电动汽车与充电站之间的充电接触装置

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电动汽车与充电站之间的充电接触装置\n(一)技术领域：\n[0001] 本发明涉及电动汽车的充电，具体地说是电动汽车与充电站之间的充电接触装置。\n(二)背景技术：\n[0002] 超级电容电动汽车及超级电容与电池复合电源的电动汽车可以用于城市公交车及其它短距离的运输，电动汽车对于节能减排、提高大城市的宜居质量将会起到重要作用，充电是电动汽车技术的关键环节之一。\n[0003] 超级电容充电的特点是：充电电流大、充电时间短、电动汽车充电后连续行驶的距离短、再次充电间隔的时间短，需要频繁充电。所以要求充电站输出端与电动汽车受电端的接触面积要大并有合理的接触压力，充电过程要快捷方便、自动化程度要高，尽量减少或去除非充电的辅助时间，电动汽车在充电站要能够最大限度的利用充电站的电能。\n[0004] 通过对现有的电动汽车充电方案进行考察并查阅有关的技术刊物、专利文献，发现已有的与电动汽车充电集受电方法有关的技术方案：1、ZL03142211.X双线受电式无轨电车集电弓，2、CN200410015991.7公交电车剪式双极受电弓，3、ZL200710094281.1一种电动车辆受电弓。在第3个专利的说明书中对前两个专利存在的问题进行了描述，但是，在ZL200710094281.1中，仍然存在着从原理上不能达到可靠的实用要求的下述缺陷：\n[0005] 1、支起受电板的多级汽缸垂直动作，从原理上分析其动作精度低，因为没有空气弹性的杠杆放大环节使得弹性工作范围不足，接触压力难以保证。\n[0006] 2、有一个起摆动支撑作用的销轴，可以使电动汽车的两个受电板与充电站输出端的双接触线同时接触，但是不能保证受电板与充电站输出端的双接触线大面积的平面接触。\n[0007] 3、静止状态受电，垂直顶升形式不利于车辆在行驶过程中充电，静止状态受电浪费了停车前低速行驶、开关车门、车辆启动的充电时间，无法利用充电站电能使车辆起步。\n[0008] 4、专用精密件多，制造成本高，可靠性低。\n[0009] 针对已有技术方案存在的缺点，需要提出新的技术方案。\n[0010] 有助于对本发明理解、检索、审查的技术文件还有：\n[0011] 1、郭凤仪，陈忠华.电接触理论及其应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.[0012] 2、CJJ37-90，城市道路设计规范[S].\n[0013] 3、田耕.并联高架快速路[J].交通标准化，2009，(2/3)上半月刊：118-121(三)发明内容：\n[0014] [1]本发明提出的电动汽车与充电站之间的充电接触装置所要解决的技术问题是：\n[0015] 在现有的电动汽车充电技术中存在的受电弓的弹性工作范围不足，接触压力难以保证，不能保证受电板与充电站的双接触线大面积的接触，静止状态受电浪费了停车前低速行驶、开关车门、车辆启动的充电时间，无法利用充电站电能使车辆起步，专用精密件多，制造成本高，可靠性低的问题。\n[0016] [2]本发明提出的电动汽车与充电站之间的接充电触装置所采用的技术方案是：\n[0017] 1、在电动汽车充电站13的车道1的正上方，对称且平行的安装着两条相同的接触板8、8’；在电动汽车10的车顶9，平行的安装着两个相同的、可以同时或分别控制的、因自身和外界参数差异致使其动作可以略有差异的受电弓总成7、7’；两个受电弓总成7、7’的中心线之间的距离即两个受电滑块4、4’的中心线之间的距离d’，两个受电滑块4、4’的中心线之间的距离d’与两条接触板8、8’的中心线之间的距离d基本相等；两条接触板8、8’之间的距离c大于受电滑块4、4’的宽度b；受电滑块4的两侧到接触板8的两侧边缘的距离分别大于或等于电动汽车10到车道1的间隔距离e、e’，受电滑块4’的两侧到接触板8’的两侧边缘的距离分别大于或等于电动汽车10到车道1的间隔距离e、e’；接触板8、8’的投影长度h因电动汽车充电站车道1的长度不同可有较大的差异。\n[0018] 2、受电弓总成7的侧立板414、侧立板414’、限块座47、底板411固定成一体，侧立板414、侧立板414’支撑着主轴412、拉簧轴413，主轴412、拉簧轴413与电动汽车10的对称中心线垂直；在低限块46、高限块48的限制下，弓臂6可以在气缸410和拉簧44的共同作用下以主轴412为轴作圆弧运动，圆弧运动的范围自电动汽车10的前行方向的向后偏下至向上偏后；受电弓总成7是具有两个稳定状态的机械结构，拉簧轴413轴心与主轴412轴心连线的延长线L是两个稳定状态的分界；当拉轴42的轴心处于L线时，拉簧44伸长到最大值，拉力最大，这一拉力完全作用于主轴412，拉簧44不提供转矩，不能帮助弓臂6转动；\n当拉轴42的轴心处于L线下方时，拉簧44提供逆时针转矩，帮助弓臂6逆时针转动，遇低限块46停止；当拉轴42的轴心处于L线上方时，拉簧44提供顺时针转矩，帮助弓臂6顺时针转动，遇高限块48停止；气缸410用于驱动弓臂6；当电动汽车10上没有适用的气源时也可以用液压缸驱动弓臂6，用液压缸时需要增加弹性环节。\n[0019] 3、受电弓总成7的弓臂6的端部也就是弓臂上段41的端部，在弓臂6的端部固定有万向头5，万向头5内有上部弹簧62、下部弹簧64可以使万向头5有一个利于受电滑块\n4与接触板8或接触板引入弧3初始接触的明确的角度；在万向头5上固定有受电滑块4，在受电滑块4上开有凹槽，凹槽的方向与电动汽车10的中心线方向垂直。\n[0020] 4、在受电弓总成7与7’的弓臂6、6’上分别安装有弓臂角度传感器416、416’，可以分别对弓臂6、6’的转动角度进行检测，分别得到弓臂6、6’转动角度的信号，供控制器19读取。\n[0021] 5、在电动汽车充电站13的车道1的一侧或两侧设置有升弓信号点2、升弓信号后点2’、升弓信号后点2”、升弓信号后点2”’、充电信号点16、充电信号后点16’、断电降弓信号点14、断电降弓信号后点14’，以及受示意图所限没有标明的信号点，这些信号点之间可以是等距离的，也可以是非等距离的；在电动汽车10上安装有信号接收器15、信号接收器\n112，信号接收器可以是一个也可以是多个；当电动汽车10沿着车道1经过上述信号点时，信号接收器可以收到电动汽车10相对于车道1的位置的信号，信号接收器收到的信号，供控制器19读取。\n[0022] 6、在电动汽车10上安装有控制器19、气路开关111、接触器110、声信器18；控制器19读取由信号接收器15、112传来的信号，可以判别电动汽车10相对于车道1的位置、计算速度；控制器19读取由弓臂角度传感器416、416’传来的信号，可以判别弓臂6、6’的角度；控制器19可以将实际车速与设想车速进行比较，得知电动汽车10在车道1的某一个具体位置的车速是否合适，并通过声信器18发出不同频率的声响信号提醒司机控制车速，并且为进一步的自动控制车辆行驶速度提供依据；弓臂6、6’的角度及其与电动汽车10在车道1上的位置的联带关系是升弓、降弓的关键之一，控制器19可以通过控制气路开关111供给气缸410、410’的压缩空气，对弓臂6、6’的角度进行控制，并控制接触器110的开、合，这一过程也就是自动控制充电的过程。\n[0023] 7、在电动汽车充电站13的接触板8的两端固定有接触板引入弧3、接触板引出弧\n12，在接触板8及其两端的接触板引入弧3、接触板引出弧12的两侧固定有接触板侧护板\n31。\n[0024] 8、在电动汽车10的车顶9上安装有摄像头11，用于对受电过程进行监视。\n[0025] 9、在受电弓总成7的限块座47上安装有低限块46、高限块48，调整低限块46可以调整弓臂6及受电滑块4的最低位置，在电动汽车10的行驶过程中，弓臂6被锁定在最低位置；调整高限块48可以调整弓臂6及受电滑块4的最高位置，调整受电滑块4的最高位置就是调整弓臂6的弹性工作范围；在弓臂6上安装有拉簧44及张紧器43，调整张紧器\n43可以调整拉簧44的拉力，调整拉簧44的拉力就是调整受电滑块4与接触板8的接触压力。\n[0026] 10、在电动汽车充电站13，接触板8、8’通过绝缘子32固定在棚盖结构34上；在棚盖结构34上固定有超级电容33；电动汽车10的充电电流大，电动汽车充电站13是间歇性工作，超级电容33可以减小电动汽车充电站13的充电电源35的功率，加大充电电流。\n[0027] [3]、对照现有的电动汽车与充电站之间的充电接触技术，本发明的有益效果是：\n[0028] 1、接触板8较现有技术中的接触线宽的多，受电滑块4较现有技术中的受电滑板窄的多，且有接触板引入弧3，从机械结构形式上保证了受电滑块4容易被引入接触板8，并且保持与接触板8的大面积接触。\n[0029] 2、弓臂6有明显的弹性拉动的杠杆放大作用，高度适应范围大，可以适应因电动汽车10自身和外界的各种参数变化对弓臂6即受电滑块4空间位置的影响，保证了受电滑块4以一定的压力与接触板8的接触，比现有技术中的受电板窄小得多的受电滑块4利于将弹力转化为接触压力；\n[0030] 3、受电弓总成7与7’结构相同，弓臂6与弓臂6’可以相互独立动作，互不干扰，虽然看似繁复，但是可以拟合因各种原因造成的4与4’在高度尺寸方面的微小差异，在这方面可以借鉴许多实用的例子。因受电弓总成7与7’结构相同，在本发明文件中，除特殊强调，只简述其中一支，请审查员理解。\n[0031] 4、万向头5可以进行两个自由度的摆动，适应各种原因造成的接触角度的变化，且在万向头5上固定的受电滑块4上开有凹槽，保证了受电滑块4与接触板8的大面积的平面接触，保证了接触压强在合理的范围；具体设计时可以方便的对接触面积进行选择，适应对电动汽车10进行大电流充电的要求。\n[0032] 5、弓臂6有两个稳定状态，有自锁功能，适合电动汽车10需要频繁转换正常行驶与充电两种工作状况，即适合弓臂6需要频繁转换升与降两种工作状况，同时也便于对弓臂6摆动角度范围的调整。\n[0033] 6、自动化程度高。在充电过程中，司机驾电动汽车10以规定的速度、沿着车道1驶入电动汽车充电站13，就可以自动完成充电。\n[0034] 7、汽缸410只起到弓臂6在位置转换时的短时间的驱动作用，节能、汽缸410的使用寿命长。\n[0035] 8、受电弓总成7的机械结构简单，机加工件少，降低了制造成本，提高了可靠性，方便了自动控制。\n[0036] 9、接触器110可以防止接触板8、受电滑块4被电弧烧蚀；在非充电工作状况，受电弓总成7不带电，利于保证安全。\n[0037] 10、能够最大程度的利用充电站的电能。电动汽车10在还没有进入接触板引入弧3的下面时就提前升弓，受电滑板4刚与接触板8完全接触就立即开始充电，充分利用了停车前低速行驶、开关车门、车辆启动的时间；这些零碎的时间虽然每段都不长，但总和起来占车辆在充电站时间的比例比较大，有必要充分利用。理想的充电过程是：充电过程完全不占用车辆正常行驶、停站的时间，充电充足，充到的电能足以使车辆正常、快速的行驶到下一次充电。\n[0038] 11、将公交车站17的风雨棚与充电站的棚盖结构34合二为一，提高了公交乘客候车的舒适性，降低了充电站13的建设费用，利于电动汽车10及时充电；这种充电站与并联高架快速路结合十分利于让超级电容电动公交车在城市公共交通中发挥主导作用、在城市规划中发挥主导作用。\n[0039] 12、造价低，使用费用低。用接触板8替代现有技术中的接触线可以大幅度的简化受电弓总成7的设计，减小受电弓的体积、重量，降低受电弓的制造维护成本，提高了自动化程度；提高自动化程度也就是提高设备利用率，降低使用费用；用接触板8会使相应的棚盖结构34体量大、用料多、建造费用高，但充电站是数量少、利用率高的固定设施，电动汽车及其受电弓是数量多、利用率低、复杂的移动设施，从整体上考量，经济效果得到了提高。\n(四)附图说明：\n[0040] 图1是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的右侧视示意图。\n[0041] 图2是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的俯视示意图。\n[0042] 图3是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的入口方向示意图即后视示意图。\n[0043] 图4是：受电弓总成7的右侧视示意图。\n[0044] 图5是：受电弓总成7的俯视示意图。\n[0045] 图6是：万向头5的右侧视示意图。\n[0046] 图7是：万向头5的后视示意图。\n[0047] 图8是：电动小汽车充电的示意图。\n[0048] 图9是：电动城市短途运输货车充电的示意图。\n(五)具体实施方式：\n[0049] [1]、图1是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的右侧视示意图。图1中包括：车道1、升弓信号点2、接触板引入弧3、受电滑块4、万向头5、弓臂\n6、受电弓总成7、接触板8、车顶9、电动汽车10、摄像头11、接触板引出弧12、电动汽车充电站13、断电降弓信号点14、信号接收器15、充电信号点16、公交车站17、声信器18、控制器19、接触器110、气路开关111、信号接收器112、升弓信号后点2’、2”、2”’、充电信号后点\n16’、断电降弓信号后点14’；降弓，受电滑块4的最低位置表示为4a；升弓，调整受电滑块4的最高位置，其位置表示为4b；升弓充电，受电滑块4准备与接触板8接触，其位置表示为\n4c；接触板8的假象延长面表示为8y 。\n[0050] [2]、图2是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的俯视示意图。图2中包括：车道1、摄像头11、电动汽车充电站13、接触板8’、接触板8、断电降弓信号后点14’、断电降弓信号点14、充电信号后点16’、信号接收器15、充电信号点16、升弓信号后点2”’、电动汽车10、受电弓总成7’、受电弓总成7、车顶9、受电滑块4、受电滑块\n4’、信号接收器112、升弓信号后点2”、升弓信号后点2’、升弓信号点2；在图2中用双点划线表示接触板8、8’的投影，用单点划线表示中心线；图2中还标出了：接触板8、8’的宽度a，受电滑块4、4’的宽度b，两个接触板8、8’的间隔距离c，两个接触板8、8’的中心线间的距离d，两个受电滑块4、4’的中心线间的距离d’，电动汽车10的宽度f，车道1的宽度g，电动汽车10到车道1的间隔距离e和e’，接触板8、8’的投影长度h。\n[0051] [3]、图3是：电动汽车与充电站及电动汽车与充电站之间的充电接触装置的入口方向示意图即后视示意图。图3中标出了：电动汽车充电站13、弓臂角度传感器416、汽缸\n410、公交车站17、升弓信号点2、车道1、电动汽车10、电动汽车10到车道1的间隔距离e和e’、汽缸410’、弓臂角度传感器416’、受电弓总成7’、弓臂6’、受电滑块4’、接触板引入弧\n3、接触板侧护板31、接触板引入弧3’、绝缘子32、超级电容33、棚盖结构34、充电电源35。\n[0052] [4]、图4是：受电弓总成7的右侧视示意图，图5是：受电弓总成7的俯视示意图。\n图4和图5中包括：接触板8、接触板引入弧3、受电滑块4、万向头5、弓臂上段41、弓臂6、拉轴42、张紧器43、拉簧44、拉销45、低限块46、限块座47、高限块48、短臂49、气缸410、底板411、主轴412、拉簧轴413、侧立板414与414’、受电弓总成7、拉簧钩415、弓臂角度传感器416；图4中还标出了拉簧轴413轴心与主轴412轴心连线的延长线L；在图4中，当弓臂\n6处于最低位置时，这个位置表示为6a，相应的4的位置表示为4a，42的位置表示为42a；在图4中，当弓臂6处于最高位置时，这个位置表示为6b，相应的4的位置表示为4b，42的位置表示为42b；在图4中，升弓时受电滑块4准备与接触板8接触的位置表示为4c，相应的\n6的位置表示为6c；在图4中，接触板8的假象延伸面表示为8y；在图5中用箭头标出了电动汽车10的行驶方向。\n[0053] [5]、图6利图7是：万向头5的侧视图和后视图。图6和图7中包括：受电滑块\n4、万向头5、万向上部61、上部弹簧62、十字轴63、下部弹簧64、万向下部65、弓臂上段41；\n受电滑块4上的开有与电动汽车10的行驶方向相垂直的横槽，用于提高受电滑块4的接触质量；上部弹簧62、下部弹簧64可以使万向头5有一个利于受电滑块4与接触板8或接触板引入弧3初始接触的明确的角度；61、63、65、41用绝缘材料制造。\n[0054] [6]、电动汽车与充电站之间的充电接触装置的工作过程如下：\n[0055] 当电动汽车10进入电动汽车充电站13之前，正常行驶时，弓臂6受低限块46的阻挡，同时受拉簧44的牵拉，主轴412的轴心、拉簧轴413的轴心、在42a位置的拉轴42的轴心呈稳定的三角状态，弓臂6被锁定在6a的位置，没有外力不会自动升起。\n[0056] 当宽度f约等于2.5米的电动汽车10在宽度g不大于3米车道1上减速行驶，进入电动汽车充电站13的范围后，升弓信号点2发出的升弓信号被信号接收器15收到，被控制器19读取，控制气路开关111供气，汽缸410推动短臂49，弓臂6克服拉簧44的拉力及自身的重力，弓臂6顺时针转动。\n[0057] 当拉轴42的轴心到达L线时，拉簧44伸长到最大值，拉力最大，这一拉力完全作用于主轴412，无协助或阻碍弓臂6转动的弹性转动力矩。\n[0058] 汽缸410推动短臂49，使弓臂6继续顺时针转动，拉轴42的轴心越过L线，汽缸\n410的推力与弹簧44的拉力同时产生顺时针转矩，随着弓臂6角度的变化，拉簧44作用于弓臂6的顺时针转矩逐步加大，弓臂6的重力矩逐步减小，弓臂6的上升速度加快，这一情况被弓臂角度传感器416检测，被控制器19读取，控制器19控制气路开关111，使气缸410由推动工作状态转变为阻尼工作状态，弓臂6快速而柔和的到达6c位置。\n[0059] 弓臂6在6c位置即受电滑块4在4c位置。\n[0060] 当弓臂6到达6c位置时，沿着电动汽车10的前进方向，受电滑块4还没进入或已经进入接触板引入弧3的下方；当弓臂6到达6c位置时，在垂直方向，还没有受到外力的受电滑块4的接触面的最高点与接触板8的接触面的假想延长面8y相接；在6c位置，弓臂6的角度符合受电滑块4对高度的要求；在6c位置，弓臂6的角度被弓臂角度传感器416检测，被控制器19读取，控制器19控制气路开关111，使汽缸410的逆时针转动力矩与拉簧\n44的顺时针转动力矩相等，或处于动态平衡状态；在6c位置，弓臂6在拉簧44的弹性和汽缸410的空气弹性双重作用下，这使得受电滑块4具有上下双方向的弹性，这种双方向的弹性的意义是：一方面，标定、调整受电滑块4的高度时可以更接近设想的标定高度，不必留余量，另一方面，当实际使用现场的偏差不会造成受电滑块4对接触板8或接触板引入弧3的硬性撞击。\n[0061] 弓臂6在6c位置，电动汽车10继续减速前行，当受电滑块4的实际位置高于标定的高度时，受电滑块4与接触板引入弧3接触，受接触板引入弧3的下压引导；当受电滑块\n4的实际位置等于标定的高度时，受电滑块4与接触板引入弧3略有接触，万向头5的上部弹簧62、下部弹簧64略有压缩；当受电滑块4的实际位置低于标定的高度时，受电滑块4不与接触板引入弧3接触。\n[0062] 当电动汽车10减速前行，受电滑块4刚刚进入接触板8的下方时，汽缸410的工作完成，升弓信号后点2”’发出信号，信号被信号接收器15接收，被控制器19读取，控制气路开关111，气缸410两气室连通，汽缸410处于松弛状态，弓臂6只受拉簧44的牵拉，弓臂\n6顺时针转动一个小的角度，万向头5向上抬升一个小的高度，万向头5在压力的作用下作出适应接触板8的角度调整，受电滑块4与接触板8以一定的接触压力完全接触，在接触过程中受电滑块4对接触板8会有一定的冲击，但是因为4c位置与接触板8的距离较近，接触板8受到的冲击力较小。\n[0063] 电动汽车10减速前行，信号接收器15收到充电信号点16发出的信号，控制器19控制接触器110，接通充电电路，开始充电。\n[0064] 在充电过程中电动汽车10可以继续缓慢前行，也可以在公交车站17停车上下乘客，待充电过程基本结束，电动汽车10可以借助电动汽车充电站13的电能起步前行。\n[0065] 信号接收器112收到断电降弓信号点14发出的信号，控制器19控制接触器110，断开充电电路，结束充电，控制器19确认接触器110已经被断开，控制气路开关111，汽缸\n410动作，按照与升弓相反的过程降弓。\n[0066] 正常情况下，接触板引出弧12不与受电滑块4接触，只是在特殊情况，如故障情况下，接触板引出弧12助于已经升弓的电动汽车10出站。\n[0067] [7]、充电过程中，弓臂6、6’的动作情况，及受电滑块4、4’与接触板8、8’接触的动作情况可以通过摄像头11，得到司机的观察确认。\n[0068] [8]、因车辆载重不同、轮胎气压不同等因素，弓臂6到达6c位置对角度要求有所不同，司机可以根据实际情况选定弓臂6到达6c位置的角度。\n[0069] [9]、接触板8的宽度a。电动汽车10的宽度f是2.5米，车道1的宽度g是3米，车道与车辆的间距e、e’分别是0.25米。如设受电滑块4的宽度b为0.1米，设接触板8的宽度为0.7米，则受电滑块4的两侧到接触板8的边缘的距离分别为0.3米，有足够的余量。\n[0070] [10]、接触板8的长度h与重量。如电动汽车充电站13可以同时为两辆长18米的铰接式公交车充电，两条接触板均长40米，计56平方米。如用厚度为5毫米的硬铝板，重量约为0.756吨。用硬铝板的好处是：冷轧加工表面平整度好、重量轻、价格便宜、便于加工，并且有电气化铁路的接触线网用钢芯包铝接触线的经验。\n[0071] [11]、接触板8、8’的间距c。设受电滑块4的宽度b是0.1米，设接触板8、8’宽均为0.7米，设两接触板间距离c为0.3米，则两接触板8、8’中心线间的距离为1米。亦即：两受电弓总成7、7’中心线间的距离为1米。\n[0072] [12]、拉簧钩415的用途是为了让拉簧44绕过主轴412，以便使弓臂6具有两个稳定状态。为了使弓臂6具有两个稳定状态还可以用其它方法：例如，将主轴412设计成中部下凹的曲轴形状；又例如：将主轴412设计成为两个半轴，分别固定在侧立板414、414’上；\n又例如：增加拉簧轴413、拉轴42的长度，采用双拉簧拉轴端。这些方法均可以达到使弓臂具有两个稳定状态的目的。\n[0073] [13]、图8是：本发明用于电动小汽车自动快速充电站充电时的简化示意图。图8中标出了：限宽限高框81，小站升弓信号源82，小站接触板引入弧83、83’，小车受电弓总成\n84，小站接触板85，电动小汽车充电站86，电动小汽车87，小车信号接收器88，小站接触板侧护板89、89’，小站车道810，缘石811、811’。\n[0074] 小汽车的外廓尺寸与公交车的外廓尺寸差别较大，需要专门设置小尺寸的电动小汽车充电站86，为了防止大尺寸的车辆误入，并为了将的电动小汽车87确实限定在小站车道810内，增设了限宽限高框81、缘石811、811’；为了确保安全，小站接触板侧护板89、89’较长。\n[0075] 在充电过程中，司机不需要下车，只需驾电动小汽车87以规定的速度、沿着规定的小站车道810进入电动小汽车充电站86，就可以自动完成充电，司机和充电站工作人员只需对充电过程进行监视，一般不需要干预。\n[0076] [14]、图9是：城市电动短途运输货车在电动汽车充电站充电的示意图。短途货运对于保证大城市的正常运转是必不可少的，可以考虑用电动汽车。