CN112793444A - 防撞护栏式供电桩系统 - Google Patents

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Abstract

防撞护栏式供电桩系统是利用高速公路或停车场上随处可见的防撞护栏作为充电回路的一部分，从而实现在加装单根供电火线后能给车辆供电的系统。防撞护栏式供电桩系统包含C型带绝缘套供电火线，高速防撞护栏波形板供电地线，和安装在汽车上的受电弓三部分。防撞护栏式供电桩系统既可以利用高速里侧车道连续防撞护栏改造后给车辆行驶中供电，又可以利用停车场防撞护栏加装绝缘防护箱后给车辆停车充电。防撞护栏式供电桩系统初步采用220V交流电压，和居民生活电压保持一致。随处可见的防撞护栏改造成供电桩系统后能有效解决电动汽车里程焦虑问题。

Description

防撞护栏式供电桩系统
技术领域
目前电动汽车技术稳步发展，但始终无法破解里程焦虑的瓶颈。电动汽车制造商对电动汽车里程焦虑的主流解决方案是增加电池容量，提高电池能量密度，增加电的利用效率，加快充电速度等几个角度入手；由于受到目前技术水平限制，电动汽车制造商是无法摆脱里程焦虑困境的。如何破除里程焦虑的瓶颈，助力电动汽车迅猛发展呢？
防撞护栏式供电桩系统是一款低成本的给停车静止状态或高速移动电动汽车提供接触式持续的供电设备；能给静止态或高速行驶的电动汽车提供外部电源，此系统包含高速防撞护栏式供电桩和电动汽车上安装的支架式受电弓系统两部分。高速防撞护栏式供电桩的特点是C型带绝缘套供电火线来集中供电，利用现有高速防撞护栏稍加改动作为电路的分散式回路，极大降低成本。受电弓零电压地线接触石墨块为和防撞护栏波形板形状匹配的波形，起到整套设备稳定接入的作用；受电弓火线接触块为可旋转45度石墨棒形状，主要是为了即保证避免人畜误碰火线受伤害的安全基础上又能顺利受电。受电弓支架，斜45度置于车底，能把受电弓在车辆左后部伸出或拉入车体，支架为垂直向刚性和水平向弹性结构；此支架结构既支持行驶中左侧充电，又支持停车场尾侧充电。受电弓有效工作距离是0.5-1.5米，当车体离防撞护栏超过1.5米时，受电弓会在1秒内提示一声后迅速缩入车内，重新手动按钮才能执行受电弓伸出接触受电步骤；可以开发行驶车辆和防撞护栏距离固定的定距巡航功能来减轻人工控制受电弓的工作量。防撞护栏式供电桩系统提供晚上停车场后置慢充和高速移动侧边接触式持续式供电两种供电方式，方便的供电方式加上低价易推广的特性能有效解决电动汽车里程焦虑难题。
背景技术
里程焦虑的由来：储电式电动汽车电池容量有限，以60公里每小时速度跑400公里，以120公里每小时速度跑不到200公里，这从能量学角度来讲是非常合理的，能量消耗是质量乘以速度的平方，速度加快一倍，跑200公里用的时间减半，但是能量消耗翻了一倍，原来400公里的续航里程掉到了200公里，这就是里程焦虑的核心由来。此外，电动汽车充电时间是个大麻烦，慢充80％电量需要8个小时，快充80％电量需要1个小时。也就是说在单个城市里，一天中低速跑400公里基本能够满足绝大部分居民出行需要。里程焦虑核心表现在电动汽车跑高速的乏力和充电时间过长之间的冲突。
在汽车制造商敲破脑袋都解决不了的难题，却在另外一个领域轻松实现了，中国高铁正在以350公里的时速从北京跑到广州，高铁列车本身带的充电电池容量很小，但是却能以很高速度持续运行，远距离移动，这主要归功于强大和完善的中国电网。解决电动汽车里程焦虑难题的不是汽车制造商，而中国电网改造后能为电动汽车持续提供能量的高速公路。这就引出了我们的新发明，如何在高速公路上低成本的给电动汽车提供能量。
发明内容
防撞护栏式供电桩系统是一款低成本的给停车静止状态或高速移动电动汽车提供接触式持续的供电设备；能给静止态或高速行驶的电动汽车提供外部电源，此系统包含高速防撞护栏式供电桩和电动汽车上安装的支架式受电弓系统两部分。
图1，不同于高铁和城市电动公交车的供电设备架设在空中，高速公路的防撞护栏式供电桩系统位于车道侧边的防撞护栏上。103C型带绝缘套供电火线过绝缘体支架固定安装在防撞护栏立柱上离地1米高处，也就是位于防撞波形板20厘米的固定高处，C形开口朝向高速路。原防撞护栏的横置波形板除了具备原有的防撞击功能外，它和防撞立柱一起增加一项地线零电压分散式导电功能。
图2、汽车受电弓隐藏在车底和车体，上高速稳定行驶后，电动汽车靠近供电护栏时，控制受电弓伸出来使用。受电弓下部的110的波形受电弓和原防撞护栏的横置防撞波形板接触，当两者完全吻合后，触发受电弓上部108可旋转火线石墨棒从平行于车侧边旋转到平行于受电弓支架，从而准确转到供电火线的C形槽里，108可旋转火线石墨棒和103C型带绝缘套供电火线联结，有导线接入发动机做功，完成电流闭环。受电弓系统上下两个接触块之间的支架是绝缘的。接触式受电弓有效工作距离是0.5米至1.5米。脱离工作距离时受电弓会在提示一声后自动收起，方便超车或驶出高速；重新手动按钮才能执行受电弓伸出接触受电步骤；可以开发行驶车辆和防撞护栏距离固定的定距巡航功能来减轻人工控制受电弓的工作量。
这套系统能为电动汽车提供持续能量，让电动汽车跑高速不消耗自身存储电量。我们也可以在静止态时使用此系统作为主要充电方式。由于受电弓支架是斜向后方，支架具备垂直方向刚性和水平方向弹性特征，把防撞护栏式充电桩装在车侧和车后均能正常接触获取电力。停车场的防撞护栏式充电桩一般位于车辆后面，并加装保护箱体，箱体内可以取电计价，箱体外的线缆全部被绝缘体防护或者刷绝缘漆；高速公路的防撞护栏式充电桩位于车辆左侧，仅在供电火线加装了C形绝缘护套，在安全的基础上方便行驶中充电。
相比较于高空高压架线的高铁，防撞护栏供电桩系统采用低压电的侧边供电方式更适合低成本的高速公路。由于高速护栏金属横板防撞带截面够大能够承载较大电流，前期为了经济我们可以选择220V供电电压；后期为了高效我们也可以选择升级成为城市电车配套的750伏和1500伏标准。我们把1千米的供电护栏作为一个独立供电单元，三个供电单元组成一个供电组，每个供电组由一个连接外部电网的变压器供电。
附图说明
图1防撞护栏供电桩系统 101连接外部电网的变电站、102火线输电线、103 C型带绝缘套供电火线、104连接防撞竖柱和C型带绝缘套供电火线绝缘体支架、105原防撞护栏的横置波形板、106防撞护栏防撞竖柱、107高速公路路面、108可旋转火线石墨棒、109受电弓支架绝缘部分、110与原防撞护栏的横置波形板形状匹配的波形受电弓。
图2电动汽车受电弓俯视图 201车体、202原防撞护栏的横置波形板和C型带绝缘套供电火线、203车底受电弓支架、204伸出工作状态的受电弓、205高速公路车道标线、206超车或驶离高速车辆的收起状态的受电弓。
具体实施方式
以220常用电压为例，防撞护栏立柱顶部通过绝缘部件连接C型带绝缘套供电火线距地面1米高，连接变电站220V的火线。防撞护栏立柱和立柱上的原防撞护栏的横置波形板优化形状并涂防锈导电漆，横置波形板安装在距地面0.6-0.8米高处，形成零电压的地线。每1千米防撞护栏为一个供电单元，由连接外部电网的变压器供电。
在每台电动汽车底部加装45度斜角的斜置式可伸缩受电弓支架，支架具备垂直方向刚性和水平方向弹性特征，受电弓支架末端下部安装波形受电弓，上部安装可旋转火线石墨棒，受电弓系统能在平时隐藏在车底和车体，获取外部电力时伸出车外。
当受电弓接触到防撞护栏式供电桩时，220V电流从变电站流出，通过C形供电火线流入受电弓支架上部108可旋转火线石墨棒，顺受电弓支架电线进入电动汽车电机做功或者给电池充电，做完功或充完电的零电压电流，通过电弓支架电线流入110原防撞护栏的横置防撞带形状匹配的受电弓，受电弓和防撞护栏横防撞带接触，零电压电流通过横防撞带，进入防撞带立柱，进入大地，最后流回变电站，形成一个大回路。
目前单台电动汽车功率约在50KW左右，当车在高速公路上高速运动时，功率达到最大的50KW，在220V电压下，电线电流约230A，需要单台车配50平方毫米截面的铜电线，当每1千米为一个单元，每隔100米一辆电动汽车需要充电行驶，单侧供电火线采用的铜质电线截面就需要5平方厘米，每千米需要铜0.5立方米，大约4.5吨，目前铜价4.4万每吨，大约需要20万元每公里。同样情况换成铝线，单台车需要截面为80平方毫米的铝导线，10台车需要8平方厘米的铝导线，每公里需要铝线0.8立方米，约合2吨铝，铝目前每吨大约2万，每公里需要铝线成本约4万元。同样情况换成铁导线，单台车需要截面为3平方厘米的铁导线，10台车需要30平方厘米的铁导线，每公里需要铁3立方米，约合23吨铁，铁目前每吨大约5000元，每公里需要铁成本约12万元。综合下来，供电火线以铝线为主配合钢铁做成的耐磨C形槽，外面包裹C形绝缘体；零电压地线就采用钢铁做成的防撞护栏分散把电流导入大地，每百米防撞护栏能导一台车的电流即可。目前国家对交流充电桩的补贴是8千元每个桩，一公里改造完成的防撞护栏式供电桩系统能同时供10台车移动充电，所需的布线费也恰好在8万元左右。以2300公里长的京珠高速为例，支持双向移动供电的改造价格约为4亿人民币。每台车的受电弓系统价格大约在5000人民币。
目前我们日常生活中的用电都是220V电压，在有绝缘外套防护的情况的，我们家里用的插座导线也是安全的，C形绝缘体护套保护的供电火线能有效保护误触碰火线的触电危险。
采用防撞护栏式供电桩系统后，小型电动汽车在高速公路里道以120公里每小时依次高速行驶，利用内侧中间隔离带防撞护栏供电桩供电，前期一座3000千瓦变电站能够给三公里内60辆车提供移动供电；后期升级方向一，大型车在高速外道以合理速度行驶，利用外侧防撞护栏供电桩供电；后期升级方向二，增加供电电压到750伏或1500伏给更多车辆供电，此时受电车辆需要改进电控系统，增加能接受不同输入电压的按钮选项。结合未来高科技的自动驾驶技术，这项应用会更成熟稳定。
中国的中东部地区高速公路网密集，基本每隔200公里就有一条高速公路，采用防撞护栏式供电桩系统我们做到了高速度跑高速不耗电池电量，有高速或停车场的地方就能充电，再加上电动汽车充电电池的可行驶400公里的充电量，电动汽车可全面超越并取代燃油车。采用这个系统后，我们就不需要把车的充电里程搞得非常长，因为那需要太多太重的电池，既浪费能源，又增加电池管理难度，平时在城镇里或城镇间的高速上我们有400公里的续航里程就够了。综上所述，防撞护栏式供电桩系统提供晚上停车场后置慢充和高速移动侧边接触式持续式供电两种供电方式，方便的供电方式加上低价易推广的特性能有效解决电动汽车里程焦虑难题，助力电动汽车快速普及应用。
本文中所用数据仅为较佳实例，并非对本发明的任何限制；利用本文所述的技术方案，或本领域的技术人员在本技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本专利要求的保护范围。本文未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.防撞护栏式供电桩系统是一款低成本的给停车静止状态或高速移动电动汽车提供接触式持续的供电设备；能给静止态或高速行驶的电动汽车提供外部电源，此系统包含高速防撞护栏式供电桩和电动汽车上安装的支架式受电弓系统两部分。
2.高速防撞护栏式供电桩的特点是C型带绝缘套供电火线来集中供电，利用现有高速防撞护栏稍加改动作为电路的分散式回路，极大降低成本。
3.受电弓零电压地线接触石墨块为和防撞护栏波形板形状匹配的波形，起到整套设备稳定接入的作用；受电弓火线接触块为可旋转45度石墨棒形状，主要是为了即保证避免人畜误碰火线受伤害的安全基础上又能顺利受电。
4.受电弓支架，斜45度置于车底，能把受电弓在车辆左后部伸出或拉入车体，支架为垂直向刚性和水平向弹性结构；此支架结构既支持行驶中左侧充电，又支持停车场尾侧充电。
5.受电弓有效工作距离是0.5-1.5米，当车体离防撞护栏超过1.5米时，受电弓会在1秒内提示一声后迅速缩入车内，重新手动按钮才能执行受电弓伸出接触受电步骤；可以开发行驶车辆和防撞护栏距离固定的定距巡航功能来减轻人工控制受电弓的工作量。
6.防撞护栏式供电桩系统提供晚上停车场后置慢充和高速移动侧边接触式持续式供电两种供电方式，方便的供电方式加上低价易推广的特性能有效解决电动汽车里程焦虑难题。
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