному с контуром передачи. RX обозначает второй зарядный контакт 507, соединенный с контуром приема. Ссылочное обозначение 701 относится к блокам данных, передаваемым или принимаемым через соответствующие зарядные контакты 505 и 507. Например, блок 701 данных может представлять собой один бит. Длина одного блока 701 данных в предпочтительном варианте может составлять одну миллисекунду. Временной промежуток между двумя блоками 701 данных может составлять, например, три миллисекунды. В предпочтительном варианте осуществляется передача и/или прием байтов 0×AA и/или 0×55.
До момента времени t0 стыковка рабочего агрегата, или передвижного устройства 509, и базовой станции BS, или зарядной станции 501, еще не произошла. В этом режиме неподключения базовая станция посылает, например, каждые три миллисекунды один байт, в частности попеременно 0×AA и 0×55, через TX-контур, или зарядный TX-контакт, и одновременно принимает переданный байт через RX-контур, или зарядный RX-контакт. Этим, в частности, обеспечивается возможность обнаружения базисной станцией отсутствия подключенного рабочего агрегата, так что на первые зарядные контакты 505 также не подается зарядное напряжение. Кроме того, в предпочтительном варианте таким образом осуществляется самопроверка базовой станции. Возможны передача и повторный прием сигнала. Если, например, обнаружено короткое замыкание зарядных контактов 505, то, в частности, прием переданных байтов, или блоков 701 данных, становится невозможным. В частности, можно предусмотреть скорость передачи данных, равную 9600 бод, что соответствует передаче одного байта длиной 1,05 мс, так что между обоими байтами возникает пауза продолжительностью около 1,95 мс. В течение этого времени базовая станция является готовой к приему через зарядный RX-контакт 505.
Таким же образом рабочий агрегат может периодически посылать в режиме неподключения сигнал на зарядные контакты через зарядный TX-контакт 507. Путем одновременного приема байта, переданного через зарядный RX-контакт 507, также обеспечивается возможность самопроверки рабочего агрегата, описанная применительно к базовой станции, при коротком замыкании зарядных контактов. Эти процессы передачи и приема блоков 701 данных в режиме неподключения рабочего агрегата не показаны на фиг.7 по соображениям упрощения чертежа и предусмотрены, в частности, как дополнительные варианты осуществления. Затем в момент времени t0 происходит подключение рабочего агрегата к базовой станции. При соприкосновении вторых зарядных контактов 507 рабочего агрегата с первыми зарядными контактами 505 базовой станции рабочий агрегат обнаруживает через свои зарядные контакты 507 передачу зарядной станцией контрольного байта, в данном случае байта 0×AA или 0×55. После этого рабочий агрегат сразу же останавливает свои приводные двигатели и отвечает, в свою очередь, байтом подтверждения, например байтом 0×42. Байт подтверждения, или ответный байт, может попадать в "окно" - паузу между передачей байтов, имеющую продолжительность 1,95 мс, - и поэтому надежно обнаруживается. Тем самым рабочий агрегат подтверждает базовой станции свою успешную стыковку.
Если после передачи пакета данных, начатой базовой станцией, рабочий агрегат пристыковывается к последней, то возникает максимальная задержка, составляющая 4 мс (момент времени t1), что выражается в задержке соответствующего обнаружения и, как следствие, задержке остановки приводных двигателей. Задержка в 4 мс, приведенная здесь лишь в качестве примера, складывается из паузы в 1,95 мс, времени завершенного приема первого полного пакета данных (0×55) и максимального времени, соответствующего первому пакету данных, не разрешенному к передаче (более 1 мс). Поскольку скорость движения в режиме стыковки обычно очень мала, то такая короткая задержка не является критичной - за такой промежуток времени рабочий агрегат сможет переместиться лишь на несколько миллиметров. Например, здесь можно предусмотреть соответствующее удлинение пути стыковки. Можно также, в частности, снабдить первые и вторые зарядные контакты 505 и 507 пружинными элементами для амортизации рабочего агрегата.
После остановки двигателей и ответа рабочего агрегата на запрос может осуществляться дальнейшая коммуникация (после момента времени t2). Например, может осуществляться проверка идентичности путем, в частности, обмена пин-кодами. По завершении коммуникации или по истечении некоторого времени ожидания базовая станция повышает напряжение на первых зарядных контактах 505 до зарядной величины, обеспечивая зарядку накопителя электрической энергии рабочего агрегата.
На фиг.8 показан другой вариант идентификации при подключении. В этом случае как базовая станция, так и рабочий агрегат посылает постоянно изменяющийся контрольный сигнал. Например, возможна передача следующих байтов: 0×55 и 0×AA из базовой станции и 0×CC и 0×33 из рабочего агрегата. Тем самым, в частности, благоприятным образом устанавливается необходимость изменения каждым битом своего статуса при каждом чередовании, так что, в частности, достигается подтверждение достоверности данных. Можно также предусмотреть другие комбинации битов. В отсутствие контакта между рабочим агрегатом и базовой станцией прием переданных сигналов RX-контуром происходит каждый раз идентичным образом. Это служит, в частности, для самопроверки рабочего агрегата или базовой станции. Если, например, имеет место короткое замыкание зарядных контактов 505 или 507, то приема сигналов больше не происходит. В частности, случай отказа TX- или RX-контура может характеризоваться отсутствием сигналов вообще либо передачей или приемом постоянного и не меняющегося сигнала.
При подключении соответствующие RX-контуры базовой станции и рабочего агрегата принимают не сигнал, переданный через их собственные зарядные TX-контакты, а только неопределенный сигнал, возникающий вследствие конфликта при передаче данных. Конфликт при передаче данных изображен на чертеже посредством двойной стрелки в форме молнии, обозначенной через 801. Неопределенные сигналы, или конфликты при передаче данных, интерпретируются как успешная стыковка, так что рабочий агрегат сразу же останавливает приводные двигатели. Посредством следующей вслед за этим коммуникации может быть, например, подтверждено - на основе обмена идентификационными сигналами, - присутствие надлежащего компонента системы. В представленных выше примерах осуществления надежное электрическое соединение описано применительно к рабочему агрегату, находящемуся в нормальном рабочем режиме, что означает, в частности, функционирование всех устройств рабочего агрегата. В частности, аккумулятор рабочего агрегата не должен быть отключен вследствие защиты от глубокой разрядки, поскольку в противном случае эти устройства не могли бы функционировать. Находящееся в таком состоянии устройство может также именоваться обесточенным. В подобном случае рабочий агрегат также может именоваться обесточенным. Такая ситуация может, например, возникнуть, если рабочий агрегат не эксплуатировался зимой или в течение длительного времени и не был предварительно заряжен. Для защиты чувствительного аккумулятора, например литий-ионного, от повреждения в результате глубокой разрядки электронное защитное устройство может отключить аккумулятор, чтобы предотвратить дальнейшую разрядку посредством малых токов. Поскольку в подобных случаях компоненты рабочего агрегата уже не обеспечивают возможности обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным рабочим агрегатом, то в соответствии с настоящим изобретением к накопителю электрической энергии рабочего агрегата, или передвижного устройства, подводится электрическая энергия аварийной зарядки при обнаружении отсутствия обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией и подключенным накопителем энергии. Например, в этом случае стыковку обесточенного рабочего агрегата может осуществить пользователь, самостоятельно вдвинув вручную разряженный накопитель энергии или рабочий агрегат в базовую станцию. Электрические устройства снова включаются, в частности, лишь после зарядки аккумулятора до минимально требуемого уровня. Энергия аварийной зарядки, подводимая при этом к аккумулятору, ограничивается величиной напряжения и/или силы тока таким образом, чтобы она ни в коем случае не представляла опасности для живых существ и/или заряжаемого аккумулятора.
В известных рабочих агрегатах описанная выше проблема решается таким образом, что рабочий агрегат должен заряжаться от внешнего зарядного устройства, вставляемого непосредственно в этот агрегат. Само собой разумеется, что это внешнее зарядное устройство должно поставляться с рабочим агрегатом, что повышает продажную стоимость, либо отдельно приобретаться пользователем, что требует дополнительных затрат времени и средств.
Поскольку, однако, в соответствии с настоящим изобретением зарядная станция может быть выполнена, например, с возможностью подвода энергии аварийной зарядки к накопителю электрической энергии или рабочему агрегату, то в этом случае можно отказаться от упомянутого дополнительного зарядного устройства, благодаря чему можно благоприятным образом сэкономить средства. В частности, в этом случае зарядная станция обеспечивает минимальную зарядку разряженного накопителя энергии.
Как указывалось выше, в этом состоянии невозможно восстановление коммуникации между базовой станцией и рабочим агрегатом, что, в частности, необходимо при использовании описанной выше системы для увеличения до высокого зарядного значения безопасного низкого напряжения, приложенного к зарядным контактам 505 базовой станции. Поэтому происходит переключение в режим аварийной зарядки, позволяющий зарядить накопитель электрической энергии до определенного минимального уровня.
Если управление процессом зарядки накопителя электрической энергии и наблюдение за этим процессом осуществляет управляющее устройство на рабочем агрегате, то может быть, в частности, предусмотрено, что зарядка до необходимого минимального уровня осуществляется при пониженной зарядной мощности, поскольку вследствие разрядки управляющее устройство рабочего агрегата может быть при определенных условиях не полностью работоспособным. Например, управление зарядкой может осуществляться с ограничением по времени, то есть процесс зарядки останавливается по истечении заданного времени. По достижении минимального уровня заряда или по истечении заданного времени аварийной зарядки опять происходит включение электрических компонентов рабочего агрегата, или передвижного устройства. После этого снова становится возможной коммуникация между рабочим агрегатом и базовой станцией, вслед за чем запускается нормальный процесс зарядки. Это означает, что на первые зарядные контакты 505 может быть подано полное зарядное напряжение. Можно, однако, также предусмотреть, что в результате стыковки передвижного устройства с зарядной станцией и подачи зарядного напряжения на вторые зарядные контакты 507 управляющее устройство рабочего агрегата сразу становится работоспособным, обеспечивая возможность осуществления коммуникации и начала нормального процесса зарядки.
В не показанных примерах осуществления изобретения может быть также предусмотрена подача зарядного напряжения на первые зарядные контакты 505 базовой станции в режиме аварийной зарядки, для чего требуется нажать на базовой станции определенные (не показанные) клавиши управления в определенное время или в определенной последовательности, благодаря чему благоприятным образом исключается возможность ошибочной или случайной подачи зарядного напряжения.
Кроме того, может быть также предусмотрено такое размещение магнита на рабочем агрегате и магнитного датчика на базовой станции, что при правильной стыковке рабочего агрегата и базовой станции, что может осуществляться автоматически в нормальном рабочем режиме или вручную пользователем, магнитный датчик, который в предпочтительном варианте может быть выполнен в виде магнитного выключателя, приводится в действие магнитом, что указывает базовой станции на наличие рабочего агрегата возле зарядных контактов. При соответствующем сигнале магнитного датчика базовая станция повышает напряжение на зарядных контактах 505 до зарядной величины. Используемый подобным образом магнитный датчик может благоприятным образом повысить надежность всей системы и в нормальном режиме работы. Магнитный датчик может представлять собой, например, датчик Холла, переключатель Холла или язычковый контакт.
Можно также предусмотреть размещение по одному магниту и одному магнитному датчику как на рабочем агрегате, так и на базовой станции. Магнит на рабочем агрегате и соответствующий датчик на базовой станции вызывают подачу высокого зарядного напряжения. Если магнитный датчик на рабочем агрегате обнаруживает магнит базовой станции, то может последовать немедленная остановка приводных двигателей рабочего агрегата. В частности, в данном случае можно в предпочтительном варианте отказаться от электронной коммуникации через зарядные контакты 505 и 507 с сохранением основных функций, а именно остановки двигателей и подачи зарядного напряжения. Таким образом, обмен коммуникационными сигналами происходит здесь между магнитами и магнитными датчиками. Следовательно, здесь имеет место обмен магнитными коммуникационными сигналами. В другом (не показанном) примере осуществления может быть предусмотрено, что рабочий агрегат содержит только магнитный датчик, а базовая станция - соответствующий магнит. Еще в одном (не показанном) примере осуществления может быть предусмотрено, что магнит выполнен в виде электромагнита и может, в частности, управляться таким образом, что между ним и магнитным датчиком может осуществляться передача данных.
Наконец, в настоящем изобретении предусмотрена, в частности, возможность однозначной и надежной идентификации зарядной станции и передвижного устройства/накопителя электрической энергии посредством двусторонней коммуникации, в частности через уже имеющиеся электрические контакты, в предпочтительном варианте через два зарядных контакта, до подачи зарядного напряжения на зарядные контакты.
1. Способ электрической зарядки накопителя (201, 303) электрической энергии посредством зарядной станции (101, 501), характеризующийся тем, что регистрируют электрическое подключение накопителя (201, 303) электрической энергии к зарядной станции (101, 501), причем зарядная станция (101, 501) имеет зарядно-стыковочное приспособление (503), содержащее два зарядных контакта (505), а накопитель (201, 303) электрической энергии имеет стыковочное приспособление (305) для подключения к зарядно-стыковочному приспособлению (503) зарядной станции (101, 501), содержащее два зарядных контакта (507), причем зарядная станция (101, 501) подводит зарядную электрическую энергию к подключенному к ней накопителю (201, 303) энергии, если между зарядными контактами (505) зарядной станции (101, 501) и зарядными контактами (507) подключенного накопителя (201, 303) энергии регистрируется обмен коммуникационными сигналами, причем напряжение на зарядных контактах (505) зарядной станции (101, 501) повышается до зарядного лишь по завершении обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией (101, 501) и подключенным к ней накопителем (201, 303) энергии.
2. Способ по п. 1, в котором коммуникационные сигналы, которыми обмениваются зарядная станция и накопитель, включают в себя идентификационный сигнал для идентификации зарядной станции (101, 501) и/или накопителя (201, 303) энергии.
3. Способ по п. 1, в котором подвод электрической энергии осуществляют лишь по истечении заданного времени после регистрации обмена коммуникационными сигналами.
4. Способ по п. 1, в котором при обнаружении отсутствия обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией (101, 501) и подключенным накопителем (201, 303) энергии зарядная станция (101, 501) подводит к подключенному накопителю (201, 303) электрическую энергию аварийной зарядки.
5. Способ по п. 1, в котором регистрация подключения накопителя (201, 303) энергии включает в себя подачу на него электрической величины.
6. Способ по п. 5, в котором заряжают конденсатор накопителя (201, 303) энергии и измеряют изменение напряжения конденсатора во времени.
7. Способ по п. 1, в котором при подключении происходит электрическое замыкание электрического колебательного контура, питаемого электрической энергией посредством зарядной станции (101, 501).
8. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором в режиме неподключения зарядная станция (101, 501) и/или накопитель (201, 303) электрической энергии посылают(-ет) внутренние диагностические сигналы для обнаружения электрического короткого замыкания.
9. Зарядная станция (101, 501) для электрической зарядки накопителя (201, 303) электрической энергии, содержащая:
- зарядно-стыковочное приспособление (103, 503) для подключения накопителя (201, 303) электрической энергии, содержащее два зарядных контакта (505),
- детектор (107) для обнаружения подключенного накопителя (201, 303) электрической энергии,
- управляющее устройство (113), выполненное с возможностью повышения напряжения на зарядных контактах (505) зарядно-стыковочного приспособления (103, 503) в случае обнаружения подключенного накопителя (201, 303) энергии лишь по завершении обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией (101, 501) и подключенным к ней накопителем (201, 303) энергии,
причем детектор (107) содержит магнитный датчик (109, 511) и/или коммуникационный интерфейс (111) для обмена коммуникационными сигналами между зарядной станцией (101, 501) и подключенным к ней накопителем (201, 303) электрической энергии.
