徐 威 夏修龍

（特來電新能源有限公司，山東 青島 266104）

0 引言

近年來，國家發(fā)改委、能源局等發(fā)布了《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015-2020）》《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》《新基建發(fā)展白皮書》等政策。在政策利好的形式下，充電行業(yè)迎來了快速發(fā)展期。充電樁的建設數(shù)量與日俱增，但迅猛發(fā)展的同時也存在諸多問題。該文從2 個人工充電方式的問題入手，進行調(diào)研分析，著力探索新能源客車的自動充電方式。1） 傳統(tǒng)人工充電方式問題傳統(tǒng)的充電槍充電電流小，充電時間長。單把槍的充電電流在250 A 以下，常規(guī)的城市公交車需要6 h～8 h 充滿，很難滿足城市公交運營的需要。

傳統(tǒng)的充電槍在充電時，采用人工插槍的方式，插槍力在140 N 以上，部分車輛為了滿足快速充電的需求，同時采用2 把槍、3 把槍甚至4 把槍給車輛充電，用戶費時費力，造成了極差的用戶體驗。2） 無人駕駛推動了無人充電技術(shù)的發(fā)展隨著人工智能、無人駕駛等技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，面向無人駕駛車輛的無人充電技術(shù)仍然相對薄弱。無人駕駛必須采用無人化的自動充電設備，車輛停到充電車位后，自動插槍、自動充電、充電完成后自動拔槍，整個充電過程不需要人為干預。

為此，該文提出了一種基于自動連接的傳導式自動充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡稱“充電弓”。該系統(tǒng)的充電功率大，自動搭接，充電全過程不需要人員參與，成為新型的新能源汽車充電方式。

1 系統(tǒng)方案

充電弓面向電動客車的頂部自動充電進行設計研發(fā)，為電動客車提供自動化、大功率的充電服務。通過下壓式充電機構(gòu)自動連接電動汽車的充電接口，給電動汽車進行快速充電，如圖1 所示。司機不需要進行下車插槍的操作，充電弓能自動識別到站的車輛，自動與車輛匹配進行充電，不需要人工操作。同時充電設備占地面積小，適應城市道路及公交集中場站要求，成為新型的城市公共交通充電解決方案。

在系統(tǒng)的整體設計上，充電弓由弓體、弓頭、充電直流機組成。弓體作為支撐固定設備，懸掛充電弓頭。充電直流機將電網(wǎng)的交流電變換為可給電動汽車充電的直流電。弓頭由驅(qū)動機構(gòu)、上下伸縮機構(gòu)、底部電極機構(gòu)組成，充電過程中自動下降與車頂受電裝置搭接，實現(xiàn)電能傳輸。

圖1 充電弓與新能源客車充電過程

2 控制系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)的方案拓撲如圖2 所示，整套系統(tǒng)采用2 個控制單元。充電設備的常規(guī)功能由充電樁主控板實現(xiàn)，運動功能由運動控制單元實現(xiàn)。2 個控制單元之間采用以太網(wǎng)的方式進行通信。

2.1 充電弓主控系統(tǒng)設計

充電弓主控系統(tǒng)作為充電的集中處理單元，負責整個充電體系的流程控制。負責控制電能的輸出，并控制運動執(zhí)行單元動作。下掛車輛識別模塊、電量顯示模塊、無線通信模塊，并通過4G 連接云端平臺。

2.1.1 車輛識別模塊

車輛識別是指車輛進入充電弓的可允許停車范圍內(nèi)，充電弓能夠自動識別車輛的身份信息。對常規(guī)的車輛來說，一般都采用車牌識別的方式來識別車輛的身份信息。充電弓由于安裝在車輛頂部，相機無法照射到車牌，所以無法采用車牌識別的方式。充電弓識別車輛時采用RFID 無線射頻的方案，該方案技術(shù)較為成熟且已大批量的應用到高速公路的ETC 自動收費中。

RFID 無線射頻方案由讀寫器和標簽組成，RFID 讀寫器安裝在充電弓下方，電子標簽安裝在車輛頂部[1]。讀寫器向下定向發(fā)送860 MHz ～960 MHz 的超高頻電磁波。當車輛?？吭诔潆姽旅娴膮^(qū)域時，讀寫器獲取車輛頂部標簽的信息，并將讀取的標簽信息通過RS-485 通信方式傳送給充電弓主控板，充電弓主控板根據(jù)標簽信息判斷車輛的身份。

圖2 系統(tǒng)方案拓撲

2.1.2 電量顯示模塊

電量顯示模塊安裝在充電弓頂部，主要負責將當前充電車輛的SOC 電量值顯示出來，司機在距離車輛較遠的位置也可以查看車輛的SOC 值。當電量充滿后，車輛頂部的電量顯示模塊會跳轉(zhuǎn)到另一狀態(tài)，提示司機挪車。

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

2.1.3 無線通信模塊

在充電前以及充電的過程中，車輛BMS 與充電機須進行信息交互，傳輸GB/T 27930—2015 的報文，交互充電電壓、充電電流等信息[2]。為此采用CAN 轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。每臺充電弓作為AP，有固定且唯一的Wi-Fi 名稱和密碼，車輛的Wi-Fi 作為Station。車輛停在充電弓下方時，根據(jù)Wi-Fi 名稱與密碼配置原則，連接對應的充電弓，連接完成后，開始進行數(shù)據(jù)信息的交互[3]。

交互的報文采用UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議，在標準CAN 幀的基礎上增加報文頭與報文尾，組成UDP 格式的報文，一個UDP 幀包含一個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、時間戳、校驗后形成UDP 格式的數(shù)據(jù)包。

2.2 運動控制單元設計

運動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，接收動作指令，與各個傳感器及驅(qū)動單元協(xié)調(diào)控制，控制充電弓上升下降，實現(xiàn)自動充電功能。

圖3 UDP 格式協(xié)議幀

2.2.1 位置檢測單元

充電弓在上下運動時，為防止充電弓超出行程的運動范圍，造成機械損傷，在充電弓運動的上限與下限各增加接近開關(guān)，進行安全監(jiān)測，保證充電弓不超出運動范圍。

2.2.2 溫度檢測單元

充電弓的充電電流大，一般為500 A～800 A，充電時產(chǎn)生的溫升較高。尤其是因車頂不平，導致充電弓的電極與受電弓的電極搭接不良時，接觸電阻增大，溫升會急劇增長，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單元，實時采集溫度信號，并將溫度信號反饋給運動控制單元進行處理。

運動控制單元檢測到溫升超過一定閾值時，及時停止充電，防止溫度過高，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程中，溫升最高為50 K。根據(jù)該測試數(shù)據(jù)，將充電弓的溫升檢測閾值設置為50 K。

圖4 搭接次數(shù)與溫升關(guān)系圖

2.2.3 壓力檢測單元

充電弓的電極與車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，會對機械結(jié)構(gòu)造成損傷。圖5 是實驗室測試的搭接壓力與接觸電阻的關(guān)系，經(jīng)實驗測試數(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)實時反饋給運動控制單元，運動控制單元根據(jù)壓力的大小來控制驅(qū)動單元運動。在充電弓下降時，當壓力達到預設值時，停止運動并實時保持該搭接壓力。

2.2.4 驅(qū)動單元

充電弓的上升、下降都通過驅(qū)動單元來提供驅(qū)動力。驅(qū)動單元與運動控制單元采用總線通信的方式，驅(qū)動單元根據(jù)運動控制單元提供的信號進行上升下降。

驅(qū)動單元選用220 V 的伺服電機，運動精度高、反應速度靈敏。在充電時車輛會因上下乘客導致高度差發(fā)生變化，伺服電機會以100 ms 的速率進行動態(tài)補償，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

通過上述方案，該文設計出了面向新能源客車的自動充電方式。該方式采用了多種智能傳感設備，使充電趨于自動化，充電全過程不需要人為參與，大大提高了用戶體驗。目前該方案已經(jīng)在成都、上海等地建設運行，得到客戶的一致好評。在未來，隨著人工智能、無人駕駛的普及，對充電方式也會提出更高的要求，使充電朝著自動化、無人化的方向發(fā)展，充電弓完美解決了未來無人駕駛車輛對于無人充電的需求問題。