用于为电动车辆供电的系统

技术领域

本发明涉及车辆的供电领域，且更具体地，涉及重型卡车和采矿/地下车辆的供电领域。

背景技术

因担忧化石燃料燃烧对环境的影响，人们对电动车辆越来越感兴趣，与具有传统内燃机的车辆相比，电动车辆有几个潜在的益处，包括：因为不会排放有害的尾气排放而大大减少空气污染；减少温室气体排放(取决于用于发电和/或为电池充电的燃料和技术)；以及减少对供应日益多变并且价格波动的化石燃料的依赖。在矿山等地下应用中，空气污染问题尤其严重。

需要克服的一个缺点是，由于电池容量的限制，现有电动车辆的续航里程有限。这对于例如长途运输卡车的重型车辆以及建筑和采矿车辆来说是一个特别明显的缺点。

WO 2010/140964提出一种通过在驾驶时为电动车辆供电来解决此问题的方案。它公开一种用于沿着道路电动推进车辆的系统，所述系统包括布置在有槽元件中的电导体，所述有槽元件可以位于道路中的纵向轨道或通道中。车辆配备有集电器，所述集电器在与有槽元件接触期间允许电流在导体与车辆之间传递。

WO 2016/174030公开一种用于为例如矿山的地下环境中的车辆供电的系统。供电用于直接推动车辆和/或为车载电池充电。所述系统包括至少一个细长的有槽元件，所述有槽元件具有在其中布置电导体的至少一个狭槽或凹槽。有槽元件例如悬挂在矿井隧道的天花板上，并且集电器将车辆电连接至有槽元件。

此类系统是有利的，因为它们不仅提供低排放、减少对电池容量的需求，而且由于有槽的电导体而具有良好的安全性能。一个问题是在沿着道路或采矿隧道的给定位置处可用的最大功率可能不足以满足所述位置处的车辆的要求。这个问题可能发生在所谓的“排队”过程中，其中几辆重型卡车在高速公路上行驶得非常近，空气阻力减小，因此在相对较短的一段道路上要求高功率。所述问题也可能发生在采矿应用中，其中车辆通常承载非常重的负载并且沿着陡峭的隧道爬行，因此需要高功率。

此问题的一个解决方案是增加到有槽元件的功率馈送和/或增加有槽元件中的电导体的横截面。这些解决方案的一个明显缺点是成本增加。

发明内容

本发明的目标是解决或改进上文在背景技术部分中提到的至少一些问题。

本发明通过根据独立权利要求的系统和方法实现这些和其他目的。

根据本发明的第一方面，提供一种用于为至少一个电动车辆供电的系统，所述系统包括：至少一个电导体，所述电导体适于通电并且沿着至少一个车辆适于行驶的路段延伸；至少两个电动车辆；以及中央电子控制单元CECU。CECU可以电连接至所述至少一个电导体。至少两个电动车辆包括适于将车辆电连接至所述至少一个电导体的至少一个集电器，以及电连接至所述集电器的车辆电子控制单元VECU，所述VECU直接或间接连接至所述车辆的车载能量存储装置，例如电池组。VECU和CECU被配置用于彼此通信，优选地双向通信。每个VECU被配置成确定用于推进车辆的当前所需功率和所述能量存储装置的当前能量存储状态，例如电池组的电池充电状态，并且向CECU发送指示所述当前所需功率和所述能量存储状态的至少一个信号。CECU被配置成确定来自所述电导体的可用最大功率，并且基于来自每个VECU的所述至少一个信号，确定每个车辆的待接收功率，使得不超过所述最大功率，并且向每个VECU发送指示所述待接收功率的至少一个功率控制信号。此外，VECU被配置成响应于所述至少一个功率控制信号而经由集电器控制所接收功率。

本发明基于以下认识：通过具有中央电子控制单元CECU，具有关于在任何给定时间每个车辆的功率要求和车载能量存储状态的信息，并且能够控制每个车辆从电导体汲取的功率，可以进行系统的整体优化操作，其中每个车辆可以例如以期望目标速度推进，而不超过来自电导体的最大允许功率。本发明进一步基于以下认识：可以通过向每个车辆提供布置成与CECU通信的车辆电子控制单元VECU来获得关于车辆和车辆控制的此类信息。通过具有不仅关于每个车辆的功率要求而且关于车载能量存储状态的信息，CECU可以例如向具有足够能量存储状态以补偿较低接收功率的车辆发送指示待接收功率小于所需推进功率(例如，以目标速度)的功率控制信号，而向具有较低能量存储状态的车辆发送指示较高待接收功率的功率控制信号。换句话说，本发明可以被描述为用于电导体的负载控制布置，其中确定每个车辆的待接收功率，使得不超过电导体的最大功率。此外，可以确定待接收功率，使得车辆维持目标速度。

应理解，至少一个电导体沿着至少一个车辆适于行驶的路段延伸，这意味着至少一个电导体基本上与所述路段的纵向方向平行。此外，至少一个电导体可以布置在路面上，部分地或全部地凹陷在路面中的一个或多个凹槽中，或可以悬挂在路面上方例如一定高度，使得其位于车辆上方或车辆的侧面上方。此外，应理解，术语路段指代至少一个电动车辆适于行驶的任何类型的表面，不仅包括道路，而且还包括采矿隧道的底表面。此外，应理解，具有集电器的至少两个电动车辆各自被配置成可借助于来自其集电器和/或来自车载能量存储装置的电力电推进。此外，应理解，VECU间接连接至电池组意味着它可以经由例如电池管理系统(BMS)间接连接至电池组，所述电池管理系统被布置成监测电池组的每个电池单元的充电状态和健康状态。或者，这种功能可以是VECU的一部分，并且VECU可以直接连接至电池组。此外，应理解，车辆的目标速度不一定需要恒定或预定，而是可以例如由车辆操作者，或在实施方案中由CECU改变。此外，应理解，来自电导体的最大可用功率是可从电导体获得的最大功率。此最大功率可以例如根据一组预定值例如以查找表的形式确定，这些值可以通过可连接至CECU的用户接口或通过可加载到CECU中的配置文件调整。或者，可用最大功率可以通过对电导体的一个或多个测量来确定。

在实施方案中，车载能量存储装置是电池组，并且能量存储状态是电池充电状态。应理解，车载能量存储装置可以替代地是存储电能或存储另一种形式的能量的任何其他类型的能量存储装置，所述另一种形式的能量可以转换为电能和/或来自电能。因此，能量存储装置可以是例如以电化学、电磁、压力、电势、动力学、化学或热形式存储能量的装置。示例包括但不限于液压蓄能器、飞轮、电容器和燃料电池。

在实施方案中，每个VECU被配置成确定用于以目标速度推进车辆的当前所需功率。这允许CECU确定每个车辆的待接收功率，使得在每个车辆维持其目标速度的同时不超过最大功率。

在实施方案中，CECU是固定的，即位于固定位置，并且电连接至(也)固定的电导体。

在实施方案中，所述至少一个电导体中的至少一个由连续布置的导体段形成，即至少一个导电体在其纵向方向上分成导体段，其中CECU被配置成确定车辆连接到的一个或多个导体段，并且确定经由所述一个或多个导体段可用的最大功率，并且确定每个车辆的所述待接收功率，使得不超过每个导体段的最大功率。可以确定待接收功率，使得在每个车辆维持其目标速度的同时不超过每个导体段的最大功率。例如，如果连接至导体段的车辆的所需推进功率的总和超过经由所述导体段可用的最大功率，则CECU将一个或多个车辆的待接收功率调整为比在目标速度下的对应所需推进功率更低的值，前提是一个或多个车辆具有足够的能量存储状态以补偿较低接收功率。对于具有高能量存储状态的一些车辆，待接收功率可能低至零。对于具有低能量存储状态的其他车辆，待接收功率可能等于或接近所需推进功率。

在实施方案中，确定每个车辆的待接收功率，使得每个车辆能够例如以所述目标速度沿着所述车辆连接到的导体段的全长推进。此实施方案与上述实施方案的不同之处在于，CECU还考虑导体段的长度。例如，CECU可以基于当前能量存储状态和在目标速度下的所需推进功率而确定每个车辆能够推进导体段的整个剩余长度的最小所需待接收功率。如果连接至导体段的车辆的所需推进功率的总和超过经由所述导体段可用的最大功率，则CECU可以将一个或多个车辆的待接收功率调整为目标速度下对应所需推进功率提供的较低值，前提是所述较低值高于所确定的最小所需功率。一旦车辆到达下一导体段，就可以对最小所需功率进行新的确定。

在实施方案中，CECU被配置成确定每个车辆的期望目标速度，并且向每个VECU发送指示所述期望目标速度的至少一个速度控制信号，并且其中所述VECU被配置成响应于所述至少一个速度控制信号而调整其目标速度。CECU还可以被配置成如果连接至导体段的每个车辆的待接收功率的总和超过所述导体段的最大功率，则通过降低连接至所述导体段的至少一个车辆的所述期望目标速度来降低一个或多个车辆的速度。此实施方案有利地与上述实施方案组合，其中确定每个车辆的待接收功率，使得每个车辆能够以所述目标速度沿着所述车辆连接到的导体段的全长推进。在此类组合的实施方案中，CECU主要尝试确定每个车辆的待接收功率，使得车辆能够例如以上述方式以当前目标速度沿着所述车辆连接到的导体段的全长推进。如果这是不可能的，则CECU可以确定每个车辆的新的期望目标速度，所述新的期望目标速度低于一个或多个车辆的当前目标速度，并且向每个VECU发送指示所述期望目标速度的至少一个速度控制信号。基于迭代过程，可以降低目标速度，直到确定每个车辆能够以其目标速度沿着导体段的全长推进。

在实施方案中，CECU被配置成确定每个车辆的期望终点位置并且确定每个车辆的当前位置，其中所述CECU被配置成执行学习或预测控制算法，所述学习或预测控制算法被配置成确定每个车辆的待接收功率和每个车辆的期望目标速度，以在不超过每个导体段可用的最大功率的同时最小化每个车辆到达其期望终点位置的时间。例如，可以使用模型预测控制(MPC)算法，其中每个车辆和每个导体段的目标速度构成一组优化变量，并且每个车辆和每个导体段的待接收功率构成另一组优化变量，并且其中成本函数例如是每个车辆到达其期望终点位置的时间的平方和。每个车辆的待接收功率和目标速度可以在给定的导体段上恒定，从而产生简化的离散MPC算法。可以将车辆到达其期望终点位置的时间确定为沿着导体段(或其部分)推进到期望终点位置所需的时间和。可以以简化方式将沿着导体段(或其剩余部分)推进所需的时间建模为导体段(或其剩余部分)的长度除以此导体段的车辆目标速度(假设恒定目标速度)。

在实施方案中，算法还被配置成确定每个车辆的所述待接收功率和所述目标速度，使得每个车辆的能量存储状态(例如，电池充电状态)在相应终点位置处基本上为满。在此实施方案中，成本函数还包括惩罚每个车辆偏离全能量存储状态的函数。

在实施方案中，VECU被配置成向CECU发送指示车辆中的负载内容的优先级的负载承载信号，并且其中所述算法还被配置成进一步基于所述负载承载信而确定每个车辆的所述待接收功率和所述目标速度，使得承载具有高优先级的负载内容的车辆比承载具有低优先级的负载内容的车辆更快地到达相应终点位置。在此实施方案中，成本函数可以包括响应于来自每个车辆的负载承载信号而计算的加权系数。换句话说，具有高优先级负载的车辆到达期望终点位置的建模时间比具有低优先级负载的另一车辆的建模时间在成本函数中具有更高的权重系数。

在实施方案中，经由所述一个或多个导体段可用的最大功率基于从相邻导体段汲取的功率和整个电导体的可用功率来确定。导体段通常经由相应开关连接至主电导线，因此对于给定导体段可用的最大功率取决于相邻导体段相对于整个电导体的可用功率的功率消耗。

在实施方案中，VECU和CECU被配置成经由所述至少一个电导体彼此进行双向通信。换句话说，CECU经由电导体和集电器与VECU通信。或者，VECU和CECU被配置用于无线双向通信。VECU可以包括或连接至配置用于无线双向通信的无线通信构件。适合于此应用的无线通信构件在本领域中众所周知，这里将不再进一步详细描述。

在至少一个电导体中的至少一个由连续布置的导体段形成的实施方案中，CECU被配置成通过确定车辆连接到的导体段来确定至少两个电动车辆的位置。导体段通常通过相应开关连接至主电导线，这些开关有利地用于确定位置。

在实施方案中，至少一个车辆的VECU包括适于连接至车辆的一个或多个已经存在的电子控制单元的可配置接口，所述接口可配置成根据制造商指定的要求向车辆分配电力。

在实施方案中，车辆中的至少一个包括至少一个位置传感器，所述位置传感器连接至VECU并且被布置成感测至少一个电导体与车辆之间的相对横向位置，其中所述车辆包括自动转向构件，所述自动转向构件被配置成响应于来自所述至少一个位置传感器的信号与所述VECU协同作用，以自动地将车辆转向，使得车辆跟随至少一个电导体。换句话说，VECU将车辆转向成跟随电导体/导体段。自动转向构件可以包括与车辆的电子控制单元协同作用的(通常已经存在的)电动转向装置。至少一个车辆可以包括自动驾驶构件，所述自动驾驶构件被配置成与所述VECU协同作用，以响应于由所述VECU接收的所述至少一个速度控制信号而使车辆加速和/或减速。自动驾驶构件可以采用车辆的已经存在的电气控制单元中的算法形式，所述电气控制单元通过控制输出至车辆的电动机的功率来控制车辆速度。在实施方案中，至少一个位置传感器可以包括用于生成磁场的构件和用于感测所生成磁场的变化的构件，用于生成的构件和用于感测的构件直接或间接附接至集电器，其中所述用于感测的构件被配置成生成信号，所述信号和用于生成磁场的构件与至少一个电导体之间的水平/横向距离相关。用于生成和感测磁场的构件可以包括如申请人的专利EP2552735B1中所描述的线圈。在其他实施方案中，所述布置包括一个或多个光学传感器，所述光学传感器被配置成生成对应于集电器与至少一个电导体之间的水平距离的信号，和/或指示集电器是否与至少一个电导体横向地对准的离散信号。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制用于为电动车辆供电的系统的方法。所述系统包括至少一个电导体，所述电导体适于通电并且沿着至少一个车辆适于行驶的路段延伸；以及至少两个电动车辆，每个电动车辆包括能量存储装置(例如电池组)以及适于将车辆电连接至所述至少一个电导体的至少一个集电器。所述方法包括：

-确定用于推进车辆的当前所需功率；

-确定所述能量存储装置的当前能量存储状态(例如，电池组的当前电池充电状态)；

-确定从所述电导体可用或可获得的最大功率；

-基于每个车辆的所述当前所需功率和当前能量存储状态，确定每个车辆的待接收功率，使得在每个车辆维持其目标速度的同时不超过最大功率，以及

-对于每个车辆，经由与所确定功率相对应的集电器控制所接收功率。

在根据本发明的第二方面的方法的实施方案中，所述方法包括确定用于以目标速度推进车辆的当前所需功率，并且基于每个车辆的所述当前所需功率和当前能量存储状态来确定每个车辆的待接收功率，使得在每个车辆维持其目标速度的同时不超过最大功率。

上述实施方案的特征可以任何实际可实现的方式组合，以形成具有这些特征的组合的实施方案。此外，上文参考本发明的第一方面描述的实施方案的所有特征和优点可以应用于本发明的第二方面的对应实施方案中。

附图说明

现在将使用附图更详细地描述本发明的上述和其他方面，附图示出本发明的当前优选实施方案，在附图中：

图1示出根据本发明的第一方面的系统的实施方案的示意性侧视图；

图2示出图1中系统的部分的俯视图；

图3示出根据本发明的第一方面的系统的另一实施方案的示意性侧视图，并且

图4示出根据本发明的第二方面的方法的实施方案的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一方面的系统的实施方案的示意性侧视图。系统1包括电导体3，所述电导体悬挂在电动车辆2a、2b行驶的路段4上方并且沿着所述路段延伸。中央电子控制单元CECU 8电连接至电导体3。车辆2a包括将车辆电连接至电导体3的集电器5a，以及电连接至集电器5a的车辆电子控制单元VECU 6a，其中VECU连接至车辆的电池组7a。集电器5a通过至少一个细长臂连接至车顶，所述细长臂被配置成使集电器横向地和垂直地移位以与电导体3连接。电动车辆2a被配置成可通过来自其电池组7a和/或来自集电器5a的电力电推进。VECU和CECU被配置成使用此处示出为天线元件6a’、8’(在尺寸上极大地夸大)的无线通信模块彼此进行无线的双向电通信。第二车辆2b包括与第一车辆2a对应的集电器5b、具有无线通信模块6b’的VECU 6b和电池组7b。

每个VECU被配置成确定用于推进车辆的当前所需功率，所述当前所需功率可以对应于在车辆的当前速度下或在目标速度下的所需推进功率以及所述电池组的当前电池充电状态；并且向CECU发送指示所述当前所需功率和所述电池充电状态的至少一个信号。CECU 8被配置成确定经由所述电导体3可用的最大功率，并且基于来自每个VECU 6a、6b的所述至少一个信号确定每个车辆2a、2b的待接收功率，使得不超过所述最大功率，并且向每个VECU 6a、6b发送指示所述待接收功率的至少一个功率控制信号。此外，每个VECU 6a、6b被配置成响应于至少一个功率控制信号而经由集电器5a、5b控制所接收功率。

在示例中，车辆2a、2b以相同的速度V推进。由于车辆相同并且承载相同的负载，因此当前所需功率P

此外，CECU 8被配置成可选地确定每个车辆2a、2b的期望目标速度，并且向每个VECU 5a、5b发送指示所述期望目标速度的至少一个速度控制信号。此功能可以用于通过降低连接至所述导体段的至少一个车辆的所述期望目标速度来降低一个或多个车辆的速度。例如，假设两个车辆连接至导电体并且两个车辆的电池充电状态都是0％，则车辆以其相应的当前目标速度推进的当前所需功率的总和P

图2示出图1中系统的部分的俯视图。车辆2a包括集电器5a，所述集电器具有位置传感器14a-c，所述位置传感器连接至VECU 6a并且被布置成感测电导体3与车辆2a之间的相对位置。位置传感器包括线圈14a，所述线圈用于生成磁场；以及横向间隔开的线圈14b、14c，所述线圈用于感测所生成磁场的变化以生成和线圈14a与至少一个电导体之间的水平距离相关的信号。在申请人的专利EP2552735B1中公开具有三个线圈的此类配置，这里将不再进一步详细描述。车辆2a包括采用车辆的(已经存在的)电子控制单元13形式的自动转向构件及其电子控制的转向装置/致动器15，所述转向装置/致动器电连接至VECU 6a并且被配置成与所述VECU协同作用，以响应于来自位置传感器14a-c的信号自动地将车辆转向，使得车辆跟随至少一个电导体。换句话说，VECU将车辆转向成跟随电导体/导体段。车辆2a还包括采用车辆的已经存在的电子控制单元13中的算法形式的自动驾驶构件，所述电子控制单元响应于由所述VECU接收的至少一个速度控制信号，控制输出至车辆的电动机的功率以使车辆加速和/或减速，以此控制车辆速度。

图2还示出VECU 6a经由电池管理系统BMS 7a’间接连接至电池组7a，所述电池管理系统被布置成监测电池组的每个电池单元的充电状态和健康状态。

图2还示出VECU 6a包括用户可配置接口6a’，在此实施方案中，所述用户可配置接口被配置成连接至电子控制单元13、集电器5a和BMS 7a’。

图1中所示的车辆2b包括与上文参考图2描述的车辆2a相同的特征。

图3示出根据本发明的第一方面的系统的另一实施方案的示意性侧视图。系统101对应于图1至图2中所示并且上文描述的系统，所述系统包括悬挂在电动车辆102a、102b、102c行驶的路段104上方并且沿着所述路段延伸的电导体103，并且中央电子控制单元CECU108电连接至电导体103。车辆102a-c对应于图1中的车辆2a-b，它们各自包括集电器105a-c、车辆电子控制单元VECU 106a-c和电池组107a-c。

然而，图3中的系统与图1至图2中的系统在几个方面不同。首先，电导体103由三个连续布置的电导体段103a-c形成。每个导体段经由相应开关112a-c连接至电源111，所述电源此处以主电导线的形式示出。其次，VECU和CECU被配置成经由电导体，即经由导体段103a-c和开关112a-c彼此进行双向电通信。另一实施方案对应于图3中的实施方案，不同之处在于VECU和CECU如图1中那样无线地通信。

CECU 108被配置成确定车辆102a-c连接到的一个或多个导体段103a-c，并且确定相应导体段的最大可用功率P

CECU 108被配置成通过确定车辆连接到的导体段103a-c来确定车辆102a-c的位置。这使用从开关112a-c获得的状态信号和/或来自车辆的指示车辆连接到的开关的状态信号来确定。

此外，CECU 108被配置成确定每个车辆的待接收功率P

在连接至导体段103a的车辆102a、102b的所需推进功率P

此外，CECU 108被配置成可选地确定每个车辆102a-c的期望终点位置，其中CECU被配置成执行离散模型预测控制(MPC)算法，其中每个车辆和每个导体段的目标速度构成一组优化变量，并且每个车辆和每个导体段的待接收功率构成另一组优化变量，并且其中成本函数是每个车辆到达其期望终点位置的时间的平方和。每个车辆的待接收功率和目标速度在给定的导体段上恒定。算法还被配置成确定每个车辆的所述待接收功率和所述目标速度，使得每个车辆的充电状态在相应终点位置处基本上为满。这通过成本函数实现，所述成本函数还包括惩罚每个车辆偏离满电池充电状态的函数。期望终点位置可以例如在车辆102a已经位于其中的图中的左侧。将车辆到达其期望终点位置的时间确定为沿着剩余导体段(或其部分)推进到期望终点位置所需的时间和。以简化方式将沿着导体段(或其剩余部分)推进所需的时间建模为导体段(或其剩余部分)的长度除以此导体段的车辆目标速度(假设恒定目标速度)。

图4示出根据本发明的第二方面的方法的实施方案的流程图。所述方法包括确定201用于以目标速度推进车辆的当前所需功率；确定202所述电池组的当前电池充电状态；确定203经由所述电导体可用的最大功率；基于每个车辆的所述当前所需功率和当前电池充电状态，确定204每个车辆的待接收功率，使得在每个车辆维持其目标速度的同时不超过最大功率；以及经由与所确定功率相对应的集电器控制205每个车辆的所接收功率。方法步骤可以由CECU和VECU以上文参考图1至图3描述的对应方式执行。

以上描述和附图将被视为本发明的非限制性示例。本领域的技术人员意识到，在本发明的范围内可以进行若干改变和修改。例如，在图1/3中，示出悬挂在路面上方的电导体。其他实施方案与图1/3的实施方案相同，除了电导体凹陷在路面中并且集电器被布置用于与凹陷的电导体连接之外，例如如WO 2010/140964中所示。在图1/3中，CECU 8/108示为固定，即位于固定位置，并且电连接至(也)固定的电导体。在其他实施方案中，CECU可以是非固定的，例如位于一个车辆上。图3中的电导体示为由三个导体段形成，但是在其他实施方案中可以包括额外(或更少)的导体段。在以上实施方案中，能量存储装置采用电池组形式。这些电池组可以用例如液压蓄能器、飞轮或超级电容器的其他类型的能量存储装置代替。