淺析電動汽車行進中接觸式充電裝置設計研究

王浩宇

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

1 充電系統(tǒng)的總體技術路線

普通公路上嵌著兩條凹電軌，電軌與地下電網(wǎng)連接，分為若干段，地下電網(wǎng)又與充電收費站連接。當車輛駛過電軌上方并且電池需要充電時，電源管理系統(tǒng)傳遞信號給車輛運行狀態(tài)檢測模塊，車輛運行狀態(tài)檢測模塊通過光電編碼器輸出計數(shù)脈沖實現(xiàn)對方向盤轉動角度和角速度的檢測，由此判斷車輛行駛是否處于平穩(wěn)狀態(tài)。當車輛行駛處于平穩(wěn)狀態(tài)時，車輛運行狀態(tài)檢測模塊發(fā)出信號給機械充電臂，安裝在電動汽車底部的機械充電臂可以自動檢測電軌并與其連接，同時電源管理系統(tǒng)通過車載無線通信系統(tǒng)傳遞信號給電軌的信號接收模塊，信號接收模塊發(fā)射信號至可控開關使導軌通電。導軌與電網(wǎng)連接，待導軌通電后電流流入機械充電臂，通過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定電壓，經(jīng)電源管理系統(tǒng)監(jiān)測后進入電池組充電。本文主要探討電軌和機械臂的結構設計。

2 電軌結構設計方案

2.1 分段式電軌總體結構

導軌分段式結構形式如圖1所示。

圖1 導軌分段式結構示意圖

電軌采用分段式鋪設，每隔50～100 m電軌為一個管理區(qū)間，只有當電動汽車行駛過電軌上時，車載通信系統(tǒng)發(fā)出的信號會被電軌接收，電軌才會通電，而電軌之間能夠相互響應，在之后的信號傳遞過程中控制帶電導軌區(qū)域向前延伸。分段式鋪設管理可使路段行車流量較少時減少電能損失，同時也保證了導軌防觸電的安全性。

采用并聯(lián)高壓電纜從電網(wǎng)中取電，降低輸電的損耗，并且單根電纜損壞也不影響使用，增強了裝置的可靠性。高壓電纜的高壓電經(jīng)隔離變壓器降壓后將電能傳輸?shù)降蛪弘娎|，再經(jīng)整流濾波電路和穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定的高品質電流分別導通到各段導軌上。每段電軌各自配備控制模塊，包括可控開關、通信模塊、檢測保護模塊等。

2.2 導軌結構設計

導軌整體外形采用工字形結構，整個結構分為上下兩層，上層放置輸電部分，下層為排水層，兩者通過導流孔連通。排水層與道路排水系統(tǒng)相連，當雨水量較大時也沒有浸沒危險，裝置可以安全運行。

正負極觸點平置在有絕緣層的基座上，高壓電經(jīng)降壓后傳遞至低壓電纜，再經(jīng)整流濾波以及穩(wěn)壓后分別傳遞至各段導軌的正負極觸點上。正負極觸點采用380 V直流供電，觸點下表面以及導軌表面絕緣保護，同時車輛通過時才通電。只要不在車輛駛過時同時接觸到正負極觸點就沒有觸電危險。同時通過中間結構將正負極分隔開，避免兩級直接或間接接觸產(chǎn)生短路危險。導軌具體結構橫截面如圖2所示。

圖2 導軌具體結構橫截面示意圖

3 機械臂結構設計

機械臂結構如圖3所示。

圖3 機械臂結構示意圖

機械臂主要由頂板、步進電機、柔索和彈簧、上臂桿、下臂桿、導軌、電刷組成。上臂桿、下臂桿和其之間的轉動副控制機械臂進行上下主動適應工況，導軌和電刷獲取傳感器傳遞的信息后，通過其上的執(zhí)行機構進行主動控制與電軌對齊，導軌和電刷中的轉動副在汽車穩(wěn)定后完成左右方向的被動適應。

3.1 上臂桿和下臂桿

上臂桿固定在頂板中，與下臂桿通過一轉動副相連，下臂桿前端通過柔索連接至頂板上的步進電機，后端通過彈簧連接至上臂桿上的步進電機。整體通過中間的轉動副形成杠桿結構，實現(xiàn)下放和回收。頂板安裝在汽車底部，用于固定機械臂裝置。

3.2 下放和回收過程

下放過程通過視覺傳感器和電刷轉動副上的傳感器，感知電刷相對于導軌和電軌的具體位置和角度位置等信息。通過驅動轉動軸使電刷軸線與導軌平行；驅動導軌使電刷軸線和導軌水平方向重合，對齊電刷后，首先驅動步進電機緩慢張緊彈簧、放松柔索，當電刷下放到離地高10 cm處停止；驅動轉動軸和導軌執(zhí)行結構使電刷運動到導軌的正上方后快速驅動步進電機，將電刷插入電軌中，完成機械臂的下放過程。在機械臂回收過程中，驅動步進電機快速運動，張緊柔索、放松彈簧，抬起機械臂離開導軌。之后再緩慢驅動步進電機抬升基架，同時驅動導軌和轉動軸的執(zhí)行結構使電刷回到與汽車軸線重合的位置。

3.3 上下方向振動控制過程

機械臂結構控制上下振動過程如圖4所示。

圖4 機械臂適應上下振動過程示意圖

完成下放過程后，充電臂通過主動控制適應懸架上下方向振動，為避免電刷與電軌的接觸過程中發(fā)生接觸不良產(chǎn)生電弧等危險，需要在電刷和電軌之間持續(xù)保證至少20 N的壓力。此過程利用PID控制，碳滑板受力和彈簧及柔索拉伸狀態(tài)有關，根據(jù)受力調整步進電機，從而調整彈簧和柔索的張緊程度，同時彈簧有減震作用，能夠減少機械臂所受到的沖擊。

通過構建汽車行駛振動模型，利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，得到系統(tǒng)的Pole-Zero圖，通過判斷特征函數(shù)右半S平面零點數(shù)目、開環(huán)函數(shù)的極點數(shù)目和Nyquist圖逆時針繞（﹣1，j0）的圈數(shù)，經(jīng)過訓練得到PID控制系統(tǒng)所需要的3個參數(shù)，能夠使響應速度明顯加快。

3.4 左右偏移的控制和適應

由于充電臂的適應分為主動控制和被動適應，車體的上下振動由于有一定正壓力的要求，使用了主動控制。而車體的左右偏移沒有壓力要求，左右振動對電刷和導軌的嵌合影響并不大，因此，采用導軌和轉動副以滿足車體左右偏移的被動適應。其中導軌能夠完成被動適應車體相對于電軌20～30 cm的左右偏移（如圖5所示），車體軸線角度偏移則由能相對自由運動的旋轉軸被動適應（如圖6所示）。

圖5 機械臂適應左右偏移過程示意圖

圖6 機械臂適應汽車軸線轉動過程示意圖

導軌和電刷轉動副處通過加裝傳動執(zhí)行元件和離合裝置，電刷定位時，離合器處于接合狀態(tài)，以保證導軌下放和回收過程中執(zhí)行元件能夠主動控制電刷滑塊相對于汽車軸線的角度和左右位置。完成定位和下放后，通過分離離合裝置，使電刷處于自適應狀態(tài)，保證滑塊擁有兩個自由度，并隨著電軌和汽車的相對位置完成被動適應。

4 總結

利用車道線檢測技術和對機械臂的智能控制，完成充電機械臂與電軌的連接，電動汽車實現(xiàn)在行駛中取電，可以設立充電收費站，鋪設電網(wǎng)和電軌，與電動汽車形成完善的充電系統(tǒng)，解決電動汽車續(xù)航問題。