电动车辆在线充电系统和充电方法与流程

本发明涉及电动车辆技术领域，具体地说，涉及一种电动车辆在线充电系统和充电方法。

背景技术：

近年来，纯电动车多数采用钛酸锂电池、超级电容等储能装置，这些储能装置因其具有充放电效率高、循环寿命长的优势，在纯电动车领域中得到广泛应用。但是，现有的储能装置能量密度交底，单次充电后的续航里程太短，而且受限于车身空间，并不能在车辆中安装过多的储能装置。

基于上述的原因，纯电动车会频繁采用在线充电系统进行充电。在电动车辆上安装有受电弓和大功率的车载充电机，在充电前由驾驶人员操作车辆使受电弓与站台的充电电极或者充电线缆接触才能进行后续的充电。然而，受到整车环境限制，特别是在夜晚、雨天等光线较差的环境中驾驶人员很难一次准确停车到位。反复泊车的操作导致充电车辆停站时间过长，甚至造成堵车。

因此，亟需一种使电动车辆快速停车到位的在线充电系统和在线充电方法。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于解决现有电动车辆的在线充电系统受整车环境影响较大，不能准确停车到位进行充电的技术缺陷。

本发明的实施例首先提供一种电动车辆在线充电系统，包括：

站台设备，其设置在站台上，包括充电机、受电弓控制器和受电弓；

车载设备，其设置在电动车辆的车身上，包括电极板和车载控制器；

其中，受电弓控制器与车载控制器建立无线路由，电动车辆的整车控制器通过所述无线路由与充电弓控制器交换充电数据，整车控制器在确定满足充电条件之后控制受电弓控制器执行降弓操作，使得受电弓与车载设备的电极板接触，进而充电机通过受电弓和电极板向电池系统充电。

在一个实施例中，整车控制器在确定已完成充电、充电故障或者退出充电状态的情况下，并确认满足断电条件之后，控制受电弓控制器执行升弓操作。

在一个实施例中，所述站台设备还包括摄像机，用于采集车辆实时图像和受电弓状态图像，受电弓控制器调取与车辆车型一致的模拟图像，与车辆实时图像和受电弓状态图像进行叠加处理形成实时监控图像，用于显示受电弓与电极板的相对位置状态；

所述车载设备还包括显示器，车载控制器通过所述无线路由接收所述实时监控图像并显示在显示器上，其中，在受电弓与电极板的位置匹配后，整车控制器控制受电弓控制器执行降弓操作。

在一个实施例中，所述站台设备还包括ETC识别装置，所述车载设备还包括ETC标签；其中，

当电动车辆进入充电通道时，ETC识别装置识别车辆的ETC标签，受电弓控制器确认所述ETC标签为合法标签后，建立与车载控制器的无线连接。

在一个实施例中，在受电弓控制器建立与车载控制器的无线连接后，整车控制器限定车辆的最高行驶速度；

在受电弓控制器完成升弓操作之后，整车控制器解除对车辆最高行驶速度的限制。

在一个实施例中，受电弓控制器通过翻转电缸控制受电弓的弓头下降到车顶电极板的位置，并利用压紧电缸使受电弓的弓头与电极板之间保持接触；其中，

在受电弓由高位下降到低位的过程中，在初始阶段快速翻转到接近车顶的位置，且在接近车顶后降低翻转速度以减小受电弓与电极板接触时产生的冲击力。

本发明的实施例还提供一种电动车辆在线充电方法，包括以下步骤：

受电弓控制器与车载控制器建立无线路由；

电动车辆的整车控制器通过所述无线路由与充电弓控制器交换充电数据；

整车控制器在确定满足充电条件之后控制受电弓控制器执行降弓操作，使得受电弓与车载设备的电极板接触；

充电机通过受电弓和电极板向动力电池系统充电。

在一个实施例中，还包括：

整车控制器在确定已完成充电、充电故障或者退出充电状态的情况下，并确认满足断电条件之后，控制受电弓控制器执行升弓操作。

在一个实施例中，还包括：

利用摄像机采集车辆实时图像和受电弓状态图像；

受电弓控制器调取与车辆车型一致的模拟图像，与车辆实时图像和受电弓状态图像进行叠加处理形成实时监控图像，用于显示受电弓与电极板的相对位置状态；

车载控制器通过所述无线路由接收所述实时监控图像并显示在显示器上。

在一个实施例中，当电动车辆进入充电通道时，ETC识别装置识别车辆的ETC标签，受电弓控制器确认所述ETC标签为合法标签后，建立与车载控制器的无线连接。

在一个实施例中，在受电弓控制器建立与车载控制器的无线连接后，整车控制器限定车辆的最高行驶速度；

在受电弓控制器完成升弓操作之后，整车控制器解除对车辆最高行驶速度的限制。

本发明的实施例通过将充电机和受电弓由车载安装移植到地面站台安装，避免了充电机与受电弓受整车环境的限制，并能极大提升在线充电系统的使用性与可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一的电动车辆在线充电系统的位置分布示意图；

图2为本发明实施例一的电动车辆在线充电系统的主电路原理示意图；

图3为本发明实施例一的电动车辆在线充电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例一的受电弓的结构图；

图5为本发明实施例一的受电弓翻转运动的曲线图；

图6为本发明实施例一的受电弓动力学控制原理图；

图7为本发明实施例一的车载显示屏的显示图像示意图；

图8为本发明实施例二的电动车辆在线充电方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

以下结合说明书附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不相冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

实施例一

本实施例提供一种基于站台式的电动车辆线充电系统，通过将充电机和受电弓由车载安装移植到地面站台安装，形成基于站台模式的在线充电技术，避免了充电机与受电弓受整车环境的限制，并能极大提升在线充电系统的使用性与可靠性。

图1为该系统的位置分布示意图。在电动车辆上安装用于充电的电池组，而把充电机(图1中未示出)和受电弓安装在站台上，这样可以减轻整车重量、腾出车上空间。从而将现有技术中每辆车必须配备一套充电机和受电弓，转化为在首末站点建立一套充电系统，平均每10台车配备一套充电机和受电弓，使整个充电系统成本大幅度降低。

图2为该系统的主电路原理示意图。站台部分的充电机向受电弓提供电能，当驾驶人员操作车辆使得受电弓与车载部分电极板的位置匹配之后，受电弓通过充电回路向车载部分的电池组进行充电。

图3为本实施例提供的电动车辆在线充电系统的结构示意图。该系统主要包括站台设备和车载设备。站台设备设置在站台上，包括充电机311、受电弓控制器312和受电弓313，充电机311通过CAN网络与受电弓控制器312连接。车载设备设置在电动车辆的车身上，包括电极板321和车载控制器322。

其中，受电弓313安装在车辆充电通道的正上方。受电弓控制器312与车载控制器322建立无线路由。电动车辆的整车控制器323通过CAN网络与车载控制器322连接，进而通过所述无线路由与充电弓控制器312交换充电数据，整车控制器323在确定满足充电条件之后控制受电弓控制器312执行降弓操作，使得受电弓313与车载设备的电极板321接触，进而充电机311通过受电弓313和电 极板321向电池系统324充电。

此外，整车控制器323在确定已完成充电、充电故障或者退出充电状态的情况下，并确认满足断电条件之后，控制受电弓控制器312执行升弓操作，从而完成完整的充电过程。

本实施例还安装有图像监控设备来实现图像识别，引导驾驶员在站台安全准确泊车充电。如图3所示，站台设备还包括摄像机314，用于采集车辆实时图像和受电弓状态图像。受电弓控制器312调取与车辆车型一致的模拟图像，与车辆实时图像和受电弓状态图像进行叠加处理形成实时监控图像，用于显示受电弓与电极板的相对位置状态。

车载设备还包括显示器(图3未示出)，车载控制器322通过所述无线路由接收所述实时监控图像并显示在显示器上，其中，在受电弓与电极板的位置匹配后，整车控制器323控制受电弓控制器312执行降弓操作。

本实施例的系统利用ETC实现对车辆的管理。在图3中，站台设备还包括ETC识别装置315，车载设备320还包括ETC标签325。其中，当电动车辆进入充电通道时，ETC识别装置识别车辆的ETC标签，受电弓控制器312确认所述ETC标签为合法标签后，才能建立与车载控制器322的无线连接。

为了保证车辆安全停靠，在进入充电通道之后整车控制器323还控制车辆的行驶速度。具体来说，在受电弓控制器312建立与车载控制器322的无线连接后，整车控制器323限定车辆的最高行驶速度，防止车辆速度过高不便于停车；相应的，在受电弓控制器完成升弓操作之后，整车控制器323解除对车辆最高行驶速度的限制。

需要强调的是，本实施例中受电弓控制器312利用翻转电缸控制受电弓313的弓头下降到车顶电极板321的位置，并利用压紧电缸使受电弓313的弓头与电极板之间保持接触。并且，在受电弓313由高位下降到低位的过程中，在初始阶段快速翻转到接近车顶的位置，且在接近车顶后降低翻转速度以减小受电弓与电极板接触时产生的冲击力。

图4为本实施例的受电弓的结构图。当电动车辆在站台停靠位置合适后，弓头通过两侧的翻转电缸下降到车顶的极板位置，随后通过压紧电缸保证弓头与极板压紧，优选的，压力保持在80～120N。升降弓过程的翻转运动既要保证快速升降以减少总充电时间，又要在运动末端减速以缓冲受电弓与极板接触时的冲击 力，从而避免支架变形损坏。其运动曲线如图5所示。

受电弓弓头对车顶电极板的压紧运动是为了在车辆出现较大的俯仰、侧摆或道路不平的情况下，对受电弓与车顶间导流极板施加一定的正压力，以保证上下极板有足够的接触率，从而满足大电流通电要求。该正压力又不可过大，否则导致铜质极板变形。

受电弓运动的控制原理如图6所示，本实施例采用将伺服电机与丝杠一体化集成产品的电动缸作为执行元件，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，通过CAN总线与闭环控制，从而实现高精确位置、速度与推力动作。

此外，站台设备还设置有冗余摄像机316，通过有线网络连接到机房监控室。

因为站台受电弓313与车顶电极板321均在驾驶员视线之外，为实现驾驶员快速、准确进入充电工作位，就需要一套全天候的图像处理方案予以辅助驾驶。具体来说，受电弓控制器312通过摄像机314捕捉车顶视频图像，并根据内置车辆图形信息、车辆实时行驶信息与实时图像，生成受电弓模拟降落位置，通过模拟降落点与实时图像合并，并确认匹配状态。车载显示器优选为双显示屏，左侧显示车顶极板实物图像和模拟受电弓弓头降落位置；右侧显示模拟车辆位置图像和模拟受电弓降落位置。

当站台设备310与车载设备320完成握手确认后，受电弓控制器312将从数据库中调取该车辆车型的二维CAD简化模型及车顶标识信息，再根据站台设备安装位置，就可计算出受电弓在该车车顶上的降落点位置并形成降落点的模拟图像。

受电弓控制器312将摄像头拍摄的图像与受电弓降落点的模拟图像进行叠加，形成实时动画图像。同时受电弓控制器312采集整车控制器发送的车速信息，形成车顶面的模拟运动动画，该运动动画也将与受电弓降落点的模拟图像进行叠加，形成模拟动画图像，以引导驾驶员纠正车辆方向。

车载控制器322通过无线路由传输实时图像和模拟图像进行还原、划分，实时输出到前端显示屏324上，如图7所示。左边实时显示车顶极板实物图像和模拟受电弓弓头降落位置，当受电弓模拟降落位置位于图框边界内后，显示器实时进行提醒“ok”，并提醒司机可停车充电。右边根据车速显示实时模拟车顶图像和模拟受电弓降落位置，司机可根据此模拟图像实时进行车辆位置的调整，以便受电弓降落位置能快速准确。

因此，本实施例提供的在线充电系统将充电机与受电弓由车载安装移植到地面安装，形成基于站台模式的在线充电技术，避免了充电机与受电弓受整车环境的限制，并能充分与当前其它成熟的地面系统相融合，极大的提高在线充电系统使用性能与可靠性。

通过站台安装图像监控设备，实现图像识别，从而引导驾驶员在站台安全准确泊车充电。可解决跨步电压与架网线常通电的安全隐患，采用wifi进行通讯，解决站台充电机和车辆分离充电的问题。运用伺服电机和双电缸作为执行元件，结构方便有效，通过CAN总线与闭环控制，实现高精确位置、速度与推力动作。另外双电缸还能起到冗余保护的作用。

实施例二

本实施例提供一电动车辆在线充电方法。以下参照图8说明该方法的步骤流程。

在步骤S801中，车辆到站进入充电系统无线网络覆盖范围，自动建立无线连接，此时车辆未获得充电权限，不能激活充电请求。车辆需要充电时，司机驾驶车辆进入充电通道，位于充电通道前方或上方的ETC识别装置识别车辆标识信息。如果识别失效，则进行人工刷卡识别。

接下来，在步骤S802中启动受电弓控制器与车载控制器的握手通信，车辆标识信息包含车载控制器无线模块地址，受电弓控制器查询地址对应的网络节点，建立与节点的握手连接，从而建立受电弓控制器与车载控制器之间的无线路由。

在步骤S803中，判断握手是否成功。若握手成功，则执行步骤S804，电动车辆的整车控制器通过所述无线路由与充电弓控制器交换充电数据，受电弓控制器、车载控制器实现无线路由功能，转发充电机数据与整车数据，整车控制器、电池管理系统BMS建立与充电机控制器的无缝CAN网络连接。整车控制器限制车辆最高车速，受电弓控制器采集车顶图像信息进行轨迹识别与驾驶行为提示。

若握手不成功，则执行步骤S805，切换至备用wifi设备。受电弓控制器判断wifi工作是否正常，如果异常，则切换到备份wifi；车载控制器判断wifi工作是否正常，如果异常，则切换到备份wifi；如果控制器wifi工作正常仍不能握手成功，则车辆或受电弓保修。

在步骤S804之后执行步骤S806，整车控制器在确定满足充电条件之后控制受电弓控制器执行降弓操作，使得受电弓与车载设备的电极板接触。具体来说，车辆驾驶到位后，驾驶人员完成停车、到空档、拉手刹操作；待车载显示终端提示充电允许信息，驾驶人员按下“降弓”按钮；整车控制器识别该动作并发送到受电弓控制器，实现降弓操作。

随后，受电弓控制器反馈降弓完成标志，整车控制器通知BMS允许充电，BMS自行开始与充电机的充电过程确认。

接着，整车控制器在确定已完成充电、充电故障或者退出充电状态的情况下，执行步骤S807，在确认满足断电条件之后，控制受电弓控制器执行升弓操作。

检测到司机取消“降弓”按钮，待充电电流降至安全范围，整车控制器通知受电弓控制器实现升弓操作。整车控制器解除锁车，解除限速20km/h。车载控制器检测不到握手确认信息10s后，当前连接中断，解除限速。受电弓控制器检测不到握手信号10s后或检测到ETC新的来车充电信号，当前连接中断。

升弓完成之后，驾驶员驾驶车辆缓慢离开；当超出无线网络覆盖范围，车辆自动退出充电模式，取消低速限制。当新的车辆识别信息到来或与当前充电车辆失去网络连接后，车载控制器切断已有充电连接，等待新的充电任务。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。