对停车场内的换电式电动车辆的预约充电方法

摘要

对停车场内的换电式电动车辆的预约充电方法，包括换电式电动车辆和具有换电功能的停车场；具有换电功能的停车场至少包括换电子系统、集中充电子系统、停车区域、停车场监控子系统、停车场调度子系统；首先通过换电操作实现车电分离、然后集中的进行有序充电、再通过代驾或自动驾驶实现车电复原，形成一个高效率的闭环流程；避免了在停车场内大量建设充电桩的问题、提供一种更加安全、高效的充电模式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以换电模式为基础的预约充电方法，首先通过换电操作实现车电分离、然后集中的进行有序充电、再通过代驾或自动驾驶实现车电复原，形成一个高效率的闭环流程；避免了在停车场内大量建设充电桩的问题、提供一种更加安全、高效的充电模式；属于电动车辆充电的技术领域。

背景技术

电动车辆的电能补给一直是一个关键性的问题。需要说明的是，电动车辆的普及的必要条件是建立便利的多元化的“慢充”体系、以满足广大用户日常的电能补给的需求。然而，在居民小区或商业建筑的停车场内大量建设充电设施存在很多困难，并且随着电动车辆的占比增加这种困难将更加明显。

主要的问题包括：需要铺设大量的电力线缆，分散的充电设施的建设、维护、保养和使用的安全性，分散的充电设施的利用率偏低等等问题。

以居民小区为例、尤其是老旧小区，即使是现阶段电动汽车的占比低于10%，在小区内设置充电桩已经有不少阻力；若小区内电动车辆的占比超过30%，则小区内的分散的充电桩建设将达到极限；接下来，也更加不可能满足当小区内车辆全部变为电动车辆时的充电需求；而且由非固定停车位导致的“燃油车占位”的问题难以解决。这些都将对于车辆电动化的进程形成严重的阻碍。

在现有技术中，采用换电模式时，自动化换电设备单次更换电池包的时间约为60-90秒；对于电池包的装载、卸下、运送、充电和保养等等过程已经完全实现自动化。

换电模式的优点是：占地面积小；单次换电操作时间短；电池在站内充电安全性高；

换电模式的缺点是：电池包标准难以统一；电池包采用共享模式影响用户体验、且难以准确计量计费，只能采用如“按里程计费”、“包月收费”等变通的计费方式；换电站内需要大量自备电池包、拉高建设成本；通常采用充电速率(C-rate) 为1C以下的慢充、因此影响高峰时段的“电池包周转率”、即影响服务能力。

因此，结合换电模式的优点设计一套更便捷的多元化的充电设施服务体系，是非常有必要的。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明设计了一种以换电模式为基础的预约充电方法，首先通过换电操作实现车电分离、然后集中的进行有序充电、再通过代驾或自动驾驶实现车电复原，形成一个高效率的闭环流程；避免了在停车场内大量建设充电桩的问题、提供一种更加安全、高效的充电模式。

本发明的技术方案是：对停车场内的换电式电动车辆的预约充电方法，其特征在于：包括换电式电动车辆和具有换电功能的停车场；具有换电功能的停车场至少包括换电子系统、集中充电子系统、停车区域、停车场监控子系统、停车场调度子系统；换电式电动车辆中包括作为第一动力源的能够进行换电操作的电池包；

所述的对停车场内的换电式电动车辆的预约充电方法是：

S101，当换电式电动车辆进入具有换电功能的停车场且有充电需求时，首先执行第一次换电过程：换电式电动车辆行驶到换电子系统处、通过换电子系统将待充电的电池包换下；即建立预约充电申请；

S102，换电式电动车辆启动第二动力源行驶到停车区域中停车、持续停车的时间不应低于3小时；通过停车场监控子系统对换电式电动车辆进行追踪、确定该换电式电动车辆的停泊位置并记录；

需要说明的是，换电式电动车辆的第二动力源可以是以下情况，如固定安装在换电式电动车辆之中的容量较小的固定电池组、或者由服务商临时提供的与车载电池包接口相同的容量较小的换电式电池包、或者是混合动力的换电式电动汽车中非电的动力源；

S103，将待充电的电池包运送到集中充电子系统之中排入充电队列、依次充电；

S104，当某辆换电式电动车辆对应的电池包完成充电操作后，将该电池包从集中充电子系统中取出、并执行第二次换电过程：换电式电动车辆使用第二动力源行驶到换电子系统处，通过换电子系统将已充电的电池包装载到该换电式电动车辆之中；

S105，完成第二次换电过程的换电式电动车辆再次行驶到停车区域中停车；

S106，完成上述操作后，当用户需要使用换电式电动车辆时，能够随时直接使用；

所述的第二次换电过程的运行模式是代驾模式或自动驾驶模式其中的一种或两种的组合：

第一，代驾模式：根据已完成充电的电池包对应的换电式电动车辆的车辆信息和停车位置，由获得授权的代驾人员到该停车位置开启该换电式电动车辆、并驾驶到换电子系统处，通过换电子系统将已充电的电池包装载到该换电式电动车辆之中，然后继续由代驾人员驾驶该换电式电动车辆回到停车区域中停车；

第二，自动驾驶模式：根据已完成充电的电池包对应的换电式电动车辆的车辆信息和停车位置，由停车场调度子系统与该换电式电动车辆建立通讯联接；指示该换电式电动车辆开启自动驾驶模式，行驶到换电子系统处，通过换电子系统将已充电的电池包装载到该换电式电动车辆之中，然后该换电式电动车辆继续启动自动驾驶模式回到停车区域中停车。

进一步的，在不同位置分别设置若干个换电子系统，用于提升换电能力和便于调度。各个换电子系统、集中充电子系统的位置可以是停车区域的内部或外部，以设置在内部为最佳。

进一步的，在电池包中设置身份信息的电子标签，各个换电式电动车辆通过核对对应的电池包的电子标签、防止换电过程中出现更换差错的情况，从而实现电池包专用。

进一步的，在所述的自动驾驶模式中，换电式电动车辆主要依赖停车场监控子系统对换电式电动车辆的行驶环境和行驶过程进行感知、引导和提示，从而完成自动驾驶过程。

进一步的，在执行第二次换电过程时，换电式电动车辆临时驶离停车位，完成第二次换电后换电式电动车辆将返回原先的停车位、以便于用户使用；在此期间，若该停车位具有车位锁定装置、则启动车位锁定装置对该停车位进行临时锁定、直至对应的换电式电动车辆返回时解锁；若该停车位不具备锁定能力，则由停车场监控子系统对该停车位进行定点监控，如果有其他车辆占用该停车位、则由停车场监控子系统发出警示信息通知该其他车辆离开，或者由停车场监控子系统通知管理人员进行处理。

进一步的，当换电式电动车辆进入具有换电功能的停车场且有充电需求时，用户也能够选择直接停车，并向停车场调度子系统发出预约充电申请，由停车场调度子系统选择适当的时间采用与第二次换电过程的代驾模式或自动驾驶模式相同的方式，代替用户执行第一次换电过程。

进一步的，停车场调度子系统根据车辆预约充电信息和停车场监控子系统提供的道路信息，对代驾模式的代驾人员提供路径导航；或者对自动驾驶模式的换电式电动车辆提供实时路径规划、从而实现有序的自动驾驶。

本发明的有益效果是：

1、用户能够自然而然的主动执行第一次换电过程，但是由于采用慢充需要有排队等待的过程、而且充电过程往往在夜间完成，因此用户很难主动执行第二次换电过程；而通过代驾模式或自动驾驶模式则可以很好的解决这个问题，使得第二次换电过程对用户而言基本透明、不影响正常使用；

2、在现阶段电动车辆占比较小的情况下，采用代驾模式能够满足应用需求；随着电动车辆占比增加、自动驾驶技术也在不断成熟；通过难度较低的在停车场区域内的低速自动驾驶的手段执行第二次换电过程；可以使得换电子系统的利用率大幅度提升、足以满足大量电动车辆的充电需求；

3、通过停车场监控子系统实现以路侧设施为感知主体的车辆低速自动驾驶，不需要在车辆上安装高规格的自动驾驶感知系统、增强了对低端车型的通用性；

4、使用“站内集中充电”是非常重要且必要的，不仅解决了分散的充电设施的安装、运行、维护、保养等一系列问题，采用集中充电子系统的占地面积更小、易于扩展，且充电过程更加高效、安全可控、并能够对电池包进行例行检查和保养，可以避免雨、雪、大风等恶劣天气造成分散的露天充电设施使用不便的问题；

5、由于采用电池包专用模式，充电电费能够准确计量和收费；若采用共享模式时，换电的电费部分难以准确计算。

附图说明

图1：对停车场内的换电式电动车辆的预约充电系统的结构和运行原理图；

其中：1：换电式电动车辆，2：换电子系统，3：集中充电子系统，4：停车区域，5：停车场监控子系统；

S101、S102、S103、S104、S105、S106所指示的路线和箭头方向与各个步骤的功能相对应。

具体实施方式

实施例1：

本发明的技术方案主要是针对居民小区在夜间为小区内电动车辆进行日常预约充电的应用场景，该应用场景的特点包括：车辆停车时间长、便于调度；电价较低；夜间道路干扰因素少。正是充分利用了上述的特点，使得本发明的技术方案能够发挥最大化的效益。

以下结合附图对本发明进行详细描述；并以居民小区的夜间充电为例，假设小区居民所属车辆为1000辆，对电动车辆在不同时期占比发生变化的情况进行分析。

第一，在停车场中设置换电子系统2，应设置于交通比较便利的位置；并且在换电子系统2的附近应有一定的条件设置集中充电子系统3；即形成具有换电功能的停车场；

第二，当用户驾驶换电式电动车辆1进入停车场、且有充电需求时，则用户主动驾驶车辆来到换电子系统2处、通过换电子系统2将待充电的电池包换下，该过程为第一次换电过程；因为在此之前用户一直处于驾驶车辆状态，因此由用户主动执行第一次换电过程是最方便的；当然若有一些特殊情况，例如用户有急事、或者处于高峰时段执行换电操作等待时间较长等，用户也可以选择直接停车，并向停车场调度子系统发出预约充电申请，由停车场调度子系统选择适当的时间采用与第二次换电过程的代驾模式或自动驾驶模式相同的操作、来代替用户执行第一次换电过程；

第三，换电式电动车辆1启动第二动力源行驶到停车区域4中停车、并进入“夜间停车”阶段、即持续停车的时间约8-10小时；通过停车场监控子系统5对换电式电动车辆1进行追踪、确定该换电式电动车辆的停泊位置并记录；需要说明的是，由于使用的是（备用型的）第二动力源，该车辆在执行第二次换电过程之前，其行动能力是有限的；同样，由于停车过程中车载电池数量较小，其发生事故并波及周围车辆的风险也大幅降低；

第四，将待充电的电池包运送到集中充电子系统3之中排入充电队列、依次充电；集中充电子系统3的充电能力可以根据电动车辆的数量的增加而不断扩展；可以利用夜间约10个小时的时间对站内的电池包依次进行充电（充电速率一般设定为0.5C至1C）；需要说明的是，充电队列的顺序与用户的需求密切相关，例如某些用户第二天的用车时间比较早、则其对应的电池包应优先充电；

第五，当某辆换电式电动车辆1对应的电池包完成充电操作后（此时可以对电池包进行定期检测和保养），将该电池包从集中充电子系统3中取出、并执行第二次换电过程：换电式电动车辆1使用第二动力源行驶到换电子系统2处，通过换电子系统2将已充电的电池包装载到该换电式电动车辆1之中，然后再次行驶到停车区域4中停车；所述的第二次换电过程的运行模式是代驾模式或自动驾驶模式；

当换电式电动车辆的占比为低于20%时，即有总数约200辆换电式电动车辆1，按乘用车日均行驶里程为50公里、平均换电周期为5天计算；每天夜间需对40-50辆换电式电动车辆1执行第二次换电过程；假设代驾人员对每辆车的平均操作时间为10分钟，大约有9小时的时间能够用于执行第二次换电过程，即代驾模式的运行能力是54辆车/天；由此可见、在系统运行的初期，单套换电设备配备一个代驾人员即能够满足应用需求；另外，对于部分不接受代驾的用户，也可以在S105步骤当用户使用车辆时、由用户驾驶车辆来到换电子系统2处执行第二次换电过程即可。

当采用代驾模式时，停车场调度子系统进行需求分析并对所有的待充电电池包进行充电排序，排序的规则是：首先要满足用户的用车的时间需求，然后根据各个换电式电动车辆的停放位置、按照相邻位置优先的原则规划出合理的代驾顺序、并按此代驾顺序对各个换电式电动车辆1对应的电池包进行充电；当各个电池包依次完成充电时，代驾人员根据停车场调度子系统提供的代驾顺序及路径导航信息，逐一对各个换电式电动车辆1执行第二次换电过程。

当换电式电动车辆的占比逐渐增加时，只需要适当的增加集中充电子系统3的并行充电能力和增加代驾人员的数量即可；可以对多个代驾人员划分不同的片区分别管理。

当若干年之后换电式电动车辆的占比逐渐接近100%时，即有总数约1000辆换电式电动车辆1，按平均换电周期为5天计算；每天夜间需对200辆换电式电动车辆1执行第二次换电过程；若仍采用代驾模式、则需要配备5名以上的代驾人员，不仅成本高、而且运行过程中难免互相干扰。此时，采用自动驾驶模式具有显著的优势；由于自动驾驶模式的高度自动化，各个车辆可以依次连贯的通过换电子系统2执行第二次换电过程，因此按9小时的可运行时间，单套换电设备的运行能力是360辆车/天，显而易见的是设备利用率大幅提升、并且避免了用户对代驾人员代为操作车辆的顾虑；此时，由用户主动执行的第一次换电过程却容易在高峰时段出现瓶颈，因此自动驾驶模式的富余的运行能力可以用于在夜间首先替代用户执行第一次换电过程。

当采用自动驾驶模式时，停车场调度子系统进行需求分析并对所有的待充电电池包进行充电排序，排序的规则是：首先要满足用户的用车的时间需求，然后根据各个换电式电动车辆的停放位置、按照不相邻位置优先的原则规划出合理的换电顺序、并按此换电顺序对各个换电式电动车辆1对应的电池包进行充电；当各个电池包依次完成充电时，由停车场调度子系统通知对应的换电式电动车辆1启动自动驾驶模式，换电式电动车辆1根据停车场调度子系统提供的路线行进并依次通过换电子系统2执行第二次换电过程。为了缩短换电过程的间隔时间，停车场调度子系统将同时引导若干辆换电式电动车辆1前往同一个换电子系统2。此时路线和时间的规划非常关键，需要合理的利用道路资源，不应造成相互冲突或时间间隔过长的现象。

本方案中一个换电子系统2就能够对应服务至少1000辆具有低速自动驾驶功能的换电式电动车辆1，此时在区域内设置多个换电子系统2，主要是考虑停车区域4的面积大小和道路情况，以便于缩减换电行驶距离、分散交通压力、避免造成拥堵。

进一步的，当系统服务的车辆较多时，集中充电子系统3的占地面积相对较大、且对安全性的要求较高。因此，若停车场内没有合适的位置建造集中充电子系统3，例如大规模并行充电用电负荷过大的问题，则：

将集中充电子系统3设置在停车区域4的外部或设置在具有换电功能的停车场的外部附近位置；由换电子系统2收集并暂时存放待充电的电池包、然后通过运送装置将待充电的电池包运送到集中充电子系统3中进行充电、再通过运送装置将已充电的电池包从集中充电子系统3送回到换电子系统2，并最终安装到对应的换电式电动车辆1之中。

另外，虽然不可能让所有用户都接受现有的换电电池共享模式，但是一部分用户还是愿意采用共享模式的。本发明的技术方案完全兼容电池共享模式，若整个系统中部分用户采用共享模式则系统的整体运行效率将得以进一步的提升，能够降低换电高峰期的压力、且能够提供多元化的服务、以满足不同用户的需求。

在进行预约充电的过程中车辆的行驶能力是受限的，有可能会影响到用户临时用车的需求；但实际上，由于大量小区的停车位非常紧张、因此如果没有非常特殊的情况，用户在找到停车位停车之后、在夜间通常不会再使用车辆直至第二天白天；即使用户需要临时用车、也可以到换电子系统2处进行一次临时换电操作、所需的时间只有几分钟而已；并且进行充电的频率约为五天一次，所以该方案对用户用车的影响很小。

公知的是，由于电动车辆的良好的操控性，能够更方便的集成自动驾驶技术；其瓶颈是在于复杂路况和高速行驶过程中的稳定性和适应性，以及车载高精度感知系统的成本等等。而对于本发明的技术方案而言，主要是应用于相对封闭的停车场内部的夜间简单工况的低速自动驾驶，其实现的技术要求较低；而通过停车场监控子系统5实现“路侧感知、车路协同”，则能够实现低成本的自动驾驶，解决了在一些低端车型中车载高精度感知系统不是标准配置的问题。

综上所述，从初期的代驾模式（可适当增加代驾人员数量）到将来的自动驾驶模式，本发明的技术方案具有良好的可扩展性，并且对居民小区及停车场的配套设施建设要求是同类方案中最低的、也是安全性最高、最具可行性的。当然该方案也能够应用于其他类型的停车场。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。