CN106627161A - 一种电动汽车行驶充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车行驶充电系统，以电缆系统、升降系统、能量切换接口、车载终端、中枢调控系统为基础。当电动汽车需要充电并驶入充电线路后，升降系统升起接通电缆系统，能量切换接口切换为由电缆系统供电；车载终端对车辆状态参数以及用电量进行监控，并与中枢调控系统通讯；电动汽车充电行驶时有两种行驶状态：手动驾驶/自动驾驶；中枢调控系统监控整段线路上的充电行驶车辆状态，对供电量进行调节，并对自动/手动驾驶车速进行调控。该电动汽车行驶充电系统可彻底消除充电等待时间，提高续航能力，解决对化石能源的依赖，实现零污染物排放，自动驾驶也可保证电动汽车充电行驶安全车速和车距，缓解用户长途驾驶疲劳。

Description

一种电动汽车行驶充电系统
技术领域
本发明属于汽车技术、新能源技术以及互联网技术领域，具体涉及一种电动汽车行驶充电系统。
背景技术
随着传统汽车行业石油能源危机日益严重，发展新能源汽车的需求已经迫在眉睫。另一方面，传统发动机汽车排放的有害气体也是导致的今日环境污染问题主要原因之一。为了解决上述问题，电动汽车在近些年来得到飞速发展。电动汽车依靠电能作为动力能源，消除了传动汽车行业对石油能源的依赖，同时电动汽车零污染物排放等优点，决定了电动汽车未来巨大的发展潜力。
电动汽车的发展，瓶颈是充电难，续航能力短，固定充电桩充电时间长。电动汽车是汽车行业未来发展趋势，因此需要解决电动汽车充电占用时间长和续航能力短的问题，提高充电效率。为了解决上述问题，实现电动汽车行驶过程中充电，国内外相关研究机构和公司进行了大量的研究和探索。总体上可分为电动汽车无线充电技术和电动汽车有线充电技术两大类。2016年，美国高通公司提出使电动汽车在行驶中充电的动态无线充电技术；2014年，清华大学的研究团队提出一种智能充电系统。但是无线充电技术成本极其高，而且存在电磁干扰等问题，中短期内无实际应用价值。2014年，西门子在美国洛杉矶的高速公路上为电力混合驱动的卡车架设了电气化接触网系统，卡车在该测试道路上行驶时，从上端的接触网获得电力驱动，在时速高达90公里的情况下，其智能受电弓能够实现汽车的自动搭接或脱离架空接触网进行超车；而在普通道路上卡车则利用柴油或电池进行驱动。国内有电动车车辆公司对侧集电的充电方式进行了研究开发，其适用范围仅限于园区观光电动车的运行；
但是目前已有的一些电动汽车充电方案仅仅对电动汽车与充电电缆的接口问题提供了技术方案，而对整个电动汽车行驶充电系统(如电缆系统、升降系统、能量切换接口、车载终端以及整条充电线路的中枢调控系统)没有具体方案介绍，缺乏实际应用价值。
发明内容
本发明提供了一种电动汽车行驶充电系统，该电动汽车行驶充电系统包括三层结构。中层结构为本发明实现电动汽车行驶充电功能的基础，包括电缆系统1、升降系统2和能量切换接口3；底层结构为本发明中用于控制电动汽车行驶充电的车载信号，而为每辆电动汽车配置的车载终端4；上层结构为本发明中用于宏观调控整条充电线路的中枢调控系统5。
电缆系统1组成要素包括N段分段独立式高架电线1.1N(N＝1，2，3，...)，和M个供电功率调节模块1.2M(M＝1，2，3，...)。电缆系统1的功能作用是给充电线路上的行驶电动汽车提供电能，给电动汽车车载电池3.1充电，给电动汽车车载电机3.2及其他车载设备(如照明灯等)供电。电缆系统1可铺设在城市与城市之间的高速公路上，也可以铺设在一个城市不同城区之间的路段上，一般为单道全程铺设，和普通无电线路并列铺设。电动汽车需要充电时可进入充电线路段，通过电缆系统1取电；当电动汽车不需要充电时，即可使出充电线路进入普通段无电线路继续行驶。
升降系统2的组成要素包括可折叠式升降杆2.1，电缆系统接口装置2.2，和具有一定自由度的机械接口2.3。升降系统2的功能是：电动汽车行驶充电时，可折叠式升降杆2.1升起将电缆系统接口装置2.2升起接触上高架电线1.1对电动汽车进行充电供电；当电动汽车充完电驶出充电线路时，升降系统2折叠回收进车顶；具有一定自由度的机械接口2.3的作用是保证升降系统2与车顶的连接具有一定的自由度(可类似球铰连接)，保证电动汽车在充电线路充电行驶时的灵活性。
能量切换接口3的组成要素包括车载电池3.1，车载电机3.2，电池电机接口模块3.3。能量切换接口3的功能作用是：保证电动汽车在充电线路上行驶充电时，车载电池3.1与车载电机3.2之间断开，由电缆系统1同时直接给车载电池3.1和车载电机3.2供电；当车载电池3.1充满电时，车载电池3.1与电缆系统1之间自动断开，防止电量倒流，过载充电；电动汽车驶出充电段线路进入普通无电线路时，车载电池3.1和车载电机3.2之间接通，由车载电池3.1给车载电机及其他车载设备供电。
车载终端4的组成包括升降系统控制模块4.1，计费功能模块4.2，通信模块4.3，缴费支付系统4.4，用户交互界面4.5，自动驾驶模块4.6。车载终端4的功能包括控制升降系统2的升降；升降系统2接入电网后，能量切换接口3能够自动将车载电机3.2的供电切换为电缆系统1，升降系统2离开电网后，能量切换接口3能够自动将车载电机3.2的供电切换为车载电池3.1；计费功能模块4.2实时监测记录电动汽车充电用电量；通信模块4.3实现车载终端4与中枢调控系统5的数据通信；缴费支付系统4.4记录用户账户信息，通过通信模块4.3实现用户缴费充值；用户交互界面4.5将用电量、用户信息、升降系统控制操作等功能界面图形化显示，并与汽车用户实现功能互动；自动驾驶模块4.6实现自动驾驶、车速控制，保证电动汽车充电行驶安全车距。
中枢调控系统5包括数据通信模块5.1，数据库模块5.2，统计分析模块5.3，电网调度与负荷管理模块5.4，，档案管理模块5.5，收费系统模块5.6，警报处理系统模块5.7。中枢调控系统5的功能是充电线路上的电动车状态参数的存储、分析与显示(如充电时间，当前充电电动车数量，当前充电电动车车速和位置)，各段充电线路供电电压电流的状态监控与调节，紧急情况的警报和处理，自动驾驶电动汽车的充电过程中的车速调控，电动汽车用户的信息存储与电费支付。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，以电缆系统1、升降系统2、能量切换接口3、车载终端4、中枢调控系统5为基础，集电动汽车行驶充电、电网线路分段式全线搭建、车辆用电实时监控、自动计费缴费、汽车自动驾驶等功能技术于一体。可彻底消除电动汽车充电等待时间，提高电动汽车续航能力，解决传统汽车行业对化石能源的依赖，实现零污染物排放，自动驾驶也可使电动汽车在行驶充电过程中保证安全行驶车速和车距。在电动汽车发展已成为必然趋势的今天，具有很高的实际应用价值。
(2)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，其电缆系统1采用分段独立式高架电线1.1N(N＝1，2，3，...)组成，第N段和第(N+1)段之间的过渡处采用绝缘结构进行连接，保证段与段之间相互独立性(若其中一段充电线路出现故障，不影响其他段充电线路的正常工作)，又保证了全线的整体性。此外，电缆系统1的供电采取“用多少供多少”的原则，每段分段独立式高架电线1.1N上的供电功率调节模块1.2M可接收来自中枢调控系统5的监控数据，动态调整每段充电线路的供电功率，提高各段充电线路的供电效率。
(3)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，其升降系统2底部与车顶连接处设置的具有一定自由度的机械接口2.3使得升降系统2与车顶的机械连接可具有一定的自由度(可类似于球型铰链连接)，保证了电动汽车在充电线路上行驶时的灵活性。升降系统2在未接入电网时可自动折叠收起，保证车体的美观和减小气动阻力。
(4)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，其能量切换接口3保证了电动汽车在充电线路上行驶充电时，车载电池3.1和车载电机3.2之间是断开的，由电缆系统1同时直接给车载电池3.1和车载电机3.2供电；当车载电池3.1充满电后，车载电池3.1与电缆系统1之间会自动断开，如果电动汽车继续在充电线路上行驶，电缆系统1此时只给车载电机3.2和其他车载设备供电，防止车载电池3.1电量倒流，过载充电，降低车载电池3.1的剩余使用寿命；当电动汽车进入普通无电线路行驶时，车载电池3.1和车载电机3.2之间自动接通，此时车载电机3.2和其他车载设备的供电切换为车载电池3.1。
(5)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，其车载终端4是连接车辆与电气网络、用户与中枢调控系统的智能终端系统。用户通过用户交互界面4.5下达指令进行控制，包括启动升降系统控制模块4.1，使用缴费支付系统4.4进行充值缴费。计费功能模块4.2在电动汽车接入电气网络后自动记录用电量。用户用电信息、车辆行驶状态等信息经过MCU综合处理，通过通信模块4.3与中枢调控系统进行双向实时通讯。自动驾驶模块4.6可以通过采集GPS定位信息，中枢调控系统5的充电线路车流量信息等，与支持自动驾驶的电动汽车提供数据，优化电动汽车在充电线路上的行驶效率。
(6)本发明的一种电动汽车行驶充电系统，其中枢调控系统5能够实现对电动车充电过程的状态参数进行全面采集和监控，以及电动汽车进行自动驾驶时的车速控制；警报处理系统5.7对出现的潜在故障提供了及时断电处理、故障线路标记维修等处理方案；收费系统5.6展示出系统的盈利模式，为该电动汽车行驶充电方案的实际应用提供了支持。
附图说明
图1是本发明的电动汽车行驶充电系统总体方案图；
图2是本发明的电缆系统原理图；
图3是本发明的电缆系统布局图一；
图4是本发明的电缆系统布局图二；
图5是本发明的升降系统原理图；
图6是本发明的能量切换接口原理图；
图7是本发明的车载终端原理图；
图8是本发明的中枢调控系统功能结构图；
图9是本发明的中枢调控系统原理图；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种电动汽车行驶充电系统包括三层结构。中层结构为本发明为实现电动汽车行驶充电功能的基础，包括电缆系统1和升降系统2和能量切换接口3；底层结构为本发明为每辆行驶电动汽车配置的车载终端系统4，用于控制电动汽车行驶充电车载信号；上层结构为本发明中用于调控整条充电线路的中枢调控系统5。具体实施方式如下：当每辆电动汽车需要充电并驶入充电线路后，车载终端4控制升降系统2升起并和电缆系统1接通，同时控制能量切换接口3自动切换为由电缆系统1提供电能；电动汽车在充电线路上行驶充电时，由每辆车配置的车载终端4对车辆状态参数以及用电量进行监控，并将相关数据通过远程无线通信传送至中枢调控系统5，实现数据的存储分析和电量计费的同步记录；每辆电动汽车在充电线路上充电行驶时，有两种行驶状态：用户手动驾驶状态和自动驾驶状态；中枢调控系统5监控分析整段充电线路上的充电行驶车辆状态，对该段充电线路的供电量进行调节，并对该段线路的自动/手动驾驶车速进行宏观调控。
如图2、图3和图4所示，电缆系统1的实施方式如下：电缆系统1可铺设在城市与城市之间的高速公路上，也可以铺设在一个城市不同城区的路段上，一般为单道全程铺设，和普通无电线路并列铺设。整条电缆系统一般分为N段铺设，相隔一定的距离为同一段，段与段之间的过渡处采用图2所示的过渡结构进行连接，保证段与段之间相互独立性(若某一段充电线路出现故障，不影响其他段供电线路的功能)。另一方面，同一条充电线路各段的电量来源不一定要一样，如图3所示，一般采取“就近原则”，距离某一电厂近的电缆系统段的电量供应来自同一电厂供电。这种“混合容错”的方法可提高整个电缆网络的可靠性。最后，每段充电线路上的供电用电采取“用多少供多少”的原则，因此，每段充电线路上的供电功率调节模块1.2M可接收来自中枢调控系统5的监控数据，动态调整每段供电线路上的供电功率。
如图5所示，升降系统2的实施方式如下：电动汽车在普通无电线路上行驶时，升降系统2是折叠回收进车顶的，并由顶盖盖住，不影响电动汽车整体外观美观和减小气动阻力。当电动汽车驶入充电线路进行行驶充电时，升降系统2在车载终端4的控制作用下升起，将电缆系统接口装置2.2升起接触上高架电线1.1N对电动汽车进行供电。升降系统2底部与车顶连接处设置具有一定的自由度的机械接口2.3(可类似于球型铰链连接)，保证电动汽车在该段充电线路上行驶充电时的灵活性，可实现偏道行驶。当电动汽车充完电驶出充电线路进入普通无电线路后，升降系统与高架电线1.1脱离，并自动折叠回收进车顶。
如图6所示，能量切换接口3的实施方式如下：电动汽车在普通无电线路行驶时，车载电池3.1与车载电机3.2接通，由车载电池3.1给车载电机3.2和其他车载设备供电。当电动汽车驶入充电线路进行行驶充电时，控制车载电池3.1与车载电机3.2断开，电缆系统1与车载电池3.1接通，同时电缆系统1与车载电机3.2及其他车载设备接通，保证对电动汽车的车载电池3.1进行充电，同时电动汽车行驶充电过程中的车载设备的用电直接来自电缆系统1，防止车载电池3.1边充电边使用，缩短车载电池3.1的使用寿命。另一方面，当车载电池3.1充满电后，电缆系统1与车载电池3.1自动断开，防止电池充满电后仍与电缆系统1接通，出现电量倒流，过载充电，降低车载电池3.1的剩余使用寿命。
如图7所示，车载终端4的实施方式如下：当电动汽车驶入充电线路时，用户通过用户交互界面4.5下达指令，控制升降系统2升起，电动汽车接入电网。计费功能模块4.2启用，实时检测并记录电动汽车用电量，通过通信模块4.3与中枢调控系统5双向实时数据通信，通信的数据包括用户用电量，用户账户余额，车辆GPS定位信息等。用户通过交互界面4.5可以完成缴费支付，支付信息通过通信模块4.3与中枢调控系统5进行同步。同时，车载终端4的自动驾驶模块4.6可以通过采集GPS定位信息，中枢调控系统5的充电线路车流量信息等，与支持自动驾驶的电动汽车提供数据，优化电动汽车在充电线路上的行驶效率。
如图8和图9所示，中枢调控系统5的实施方式如下：中枢调控系统5通过数据通信模块5.1对行驶充电电动汽车的运行状态参数进行实时数据采集和监控，包括充电电流电压、充电时间、车速、电动汽车的地理位置等，结合自动驾驶电动汽车，可以建立通信系统，进行充电时的电动汽车车速调控；将数据信息存入数据库5.2，利用统计分析模块5.3对各类数据进行统计分析；同时通过电网调度和负荷管理模块5.4对充电线路的负荷进行监控，实现电网的智能调节，提高电网的利用率；利用档案管理模块5.5，建立电动汽车用户信息，便于管理用户使用情况，同时支持用户对电动汽车充电信息的查询；通过采集的电动汽车充电时长以及位置信息，利用收费系统5.6进行电费的结算。后台对各项数据进行处理和分析，对电动汽车的异常状态发出警报，通过警报处理系统5.7对充电线路的故障做出及时处理，以及根据充电线路的使用情况，分析线损等问题，保证充电线路的正常使用。

Claims (6)

1.一种电动汽车行驶充电系统，其特征在于，该电动汽车行驶充电系统以电缆系统1、升降系统2、能量切换接口3、车载终端4、中枢调控系统5为基础，集电动汽车行驶充电、电网线路分段式全线搭建、车辆用电实时监控、自动计费缴费、汽车自动驾驶等功能技术于一体。可彻底消除电动汽车充电等待时间，提高电动汽车续航能力，解决传统汽车行业对化石能源的依赖，实现零污染物排放，自动驾驶也可使电动汽车在行驶充电过程中保证安全行驶车速和车距。在电动汽车发展已成为必然趋势的今天，具有很高的实际应用价值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车行驶充电系统，其特征在于，其电缆系统1采用分段独立式高架电线1.1N(N＝1，2，3，...)组成，第N段和第(N+1)段之间的过渡处采用绝缘结构进行连接，保证段与段之间相互独立性(若其中一段充电线路出现故障，不影响其他段充电线路的正常工作)，又保证了全线的整体性。此外，电缆系统1的供电采取“用多少供多少”的原则，每段分段独立式高架电线1.1N上的供电功率调节模块1.2M可接收来自中枢调控系统5的监控数据，动态调整每段充电线路的供电功率，提高各段充电线路的供电效率。
3.根据权利要求1所述的电动汽车行驶充电系统，其特征在于，其升降系统2底部与车顶连接处设置的具有一定自由度的机械接口2.3使得升降系统2与车顶的机械连接可具有一定的自由度(可类似于球型铰链连接)，保证了电动汽车在充电线路上行驶时的灵活性。升降系统2在未接入电网时可自动折叠收起，保证车体的美观和减小气动阻力。
4.根据权利要求1所述的电动汽车行驶充电系统，其特征在于，其能量切换接口3保证了电动汽车在充电线路上行驶充电时，车载电池3.1和车载电机3.2之间是断开的，由电缆系统1同时直接给车载电池3.1和车载电机32供电；当车载电池3.1充满电后，车载电池3.1与电缆系统1之间会自动断开，如果电动汽车继续在充电线路上行驶，电缆系统1此时只给车载电机3.2和其他车载设备供电，防止车载电池3.1电量倒流，过载充电，降低车载电池3.1的剩余使用寿命；当电动汽车进入普通无电线路行驶时，车载电池3.1和车载电机3.2之间自动接通，此时车载电机3.2和其他车载设备的供电切换为车载电池3.1。
5.根据权利要求1所述的电动汽车行驶充电系统，其特征在于，其车载终端4是连接车辆与电气网络、用户与中枢调控系统的智能终端系统。用户通过用户交互界面4.5下达指令进行控制，包括启动升降系统控制模块4.1，使用缴费支付系统4.4进行充值缴费。计费功能模块4.2在电动汽车接入电气网络后自动记录用电量。用户用电信息、车辆行驶状态等信息经过MCU综合处理，通过通信模块4.3与中枢调控系统进行双向实时通讯。自动驾驶模块4.6可以通过采集GPS定位信息，中枢调控系统5的充电线路车流量信息等，与支持自动驾驶的电动汽车提供数据，优化电动汽车在充电线路上的行驶效率。
6.根据权利要求1所述的电动汽车行驶充电系统，其特征在于，其中枢调控系统5能够实现对电动车充电过程的状态参数进行全面采集和监控，以及电动汽车进行自动驾驶时的车速控制；警报处理系统5.7对出现的潜在故障提供了及时断电处理、故障线路标记维修等处理方案；收费系统5.6展示出系统的盈利模式，为该电动汽车行驶充电方案的实际应用提供了支持。
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