CN105788084A - 全自动车顶感应式公用充电桩 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车用自动化无线充电装置，采用悬臂框架、控制箱、直线运动模组、多级升降螺杆、智能一体化电机、万向接头、悬挂弹簧、桩端充电接口、车端充电接口、磁屏蔽板、射频购电卡、管理员计算机、售电管理软件及射频卡发卡器等基本部件，以及监控摄像头、LED灯具、网络接入器等可选部件；不仅能实现车顶充电接口自动对接、电磁感应式无线充电、公用预付费射频卡用电计量、用电安全监测及保护等主要功能，还具有远程监控和道路照明等可选功能；解决了现有车底安装式无线充电装置普遍存在的应用推广门槛高、地面安装工程量大、环境适应性差、自动化程度低、充电接口对接困难、功能扩展性差等问题，可广泛应用于电动汽车充电等公用设施。

Description

全自动车顶感应式公用充电桩
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用自动化无线充电装置，尤其是具有车顶充电接口自动对接、电磁感应式无线充电、公用预付费射频卡用电计量、用电安全监测及保护、远程监控和道路照明等功能的电动汽车充电桩。
背景技术
随着我国新能源汽车产业的高速增长，解决充电难题已成为迫切需求。电动汽车现有充电方式主要以传导式充电为主，无线充电相对传导充电具有明显优势：1)可用于阴雨、潮湿、积雪、粉尘等恶劣环境，环境适应性好、安全可靠性高；2)可实现全自动化操作，用户体验较好、维护成本较低；3)充电接口无导电触点外露、无导线连接，抗磨损老化、免维护性好。无线充电技术源于无线电力传输技术，主要分为电磁感应、磁场谐振、微波定向三种传输方式，电磁感应式无线充电采用电磁耦合(脉冲变压器)原理，虽然传输距离相对较短，但因具有传输效率高(>90％)、电磁辐射低、制造成本低、技术成熟等优势，所以目前是电动汽车无线充电的首选方式。
据研究分析，感应式无线充电技术目前尚待解决的难题有：1)选择适合各种车型、安全可靠、免维护的车身充电区域；2)快速精确、安全可靠的充电接口自动对接技术；3)保持磁路中较高的饱和磁场强度，减小磁通面积(缩小充电接口面积)；4)高效率低辐射的高频脉冲变压器、DC/DC变换器技术。
现有的电动汽车无线充电装置大多采用车底安装型式，其缺点是：1)需要依赖整车厂改动底盘结构，应用推广门槛较高；2)对驾驶员泊车到位要求较高，用户体验较差；3)使用场合受限，地基开挖施工工作量较大；4)实现充电接口自动对接困难，定位精度难以提升，影响充电效率和电磁辐射；5)环境适应性较差，系统维护不便；6)功能扩展性差，无法安装路灯设施。
车顶安装型式能克服车底安装型式的上述缺点，但目前尚未出现车顶安装型式的无线充电装置。根据《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第五十四条规定(机动车载物不得超过机动车行驶证上核定的载质量，装载长度、宽度不得超出车厢，并应当遵守下列规定：载客汽车行李架载货，从车顶起高度不得超过0.5米，从地面起高度不得超过4米)，在电动汽车原装车顶行李架上后装无线充电装置是合规的；再考虑无线充电装置车顶安装部分的体积、重量、安全等因素，虽对整车外观有所影响，但对行车风阻、操纵稳定性、行驶平顺性等整车特性影响有限，安全方面只要设计合理应无影响，因此车顶安装型式也是可行的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为克服现有电动汽车车底安装式无线充电装置普遍存在的应用推广门槛高、地面安装工程量大、环境适应性差(防护要求高)、自动化程度低(用户体验差)、充电接口对接困难(导致效率降低和辐射加大)、功能扩展性差(无法安装路灯设施)等问题，本发明提供一种全自动车顶感应式公用充电桩，能通过车顶充电接口自动对接、电磁感应式无线充电、公用预付费射频卡用电计量、用电安全监测及保护等技术方法解决所述技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：全自动车顶感应式公用充电桩主要包括悬臂框架(CF)、控制箱(CB)、直线运动模组(LMM)、多级升降螺杆(MLS)、智能一体化电机(IIM)、万向接头(UJ)、悬挂弹簧(PS)、桩端充电接口(CIP)、车端充电接口(CIV)、磁屏蔽板(MSP)、射频购电卡(RFPC)、管理员计算机(ADC)、售电管理软件及射频卡发卡器等基本部件，以及监控摄像头(SC)、LED灯具(LEDL)、网络接入器(NAD)等可选部件；其中，CB包括带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)、智能交流电能表(ACPM)、自动重合闸用电保护器(ACGP)、PFC整流逆变器(PRI)、射频卡读写器(RFCR)、温控器(TC)、排风扇(VF)、开关电源(SPS)、急停按钮(ESB)、LED指示灯(LIL)等组件。
其机械结构是：悬臂框架(CF)为双悬臂式框架结构，CF安装在路边地面上，控制箱(CB)安装在CF立面支架上，直线运动模组(LMM)跨接在CF顶部的双悬臂上，多级升降螺杆(MLS)通过万向接头(UJ)铰接在LMM上，智能一体化电机(IIM)和限位开关(LS)安装在LMM和MLS的端部，悬挂弹簧(PS)为圆锥形螺旋弹簧，PS的锥顶和锥底分别连接MLS的底端和桩端充电接口(CIP)的顶端，磁屏蔽板(MSP)的顶端和底端分别连接车端充电接口(CIV)的底端和车顶行李架(LR)；另外，在CF顶部支架上还可加装监控摄像头(SC)和LED灯具(LEDL)。
其电路结构是：主要包括桩端充电系统(CSP)、车端充电系统(CSV)、网络接入器(NAD)、管理员计算机(ADC)、工频交流电源(ACS)、射频购电卡(RFPC)、售电管理软件及射频卡发卡器等电路部件，其中，CSP主要包括带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)、智能一体化电机(IIM)、限位开关(LS)、急停按钮(ESB)、智能交流电能表(ACPM)、自动重合闸用电保护器(ACGP)、PFC整流逆变器(PRI)、桩端充电接口(CIP)、射频卡读写器(RFCR)、监控摄像头(SC)等电路组件，CSV主要包括车端充电接口(CIV)、充电控制器(BCC)、锂电池组(LBP)等电路组件，售电管理软件及射频卡发卡器安装在ADC上，TPAC也可替换为带运动控制卡的触控式工业平板电脑、带触摸屏的独立式运动控制器等控制器，CIP和CIV分别为感应线圈及其圆盘形铁芯的原边和副边；另外，TPAC还可通过NAD和ADC进行远程通信连接。
其控制原理是：带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)根据射频卡读写器(RFCR)取出的射频购电卡(RFPC)卡内电费判断电费是否不足，然后根据监控摄像头(SC)捕获的视觉图像判断泊车是否到位；再后根据充电接口自动对接控制算法，将运动控制指令发送给智能一体化电机(IIM)，驱动直线运动模组(LMM)和多级升降螺杆(MLS)使桩端充电接口(CIP)与车端充电接口(CIV)对接；再后通过CIP与CIV间的电磁载波通信，实现充电桩与电动汽车间的充电信息引导；最后TPAC向智能交流电能表(ACPM)发出供电指令，自动重合闸用电保护器(ACGP)得电自检无故障后合闸输出，工频交流电源(ACS)经带PFC的整流逆变器(PRI)整流和逆变后输出脉冲交流电能，再经CIP转变为脉冲磁能，CIV通过电磁感应再变回脉冲交流电能，经充电控制器(BCC)转换为直流电能输出给锂电池组(LBP)充电；结束充电后，控制指令先使ACPM停止供电输出，再根据限位开关(LS)触发的限位信号使LMM和MLS分别复位至行程中点和上限位点。为保证安全，用户可随时通过急停按钮(ESB)紧急停止系统运行和供电输出。另外，TPAC还可通过网络接入器(NAD)将电压/电流/功率、电价/电量/电费、启用/停用时间、卡内剩余电费等用电信息实时上传给管理员计算机(ADC)，以便进行数据存储/备份、历史记录查询、统计分析报告、预设参数优化、远程费控/售电、遗补/退/换卡等用电业务操作，同时进一步将用电提示信息通过互联网应用提供给相关用户。
其操作流程是：1)按地面指定位置泊车，并检查清理车顶充电接口；2)在控制箱面板刷卡处刷购电卡，取出卡内电费；3)如提示卡内电费不足，须前往售电部门购电(售电可分区管理，跨区可限制用电，同区可跨箱用电)；4)如提示泊车位置超限，须重新调整泊车位置；5)选择充电方式(充满、定量、定费、定时)，并设置相应参数；6)如提示参数设置有误，须重新选择充电方式和设置相应参数；7)确认启动充电程序，否则须重新选择充电方式和设置相应参数；8)观察控制箱面板提示信息，并监视车顶充电接口自动对接过程；9)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理；10)如要结束充电，须再次刷购电卡取回剩余电费，并监视车顶充电接口自动分离过程；11)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理。
本发明的有益效果是：一种电动汽车用自动化无线充电装置，不仅能实现车顶充电接口自动对接、电磁感应式无线充电、公用预付费射频卡用电计量、用电安全监测及保护等主要功能，还具有远程监控和道路照明等可选功能；解决了现有车底安装式无线充电装置普遍存在的应用推广门槛高、地面安装工程量大、环境适应性差、自动化程度低、充电接口对接困难、功能扩展性差等问题，可广泛应用于电动汽车充电等公用设施。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明充电状态时的机械结构之正视图。
图2是本发明充电状态时的机械结构之俯视图。
图3是本发明充电状态时的机械结构之右视图。
图4是本发明的电路结构图。
图5是本发明的操作流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步描述。
在图1～3所示实施例中，本发明的机械结构主要包括：悬臂框架(CF)、控制箱(CB)、直线运动模组(LMM)、多级升降螺杆(MLS)、智能一体化电机(IIM)、万向接头(UJ)、悬挂弹簧(PS)、桩端充电接口(CIP)、车端充电接口(CIV)、磁屏蔽板(MSP)等基本部件，以及监控摄像头(SC)、LED灯具(LEDL)等可选部件；其中，CF为双悬臂式框架结构，CF安装在路边地面上，CB安装在CF立面支架上，LMM跨接在CF顶部的双悬臂上，MLS通过UJ铰接在LMM上，3台IIM分别安装在LMM和MLS的端部，PS为圆锥形螺旋弹簧，PS的锥顶和锥底分别连接MLS的底端和CIP的顶端，MSP的顶端和底端分别连接CIV的底端和车顶行李架(LR)；另外，在CF顶部支架上还可加装SC和LEDL。
在图4所示实施例中，本发明的电路结构主要包括：桩端充电系统(CSP)、车端充电系统(CSV)、网络接入器(NAD)、管理员计算机(ADC)、工频交流电源(ACS)、射频购电卡(RFPC)、售电管理软件及射频卡发卡器等电路部件，其中，CSP主要包括带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)、智能一体化电机(IIM)、限位开关(LS)、急停按钮(ESB)、智能交流电能表(ACPM)、自动重合闸用电保护器(ACGP)、PFC整流逆变器(PRI)、桩端充电接口(CIP)、射频卡读写器(RFCR)、监控摄像头(SC)等电路组件，CSV主要包括车端充电接口(CIV)、充电控制器(BCC)、锂电池组(LBP)等电路组件，售电管理软件及射频卡发卡器安装在ADC上，TPAC也可替换为带运动控制卡的触控式工业平板电脑、带触摸屏的独立式运动控制器等控制器，CIP和CIV分别为感应线圈及其圆盘形铁芯的原边和副边；另外，TPAC还可通过NAD和ADC进行远程通信连接。其电路原理是：TPAC根据RFCR取出的RFPC卡内电费判断电费是否不足，然后根据SC捕获的视觉图像判断泊车是否到位；再后根据充电接口自动对接控制算法，将运动控制指令发送给IIM，驱动直线运动模组(LMM)和多级升降螺杆(MLS)使CIP与CIV对接；再后通过CIP与CIV间的电磁载波通信，实现充电桩与电动汽车间的充电信息引导；最后TPAC向ACPM发出供电指令，ACGP得电自检无故障后合闸输出，ACS经RI整流和逆变后输出脉冲交流电能，再经CIP转变为脉冲磁能，CIV通过电磁感应再变回脉冲交流电能，经BCC转换为直流电能输出给LBP充电；结束充电后，控制指令先使ACPM停止供电输出，再根据LS触发的限位信号使LMM和MLS分别复位至行程中点和上限位点。为保证安全，用户可随时通过ESB紧急停止系统运行和供电输出。另外，TPAC还可通过NAD将电压/电流/功率、电价/电量/电费、启用/停用时间、卡内剩余电费等用电信息实时上传给ADC，以便进行数据存储/备份、历史记录查询、统计分析报告、预设参数优化、远程费控/售电、遗补/退/换卡等用电业务操作，同时进一步将用电提示信息通过互联网应用提供给相关用户。
在图5所示实施例中，本发明的操作流程主要包括：1)按地面指定位置泊车，并检查清理车顶充电接口；2)在控制箱面板刷卡处刷购电卡，取出卡内电费；3)如提示卡内电费不足，须前往售电部门购电(售电可分区管理，跨区可限制用电，同区可跨箱用电)；4)如提示泊车位置超限，须重新调整泊车位置；5)选择充电方式(充满、定量、定费、定时)，并设置相应参数；6)如提示参数设置有误，须重新选择充电方式和设置相应参数；7)确认启动充电程序，否则须重新选择充电方式和设置相应参数；8)观察控制箱面板提示信息，并监视车顶充电接口自动对接过程；9)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理；10)如要结束充电，须再次刷购电卡取回剩余电费，并监视车顶充电接口自动分离过程；11)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理。

Claims (5)

1.一种全自动车顶感应式公用充电桩，不仅能实现车顶充电接口自动对接、电磁感应式无线充电、公用预付费射频卡用电计量、用电安全监测及保护主要功能，还具有远程监控和道路照明可选功能；主要包括悬臂框架(CF)、控制箱(CB)、直线运动模组(LMM)、多级升降螺杆(MLS)、智能一体化电机(IIM)、万向接头(UJ)、悬挂弹簧(PS)、桩端充电接口(CIP)、车端充电接口(CIV)、磁屏蔽板(MSP)、射频购电卡(RFPC)、管理员计算机(ADC)、售电管理软件及射频卡发卡器基本部件，以及监控摄像头(SC)、LED灯具(LEDL)、网络接入器(NAD)可选部件；其中，CB包括带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)、智能交流电能表(ACPM)、自动重合闸用电保护器(ACGP)、PFC整流逆变器(PRI)、射频卡读写器(RFCR)、温控器(TC)、排风扇(VF)、开关电源(SPS)、急停按钮(ESB)、LED指示灯(LIL)组件。
2.根据权利要求1所述的全自动车顶感应式公用充电桩，所述充电桩的机械结构是：悬臂框架(CF)为双悬臂式框架结构，CF安装在路边地面上，控制箱(CB)安装在CF立面支架上，直线运动模组(LMM)跨接在CF顶部的双悬臂上，多级升降螺杆(MLS)通过万向接头(UJ)铰接在LMM上，智能一体化电机(IIM)和限位开关(LS)安装在LMM和MLS的端部，悬挂弹簧(PS)为圆锥形螺旋弹簧，PS的锥顶和锥底分别连接MLS的底端和桩端充电接口(CIP)的顶端，磁屏蔽板(MSP)的顶端和底端分别连接车端充电接口(CIV)的底端和车顶行李架(LR)；另外，在CF顶部支架上还可加装监控摄像头(SC)和LED灯具(LEDL)。
3.根据权利要求1所述的全自动车顶感应式公用充电桩，所述充电桩的电路结构是：主要包括桩端充电系统(CSP)、车端充电系统(CSV)、网络接入器(NAD)、管理员计算机(ADC)、工频交流电源(ACS)、射频购电卡(RFPC)、售电管理软件及射频卡发卡器电路部件，其中，CSP主要包括带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)、智能一体化电机(IIM)、限位开关(LS)、急停按钮(ESB)、智能交流电能表(ACPM)、自动重合闸用电保护器(ACGP)、PFC整流逆变器(PRI)、桩端充电接口(CIP)、射频卡读写器(RFCR)、监控摄像头(SC)电路组件，CSV主要包括车端充电接口(CIV)、充电控制器(BCC)、锂电池组(LBP)电路组件，售电管理软件及射频卡发卡器安装在ADC上，TPAC也可替换为带运动控制卡的触控式工业平板电脑或带触摸屏的独立式运动控制器，CIP和CIV分别为感应线圈及其圆盘形铁芯的原边和副边；另外，TPAC还可通过NAD和ADC进行远程通信连接。
4.根据权利要求1所述的全自动车顶感应式公用充电桩，所述充电桩的控制原理是：带触摸屏的可编程自动化控制器(TPAC)根据射频卡读写器(RFCR)取出的射频购电卡(RFPC)卡内电费判断电费是否不足，然后根据监控摄像头(SC)捕获的视觉图像判断泊车是否到位；再后根据充电接口自动对接控制算法，将运动控制指令发送给智能一体化电机(IIM)，驱动直线运动模组(LMM)和多级升降螺杆(MLS)使桩端充电接口(CIP)与车端充电接口(CIV)对接；再后通过CIP与CIV间的电磁载波通信，实现充电桩与电动汽车间的充电信息引导；最后TPAC向智能交流电能表(ACPM)发出供电指令，自动重合闸用电保护器(ACGP)得电自检无故障后合闸输出，工频交流电源(ACS)经带PFC的整流逆变器(PRI)整流和逆变后输出脉冲交流电能，再经CIP转变为脉冲磁能，CIV通过电磁感应再变回脉冲交流电能，经充电控制器(BCC)转换为直流电能输出给锂电池组(LBP)充电；结束充电后，控制指令先使ACPM停止供电输出，再根据限位开关(LS)触发的限位信号使LMM和MLS分别复位至行程中点和上限位点；为保证安全，用户可随时通过急停按钮(ESB)紧急停止系统运行和供电输出；另外，TPAC还可通过网络接入器(NAD)将用电信息实时上传给管理员计算机(ADC)，以便进行用电业务操作，同时进一步将用电提示信息通过互联网应用提供给相关用户。
5.根据权利要求1所述的全自动车顶感应式公用充电桩，所述充电桩的操作流程是：1)按地面指定位置泊车，并检查清理车顶充电接口；2)在控制箱面板刷卡处刷购电卡，取出卡内电费；3)如提示卡内电费不足，须前往售电部门购电(售电可分区管理，跨区可限制用电，同区可跨箱用电)；4)如提示泊车位置超限，须重新调整泊车位置；5)选择充电方式(充满、定量、定费、定时)，并设置相应参数；6)如提示参数设置有误，须重新选择充电方式和设置相应参数；7)确认启动充电程序，否则须重新选择充电方式和设置相应参数；8)观察控制箱面板提示信息，并监视车顶充电接口自动对接过程；9)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理；10)如要结束充电，须再次刷购电卡取回剩余电费，并监视车顶充电接口自动分离过程；11)如提示故障或有异常，须立即按下急停按钮，并通知客服检修处理。
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