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智能自动充电技术:如何优化电气化公路方案|投稿

2023-08-06 汽车电子设计 阅读:
电气化公路能够实现电动车在公路和街道上动态补充电能,是综合成本低、高效能的电动车补能方案。借助电气化公路,电动车可边行驶、边充电,也可在停泊状态自动充电。但是,为了保证电动车在电气化公路上可靠充电,需

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电气化公路能够实现电动车在公路和街道上动态补充电能,是综合成本低、高效能的电动车补能方案。借助电气化公路,电动车可边行驶、边充电,也可在停泊状态自动充电。2Jbednc

但是,为了保证电动车在电气化公路上可靠充电,需要提高电动车受电窗口的宽度才有利于受电弓可靠跟踪接触网,因此积极研究电动车受电窗口在电气化公路中的优化方案是推动电气化公路发展的重要措施。2Jbednc

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电动车在固定式(停泊)充电状态下2Jbednc

受电窗口分析2Jbednc

所有电动车都需充电,不论外部电源充电,还是车载油机发电充电。外部电源充电,最简单是停泊充电,最复杂的是行驶充电(运动充电)。停泊充电目前较常见的是插入式充电枪手动对位充电,另一种则是应用受电弓和接触线半自动充电。2Jbednc

1|受电窗口和受电窗口相对宽度

使用外部电源充电要求充电头(或受电弓)对位充电口(或接触线)准确对位,这就涉及受电窗口问题,受电窗口的宽度决定充电头(或受电弓)对位充电口(或接触线)的方便快捷程度。2Jbednc

因此,受电窗口宽度可定义为:充电头(弓)在有效位移区域准确对位充电座(网)的距离(长度)2Jbednc

受电窗口相对宽度则定义为:受电窗口宽度与电动车可相对移动长度的比值。当受电窗口相对宽度达到100%,就意味着电动车可自动对位充电;反之,当受电窗口相对宽度低于100%,就意味着电动车需要手动干预(或通过自动化设备控制)才能实现对位充电。2Jbednc

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充电头与充电座2Jbednc

由于插入式充电枪的金属接线端子和电动车充电座插孔宽度都比较窄(0.3-1厘米)插入式充电枪的受电窗口极窄(<1厘米),因此电动车要实现自动充电极为困难(需要极高的对位精度和控制精度),甚至对位失败可能破坏充电设备。2Jbednc

2|现有弓网供电电动车在固定充电状态下的受电窗口分析

对于使用双受电弓和双接触线供电进行固定式充电的电动车,充电窗口约等于受电滑板长度,考虑安全因素(其中:在不具备滑板换向的前提下,考虑绝缘和安全问题,双弓之间需要有足够安全间距,接触线间距需大于受电滑板宽度),还需扣除安全间距。根据这个充电要求,固定式双弓充电系统各部件具有以下关系:2Jbednc

  • 接触线间距>=受电滑板宽度+安全间距2Jbednc

  • 充电窗口=单受电滑板长度-安全间距2Jbednc

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    奥威科技四滑板双受电弓固定供电系统2Jbednc

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    申沃电动客车站区式双弓双线固定充电系统2Jbednc

    例如,申沃电动客车在标准道路上(约375厘米)进行固定式充电,若设定其受电滑板长度为50厘米,设安全问间距10厘米(注:该系统不具备换向功能)。则:2Jbednc

    受电窗口宽度=50厘米-10厘米=40厘米。2Jbednc

    申沃电动客车的受电窗口是比较窄的,其受电窗口相对宽度=40/375=10.7%,因此它的受电弓对位接触网比较困难,驾驶员必须依赖各种充电标记,准确停泊于指定位置,定点于充电区才能充电。2Jbednc

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    中车智轨站区式双弓双线固定充电系统2Jbednc

    再如,中车智轨站区式双弓双线固定充电系统,若设定其受电滑板长度为80厘米,设安全间距15厘米,则其受电窗口65厘米。中车智轨的受电窗口也是比较窄的,其受电弓只能在车身横向位移65厘米的区域内才能充电。中车智轨充电相对困难,中车智轨需要一定权限的路权才能保证受电弓可靠对位充电,因此受限于充电位较少的现实,常常会有多个智轨列车排队充电现象。2Jbednc

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    传统弓网供电的电动车在行驶状态下2Jbednc

    受电窗口分析
    1|发展中的“受电弓+接触网”充供电系统

    对于有路权的有轨电车,因为钢轨的导电和导向功能,其受电弓与接触线可保持相对稳定的连接,并无受电窗口要求。但是,对于使用双接触线且无路权的电动车,受限于“滑板之间和弓网之间”的短路问题,在运动状态下要实现受电弓与双接触线可靠连接是相当困难的。2Jbednc

    为解决双接触线电气化公路供电难题,经过一百年多年、特别是近十年来的努力,电气化公路已经形成三种受电弓方案:一种是德国西门子“独立双弓双线方案”,第二种是中车株洲和三一重卡的“联动双弓双线方案”,第三种是独具特色的中国方案“电子换向单弓双线方案”。2Jbednc

    2|典型西门子受电弓供电方案在行驶(运动)状态下的受电窗口分析
    • 德国西门子“独立双弓双线方案”2Jbednc

      该方案的两个受电弓相互独立,两弓之间空气绝缘,应用视频跟踪、计算机等自动控制技术,可实现双弓在运动状态下跟踪双接触线。2Jbednc

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      德国西门子“独立双弓双线方案”(Ehighway)2Jbednc

      西门子“独立双弓双线方案”无换向功能,受电弓滑板长度1米,安全间距0.4厘米,则其受电窗口宽度约为0.6米,即:1-0.4=0.6米。2Jbednc

      如果电动卡车行驶在标准机动车道宽3.75米的电气化公路,其受电窗口仅占机动车道宽的16%(受电窗口相对宽度=0.8/3.75=16%)。2Jbednc

      总体上,西门子“独立双弓双线方案”是可行的,但是受电窗口太窄,因而供电可靠性极低,需辅助复杂的自动化控制系统才维持弓网稳定连接,故而技术复杂、成本太高,即便是德国这个机械电气化和自动控制技术强国也难以控制成本,难以大众化遍及。2Jbednc

      • 联动双弓双线方案2Jbednc

      在中国新能源电动车引领世界汽车发展的大势下,中车株洲、清华大学和三一重卡升级“德国西门子独立双弓双线方案”,实现中国版的“联动双弓双线方案”,该方案的特点是:双弓之间使用联接件将双弓连接在一起,由于双弓之间应用了联接件,可避免某一接触线可能卡在两弓之间出现故障之类的问题,以及单弓单杆稳定性差的问题。2Jbednc

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      线间距过大导致受电窗口过窄导至跟踪和控制较为困难2Jbednc

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      中车株洲方案采用了万向节多余度自动控制装置2Jbednc

      中车株洲“联动双弓双线方案”仍然没有滑板换向功能,设受电弓滑板长度1米,安全间距0.4米,则其受电窗口宽度约为0.6米。该电动卡车行驶在车道宽3.75米的电气化公路上,受电窗口相对宽度=0.6/3.75=16%。2Jbednc

      由于每一个弓上滑板长度较大约1米,联接件约0.4米,因此接触线间距达1.5米。如此之大的线间距导致受电窗口太窄(仅0.6米),受电弓跟踪接触网较为困难,必须使用多余度自动控制装置(受电弓撑杆根部安装十字万向节,采取多维度控制),在水平横向和垂直方向等多个方向上频繁控制受电弓作复杂运动,才能保持弓网同步。2Jbednc

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      中车株洲方案仍然过分依赖视频跟踪系统2Jbednc

      总体上,该技术方案较之西门子方案进步不大,因其线间距太大,无换向功能,弓网跟踪困难,仍然复杂、成本太高,进展缓慢。2Jbednc

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      “电子换向单弓双线方案”2Jbednc

      技术特点和受电分析2Jbednc

      3.1| “电子换向单弓双线方案”的技术特点

      “电子换向单弓双线方案”是独具特色的、中国化、高性能受电弓供电方案,该方案应用电子换向、滑板复用、多相整流,每一个滑板单独转接一组整流器,通过交错换向式受电滑板与多相整流器的换向和整流作用,迫使接触线传输的电流被分离到直流母线的正负极线路上,实现移动(运动)供电。2Jbednc

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      电子换向受电弓和电气化公路结构示意图2Jbednc

      这种供电方式是柔性接触供电,能够最大程度避免滑板间短路,能够高效利用整个受电弓的导电区域,因此受电窗口宽,结构简单,成本低,可靠性高,传输功率大。2Jbednc

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      中国方案与德国方案是当今两大主流电气化公路路线2Jbednc

      3.2 |“电子换向单弓双线方案”在行驶状态下的受电窗口分析

      “电子换向单弓双线方案”的技术核心是:在一个弓上集成多个受电滑板和多相整流器,应用电子换向、滑板复用、多相整流,用一个弓虚拟多个受电弓,滑板与滑板的过渡区可同时从接触线供电(不会出现板间短路),因此“电子换向单弓双线方案”的受电窗口可按下面公式计算:2Jbednc

      换向弓受电窗口=受电弓导电区域×双倍复用-接触线间距2Jbednc

      “电子换向单弓双线方案”可以使用线间距较小的接触网,高效利用受电弓的导电区域,受电窗口比较宽,有利于简化线网跟踪和自动控制系统。2Jbednc

      • “电子换向单弓双线方案”在商用客车及货运车辆的受电窗口分析2Jbednc

        对于商用客车及货运车辆,设其车宽约2-2.5米,如果使用2.4米电子换向受电弓,假设接触线宽0.6米,其受电窗口为4.2米(即:2.4×2-0.6=4.2),受电窗口相对宽度=4.2/3.75=112%。2Jbednc

        由于该受电窗口宽度已经远大于车道宽度,表明该受电窗口已经出现过盈量(由此增加了12%冗余备份),能够100%保证电动车在标准车道行驶时,无需跟踪设备也能可靠实现“弓网连接”供电。2Jbednc

        • 电动车行驶(移动)状态下的受电窗口分析2Jbednc

        电子换向受电弓通过整流和换向,能够保证行驶中的电动车从接触线充供电。在具体行驶状态下,受电窗口有所不同,如下分析:2Jbednc

        1、位于“车道正中”正常行驶状态下的电动车,受电弓中心正对接触网中心处,能够可靠弓网供电。2Jbednc

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        处于车道正中的电子换向受电弓——行驶中的电动车2Jbednc

        2、位于“车道左侧”正向行驶状态下的电动车,受电弓右端对位接触网,通过换向作用,受电弓能够可靠弓网供电。2Jbednc

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        处于车道左侧的电子换向受电弓——行驶中的电动车2Jbednc

        3、位于“车道右侧”正向行驶状态下的电动车,受电弓左端对位接触网,通过换向作用,受电弓能够可靠弓网供电。2Jbednc

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        处于车道右侧的电子换向受电弓——行驶中的电动车2Jbednc

        4、位于“车道右侧”斜向行驶状态下的电动车,受电弓左端对位接触网,通过换向作用,受电弓能够可靠弓网供电。2Jbednc

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        右侧行驶在大倾斜角度状态下充供电电子换向受电弓2Jbednc

        5、位于“车道左侧”斜向行驶状态下的电动车,受电弓右端对位接触网,通过换向作用,受电弓能够可靠弓网供电。2Jbednc

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        右侧行驶在大倾斜角度状态下充供电电子换向受电弓2Jbednc

        综上分析,在电动车行驶于电气化公路的多种工作状态下,由于电子换向受电弓均能可靠跟踪接触线,从而有效解决电动车横向位移致弓网供电不稳定的问题。2Jbednc

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        结语2Jbednc

        当电动车大行其道之时,电气化公路将顺时而动、应势而为,成为电动车最便捷、最经济的充电补能手段。2Jbednc

        为解决电动车在电气化公路行驶或停泊时可靠充供电,提高受电弓的受电宽度是非常有必要的。通过分析现有典型受电弓在多种状态下的受电窗口宽度,可以得出以下结论:2Jbednc

        一是优化和提升电动车受电窗口宽度,有利于简化供电系统和提升供电系统可靠性,有利于推动电气化公路快速发展,从而降低电动车的充电成本,进而推动电气化公路的普及。2Jbednc

        二是电子换向受电弓因其具有换向功能、受电窗口宽的优势,有利于弓网可靠连接,电子换向受电弓特别适合于电动车在电气化公路上行驶充电,既可降低成本,又可提高电动车供电可靠性。2Jbednc

        三是借助电子换向受电弓,能够助力电动车实现:低成本泊车自动充电系统。2Jbednc

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        基于交错换向多相整流接口技术的自动充电系统已经成熟2Jbednc

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        泊车自动充电系统能够实现车主充电过程和方便车主及时补能2Jbednc

        借助电子换向受电弓,电动车可在泊车状态下,且不借助复杂自动控制系统,只要停泊于有效划线的充电区域,电子换向受电弓系统可实现模糊对位、自动充电(即:车主可不下车,或下车离开后,电动车模糊对位、自动充电)。2Jbednc

        在泊车模式下,电动车使用电子换向受电弓实现自动充电,具有设备简单、综合成本低的优势。2Jbednc

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    作者:贾斌(微信:ht892564752Jbednc

责编:Franklin
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