王浩宇

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 充電系統(tǒng)的總體技術(shù)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(fèi)站連接。當(dāng)車輛駛過電軌上方并且電池需要充電時(shí)，電源管理系統(tǒng)傳遞信號(hào)給車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊，車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊通過光電編碼器輸出計(jì)數(shù)脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度的檢測(cè)，由此判斷車輛行駛是否處于平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)車輛行駛處于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊發(fā)出信號(hào)給機(jī)械充電臂，安裝在電動(dòng)汽車底部的機(jī)械充電臂可以自動(dòng)檢測(cè)電軌并與其連接，同時(shí)電源管理系統(tǒng)通過車載無線通信系統(tǒng)傳遞信號(hào)給電軌的信號(hào)接收模塊，信號(hào)接收模塊發(fā)射信號(hào)至可控開關(guān)使導(dǎo)軌通電。導(dǎo)軌與電網(wǎng)連接，待導(dǎo)軌通電后電流流入機(jī)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(cè)后進(jìn)入電池組充電。本文主要探討電軌和機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 電軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 分段式電軌總體結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌分段式結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軌分段式結(jié)構(gòu)示意圖

電軌采用分段式鋪設(shè)，每隔50～100 m電軌為一個(gè)管理區(qū)間，只有當(dāng)電動(dòng)汽車行駛過電軌上時(shí)，車載通信系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)會(huì)被電軌接收，電軌才會(huì)通電，而電軌之間能夠相互響應(yīng)，在之后的信號(hào)傳遞過程中控制帶電導(dǎo)軌區(qū)域向前延伸。分段式鋪設(shè)管理可使路段行車流量較少時(shí)減少電能損失，同時(shí)也保證了導(dǎo)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(qiáng)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(zhì)電流分別導(dǎo)通到各段導(dǎo)軌上。每段電軌各自配備控制模塊，包括可控開關(guān)、通信模塊、檢測(cè)保護(hù)模塊等。

2.2 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌整體外形采用工字形結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)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(dǎo)流孔連通。排水層與道路排水系統(tǒng)相連，當(dāng)雨水量較大時(shí)也沒有浸沒危險(xiǎn)，裝置可以安全運(yùn)行。

正負(fù)極觸點(diǎn)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(dǎo)軌的正負(fù)極觸點(diǎn)上。正負(fù)極觸點(diǎn)采用380 V直流供電，觸點(diǎn)下表面以及導(dǎo)軌表面絕緣保護(hù)，同時(shí)車輛通過時(shí)才通電。只要不在車輛駛過時(shí)同時(shí)接觸到正負(fù)極觸點(diǎn)就沒有觸電危險(xiǎn)。同時(shí)通過中間結(jié)構(gòu)將正負(fù)極分隔開，避免兩級(jí)直接或間接接觸產(chǎn)生短路危險(xiǎn)。導(dǎo)軌具體結(jié)構(gòu)橫截面如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌具體結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械臂主要由頂板、步進(jìn)電機(jī)、柔索和彈簧、上臂桿、下臂桿、導(dǎo)軌、電刷組成。上臂桿、下臂桿和其之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副控制機(jī)械臂進(jìn)行上下主動(dòng)適應(yīng)工況，導(dǎo)軌和電刷獲取傳感器傳遞的信息后，通過其上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制與電軌對(duì)齊，導(dǎo)軌和電刷中的轉(zhuǎn)動(dòng)副在汽車穩(wěn)定后完成左右方向的被動(dòng)適應(yīng)。

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(zhuǎn)動(dòng)副相連，下臂桿前端通過柔索連接至頂板上的步進(jìn)電機(jī)，后端通過彈簧連接至上臂桿上的步進(jìn)電機(jī)。整體通過中間的轉(zhuǎn)動(dòng)副形成杠桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)下放和回收。頂板安裝在汽車底部，用于固定機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)副上的傳感器，感知電刷相對(duì)于導(dǎo)軌和電軌的具體位置和角度位置等信息。通過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸使電刷軸線與導(dǎo)軌平行；驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌使電刷軸線和導(dǎo)軌水平方向重合，對(duì)齊電刷后，首先驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)緩慢張緊彈簧、放松柔索，當(dāng)電刷下放到離地高10 cm處停止；驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和導(dǎo)軌執(zhí)行結(jié)構(gòu)使電刷運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌的正上方后快速驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，將電刷插入電軌中，完成機(jī)械臂的下放過程。在機(jī)械臂回收過程中，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)動(dòng)，張緊柔索、放松彈簧，抬起機(jī)械臂離開導(dǎo)軌。之后再緩慢驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)抬升基架，同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的執(zhí)行結(jié)構(gòu)使電刷回到與汽車軸線重合的位置。

3.3 上下方向振動(dòng)控制過程

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)控制上下振動(dòng)過程如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂適應(yīng)上下振動(dòng)過程示意圖

完成下放過程后，充電臂通過主動(dòng)控制適應(yīng)懸架上下方向振動(dòng)，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(xiǎn)，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(guān)，根據(jù)受力調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，從而調(diào)整彈簧和柔索的張緊程度，同時(shí)彈簧有減震作用，能夠減少機(jī)械臂所受到的沖擊。

通過構(gòu)建汽車行駛振動(dòng)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(diǎn)數(shù)目、開環(huán)函數(shù)的極點(diǎn)數(shù)目和Nyquist圖逆時(shí)針繞（﹣1，j0）的圈數(shù)，經(jīng)過訓(xùn)練得到PID控制系統(tǒng)所需要的3個(gè)參數(shù)，能夠使響應(yīng)速度明顯加快。

3.4 左右偏移的控制和適應(yīng)

由于充電臂的適應(yīng)分為主動(dòng)控制和被動(dòng)適應(yīng)，車體的上下振動(dòng)由于有一定正壓力的要求，使用了主動(dòng)控制。而車體的左右偏移沒有壓力要求，左右振動(dòng)對(duì)電刷和導(dǎo)軌的嵌合影響并不大，因此，采用導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)動(dòng)副以滿足車體左右偏移的被動(dòng)適應(yīng)。其中導(dǎo)軌能夠完成被動(dòng)適應(yīng)車體相對(duì)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(duì)自由運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸被動(dòng)適應(yīng)（如圖6所示）。

圖5 機(jī)械臂適應(yīng)左右偏移過程示意圖

圖6 機(jī)械臂適應(yīng)汽車軸線轉(zhuǎn)動(dòng)過程示意圖

導(dǎo)軌和電刷轉(zhuǎn)動(dòng)副處通過加裝傳動(dòng)執(zhí)行元件和離合裝置，電刷定位時(shí)，離合器處于接合狀態(tài)，以保證導(dǎo)軌下放和回收過程中執(zhí)行元件能夠主動(dòng)控制電刷滑塊相對(duì)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(yīng)狀態(tài)，保證滑塊擁有兩個(gè)自由度，并隨著電軌和汽車的相對(duì)位置完成被動(dòng)適應(yīng)。

4 總結(jié)

利用車道線檢測(cè)技術(shù)和對(duì)機(jī)械臂的智能控制，完成充電機(jī)械臂與電軌的連接，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)在行駛中取電，可以設(shè)立充電收費(fèi)站，鋪設(shè)電網(wǎng)和電軌，與電動(dòng)汽車形成完善的充電系統(tǒng)，解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航問題。