新能源客车的自动充电系统设计

徐 威 夏修龙

（特来电新能源有限公司，山东 青岛 266104）

0 引言

近年来，国家发改委、能源局等发布了《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》《新基建发展白皮书》等政策。在政策利好的形式下，充电行业迎来了快速发展期。充电桩的建设数量与日俱增，但迅猛发展的同时也存在诸多问题。该文从2 个人工充电方式的问题入手，进行调研分析，着力探索新能源客车的自动充电方式。1） 传统人工充电方式问题传统的充电枪充电电流小，充电时间长。单把枪的充电电流在250 A 以下，常规的城市公交车需要6 h～8 h 充满，很难满足城市公交运营的需要。

传统的充电枪在充电时，采用人工插枪的方式，插枪力在140 N 以上，部分车辆为了满足快速充电的需求，同时采用2 把枪、3 把枪甚至4 把枪给车辆充电，用户费时费力，造成了极差的用户体验。2） 无人驾驶推动了无人充电技术的发展随着人工智能、无人驾驶等技术的发展日趋成熟，面向无人驾驶车辆的无人充电技术仍然相对薄弱。无人驾驶必须采用无人化的自动充电设备，车辆停到充电车位后，自动插枪、自动充电、充电完成后自动拔枪，整个充电过程不需要人为干预。

为此，该文提出了一种基于自动连接的传导式自动充电系统，该系统简称“充电弓”。该系统的充电功率大，自动搭接，充电全过程不需要人员参与，成为新型的新能源汽车充电方式。

1 系统方案

充电弓面向电动客车的顶部自动充电进行设计研发，为电动客车提供自动化、大功率的充电服务。通过下压式充电机构自动连接电动汽车的充电接口，给电动汽车进行快速充电，如图1 所示。司机不需要进行下车插枪的操作，充电弓能自动识别到站的车辆，自动与车辆匹配进行充电，不需要人工操作。同时充电设备占地面积小，适应城市道路及公交集中场站要求，成为新型的城市公共交通充电解决方案。

在系统的整体设计上，充电弓由弓体、弓头、充电直流机组成。弓体作为支撑固定设备，悬挂充电弓头。充电直流机将电网的交流电变换为可给电动汽车充电的直流电。弓头由驱动机构、上下伸缩机构、底部电极机构组成，充电过程中自动下降与车顶受电装置搭接，实现电能传输。

图1 充电弓与新能源客车充电过程

2 控制系统设计

该系统的方案拓扑如图2 所示，整套系统采用2 个控制单元。充电设备的常规功能由充电桩主控板实现，运动功能由运动控制单元实现。2 个控制单元之间采用以太网的方式进行通信。

2.1 充电弓主控系统设计

充电弓主控系统作为充电的集中处理单元，负责整个充电体系的流程控制。负责控制电能的输出，并控制运动执行单元动作。下挂车辆识别模块、电量显示模块、无线通信模块，并通过4G 连接云端平台。

2.1.1 车辆识别模块

车辆识别是指车辆进入充电弓的可允许停车范围内，充电弓能够自动识别车辆的身份信息。对常规的车辆来说，一般都采用车牌识别的方式来识别车辆的身份信息。充电弓由于安装在车辆顶部，相机无法照射到车牌，所以无法采用车牌识别的方式。充电弓识别车辆时采用RFID 无线射频的方案，该方案技术较为成熟且已大批量的应用到高速公路的ETC 自动收费中。

RFID 无线射频方案由读写器和标签组成，RFID 读写器安装在充电弓下方，电子标签安装在车辆顶部[1]。读写器向下定向发送860 MHz ～960 MHz 的超高频电磁波。当车辆停靠在充电弓下面的区域时，读写器获取车辆顶部标签的信息，并将读取的标签信息通过RS-485 通信方式传送给充电弓主控板，充电弓主控板根据标签信息判断车辆的身份。

图2 系统方案拓扑

2.1.2 电量显示模块

电量显示模块安装在充电弓顶部，主要负责将当前充电车辆的SOC 电量值显示出来，司机在距离车辆较远的位置也可以查看车辆的SOC 值。当电量充满后，车辆顶部的电量显示模块会跳转到另一状态，提示司机挪车。

电量显示模块与充电弓主控系统之间采用RS-485 通信，借用标准的Modbus-RTU 通信协议，传输当前的充电电量、故障、空闲等状态。

2.1.3 无线通信模块

在充电前以及充电的过程中，车辆BMS 与充电机须进行信息交互，传输GB/T 27930—2015 的报文，交互充电电压、充电电流等信息[2]。为此采用CAN 转Wi-Fi 模块进行数据传输。每台充电弓作为AP，有固定且唯一的Wi-Fi 名称和密码，车辆的Wi-Fi 作为Station。车辆停在充电弓下方时，根据Wi-Fi 名称与密码配置原则，连接对应的充电弓，连接完成后，开始进行数据信息的交互[3]。

交互的报文采用UDP（User Datagram Protocol）协议，在标准CAN 帧的基础上增加报文头与报文尾，组成UDP 格式的报文，一个UDP 帧包含一个CAN 帧，如图3 所示，帧ID与数据为原始的CAN 帧，增加帧头、发送模式、帧信息、时间戳、校验后形成UDP 格式的数据包。

2.2 运动控制单元设计

运动控制单元选用可编程的逻辑控制器作为信息处理与控制单元，与充电弓主控板采用TCP/IP 通信，接收动作指令，与各个传感器及驱动单元协调控制，控制充电弓上升下降，实现自动充电功能。

图3 UDP 格式协议帧

2.2.1 位置检测单元

充电弓在上下运动时，为防止充电弓超出行程的运动范围，造成机械损伤，在充电弓运动的上限与下限各增加接近开关，进行安全监测，保证充电弓不超出运动范围。

2.2.2 温度检测单元

充电弓的充电电流大，一般为500 A～800 A，充电时产生的温升较高。尤其是因车顶不平，导致充电弓的电极与受电弓的电极搭接不良时，接触电阻增大，温升会急剧增长，造成电极烧毁，产生安全事故。为此，在充电弓的电极上增加温度检测单元，实时采集温度信号，并将温度信号反馈给运动控制单元进行处理。

运动控制单元检测到温升超过一定阈值时，及时停止充电，防止温度过高，烧毁电极。该温升阈值的选择需要综合考虑充电电流以及搭接次数。图4 选取了电极的不同位置，在充电电流为500 A 的情况下，搭接次数与温升的变化值，从图4 中可以看出，充电弓在正常充电的过程中，温升最高为50 K。根据该测试数据，将充电弓的温升检测阈值设置为50 K。

图4 搭接次数与温升关系图

2.2.3 压力检测单元

充电弓的电极与车辆顶部受电弓的电极在搭接后，搭接压力与接触电阻成线性关系，搭接压力越大，接触电阻越小。但搭接压力较大时，会对机械结构造成损伤。图5 是实验室测试的搭接压力与接触电阻的关系，经实验测试数据得出，搭接压力在240 N 左右，接触电阻较小。

因此，在充电弓的电极顶部安装了压力传感器，并将数据实时反馈给运动控制单元，运动控制单元根据压力的大小来控制驱动单元运动。在充电弓下降时，当压力达到预设值时，停止运动并实时保持该搭接压力。

2.2.4 驱动单元

充电弓的上升、下降都通过驱动单元来提供驱动力。驱动单元与运动控制单元采用总线通信的方式，驱动单元根据运动控制单元提供的信号进行上升下降。

驱动单元选用220 V 的伺服电机，运动精度高、反应速度灵敏。在充电时车辆会因上下乘客导致高度差发生变化，伺服电机会以100 ms 的速率进行动态补偿，使电极的搭接压力保持在合适的范围内，保障充电的安全可靠。

图5 搭接次数与温升关系图

3 结语

通过上述方案，该文设计出了面向新能源客车的自动充电方式。该方式采用了多种智能传感设备，使充电趋于自动化，充电全过程不需要人为参与，大大提高了用户体验。目前该方案已经在成都、上海等地建设运行，得到客户的一致好评。在未来，随着人工智能、无人驾驶的普及，对充电方式也会提出更高的要求，使充电朝着自动化、无人化的方向发展，充电弓完美解决了未来无人驾驶车辆对于无人充电的需求问题。