CN102306421B - 一种电动汽车高速公路充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于交通技术领域的一种电动汽车高速公路充电系统，该系统括公路充电网、电动汽车和收费系统，公路充电网包括架空电缆，用以对电动汽车充电。电动汽车包括如下装置：可伸缩集电弓，集电弓正负极分别和汽车电池的正负极相连，用以在汽车行驶过程中利用从高速公路架空电缆上获取电能；降压装置，用以根据电池充电的实际需要进行降压处理；汽车内部设置有集电弓伸缩控制装置；收费系统用于充电高速公路系统的收费运营。该系统有效解决了电动汽车长途行驶的充电问题，同其他充电方式相比具有投资少、占地小、标准容易统一等多种优点。

Description

一种电动汽车高速公路充电系统

技术领域

本发明属于交通技术领域，具体涉及一种电动汽车高速公路充电系统。

背景技术

目前电动汽车发展的最关键问题集中在电动汽车的充电及续航问题上，现有的电动汽车充能方式主要有以下三种：

1、快速充电

快速充电通过专业的充电方式以大功率对电动汽车动力电池进行充电，充电时间在20～40分钟之间。能够一定程度满足电动汽车应急充电的需求。但快速充电依然存在以下缺点：

●对电动汽车动力原电池有一定的损害，会造成动力原电池使用寿命缩短。

●充电过程所需要的专业设别较为复杂，需集中建站管理、维护，一次投入及维护费用较高。

●充电时间仍较长，难以满足用户需求。

2、常规慢充

常规慢充通过使用较为恒定的功率对电动汽车动力原电池进行充电，所需设备较为简单，但充电时间过长，难以满足电动汽车行驶中补充电量的需要。

3、更换电池

更换电池通过专业设备对整车的动力电池组进行更换，速度快，可在1-2分钟内完成整个更换过程。但其存在以下缺点：

●需要建设专业更换站，一次建设投入大。专业换电站对土地面积要求较大，且专业更换设备价格昂贵。相关设备的维护费用高。

●汽车规格多种多样，动力原电池组的规格难以统一标准化。

●汽车采用可更换动力电池的结构后，安全性有所下降。

由于以上所述的特点，传统的三种充能方式难以满足长途行驶电动汽车的充能需要，这是充电汽车产业发展面临的关键难题之一。在CN102039823A，“一种电动汽车公路充电系统”具体公开了该系统包括公路充电网、电动汽车和收费系统，其中，公路充电网包括设置在高速公路上的架空电缆，用于对电动汽车充电；电动汽车包括（1）可伸缩集电弓，集电弓正负极和分别和电动汽车电池的正负极相连，用以在汽车行驶过程中利用从高速公路架空电缆上获取电能；（2）电动汽车内部设置有集电弓伸缩控制装置；

针对上述问题，本发明提出了一种高速公路的充能方案，可以使电动汽车在行驶过程中充电，有效解决了这一难题。

发明内容

本发明提供一种电动汽车充电高速公路系统，达到电动汽车边行驶，边充电的目的。

一种电动汽车高速公路充电系统，该系统包括公路充电网、电动汽车和收费系统，其中，公路充电网包括：

（1）设置于高速公路行车道上的架空电缆，并以行车道作为充电车道；

（2）充电车道路上设置有指示物，用以提示驾驶员电动汽车可进行充电；

（3）用来支撑架空电缆的支撑杆；

电动汽车包括如下装置：

（1）可伸缩集电弓，集电弓正负极分别和电动汽车电池的正负极相连，用以在电动汽车行驶过程中利用从高速公路架空电缆上获取电能；

（2）降压装置，用以根据电池充电的实际需要进行降压处理，从而保证充电的正常进行；

（3）电动汽车内部设置有集电弓伸缩控制装置；

收费系统用于充电高速公路系统的收费运营。收费系统可以为预存式收费系统或后交费型系统，或两种系统同时具有，其中，预存式收费系统包括：

（1）预存卡接口及余额控制器，预存卡接口判断插入的电费预存卡是否合法，余额控制器根据预存卡中余额判断用户能否继续充电，并在充电时对电费预存卡进行实时扣费；

（2）电动汽车上装有电费计量表及显示仪表，用以显示汽车在高速公路行驶过程中消费的电量、费用、卡中剩余金额及是否处于充电状态；

（3）电费预存卡，用户需要通过相关缴费站向车内的电费预存卡存入电费，在充电过程中实时消费，当卡中资金消费完毕后提示余额不足，并强制断电；

预存式收费系统运作过程如下：

1、用户将电费预存卡插入接口，接口自动判断预存卡是否合法，即预存卡是否为符合标准的卡。

2、余额控制器读出预存卡中余额后判断用户是否有余额，如余额不足则发出相关信息至显示仪表，并禁止用户升起集电弓。

3、在充电过程中，余额控制器根据电表测量的充电量对电费预存卡进行实时扣费，当余额不足时，进行强制断电，并在相关仪表中提示余额不足信息。

所述后交费型系统包括以下部分：

（1）高速公路计费卡接口。用来判断高速公路计费卡是否接入，及判断接入的卡是否合法，如计费卡并未接入或者接入的卡不合法，则禁止用户充电，如果合法则允许充电，并根据电费计量表的数据实时对计费卡中充电费用进行修改；

（2）电费计量表及显示仪表。仪表装在电动汽车上，可以让用户清晰明了的看到自己在高速公路行驶过程中消费的电量、费用及是否处于充电状态；

（3）高速公路计费卡。记录电动汽车在高速公路行驶过程中所需支付的充电费用及养路费。

后交费型系统运作过程如下：

1、车辆在进入高速公路时领取高速公路计费卡，并将其插入高速公路计费卡接口中。

2、计费卡接口判断高速公路计费卡是否接入及接入的卡是否合法，如合法则允许电动汽车进行充电行为，否则不允许进行充电。

3、充电过程中根据电量表的数据对高速公路计费卡中的费用进行实时修改。

4、车辆要离开高速公路时，将该收费卡上交收费口，充电费用及养路费一同结算。

所述集电弓的弓顶导电滑块部分使用分段式结构，主要特点如下：集电弓弓顶导电滑块分为2～4段，为正负极交叉分布，每段之间有绝缘块隔离；每段导电滑块长度短于充电电缆最小间隔，任意两段导电滑块长度和大于充电电缆最大间隔；同时，电动汽车加装极性变换装置，当电动汽车有所移动时，如电缆正极与负极搭在集电弓异性段时，该装置可以保证对电池的充电正常进行。

集电弓的伸缩采用以下两种方式控制：

（1）通过受控控制按钮，车主可以手动控制集电弓的升高和降低；

（2）在车内增加自动/手动控制切换按钮，在手动控制时控制方式为（1）中所述控制方式；若车主将按钮切换于自动控制，电动汽车中控制端将识别汽车所处位置，若发现其处于充电车道，它将自动控制集电弓升高，当升至架空电缆高度时停止。若车主控制汽车离开了充电车道，控制端也会将集电弓进行收缩。

充电车道路上的指示物可采用同道路颜色对比鲜明的指示线或在道路中嵌入信号发射器。在电动汽车前部可以增加传感器，安装有传感器的车辆在进入该车道后将自动识别指示装置，提示驾驶员车辆可进行充电，并控制车辆平稳行驶，减少车辆在车道上摆动对充电过程所带来的影响；

架空电缆所使用的材料具有良好的导电性，并能抵抗环境腐蚀，耐摩擦，架空高度能适应各种车型，支撑杆间的距离满足电线的强度要求，例如可以采用经表面镀覆技术处理的铜质导线。铺设两根架空电缆以构成回路，并采用高压直流，架空高度可以为3～4米。在支撑杆上可装饰指示用闪光灯，配合警示路标使用，不仅美观，还可亮化，入夜之后也是道路一大景观。线网设计是悬吊式安装，因此可以实现大跨度，长距离安装线网，并可适应较复杂的路况。

本发明的有益效果为：有效解决了电动汽车长途行驶的充电问题，同其他充电方式相比具有投资少、占地小、标准容易统一等多种优点。

附图说明

图1是实施例1的公路充电网的示意图；

图2是实施例1中架空电缆、支撑杆的示意图；

图3是传统的集电弓结构图；

图4是实施例1中集电弓的分段式导电滑块的结构示意图；

图5是实施例1中电动汽车的车内电气结构图；

图6是实施例1中极性变换装置的电路图；

图7是实施例1中降压装置的电路图；

图8是实施例2中高速公路的充电路段分布情况；

图中标号：1.底架、2.下臂杆、3.拉杆、4.升弓弹簧、5.上臂杆、6.平衡杆、7.弓头座横杆、8.驱动气缸、9.弓顶横杆、10.弓顶导电滑块、11.绝缘座、12.绝缘棒、13.弓顶弹簧。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

本发明包括公路充电网、电动汽车及收费模式三个方面的内容：

一、公路充电网包括如下装置：

（1）如图1所示，高速公路行车道上设置有架空电缆，作为充电车道。车辆可以自由地驶入该车道，在限速条件下行驶。

（2）在充电车道路上设有道路颜色对比鲜明的指示线、在道路中嵌入信号发射器。安装有传感器的车辆在进入该车道后将自动识别上述指示装置，提示驾驶员车辆可进行充电，并控制车辆平稳行驶，减少车辆在车道上摆动对充电过程所带来的影响。

（3）道路旁将隔适当距离竖以支撑杆，用来支撑架空电缆。

其中，架空电缆采用经表面镀覆技术处理的直径12厘米的铜质导线，以适应集电器的摩擦并抵抗环境腐蚀。铺设两根以构成回路（如图2所示），并采用高压直流，在支撑杆上装饰有指示用闪光灯，配合警示路标使用，不仅美观，还可亮化，入夜之后也是道路一大景观。线网设计是悬吊式安装，因此可以实现大跨度，长距离安装线网，并可适应较复杂的路况。

二、电动汽车包括如下装置：

1、设置于电动汽车顶部的可伸缩集电弓，汽车电池正负极分别和集电弓的正负极相连，在电动汽车行驶过程中利用集电弓从高速公路架空电缆上获取电能。

电动汽车集电弓的弓顶导电滑块部分使用分段式结构，使电动汽车在充电过程中可行驶的路线变宽，驾驶的灵活性提高。传统的集电弓结构图见附图3，分段式结构的结构示意图及其同电动汽车连接的电气结构图见图4及图5。

分段式集电弓主要特点如下：

（1）集电弓分为4段，为正负极交叉分布，每段之间有绝缘块隔离。

（2）每段集电弓长度短于充电电缆最小间隔，防止短路。任意两段集电弓长度和大于充电电缆最大间隔。

（3）两侧的极段较短，同车辆的宽度相对应。

2、极性变换装置：当电动汽车有所移动时，如电缆正极与负极搭在集电弓异性段时，该装置可以保证对电池的充电正常进行。

极性变换装置电路图如图6所示：导电滑块的正极段分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极相连，负极段分别和二极管D3的负极、二极管D4的正极相连，充电汽车的电池正极分别和二极管D4的负极、二极管D2的负极相连，电池负极分别和二极管D3的正极、二极管D1的正极相连。

3、降压装置：根据电池充电的实际需要进行降压处理，保证充电的正常进行。

降压装置电路图如图7所示：电路包括IGBT元件、电感L、电阻R和二极管。输入电压的正极和IGBT元件的集电极相连，IGBT元件的发射极依次和电感L、电阻R相连，电阻R的另一端作为输出电压的正极，二极管的负极和IGBT元件与电感L的公共节点相连，二极管的正极和输入电压的负极相连，并作为输出电压的负极。以上仅为该电路的基本组成，具体的电路可根据充电汽车的电池需求进行适当的调整。

4、在电动汽车内部有集电弓伸缩控制装置。采用两种方式控制控制集电弓的伸缩：

（1）通过受控控制按钮，车主可以手动控制集电弓的升高和降低，即在行车过程中，车主在行车道随时可以自己控制充电于否。

（2）在车内增加自动/手动控制切换按钮，在手动控制时控制方式为（1）所述方式；若车主将按钮切换于自动控制，电动汽车中控制端将识别电动汽车所处位置，若发现其处于充电车道，它将自动控制集电弓升高，当升至架空电缆高度时停止。若车主控制汽车离开了充电车道，控制端也会将集电弓进行收缩，避免发生事故。

5、设置于电动汽车前部的传感器。该装置可以识别道路上的指示物，从而提示驾驶员车辆可进行充电过程，并控制车辆平稳行驶，减少车辆在车道上摆动对充电过程所带来的影响。

三、收费系统

采用预存式收费系统，该系统主要包括以下部分：

1、预存卡接口及余额控制器。预存卡接口判断插入的电费预存卡是否合法。余额控制器根据预存卡中余额判断用户能否继续充电，并在充电时对电费预存卡进行实时扣费。

2、电动汽车上装有电费计量表及显示仪表，可以让用户清晰明了的看到自己在高速公路行驶过程中消费的电量、费用、卡中剩余金额及是否处于充电状态。

3、电费预存卡。用户需要通过相关缴费站向车内的电费预存卡存入电费，在充电过程中实时消费，当卡中资金消费完毕后提示余额不足，并强制断电。

本实施例电动汽车高速公路充电系统的运行方式为：电动汽车进入充电高速公路后，将预存卡插入车载接口。接口对预存卡的合法性进行判断。如果判断接口合法则允许电动汽车进行充电。进入充电高速公路后，当行进到有架空电缆的路段后，司机选择是否进入充电车道充电。

如选择进入充电车道并进行充电，则集电弓升起，车辆以较为平稳的方式行驶并进行充电。充电过程中，余额控制器根据电表测量的充电量对电费预存卡进行实时扣费，当余额不足时，进行强制断电，并在相关仪表中提示余额不足信息。

实施例2

为说明本方案能够有效的适应电动汽车长途运行的需要，现举例如下：

高速公路及相关车辆运营情况为：

1)高速公路全长300公里，共设置两个充电路段，各长40km，如图8所示。

2)上路行驶的小型乘用电动汽车续航里程可达400公里，百公里耗电15度，共60度电。

3)电动汽车的平均时速为100km/h，平均车距为100m。

4)在保障电机运转的情况下，在充电路段行驶时间内提供动力电池50%电能，即36度，充电功率为90kw/h，可行驶200公里。

在上述条件下，通过计算后可以得出如下结论：

1)单方向充电路段的充电汽车数目约为400辆。

2)单方向充电路段总功率约为36MW，在考虑裕度后，充电路段系统总容量建设为80MW。

目前我国高速公路的加油站一般间隔为50～100km，其具体间隔由路段的繁忙程度决定。如建设快速充电站/换电站，其间隔尚未有相关规定及参考。快速充电站/换电站并未有适用于高速公路充电的大型站参考指标或实例。再参考了现有站点建设数据后，采用如下方案：

1)快速充电站/换点站占地面积为3000平米，包括配电室、中央监控室、充/换电区、功能区等。

2)快速充电站含快速充电机100台，充电功率为90kw/h，可约20分钟时间给动力原电池充入约50%的电能。

3)换电站配备换电机10台。每台换电时间1分钟。更换下的电池在站内就地充电，共有慢充机80台，快充机20台。慢充机每台功率10kw，将电池充满时间约为6个小时。快充机充电功率为90kw。

4)高速公路上每隔80公里需要设快速充电站/换点站一座。

在以上条件的基础上，同时达到充电车辆最大容纳量同充电高速公路相同，通过计算可得到以下结论：

1)该高速公路共需快速充电站/快速换电站12座，每侧6座。

2)共需建设土地36000平米。

3)每座快速充电站容量10MW（含配套设施用电及裕度），每座换电站容量3.5MW。

通过以上比较可以明显看出，采用本发明提出的充电高速公路方案拥有以下优点：

1)节约了大量的建设用土地。

2)设备投入较少。

3)节约了人工，且管理、维护方便。

本发明实现了行驶中充电，可有效节省驾驶者的时间，使用也更为便利。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电动汽车高速公路充电系统，该系统包括公路充电网、电动汽车和收费系统，其中，公路充电网包括设置在高速公路上的架空电缆，用于对电动汽车充电；在电动汽车包括：可伸缩集电弓，集电弓正负极和分别和电动汽车电池的正负极相连，用以在汽车行驶过程中利用从高速公路架空电缆上获取电能；并且电动汽车内部设置有集电弓伸缩控制装置；以及用于充电公路系统的收费系统；其特征在于：电动汽车还包括：

（1）电动汽车加装极性变换装置：当电缆正极与负极搭在集电弓异性段时，该装置用于保证对电池的充电正常进行；所述极性变换装置为导电滑块的正极段分别与二极管（D1）的负极、二极管（D2）的正极相连，负极段分别和二极管（D3）的负极、二极管（D4）的正极相连，充电汽车的电池正极分别和二极管（D4）的负极、二极管（D2）的负极相连，电池负极分别和二极管（D3）的正极、二极管（D1）的正极相连；

（2）降压装置，用以根据电池充电的实际需要进行降压处理，保证充电的正常进行；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：集电弓的弓顶导电滑块部分采用分段式结构：弓顶导电滑块分为2～4段，为正负极交叉分布，每段之间有绝缘块隔离，每段导电滑块长度短于充电电缆最小间隔，任意两段导电滑块长度之和大于充电电缆最大间隔；该装置用于保证电动汽车在向前行驶中，可自由靠左或靠右变换车道，不必受限于因充电只能限于有限空间内行驶。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：集电弓的伸缩采用以下两种方式控制：

（1）通过受控控制按钮，手动控制集电弓的升高和降低；

（2）在车内增加自动/手动控制切换按钮，在手动控制时控制方式为（1）中所述控制方式；当为自动控制时，电动汽车中控制端将识别汽车所处位置，若发现其处于充电车道，它将自动控制集电弓升高，当升至架空电缆高度时停止，若汽车离开了充电车道，控制端会将集电弓自动进行收缩。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：架空电缆所使用的材料具有良好的导电性，并能抵抗环境腐蚀，耐摩擦，架空高度能适应各种车型，支撑杆间的距离满足电缆的强度要求。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：架空电缆采用经表面镀覆技术处理的铜质导线。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在电动汽车前部设置传感器，用来识别汽车所处车道。

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