本發(fā)明涉及電動車輛充電系統(tǒng)及方法，特別涉及一種利用受電弓式無軌電車的移動式無線充電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

由于環(huán)境污染和能源短缺等問題，純電動車輛以及插電式混合電動車輛備受青睞。隨著電動車輛的商業(yè)化推廣，充電基礎設施的建設至關(guān)重要。土地短缺、充電站服務能力有限成為充電基礎設施建設的主要原因，現(xiàn)階段的充電樁推廣較慢，已成為制約電動車輛大規(guī)模推廣的關(guān)鍵難點之一。此外，現(xiàn)有充電站設計體系下，純電動車輛接受充電服務的過程中還存在著充電排隊時間長、靈活性差和機動性差等一系列問題。

無軌或有軌電車是傳統(tǒng)上城市公共交通的主要解決思路，但它的潛力和優(yōu)勢在發(fā)展過程中曾一度得到低估。近年來，在公交車優(yōu)先發(fā)展理念被普遍認可的情況下，新一代的無軌電車以其零排放、噪聲低、運營成本低等優(yōu)點，重新得到重視，現(xiàn)在各個城市的交通體系中又重新開始發(fā)揮重要的作用。城市公交無軌電車線路在國內(nèi)中大型城市的應用比較多，例如，在北京有20條無軌電車線路，廣州15條，上海12條，武漢10條，杭州4條等，在北京等一些城市還在不斷的增加線路及運營車輛。

另一方面，電動車輛的無線充電技術(shù)正在迅速成為業(yè)界的關(guān)注點，其技術(shù)正在快速發(fā)展中，以電磁感應式和磁共振式為代表的電動車輛無線充電技術(shù)，具有占地面積小、空間利用率高、適應性強、安全性高等優(yōu)點。

當前電動車輛充電基礎設施建設中仍存在問題，而電動車輛無線充電技術(shù)正趨于成熟，當前在各個大中城市都有一定數(shù)量的無軌電車，這些是本發(fā)明的背景。如果能利用現(xiàn)有城市無軌電車，在無軌電車上安裝無線充電電能提供設備，則可通過受電弓從供電電網(wǎng)中吸收電能，利用無線充電裝置給電車四周的電動車輛提供充電。為保證安全、高效的充電，這種車對車的無線充電技術(shù)要求接受充電服務的電動車輛和提供充電服務的無軌電車保持合適的間距，包括在無軌電車停車或正常行駛條件。當前智能化駕駛技術(shù)越來越普遍，在城市工況下?lián)矶螺o助、低速跟車等功能日趨成熟，這為本發(fā)明所需的車車間距調(diào)節(jié)技術(shù)提供了基本條件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服電動車輛基于固定式充電站進行充電的不足，提供一種利用電車受電弓的電動車輛無線充電系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)基于可正常運行的城市無軌電車實現(xiàn)電動車輛的無線充電。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種利用電車受電弓的電動車輛無線充電系統(tǒng)，包括利用受電弓和高壓電氣裝置從電網(wǎng)輸電線取電的無軌或有軌電車；該無線充電系統(tǒng)還包括無線電能充電裝置，以及電源管理與變換系統(tǒng)；其中，

無線電能充電裝置包括無線電能提供裝置和接收裝置，用于在滿足無線充電標準條件下實現(xiàn)對電動車輛的無線充電；無線電能提供裝置安裝在電車上，利用電車受電弓獲得電能；無線電能提供裝置是基于無線充電原理向安裝在電動車輛上的無線電能接收裝置發(fā)送電能，通過充電控制單元向電動車輛動力電池進行充電。

無線電能提供裝置是下述的任意一種或多種：一種是安裝在電車頭部的前置無線電能提供裝置，一種是安裝在電車尾部的后置無線電能提供裝置，還有一種是安裝在電車側(cè)部的側(cè)置無線電能提供裝置；

電源管理與變換系統(tǒng)包括電源變換模塊和智能電力管理單元；電源變換模塊通過電纜分別連接至高壓電氣裝置、電車驅(qū)動電機和無線電能提供裝置；其中，電源變換模塊是直流—交流(DC/AC)變換子模塊或直流—直流(DC/DC)變換子模塊中的至少一種；直流—交流(DC/AC)變換子模塊用于將來自輸電線的直流電轉(zhuǎn)換為電車驅(qū)動電機所需的交流電或電動車輛充電所需的交流電；直流—直流(DC/DC)變換子模塊用于將來自輸電線的直流電轉(zhuǎn)換為電車驅(qū)動電機所需的直流電或電動車輛充電所需的直流電；智能電力管理單元用于收集車輛信息，并根據(jù)車輛信息分析處理結(jié)果確定電車運行需求和電動車輛充電需求；進而針對所述高壓電氣裝置輸出調(diào)節(jié)信號，以及通過充電控制單元向各電源變換模塊輸出功率分配信號。

本發(fā)明中，還包括無線充電服務系統(tǒng)，用于將電車的地理位置、運動信息和運行計劃等數(shù)據(jù)發(fā)送給待充電的電動車輛，以實現(xiàn)電車與電動車輛之間的信息交互和服務匹配；該無線充電服務系統(tǒng)包括電車車載定位設備、車載互聯(lián)通訊設備，以及無線充電服務云端平臺或服務器。

本發(fā)明中，在電車上設有車載定位設備和車載互聯(lián)通訊設備，在電動車輛上設有車載互聯(lián)通訊設備。車載互聯(lián)通訊設備可通過無線充電服務云端向其它車輛共享信息；電車與電動車輛之間，可通過各自的車載互聯(lián)通訊設備均連接云端網(wǎng)絡實現(xiàn)信息互通；作為一種替代方法，如果電車和待充電的電動車輛的車載互聯(lián)通訊設備均包含專用短程通信功能，兩車可直接通過短程通訊功能實現(xiàn)信息交互。

本發(fā)明中，在電車和/或電動車輛上分別設置安全防護裝置，例如在無線充電區(qū)域增加防護欄桿或防護網(wǎng)，用于防止充電過程中行人或其它車輛進入無線充電區(qū)域。

本發(fā)明中，當作為移動充電站的電車與待充電的電動車輛達成服務協(xié)議后，由無線充電服務系統(tǒng)與電動車輛充電控制單元聯(lián)合決定無線充電的模式，可采用停車充電或行駛過程充電等兩種模式，電動車輛進入并保持在相應模式下的充電服務區(qū)域內(nèi)；在停車充電模式下，僅僅在電車靜止狀態(tài)下才對電動車輛充電；在行駛過程充電模式下，電動車輛實施運動控制，將無線電能接收裝置保證在充電服務區(qū)域內(nèi)，在不影響電車和電動車輛正常行駛的前提下接收充電服務，若無線電能接收裝置脫離充電服務區(qū)域，則電車的無線電能提供裝置自動切斷充電過程。

本發(fā)明進一步提供了利用所述系統(tǒng)實現(xiàn)利用電車受電弓的電動車輛無線充電的方法，包括：

(1)利用電車上的車載定位設備和車載互聯(lián)通訊設備，將無軌或有軌電車的地理位置信息和運營路線信息發(fā)布到無線充電服務云端平臺或服務器上；

(2)電動車輛通過車載互聯(lián)通訊設備查詢系統(tǒng)中各電車的實時位置和運營路線信息，并確定接受充電服務的最佳行使路線、預計到達時間和地點；

(3)電動車輛采用并行、尾隨或貼近停靠的方式，保持與電車之間距離滿足電動車輛無線充電標準條件；

(4)智能電力管理單元收集車輛信息，并根據(jù)車輛信息分析處理結(jié)果確定電車運行需求和電動車輛充電需求；進而針對高壓電氣裝置輸出調(diào)節(jié)信號，以及通過充電控制單元向電源變換模塊輸出功率分配信號；無線電能提供裝置接受來自電源變換模塊的電能，并通過無線信號方式傳送至電動車輛上的無線電能接收裝置，由后者實現(xiàn)對動力電池的充電。

本發(fā)明中，當電車在行進過程中對電動車輛充電時，電動車輛通過車載互聯(lián)通訊設備獲取電車的即時位置、車速、加減速等信息，以及交通信號燈狀態(tài)和交通流量信息；進而控制電動車輛的隨行車速和方向，確保在無線充電過程中兩車之間始終保持穩(wěn)定與適當?shù)拈g距。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明基于現(xiàn)有的無軌或有軌電車，通過安裝無線充電設備，可對周圍的電動車輛進行充電，形成遍布式的電動車輛充電設施網(wǎng)絡，而不需要另外建設充電相關(guān)的基礎設施，可以節(jié)省建設費用。

2、本發(fā)明所述的無線充電設施，沿著電車行駛路線提供遍布式的電動車輛充電網(wǎng)絡，允許電動車輛在自身移動過程中充電，不同于在固定充電樁上停車充電的傳統(tǒng)方法，機動性強，對充電車輛的出行時間影響較小，既可提高道路通行效率，也可保證充電服務的效率。

3、本發(fā)明可以根據(jù)電車當前的驅(qū)動功率的需求來調(diào)整無線充電輸出的功率，可在電車驅(qū)動功率較大時減小輸出的充電功率，在電車驅(qū)動功率較小時增大輸出的充電功率，既不影響電車的運行，也可給接受充電服務的電動車輛充電。通過在電車上加裝充電服務終端，為電車運營公司開辟新型業(yè)務，有助于降低公共交通運營的成本。

附圖說明

圖1為移動式電動車輛無線充電的原理圖。

圖2為移動式電動車輛無線充電的流程圖。

圖3為一種移動式電動車輛無線充電的功率邏輯圖。

圖4為一種移動式電動車輛無線充電的整體實現(xiàn)原理圖。

圖5為無線充電和有線充電對比示意圖。

圖1中附圖標記：1電網(wǎng)輸電線，2電車，3車載互聯(lián)通訊設備(無軌電車)，4車載互聯(lián)通訊設備(電動車輛)，5電動車輛，6-1無線電能提供裝置(前置)，6-2無線電能提供裝置(后置)，7無線電能接收裝置，8充電控制單元，9動力電池，10全球定位衛(wèi)星。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。

首先需要說明的是，本發(fā)明涉及無線充電技術(shù)、車輛互聯(lián)通信和計算機控制技術(shù)在電動車輛充電中的應用。在本發(fā)明的實現(xiàn)過程中，會涉及到電路控制模塊、軟件功能模塊和網(wǎng)絡通信技術(shù)的應用。申請人認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本發(fā)明的實現(xiàn)原理和發(fā)明目的以后，在結(jié)合現(xiàn)有公知技術(shù)的情況下，本領域技術(shù)人員完全可以運用其掌握的技能實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明所述的電車受電弓，又名集電弓、集電桿，俗稱“辮子”，指有軌或無軌電車車頂上從架空電網(wǎng)取得電力的設備；所述高壓電氣裝置，系指保證電車能安全、可靠地從架空電網(wǎng)取得電力的電氣裝置，所述高壓是指架空電網(wǎng)上的供電電壓普遍達到了600伏特以上；所述高壓電氣裝置主要包含主斷路器、電容、電阻等部件，其中主斷路器用于斷開電車受電弓與架空電網(wǎng)之間的連接，起到安全保護的作用；所述受電弓與電車高壓電氣裝置的技術(shù)與市場可見的有軌或無軌電車相應技術(shù)無本質(zhì)差異，可參考文獻《現(xiàn)代有軌電車工程》(陸云，2015)。電源管理與變換系統(tǒng)，可對電能進行功率、交直流或幅值的調(diào)節(jié)，可參考文獻《電源變換基礎及應用》(皇甫宜耿等，2015)；智能電力管理單元中帶有可控芯片，能內(nèi)嵌控制軟件，對單個或多個電源變換模塊進行控制和調(diào)節(jié)，具體實現(xiàn)方式可根據(jù)實際需要進行設計，本發(fā)明對其實現(xiàn)過程并無特別技術(shù)要求。

電動車輛的無線充電技術(shù)原理可參考文獻《電動車輛高效率無線充電技術(shù)的研究進展》；電動車輛無線充電標準條件可參考IEEE 802.11p(又稱WAVE,Wireless Access in the Vehicular Environment)的介紹。無線充電方式與有線充電方式在占用空間和方便性能的對比如圖5所示。

車載互聯(lián)通訊設備可參考文獻《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)與標準發(fā)展研究》、《車聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)研究》、《3GPP LTE-V2X標準進展及技術(shù)介紹》，或直接采用航盛公司的“啟航者車聯(lián)網(wǎng)云管端系統(tǒng)”，也可采用華為公司的LTE-V2X產(chǎn)品；車載互聯(lián)通訊設備可內(nèi)置短程通信設備用于實現(xiàn)短程通信功能，具體可參考文獻《車載通信DSRC技術(shù)和通信機制研究》，或直接采用東軟公司的VeTalk產(chǎn)品。

應說明的是，上述內(nèi)容只是為更清楚地進行描述而舉例說明，不應被視為是對本發(fā)明的限定。

本發(fā)明中利用電車受電弓的電動車輛無線充電系統(tǒng)，如圖1所示，包括利用受電弓和高壓裝置從電網(wǎng)輸電線1取電的無軌或有軌電車2。

該無線充電系統(tǒng)還包括無線電能充電裝置、電源管理與變換系統(tǒng)，以及無線充電服務系統(tǒng)；其中，

無線電能充電裝置在滿足無線充電標準的前提下實現(xiàn)對電動車輛5的無線充電；無線電能充電裝置包括安裝在電車2上的無線電能提供裝置6-1、6-2，以及安裝在電動車輛5上的無線電能接收裝置7；在電動車輛5上還設有充電控制單元8和動力電池9，無線電能接收裝置7通過電纜依次連接充電控制單元8和動力電池9；無線電能提供裝置包括了電車頭部的前置無線電能提供裝置6-1、電車尾部的后置無線電能提供裝置6-2，電車側(cè)部的側(cè)置無線電能提供裝置。

電源管理與變換系統(tǒng)包括電源變換模塊和智能電力管理單元；其中，電源變換模塊通過電纜分別連接至高壓裝置、電車驅(qū)動電機和無線電能提供裝置6-1、6-2；智能電力管理單元用于收集車輛信息，并根據(jù)車輛信息分析處理結(jié)果確定電車2運行需求和電動車輛5充電需求；進而針對所述高壓裝置輸出調(diào)節(jié)信號，以及通過充電控制單元向各電源變換模塊輸出功率分配信號。在無軌電車停止或正常行駛過程中，都能實現(xiàn)對電動車輛的無線充電。電源變換模塊是直流—交流變換子模塊或直流—直流變換子模塊中的至少一種；前者用于將來自輸電線的直流電轉(zhuǎn)換為電車驅(qū)動電機所需的交流電或電動車輛5充電所需的交流電；后者用于將來自輸電線的直流電轉(zhuǎn)換為電車驅(qū)動電機所需的直流電或電動車輛5充電所需的直流電；

無線充電服務系統(tǒng)用于將電車位置、運動信息和運行計劃與待充電的電動車輛信息進行交互和匹配；無線充電服務系統(tǒng)包括電車車載定位設備、車載互聯(lián)通訊設備，以及無線充電服務云端平臺或服務器。

在電車上設有車載定位設備；在電車2和電動車輛5上分別設有車載互聯(lián)通訊設備3、4，車載互聯(lián)通訊設備3、4能夠連接云端網(wǎng)絡，且車載互聯(lián)通訊設備3、4中包括短程通信設備。還可以在電車和/或電動車輛上分別設置安全防護裝置，用于防止充電過程中行人或其它車輛進入無線充電區(qū)域。

本發(fā)明的無線充電系統(tǒng)的功率選擇邏輯如圖3所示。如果電車2處于停車狀態(tài)，則最大充電功率可處于高功率狀態(tài)；如果電車2處于運行過程中且行駛需求功率較大時，則對電動車輛5的充電功率處于低功率狀態(tài)；如果電車2處于運行狀態(tài)但本身行駛需求功率較小時，則對電動車輛5的充電功率可處于高功率狀態(tài)。

無線充電服務系統(tǒng)將電車車載定位設備和通訊設備記錄的位置信息、運動信息和運行計劃等數(shù)據(jù)發(fā)送到無線充電服務云端平臺或服務器，經(jīng)該無線充電服務云端平臺或服務器接收電動車輛5的充電服務請求，便于待充電的電動車輛5與電車2之間實現(xiàn)信息溝通與交互。電車車載定位設備和通訊設備，可定位電車2的地理位置，并將地理位置信息和運營路線信息發(fā)布到無線充電服務云端平臺或服務器上，便于其他電動車輛5可查詢無線充電系統(tǒng)的實時位置和運營路線，以確定接受充電服務的時間和地點。車載互聯(lián)通訊設備3、4中包括車-交通設施通訊設備和車-車互聯(lián)通訊設備(即短程通信設備)，車-交通設施通訊設備可從交通基礎設施中獲得紅綠燈狀態(tài)、交通流量等當前交通信息，實現(xiàn)無軌電車的正常行駛與無線充電服務的正常運行，車-車互聯(lián)通訊設備可將電車2的位置、車速、加減速等信息發(fā)送到待接受充電服務的電動車輛5，便于該電動車輛5在無線充電過程中與電車2之間保持穩(wěn)定的、合適的間距。

本發(fā)明中利用電車受電弓的電動車輛無線充電的方法如圖4所示，實現(xiàn)流程包括：

(1)利用電車2上的車載定位設備和車載互聯(lián)通訊設備3、4，將無軌或有軌電車2的地理位置信息和運營路線信息發(fā)布到無線充電服務云端平臺或服務器上；

(2)電動車輛5通過車載互聯(lián)通訊設備4查詢系統(tǒng)中各電車2的實時位置和運營路線信息，并確定接受充電服務的最佳行使路線、預計到達時間和地點；

(3)電動車輛5采用并行、尾隨或貼近?？康姆绞?，保持與電車2之間距離滿足電動車輛無線充電標準條件；

(4)智能電力管理單元收集車輛信息，并根據(jù)車輛信息分析處理結(jié)果確定電車2運行需求和電動車輛5充電需求；進而針對高壓裝置輸出調(diào)節(jié)信號，以及通過充電控制單元向電源變換模塊輸出功率分配信號；無線電能提供裝置接受來自電源變換模塊的電能，并通過無線信號方式傳送至電動車輛5上的無線電能接收裝置7，由后者實現(xiàn)對動力電池的充電。

當電車2在行進過程中對電動車輛5充電時，電動車輛5通過車載互聯(lián)通訊設備4中的短程通信設備獲取電車2的即時位置、車速、加減速信息，通過車載互聯(lián)通訊設備4獲得交通信號燈狀態(tài)和交通流量信息；進而控制電動車輛5的隨行車速和方向，確保在無線充電過程中兩車之間始終保持穩(wěn)定與適當?shù)拈g距。