CN205890573U - 一种电动车用弓式充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动车用弓式充电系统，其将地面充电机部分的充电架和充电机与车辆部分的整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器组成系统，组成系统的各部件控制单元之间，通过车辆CAN网络和所述车载无线通信模块实现状态信息、控制信息和故障信息的传递交互，从而确保充电开启直至运行结束整个过程的可靠性和安全性。

Description

一种电动车用弓式充电系统

技术领域

本实用新型涉及新能源电动车辆充电领域，具体是一种电动车用弓式充电系统。

背景技术

应用于城市公交领域的电动车辆对于快速补电，缩短充电等待时间的运营需求越来越高，搭载快充型动力电池的电动车通常采用传统的双路充电枪连接方式充电，而弓式充电是一种新兴的充电应用方式，通过在车顶布置过电流能力更强的车载集电弓总成，结合外部充电架相关设施，能为电动车辆提供一种支持大电流快速充电的方式，并且弓式快速充电站具有占地面积小、投入成本低和使用效率高的特点，非常适合充电场所用地紧张的城市。

弓式方式充电是全新的充电方式，目前车用弓式充电方式没有国家和行业执行标准，缺少能有效统筹管理的充电系统和保障充电安全的控制方法，目前仅有少数厂家采用弓式充电方式，而且仅使用最简单的控制方法，就是用一个开关直接控制集电弓工作，不判断车辆及各相关系统部件的互锁状态，在一些失效模式或不可控因素情况下容易出现安全风险。例如：

①如果车辆在行驶时，因为操作人员的误操作（按下升弓开关），行车互锁功能没考虑到，集电弓异常升弓，此时车辆正过隧道，会引发交通事故；

②充电时，操作人员或无关人员突然降集电弓，或随意中止充电过程，如果没有相对应的保护策略，车辆误上高压或高压急断，会导致车辆电器件损坏等情况出现，同时也会导致集电弓和充电架移位产生电弧，存在火灾隐患；

③充电时，因为操作人员的误操作、车辆制动失效时溜车或者集电弓气源气压不足导致集电弓突然降弓，此时集电弓就会突然带载切断，导致产生火花，容易损坏集电弓和充电架弓式充电，存在火灾隐患；

④如果没有实时监控集电弓和充电架的硬件连接情况，当集电弓和充电架接触不良好（虚接或抖动），在充电过程中接触电阻变化（增大），集电弓和充电架接触部分容易发热，烧焦点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电动车用弓式充电系统，其可确保充电开启直至运行结束整个过程的可靠性和安全性。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电动车用弓式充电系统，包括地面充电机部分与车辆部分；其中：

地面充电机部分包括充电架和具有无线通信功能的充电机，此充电机的输出端连接此充电架的输入端；

车辆部分包括整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器；所述充电架的输出端连接所述集电弓的输入端，所述集电弓与所述整车控制器进行双向连接，所述集电弓的输出端依次连接所述高压配电柜和所述动力电池；所述整车控制器与所述车载无线通信模块、所述打气泵变频器、所述DC/DC转换器和所述电池管理系统之间通过车辆CAN网络进行通信连接；所述打气泵变频器与所述打气泵双向连接，所述打气泵通过气路依次连接所述储气罐和所述集电弓，所述气压开关通过气路与所述储气罐相连接，所述气压开关的信号输出端和所述充电开关分别连接于所述整车控制器的相应输入端，所述整车控制器的输出端连接至所述高压配电柜；所述电池管理系统与所述高压配电柜进行双向连接，所述动力电池检测输出端连接于所述电池管理系统的相应输入端；

车辆的仪表、车辆的驱动电机变频器和车辆的电空调控制器分别通过所述车辆CAN网络与所述整车控制器进行通信连接，所述转速传感器连接于所述驱动电机变频器的输入端。

进一步地，所述车载无线通信模块连接有人机界面。

进一步地，所述仪表的输入端连接有监控探头，此监控探头布置在所述集电弓的周边。

进一步地，所述仪表的输入端连接有用于检测所述储气罐内的气压的气压传感器。

进一步地，车辆的手刹电连接至所述整车控制器的相应输入端。

进一步地，所述车载无线通信模块采用车载WiFi处理器。

采用上述方案后，本实用新型的一种电动车用弓式充电系统，将地面充电机部分的充电架和充电机与车辆部分的整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器组成系统，组成系统的各部件控制单元之间，通过车辆CAN网络和所述车载无线通信模块实现状态信息、控制信息和故障信息的传递交互，从而确保充电开启直至运行结束整个过程的可靠性和安全性。

进一步地，车载无线通信模块连接有人机界面，使用者可以通过人机界面根据需要进行手动操作（如未充电完成时手动停止充动），使用更加方便。

进一步地，在仪表的输入端连接有布置在所述集电弓的周边的监控探头，通过监控探头从在仪表的主界面上可实时显示监控集电弓工作过程的视频监控画面。当充电开启时，通过监控画面可以观察集电弓是否升弓到位，集电弓与充电架的是否连接良好；当充电结束时，可以通过监控画面观察集电弓是否正常回位。

进一步地，所述仪表的输入端连接有用于检测所述储气罐内的气压的气压传感器。通过此气压传感器可采集所述储气罐内的气压，并直观地显示于仪表的主界面上。

进一步地，车辆的手刹电连接至所述整车控制器的相应输入端，本实用新型通过将整车控制器是否检测到手刹的开关信号作为启动充电的一个前提条件，提高了充电行车互锁的可靠性，进一步提高了充电的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型电动车用弓式充电系统的结构框图。

图2为本实用新型电动车用弓式充电系统的控制流程图。

图3为本实用新型中充电行车互锁控制原理图。

图4为本实用新型中集电弓的升弓控制原理图。

图5为本实用新型中充电过程控制原理图。

图6为本实用新型中集电弓降弓控制原理图。

图7为本实用新型中气源气压的控制原理图。

具体实施方式

本实用新型的一种电动车用弓式充电系统，如图1所示，包括地面充电机部分包括充电架和具有无线通信功能的充电机，此充电机的输出端连接此充电架的输入端；

车辆部分包括整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器；充电架的输出端连接所述集电弓的输入端，集电弓与整车控制器进行双向连接，集电弓的输出端依次连接高压配电柜和动力电池；整车控制器与车载无线通信模块、打气泵变频器、DC/DC转换器和电池管理系统之间通过车辆CAN网络进行通信连接；打气泵变频器与打气泵双向连接，打气泵通过气路依次连接储气罐和集电弓，气压开关通过气路与储气罐相连接，气压开关的信号输出端和充电开关分别连接于整车控制器的相应输入端，整车控制器的输出端连接至高压配电柜；电池管理系统与高压配电柜进行双向连接，动力电池检测输出端连接于电池管理系统的相应输入端；

车辆的仪表、车辆的驱动电机变频器和车辆的电空调控制器分别通过车辆CAN网络与整车控制器进行通信连接，转速传感器连接于驱动电机变频器的输入端。

本实用新型的一种电动车用弓式充电系统，将地面充电机部分的充电架和充电机与车辆部分的整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器组成系统，组成系统的各部件控制单元之间，通过车辆CAN网络和所述车载无线通信模块实现状态信息、控制信息和故障信息的传递交互，从而确保充电开启直至运行结束整个过程的可靠性和安全性。

进一步地，车载无线通信模块连接有人机界面，使用者可以通过人机界面根据需要进行手动操作（如未充电完成时手动停止充动），使用更加方便。

进一步地，在仪表的输入端连接有布置在所述集电弓的周边的监控探头，通过监控探头从在仪表的主界面上可实时显示监控集电弓工作过程的视频监控画面。当充电开启时，通过监控画面可以观察集电弓是否升弓到位，集电弓与充电架的是否连接良好；当充电结束时，可以通过监控画面观察集电弓是否正常回位。

进一步地，所述仪表的输入端连接有用于检测所述储气罐内的气压的气压传感器。通过此气压传感器可采集所述储气罐内的气压，并直观地显示于仪表的主界面上。

进一步地，车辆的手刹电连接至所述整车控制器的相应输入端，本实用新型通过将整车控制器是否检测到手刹的开关信号作为启动充电的一个前提条件，提高了充电行车互锁的可靠性，进一步提高了充电的安全性和可靠性。

本实用新型的一种电动车用弓式充电系统，工作流程如图2所示，分为依次进行的充电行车互锁阶段、集电弓升弓控制阶段、充电过程控制阶段和集电弓降弓控制阶段，在此四个阶段中，提供气源气压控制保障。

在充电行车互锁阶段，整车控制器执行充电行车互锁控制策略，对车辆进行行车互锁；

在集电弓升弓控制阶段，整车控制器执行集电弓升弓控制策略，对集电弓进行升弓控制；

在充电过程控制阶段，电池管理系统和地面充电机进行数据交互，实现智能充电，整车控制器实时监控管理车辆充电状态，确保充电过程安全可靠；

在集电弓降弓控制阶段，整车控制器执行集电弓降弓控制策略，对集电弓进行降弓操作；

通过整车控制器执行气源气压控制策略，对弓式充电整个过程进行气源气压保障。

进一步地，还可设置集电弓视频监控保障，通过仪表集成显示集电弓工作状态，对弓式充电整个过程进行实时监控和确认。

下面通过一个具体的实施例来具体说明本实用新型的工作原理，此实施例为本实用新型的较佳实施例。本实施例中，人机界面的设置、充电过程的监控显示、储气罐气压的显示和手刹信号的引入可使得本实用新型的技术方案更优化，但没有它们也不影响本实用新型的实施。

本实用新型中，如图3所示，充电行车互锁互锁阶段工作原理如下：

当车辆停入充电车位后拉下手刹进入充电准备阶段，当充电开关按下后进入充电行车互锁控制模式，由充电开关向整车控制器发出升弓开关信号，整车控制器在检测手刹开关信号、升弓开关信号都有效的情况下，发送禁止行车报文给驱动电机变频器，发送禁止运行报文给电空调控制器，以确保驱动电机和电空调在充电模式下禁止工作。当整车控制器读取驱动电机电流报文，并判断驱动电机的工作电流小于截止电流后，整车控制器断开高压配电柜中的主放电继电器（高压配电柜中的主放电继电器，是一个常开继电器，通过辅助线圈24V电控制，辅助线圈通电时闭合，辅助线圈断电时断开），通过断开主放电继电器来断开通高压电使用的负载用电回路以实现充电行车互锁。

本实用新型中行车互锁有两层保护，第一层，整车控制软件报文保护；第二层就是通过所述主放电继电器从硬件电路上进行断路。加入的手刹开关信号，主要目的是进一步确保车辆已经停下，才能进行充电。

本实用新型中，车辆开进充电车位时，车辆钥匙是不关闭的。这是因为：①弓式充电与枪式充电不同，没有外部辅助24V，所以充电时需要车辆高压转低压的DC/DC设备启动工作；②同时由于集电弓升降是通过气动推动，打气泵也要保持工作，确保储气罐中的气源气压不降低；③此外充电过程设计了视频监控功能，集电弓画面集成在仪表中显示，因此仪表不能断电；④弓式充电方案中我们设计了多种保护策略，包括整车控制器的充电互锁、升弓信号、手刹信号、车速信号等实时检测和保护，因此钥匙电是不关闭的。

本实用新型中，如图4所示，集电弓升弓控制阶段的工作原理如下：

本实用新型中，设置于车辆顶部的集电弓采用气源作为驱动方式，通过内部电磁阀控制输送气源来执行相应的升、降弓动作。当升弓开关信号有效时，整车控制器在确保充电行车互锁控制功能有效后进入集电弓升弓控制模式，判断仪表提供的储气罐气压报文信号正常，DC/DC转换器报文无故障、电池状态报文无故障、驱动电机变频器提供的车速报文车速信号为零的情况下，整车控制器发送集电弓升弓指令，当集电弓导电极板与充电架良好接触后，整车控制器收到集电弓升弓到位反馈信号有效时，发送允许充电报文给电池管理系统，同时整车控制器将集电弓状态报文信息发送给仪表实时显示。集电弓状态报文信息包括“集电弓无连接”、“正在升弓”、“集电弓已经连接”和“充电弓异常”。

本实用新型中，如图5所示，充电过程控制阶段的工作原理如下：

首先，整车控制器执行充电过程的开启控制。当集电弓升弓到位与充电架接触导通后，整车控制器发送允许充电报文给电池管理系统，由电池管理系统控制接通高压配电柜中的充电继电器，充电操作人员从仪表的监控画面上确认集电弓与充电架接触良好后，在人机界面上选择地面充电机的编号，然后启动充电。地面充电机输出充电电流通过充电架和车辆顶部的集电弓传输，经过高压配电柜后给动力电池充电。

地面充电机的充电报文信号经过无线传输，由车载WIFI处理器接收并解析为充电机充电CAN报文，当电池管理系统接收到充电机充电报文有效后，依据国家标准通信协议GB/T 27930进行充电信息交互，同时电池管理系统实时发送充电状态报文（①不允许充电；②允许充电；③正在充电；④充电完成；⑤充电异常）给整车控制器，用以监控充电过程中电池实际状态。

其次，在充电过程中如果出现人为或异常情况下的充电中止时，控制系统执行充电过程停机控制策略：

（1）如果充电过程中出现车速不为零、手刹开关信号丢失、升弓到位信号丢失、DC/DC转换器报文异常、CAN通讯异常中的任一种或多种情况时，整车控制器发送不允许充电报文给电池管理系统。电池管理系统收到整车控制器的不允许充电报文后，发停止充电报文给地面充电机，地面充电机接收到停止充电报文后停止电力输出，当电池管理系统检测充电电流小于截止电流后，断开高压配电柜中的充电继电器，而如果10秒内地面充电机没有响应停止充电请求，电池管理系统强行断开充电继电器实施保护。

（2）如果充电过程中充电开关复位，整车控制器收到降弓开关信号有效时，发送不允许充电报文给电池管理系统。电池管理系统接收到整车控制器不允许充电报文后，发停止充电报文给地面充电机，地面充电机接收到停止充电报文后停止电力输出，当电池管理系统检测充电电流小于截止电流后，控制断开充电继电器，而如果10秒内地面充电机没有响应停止充电请求，电池管理系统控制强行断开充电继电器实施保护。当整车控制器读取到电池管理系统发送的电池充电状态报文中不是“正在充电”状态，以及充电继电器状态报文为充电继电器已断开状态时，控制集电弓降弓。

（3）如果充电过程中，操作人员通过人机界面提前停止充电过程，车载WIFI处理器发送充电中止指令给地面充电机，地面充电机接收到停止充电报文后停止电力输出，当电池管理系统检测充电电流小于截止电流后，控制断开充电继电器，而如果10秒内地面充电机没有响应停止充电请求，电池管理系统控制强行断开充电继电器实施保护。

（4）如果充电过程中电池管理系统检测到动力电池故障时，电池管理系统发送停止充电报文给地面充电机，地面充电机接收到停止充电报文后停止电力输出，当电池管理系统检测充电电流小于截止电流后，控制断开充电继电器，而如果10秒内地面充电机没有响应停止充电请求，电池管理系统控制强行断开充电继电器实施保护。

最后，当动力电池充满电后可正常进入充电结束停机阶段，电池管理系统发送停止充电报文给地面充电机，地面充电机接收到停止充电报文后停止电力输出，当电池管理系统检测充电电流小于截止电流后，控制断开充电继电器，而如果10秒内地面充电机没有响应停止充电请求，电池管理系统控制强行断开充电继电器实施保护。

本实用新型中，如图6所示，集电弓降弓控制阶段的工作原理如下：

当充电结束并且操作人员复位充电开关时，进入集电弓降弓控制模式。降弓开关信号有效时，当整车控制器读取到电池管理系统发送的电池充电状态报文中不是“正在充电”状态，以及充电继电器状态报文为充电继电器已断开状态时，控制集电弓降弓。集电弓正常降落回位后，降弓到位信号有效，整车控制器发允许行车报文给驱动电机变频器解除行车互锁，整车控制器发允许运行报文给空调控制器，允许使用空调。

本实用新型中，如图7所示，气源气压控制的工作原理如下：

启动充电之前，当气压传感器检测到储气罐内的气压符合设定范围时，气压开关发送相应信号给整车控制器，同时气压传感器也将检测到的气压信号发送到仪表，由仪表发出储气罐气压报文给整车控制器。在弓式充电过程中，整车控制器采集气压开关的信号来检测储气罐的气压信号，当气压不足时，发送打气控制报文给打气泵变频器启动打气泵工作。当气压充足后停止打气泵工作。打气泵或打气泵变频器出现故障无法工作，并且储气罐气压低于报警值时，整车控制器发送不允许充电报文给电池管理系统以停止充电，确保充电过程中集电弓不会因为气源气压不足而带载降弓。

本实用新型中，集电弓视频监控的工作原理如下：

通过车顶的集电弓安装位置周边布置监控探头，在仪表主界面上实时显示监控集电弓工作过程的视频监控画面，当集电弓升弓时，操作人员可以通过监控画面查看确认集电弓是否升弓到位，集电弓和充电架是否接触良好。当集电弓降弓时，操作人员可以通过监控画面确认集电弓是否回位正常。

Claims (6)

1.一种电动车用弓式充电系统，其特征在于，包括地面充电机部分与车辆部分；其中：

地面充电机部分包括充电架和具有无线通信功能的充电机，此充电机的输出端连接此充电架的输入端；

车辆部分包括整车控制器、集电弓、电池管理系统、动力电池、高压配电柜、车载无线通信模块、DC/DC转换器、打气泵变频器、打气泵、储气罐、气压开关、充电开关和用于检测车辆的驱动电机转速的转速传感器；所述充电架的输出端连接所述集电弓的输入端，所述集电弓与所述整车控制器进行双向连接，所述集电弓的输出端依次连接所述高压配电柜和所述动力电池；所述整车控制器与所述车载无线通信模块、所述打气泵变频器、所述DC/DC转换器和所述电池管理系统之间通过车辆CAN网络进行通信连接；所述打气泵变频器与所述打气泵双向连接，所述打气泵通过气路依次连接所述储气罐和所述集电弓，所述气压开关通过气路与所述储气罐相连接，所述气压开关的信号输出端和所述充电开关分别连接于所述整车控制器的相应输入端，所述整车控制器的输出端连接至所述高压配电柜；所述电池管理系统与所述高压配电柜进行双向连接，所述动力电池检测输出端连接于所述电池管理系统的相应输入端；

车辆的仪表、车辆的驱动电机变频器和车辆的电空调控制器分别通过所述车辆CAN网络与所述整车控制器进行通信连接，所述转速传感器连接于所述驱动电机变频器的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种电动车用弓式充电系统，其特征在于：所述车载无线通信模块连接有人机界面。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动车用弓式充电系统，其特征在于：所述仪表的输入端连接有监控探头，此监控探头布置在所述集电弓的周边。

4.根据权利要求1所述的一种电动车用弓式充电系统，其特征在于：所述仪表的输入端连接有用于检测所述储气罐内的气压的气压传感器。

5.根据权利要求1所述的一种电动车用弓式充电系统，其特征在于：车辆的手刹电连接至所述整车控制器的相应输入端。

6.根据权利要求1所述的一种电动车用弓式充电系统，其特征在于：所述车载无线通信模块采用车载WiFi处理器。