新能源客車(chē)的自動(dòng)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 威 夏修龍

（特來(lái)電新能源有限公司，山東 青島 266104）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家發(fā)改委、能源局等發(fā)布了《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》《提升新能源汽車(chē)充電保障能力行動(dòng)計(jì)劃》《新基建發(fā)展白皮書(shū)》等政策。在政策利好的形式下，充電行業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期。充電樁的建設(shè)數(shù)量與日俱增，但迅猛發(fā)展的同時(shí)也存在諸多問(wèn)題。該文從2 個(gè)人工充電方式的問(wèn)題入手，進(jìn)行調(diào)研分析，著力探索新能源客車(chē)的自動(dòng)充電方式。1） 傳統(tǒng)人工充電方式問(wèn)題傳統(tǒng)的充電槍充電電流小，充電時(shí)間長(zhǎng)。單把槍的充電電流在250 A 以下，常規(guī)的城市公交車(chē)需要6 h～8 h 充滿(mǎn)，很難滿(mǎn)足城市公交運(yùn)營(yíng)的需要。

傳統(tǒng)的充電槍在充電時(shí)，采用人工插槍的方式，插槍力在140 N 以上，部分車(chē)輛為了滿(mǎn)足快速充電的需求，同時(shí)采用2 把槍、3 把槍甚至4 把槍給車(chē)輛充電，用戶(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成了極差的用戶(hù)體驗(yàn)。2） 無(wú)人駕駛推動(dòng)了無(wú)人充電技術(shù)的發(fā)展隨著人工智能、無(wú)人駕駛等技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，面向無(wú)人駕駛車(chē)輛的無(wú)人充電技術(shù)仍然相對(duì)薄弱。無(wú)人駕駛必須采用無(wú)人化的自動(dòng)充電設(shè)備，車(chē)輛停到充電車(chē)位后，自動(dòng)插槍、自動(dòng)充電、充電完成后自動(dòng)拔槍?zhuān)麄€(gè)充電過(guò)程不需要人為干預(yù)。

為此，該文提出了一種基于自動(dòng)連接的傳導(dǎo)式自動(dòng)充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)“充電弓”。該系統(tǒng)的充電功率大，自動(dòng)搭接，充電全過(guò)程不需要人員參與，成為新型的新能源汽車(chē)充電方式。

1 系統(tǒng)方案

充電弓面向電動(dòng)客車(chē)的頂部自動(dòng)充電進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，為電動(dòng)客車(chē)提供自動(dòng)化、大功率的充電服務(wù)。通過(guò)下壓式充電機(jī)構(gòu)自動(dòng)連接電動(dòng)汽車(chē)的充電接口，給電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行快速充電，如圖1 所示。司機(jī)不需要進(jìn)行下車(chē)插槍的操作，充電弓能自動(dòng)識(shí)別到站的車(chē)輛，自動(dòng)與車(chē)輛匹配進(jìn)行充電，不需要人工操作。同時(shí)充電設(shè)備占地面積小，適應(yīng)城市道路及公交集中場(chǎng)站要求，成為新型的城市公共交通充電解決方案。

在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上，充電弓由弓體、弓頭、充電直流機(jī)組成。弓體作為支撐固定設(shè)備，懸掛充電弓頭。充電直流機(jī)將電網(wǎng)的交流電變換為可給電動(dòng)汽車(chē)充電的直流電。弓頭由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下伸縮機(jī)構(gòu)、底部電極機(jī)構(gòu)組成，充電過(guò)程中自動(dòng)下降與車(chē)頂受電裝置搭接，實(shí)現(xiàn)電能傳輸。

圖1 充電弓與新能源客車(chē)充電過(guò)程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的方案拓?fù)淙鐖D2 所示，整套系統(tǒng)采用2 個(gè)控制單元。充電設(shè)備的常規(guī)功能由充電樁主控板實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)功能由運(yùn)動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)。2 個(gè)控制單元之間采用以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信。

2.1 充電弓主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電弓主控系統(tǒng)作為充電的集中處理單元，負(fù)責(zé)整個(gè)充電體系的流程控制。負(fù)責(zé)控制電能的輸出，并控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元?jiǎng)幼?。下掛?chē)輛識(shí)別模塊、電量顯示模塊、無(wú)線通信模塊，并通過(guò)4G 連接云端平臺(tái)。

2.1.1 車(chē)輛識(shí)別模塊

車(chē)輛識(shí)別是指車(chē)輛進(jìn)入充電弓的可允許停車(chē)范圍內(nèi)，充電弓能夠自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛的身份信息。對(duì)常規(guī)的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，一般都采用車(chē)牌識(shí)別的方式來(lái)識(shí)別車(chē)輛的身份信息。充電弓由于安裝在車(chē)輛頂部，相機(jī)無(wú)法照射到車(chē)牌，所以無(wú)法采用車(chē)牌識(shí)別的方式。充電弓識(shí)別車(chē)輛時(shí)采用RFID 無(wú)線射頻的方案，該方案技術(shù)較為成熟且已大批量的應(yīng)用到高速公路的ETC 自動(dòng)收費(fèi)中。

RFID 無(wú)線射頻方案由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成，RFID 讀寫(xiě)器安裝在充電弓下方，電子標(biāo)簽安裝在車(chē)輛頂部[1]。讀寫(xiě)器向下定向發(fā)送860 MHz ～960 MHz 的超高頻電磁波。當(dāng)車(chē)輛停靠在充電弓下面的區(qū)域時(shí)，讀寫(xiě)器獲取車(chē)輛頂部標(biāo)簽的信息，并將讀取的標(biāo)簽信息通過(guò)RS-485 通信方式傳送給充電弓主控板，充電弓主控板根據(jù)標(biāo)簽信息判斷車(chē)輛的身份。

圖2 系統(tǒng)方案拓?fù)?/p>

2.1.2 電量顯示模塊

電量顯示模塊安裝在充電弓頂部，主要負(fù)責(zé)將當(dāng)前充電車(chē)輛的SOC 電量值顯示出來(lái)，司機(jī)在距離車(chē)輛較遠(yuǎn)的位置也可以查看車(chē)輛的SOC 值。當(dāng)電量充滿(mǎn)后，車(chē)輛頂部的電量顯示模塊會(huì)跳轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)，提示司機(jī)挪車(chē)。

電量顯示模塊與充電弓主控系統(tǒng)之間采用RS-485 通信，借用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU 通信協(xié)議，傳輸當(dāng)前的充電電量、故障、空閑等狀態(tài)。

2.1.3 無(wú)線通信模塊

在充電前以及充電的過(guò)程中，車(chē)輛BMS 與充電機(jī)須進(jìn)行信息交互，傳輸GB/T 27930—2015 的報(bào)文，交互充電電壓、充電電流等信息[2]。為此采用CAN 轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每臺(tái)充電弓作為AP，有固定且唯一的Wi-Fi 名稱(chēng)和密碼，車(chē)輛的Wi-Fi 作為Station。車(chē)輛停在充電弓下方時(shí)，根據(jù)Wi-Fi 名稱(chēng)與密碼配置原則，連接對(duì)應(yīng)的充電弓，連接完成后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互[3]。

交互的報(bào)文采用UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議，在標(biāo)準(zhǔn)CAN 幀的基礎(chǔ)上增加報(bào)文頭與報(bào)文尾，組成UDP 格式的報(bào)文，一個(gè)UDP 幀包含一個(gè)CAN 幀，如圖3 所示，幀ID與數(shù)據(jù)為原始的CAN 幀，增加幀頭、發(fā)送模式、幀信息、時(shí)間戳、校驗(yàn)后形成UDP 格式的數(shù)據(jù)包。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制單元選用可編程的邏輯控制器作為信息處理與控制單元，與充電弓主控板采用TCP/IP 通信，接收動(dòng)作指令，與各個(gè)傳感器及驅(qū)動(dòng)單元協(xié)調(diào)控制，控制充電弓上升下降，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電功能。

圖3 UDP 格式協(xié)議幀

2.2.1 位置檢測(cè)單元

充電弓在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，為防止充電弓超出行程的運(yùn)動(dòng)范圍，造成機(jī)械損傷，在充電弓運(yùn)動(dòng)的上限與下限各增加接近開(kāi)關(guān)，進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，保證充電弓不超出運(yùn)動(dòng)范圍。

2.2.2 溫度檢測(cè)單元

充電弓的充電電流大，一般為500 A～800 A，充電時(shí)產(chǎn)生的溫升較高。尤其是因車(chē)頂不平，導(dǎo)致充電弓的電極與受電弓的電極搭接不良時(shí)，接觸電阻增大，溫升會(huì)急劇增長(zhǎng)，造成電極燒毀，產(chǎn)生安全事故。為此，在充電弓的電極上增加溫度檢測(cè)單元，實(shí)時(shí)采集溫度信號(hào)，并將溫度信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制單元進(jìn)行處理。

運(yùn)動(dòng)控制單元檢測(cè)到溫升超過(guò)一定閾值時(shí)，及時(shí)停止充電，防止溫度過(guò)高，燒毀電極。該溫升閾值的選擇需要綜合考慮充電電流以及搭接次數(shù)。圖4 選取了電極的不同位置，在充電電流為500 A 的情況下，搭接次數(shù)與溫升的變化值，從圖4 中可以看出，充電弓在正常充電的過(guò)程中，溫升最高為50 K。根據(jù)該測(cè)試數(shù)據(jù)，將充電弓的溫升檢測(cè)閾值設(shè)置為50 K。

圖4 搭接次數(shù)與溫升關(guān)系圖

2.2.3 壓力檢測(cè)單元

充電弓的電極與車(chē)輛頂部受電弓的電極在搭接后，搭接壓力與接觸電阻成線性關(guān)系，搭接壓力越大，接觸電阻越小。但搭接壓力較大時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損傷。圖5 是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的搭接壓力與接觸電阻的關(guān)系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出，搭接壓力在240 N 左右，接觸電阻較小。

因此，在充電弓的電極頂部安裝了壓力傳感器，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)控制單元，運(yùn)動(dòng)控制單元根據(jù)壓力的大小來(lái)控制驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)。在充電弓下降時(shí)，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)保持該搭接壓力。

2.2.4 驅(qū)動(dòng)單元

充電弓的上升、下降都通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)單元與運(yùn)動(dòng)控制單元采用總線通信的方式，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制單元提供的信號(hào)進(jìn)行上升下降。

驅(qū)動(dòng)單元選用220 V 的伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)精度高、反應(yīng)速度靈敏。在充電時(shí)車(chē)輛會(huì)因上下乘客導(dǎo)致高度差發(fā)生變化，伺服電機(jī)會(huì)以100 ms 的速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使電極的搭接壓力保持在合適的范圍內(nèi)，保障充電的安全可靠。

圖5 搭接次數(shù)與溫升關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述方案，該文設(shè)計(jì)出了面向新能源客車(chē)的自動(dòng)充電方式。該方式采用了多種智能傳感設(shè)備，使充電趨于自動(dòng)化，充電全過(guò)程不需要人為參與，大大提高了用戶(hù)體驗(yàn)。目前該方案已經(jīng)在成都、上海等地建設(shè)運(yùn)行，得到客戶(hù)的一致好評(píng)。在未來(lái)，隨著人工智能、無(wú)人駕駛的普及，對(duì)充電方式也會(huì)提出更高的要求，使充電朝著自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展，充電弓完美解決了未來(lái)無(wú)人駕駛車(chē)輛對(duì)于無(wú)人充電的需求問(wèn)題。