一種電動車輛在線快速充電系統的製作方法
2023-09-12 21:32:05
本實用新型屬於新能源電動車輛領域，尤其是快速充電控制領域，具體涉及一種電動車輛在線快速充電系統。
背景技術：
能源危機，以電動車為代表的新能源車輛得到了迅猛發展，但電池容量和充電便捷性始終是制約電動車輛發展的一個重大瓶頸。傳統的充電解決方案是當電池容量較低時，人工插拔充電槍至車輛的充電接口處，然後地面充電機或車載充電機開始對車輛充電，由於充電電壓都是高壓，人工插拔極易產生高壓觸電的安全事故，尤其是在雨雪等潮溼的天氣環境中直接插拔高壓充電槍對人身的安全威脅更大。
為了應對人工直接插拔高壓充電槍的安全威脅和電池容量有限、續航裡程較短的問題，一些新能源車輛，尤其是固定線路長期運營的電動公交車輛，通過車頂的充電弓和市電交流電網或一些特製的站臺式直流充電架接觸，在運行線路上對車輛進行在線的快速充電，也即所謂的在線公交。
但此種運行方式，一方面由於每臺車輛都需背負一組大的充電弓系統，成本高昂，同時也佔據了車輛寶貴的空間，另一方面在充電過程中缺乏安全可靠的定位控制方式，容易造成充電弓和電網或充電架接觸失敗從而無法進行充電甚至引發嚴重的安全事故。
技術實現要素：
本實用新型的目的為了克服上述現有技術存在的問題，提供一種電動車輛在線快速充電系統。本實用新型解決了電動車輛充電過程中的以下問題：一、完全自動化充電操作，無需人工操作高壓充電部件，保證人身的安全；二、在線充電新能源車輛無需安裝複雜的充電弓系統，只需要安裝兩條低成本的充電極板，從而可以極大的降低車輛的成本，節省車輛空間；三、對在線充電新能源車輛進行完善的充電定位控制和充電作業自動控制，保證充電的成功率和安全性。
本實用新型的技術方案為：
一種電動車輛在線快速充電系統，由站臺部分和車載部分組成，車載部分安裝在車輛上，站臺部分安裝在站臺上；其特徵在於：所述的站臺部分包括站臺充電弓控制器101、無線模塊102、充電機103、主接觸器104、兩個充電弓105、電壓電流傳感器106、充電弓運動裝置107、電源轉換裝置108、至少一個側向定位傳感器111，兩個反向充電弓吊裝在站臺上，電源轉換裝置108接入市電經轉換後為站臺部分各器件供電，站臺充電弓控制器101連接無線模塊102以便和車載部分進行無線信息交互；充電弓控制器101分別與充電機103、主接觸器104、電壓電流傳感器106、充電弓運動裝置107相連，站臺充電弓控制器101向充電機103發送充電操作指令的同時接收充電機103反饋的充電狀態；充電機103和兩個充電弓105之間通過主接觸器104相連，主接觸器104的通斷受站臺充電弓控制器101控制，當充電時則控制主接觸器104接通，無需充電時則控制主接觸器104切斷；兩個充電弓105的伸出、壓緊、摺疊或縮回則由站臺充電弓控制器101通過充電弓運動裝置107來實現，充電弓運動裝置107為運動氣缸或電缸；兩個充電弓105分別與電壓電流傳感器106連接，電壓電流傳感器106的採集信號進入站臺充電弓控制器101，站臺充電弓控制器101用來判斷充電狀態和安全保護；每個側向定位傳感器111安裝在站臺上，側向定位傳感器111接入電源後能發出非接觸式的感應信號。
所述的車載部分包括車載充電控制器201、車載無線模塊202、整車控制裝置BMS 203、車載主接觸器204、兩個充電極板205、操作及指示輸入輸出器206、動力電池208、側向定位感應傳感器209、車載電壓電流傳感器210,兩條充電極板分別平行安裝在車輛頂部，車載充電控制器201連接車載無線模塊202，用於和站臺部分進行無線信息交互；車載充電控制器201通過CAN總線有線通信方式與整車控制裝置BMS 203相連；車載充電控制器201分別與車載主接觸器204、操作及指示輸入輸出器206、側向定位感應傳感器209輸出端、車載電壓電流傳感器210相連，而動力電池208和兩個充電極板205之間通過車載主接觸器204相連，而車載主接觸器204的通斷由車載充電控制器201控制；車載電流電壓傳感器210分別與兩個充電極板205相連，採集兩個充電極板205間的電壓電流信息輸入車載充電控制器201；操作及指示輸入器206用於指示到位狀態、充電狀態同時用於充電的操作輸入，當車載部分的側向定位感應傳感器209與側向定位傳感器109二者位置對應時，側向定位感應傳感器109即感應出到位信號至車載控制器201，從而通知司機及時停車。
所述站臺部分還包含有輔助顯示器109和攝像頭110，攝像頭110安裝在站臺上並分別與站臺充電弓控制器101和輔助顯示器109相連，攝像頭110的實時圖像一方面顯示在輔助顯示器109上，從而輔助司機進行定位判斷和微調，另一方面圖像信息進入站臺充電弓控制器101,站臺充電弓控制器101對圖像信息進行識別判斷和比對後也可以進一步輔助定位，將定位信息通過無線模塊102進行傳輸。
所述的充電弓運動裝置107為運動氣缸或電缸。
所述的車載部分還包括車道偏離檢測裝置207，車道偏離檢測裝置207與車載充電控制器201相連，與車道和車位輔助標識501配合，輸出車道偏移信號至車載充電控制器201，車載充電控制器201再將該信號通過操作及指示輸入輸出器206進行指示，從而提醒司機不可偏離車道，更準確的定位。
一種利用電動車輛在線快速充電系統的充電方法，其特徵在於按以步驟進行：
步驟一：司機沿進站方向進入充電站，司機按下操作及指示輸入輸出器206中的充電準備操作按鈕，則車載充電控制器201通過車載無線模塊202開始向站臺充電弓控制器101無線發送充電請求信號，二者建立無線通信連接，在解除連接或等待超時前，站臺充電弓控制器101將屏蔽新的無線連接請求；同時，操作及指示輸入輸出器206中有相應的指示提示司機車輛和站臺建立連接成功；
步驟二：雙方無線通信連接建立成功後，車輛繼續前進，當前進到側向定位感應傳感器209與側向定位傳感器111位置對應的時候，則側向定位感應傳感器209發出到位指示信號至車載充電控制器201,車載充電控制器201通過操作及指示輸入輸出器206中的到位指示提醒司機側向到位，停車；
步驟三：司機停車後，按下操作及指示輸入輸出器206中充電確認按鈕，則車載充電控制器201判斷是否仍處於定位的有效區域，是，則操作及指示輸入輸出器206中提示位置OK，充電，否則提示位置不對，超前或滯後，提醒司機進行位置微調，直至重新定位OK；
步驟四：定位位置OK後，司機按下操作及指示輸入輸出器206中的降弓操作按鈕，車載充電控制器201首先通過車載電壓電流傳感器210檢測兩個充電極板之間有無殘餘電壓、殘餘電流和短路現象，若無，則通過車載無線模塊202和無線模塊102將降弓操作指令發送至站臺充電弓控制器101；否則，通過操作及指示輸入輸出器206提示充電極板205異常，不允許進一步充電；
步驟五：站臺充電弓控制器101收到降弓指令後，站臺充電弓控制器101首先通過電流電壓傳感器106檢測兩個充電弓105有無殘餘電壓、殘餘電流以及判斷兩個充電弓105之間有沒有短路，如無，則控制充電弓運動裝置107降下兩個充電弓105，並通過充電弓運動裝置107的距離、力矩、壓力、電流參數反饋信息，保證兩個充電弓下降到位並分別和對應的兩個充電極板205壓緊接觸牢靠；如有，則通過無線模塊102發送信息到車載充電控制器201，並在操作及指示輸入輸出器206中提示司機充電系統異常；
步驟六：降弓完成，接觸牢靠後，為保證安全，不能立即啟動充電，而是由站臺充電弓控制器101和車載充電控制器201，各再進行一遍殘餘電壓、殘餘電流和短路檢測，檢測通過後方可進行下一步加電操作，否則提示系統故障；
步驟七：無電狀態下的安全檢查通過後，則站臺充電弓控制器101通知車載充電控制器201開始進行充電，此時，車載充電控制器201控制主接觸器204接通車輛上的動力電池208和兩個充電極板205；車載充電控制器201通過CAN總線與BMS 203交互，獲取當前電池電壓，並發送至站臺充電弓控制器101；站臺充電弓控制器101通過電壓電流傳感器106檢測到兩個充電弓105上也有相應的電壓後，表明動力電池208和充電極板205以及充電弓105連接準確，則啟動下一步充電操作；
步驟八：站臺充電弓控制器101控制主接觸器104接通充電機103和兩個充電弓105，通知充電機103開始充電，同時獲取充電機103的充電狀態；
步驟九：當充電機103提示站臺充電弓控制器101充電完成，或者司機按下操作及指示輸入輸出器206中充電結束或急停按鈕時，則結束充電過程：站臺充電弓控制器101通知充電機103停止充電；站臺充電弓控制器101切斷主接觸器104；車載充電控制器201切斷車載主接觸器204；站臺充電弓控制器101控制充電弓運動裝置107收起和折回兩個充電弓105；站臺充電弓控制器101解除和車載充電控制器201的無線連接，開放新的無線連接請求，以便進行下一次或下一輛車輛的充電。
由以上的步驟可知，充電弓和充電極板接觸和分開的瞬間，都是不帶電的操作，從而可以有效避免高壓直接接觸或分開導致的拉弧等危害。
優選的，雖然充電弓105的正負極板都有一定的長度，允許充電弓和車輛定位有一定的橫向偏移，但依然不能偏移過大，否則會導致充電弓和充電極板無法可靠接觸，故可以一方面在充電站臺上畫出相應輔助定位的車位和車道標識501，由司機儘量在此車道和車位內停靠，同時可以安裝車載的橫向車道偏離檢測裝置207，並和車載充電控制器201相連，提示司機橫向車道的偏移，以便讓司機橫向微調；
同樣，優選的，站臺上可以安裝輔助攝像頭110和大屏幕輔助顯示器109，用於拍攝和顯示車頂位置，以便讓司機可以更好的觀察和調整車輛位置；同樣，優選的，輔助攝像頭110的實時圖像信息不但可以用於在輔助顯示器109上進行顯示，同時可由強大的充電弓站臺控制器101採集，而後分析識別後，進一步進行位置的輔助判斷。
由此可以構築以定位傳感為主，以人工標識、車道防偏、圖像輔助和識別等為輔的多位一體的定位系統，保證充電弓和充電極板的正確相對位置。
有益效果：
本實用新型的無需人工插拔高壓充電部件，自動化操作，保證人身安全；特別是針對站臺式反向充電弓的智能充電系統，提供了可靠便捷的定位控制方案，保證定位的準確；同時一系列的檢測保護，也保證了充電操作過程的安全。極大降低了在線充電新能源車輛和運營系統的生產成本和建設成本，提高了系統的智能化程度和可靠性，這對在線充電新能源車輛的發展以及整個新能源行業的發展都具有重大和深遠的意義。
附圖說明
圖1為本實用新型的在線充電站臺式反向充電弓系統示意圖。
圖2為本實用新型的站臺式反向受電弓在線快速充電系統示意圖。
圖3為本實用新型的實施案例示意圖。
具體實施方式
結合附圖對本實用新型作進一步的描述。本實用新型所用的各器件都採用現有結構。
如圖2所示，一種電動車輛在線快速充電系統，由站臺部分和車載部分組成，車載部分安裝在車輛上，站臺部分安裝在站臺上；其特徵在於：所述的站臺部分包括站臺充電弓控制器101、無線模塊102、充電機103、主接觸器104、兩個充電弓105、電壓電流傳感器106、充電弓運動裝置107、電源轉換裝置108、一個側向定位傳感器111、輔助顯示器109和攝像頭110，兩個反向充電弓吊裝在站臺上，電源轉換裝置108接入市電經轉換後為站臺部分各器件供電，站臺充電弓控制器101連接無線模塊102以便和車載部分進行無線信息交互；充電弓控制器101分別與充電機103、主接觸器104、電壓電流傳感器106、充電弓運動裝置107相連，站臺充電弓控制器101向充電機103發送充電操作指令同時接收充電機103反饋的充電狀態；充電機103和兩個充電弓105之間通過主接觸器104相連，主接觸器104的通斷受站臺充電弓控制器101控制，當充電時則控制主接觸器104 接通，無需充電時則控制主接觸器104切斷；兩個充電弓105的伸出、壓緊、摺疊或縮回則由站臺充電弓控制器101通過充電弓運動裝置107來實現，充電弓運動裝置107為運動氣缸或電缸；兩個充電弓分別與電壓電流傳感器106連接，電壓電流傳感器106的採集信號進入站臺充電弓控制器101，站臺充電弓控制器101用來判斷充電狀態和安全保護；每個側向定位傳感器111安裝在站臺上，側向定位傳感器111接入電源後能發出非接觸式的感應式信號，當車載部分的側向定位感應傳感器209二者位置對應時，側向定位感應傳感器209即感應出到位信號至車載控制器201，從而通知司機及時停車；攝像頭110安裝在站臺上並分別與站臺充電弓控制器101和輔助顯示器109相連，攝像頭110的實時圖像一方面顯示在輔助顯示器109上，從而輔助司機進行定位判斷和微調，另一方面圖像信息進入站臺充電弓控制器101,站臺充電弓控制器101對圖像信息進行識別判斷和比對後也可以進一步輔助定位，將定位信息通過無線模塊102進行傳輸。
所述的車載部分包括車載充電控制器201、車載無線模塊202、整車控制裝置BMS 203、車載主接觸器204、兩個充電極板205、操作及指示輸入輸出器206、動力電池208、車道偏離檢測裝置207、側向定位感應傳感器209、車載電壓電流傳感器210,兩條充電極板分別平行安裝在車輛頂部，車載充電控制器201連接車載無線模塊202，用於和站臺部分進行無線信息交互；車載充電控制器201通過CAN有線通信方式與整車控制裝置BMS203相連；車載充電控制器201分別與車載主接觸器204、操作及指示輸入輸出器206、車道偏離檢測裝置207、側向定位感應傳感器209輸出端、車載電壓電流傳感器210相連，而動力電池208和兩個充電極板205之間通過車載主接觸器204相連，而車載主接觸器204的通斷由車載充電控制器201控制；車載電流電壓傳感器210分別與兩個充電極板205相連，採集兩個充電極板205間的電壓電流信息輸入車載充電控制器201；操作及指示輸入輸出器206用於指示到位狀態、充電狀態同時用於充電的操作輸入，當車載部分的側向定位感應傳感器209與側向定位傳感器109二者位置對應時，側向定位感應傳感器109即感應出到位信號至車載控制器201，從而通知司機及時停車；車道偏離檢測裝置207與車道和車位輔助標識501配合，輸出車道偏移信號至車載充電控制器201，車載充電控制器201再將該信號通過操作及指示輸入輸出器206進行指示，從而提醒司機不可偏離車道，更準確的定位。
如圖1所示，本實用新型的兩個充電弓105不是裝在車輛上，而是反向的吊裝在站臺上，而車輛只需在頂部安裝兩條充電極板205，當車輛進入充電站臺，並定位準確後，兩個充電弓105就可以緩慢落下壓緊到相應的正、負充電極板205上，開始對車輛進行快速充電，充電完成或無需充電時則將兩個充電弓105收起摺疊。
一種利用電動車輛在線快速充電系統的充電方法，其特徵在於按以步驟進行：
步驟一：司機沿進站方向進入充電站，司機按下操作及指示輸入輸出器206中的充電準備操作按鈕，則車載充電控制器201通過車載無線模塊202開始向站臺充電弓控制器101無線發送充電請求信號，二者建立無線通信連接，在解除連接或等待超時前，站臺充電弓控制器101將屏蔽新的請求；同時，操作及指示輸入輸出器206中有相應的指示提示司機車輛和站臺建立連接成功；
步驟二：雙方無線通信連接建立成功後，車輛繼續前進，當前進到側向定位感應傳感器209與側向定位傳感器111位置對應的時候，則側向定位感應傳感器209發出到位指示信號至車載充電控制器201,車載充電控制器201通過操作及指示輸入輸出器206中的到位提示提醒司機側向到位，停車；
步驟三：司機停車後，按下操作及指示輸入輸出器206中充電確認按鈕，則車載充電控制器201判斷是否仍處於定位有效區域，是，則操作及指示輸入輸出器206中提示位置OK，可以充電；否，則提示位置不對，超前或滯後，提醒司機進行位置微調，直至重新定位OK；
步驟四：定位位置OK後，司機按下操作及指示輸入輸出器206中的降弓操作按鈕，車載充電控制器201首先通過車載電壓電流傳感器210檢測兩個充電極板之間有無殘餘電壓、殘餘電流和短路現象，若無，則通過車載無線模塊202和無線模塊102將降弓操作指令發送至站臺充電弓控制器101；否，則通過操作及指示輸入器206提示充電極板205異常，不允許進一步充電；
步驟五：站臺充電弓控制器101收到降弓指令後，站臺充電弓控制器101首先通過電流電壓傳感器106檢測兩個充電弓105有無殘餘電壓、有無殘餘電流以及判斷兩個充電弓105之間有沒有短路，如無，則控制充電弓運動裝置107降下兩個充電弓105，並通過充電弓運動裝置107的距離、力矩、壓力、電流參數反饋信息，保證兩個充電弓已經下降到位並分別和對應的兩個充電極板205壓緊接觸牢靠；如有，則通過無線模塊102發送信息到操作及指示輸入器206中提示司機充電系統異常；
步驟六：降弓完成後，接觸牢靠後，為保證安全，不能立即啟動充電，而是由站臺充電弓控制器101和車載充電控制器201，各再進行一遍殘餘電壓、殘餘電流和短路檢測，檢測通過後方可進行下一步加電操作，否則提示系統故障；
步驟七：無電狀態下的安全檢查通過後，則站臺充電弓控制器101通知車載充電控制器201開始進行充電，此時，車載充電控制器201控制主接觸器204接通車輛上的動力電池208和兩個充電極板205；車載充電控制器201通過CAN總線與BMS 203交互，獲取當前電池電壓，並發送至站臺充電弓控制器101；站臺充電弓控制器101通過電壓電流傳感器106檢測到兩個充電弓105上也有相應的電壓後，表明動力電池208和充電極板205以及充電弓105連接準確，則啟動下一步充電操作；
步驟八：站臺充電弓控制器101控制主接觸器104接通充電機103和兩個充電弓105，通知充電機103開始充電，同時獲取充電機103的充電狀態；
步驟九：當充電機103提示站臺充電弓控制器101充電完成，或者司機按下操作及指示輸入輸出器206充電結束按鈕或急停按鈕時，則結束充電過程：站臺充電弓控制器101通知充電機103停止充電；站臺充電弓控制器101切斷主接觸器104；車載充電控制器201切斷車載主接觸器204；站臺充電弓控制器101控制充電弓運動裝置107收起和折回兩個充電弓105；站臺充電弓控制器101解除和車載充電控制器201的無線連接，開放新的連接請求，以便進行下一次或下一輛車輛的充電。
由以上的步驟可知，充電弓和充電極板接觸和分開的瞬間，都是不帶電的操作，從而可以有效避免高壓直接接觸或分開瞬間導致的拉弧等危害。
優選的，雖然充電弓105的正負極板都有一定的長度，允許一定的橫向偏移，依然不能偏移過大，導致充電弓和充電極板橫向無法可靠接觸，故可以一方面在充電站臺上畫出相應輔助定位的車位和車道標識501，由司機儘量在此車道和車位內停靠，同時可以安裝車載的橫向車道偏離檢測裝置207，並和車載充電控制器201相連，提示司機橫向車道的偏移，以便讓司機橫向微調。
同樣，優選的，站臺上可以安裝輔助攝像頭110和大屏幕輔助顯示器109，用於拍攝和顯示車頂，以便讓司機可以更好的觀察和調整車輛位置；同樣，優選的，輔助攝像頭110的實時圖像信息不但可以用於在輔助顯示器109上進行顯示，同時可由強大的充電弓站臺控制器101採集，而後分析識別後，進一步進行位置的輔助判斷。
由此可以構築以定位傳感為主，以人工標識、車道防偏、圖像輔助和識別等為輔的多位一體的定位系統，保證充電弓和充電極板的正確相對位置。
具體實施例如圖3所示。
站臺部分包含有站臺充電弓控制器301、無線模塊302、充電機303、主接觸器304、兩個充電弓305、電壓電流傳感器306、翻轉和壓緊電缸307、電缸驅動器308、輔助顯示器309、攝像頭310、2個側向定位傳感器(311，312)、電源轉換裝置(圖3中沒有畫出)，電源轉換裝置接入市電經轉換後為站臺部分各器件供電。
其中站臺充電弓控制器301和充電機303之間通過CAN總線交互信息；站臺充電弓控制器301和電缸驅動器308之間也通過CAN交互，一方面指令翻轉和壓緊電缸307帶動兩個充電弓305動作，一方面通過力矩、距離、電流等反饋信息指示接觸到位。
攝像頭310的圖像實時顯示在輔助顯示器309上輔助司機進行位置微調，同時通過HDMI數字接口接入站臺充電弓控制器301，由站臺充電弓控制器301進行圖像的判斷識別，進一步提醒位置信息。
由於一般的傳感器感應面積較小，所以採用了2個分開平行放置的側向定位傳感器(311，312)，安裝位置保證側向定位感應傳感器409在兩個側向定位傳感器(311，312)之間均為有效區域，如側向定位感應傳感器409已經感應到了一次有效信號，尚未感應到第二次有效信號，表明側向定位感應傳感器409的相對位置處於兩個側向定位傳感器(311，312)之間，則此時充電弓和充電極板的位置都屬於正確的。
車載部分包含有車載充電控制器401、車載無線模塊402，以及本身整車的控制系統或BMS 403、車載主接觸器404、充電極板405、動力電池組408、車載電壓電流傳感器410、側向定位感應傳感器409、充電操作顯示屏406、車道偏離檢測裝置407；
利用充電操作顯示屏406，一方面可以顯示連接、定位和充電狀態，另一方面也可以通過其上的按鍵或觸控螢幕進行充電操作的輸入。
整個操作流程同上，從略。
凡是利用側向定位傳感系統來確定站臺反向充電弓和車頂充電極板相對位置的新能源在線充電反向充電弓快速充電系統，都屬於本實用新型的保護範疇。