一种电动公交系统.pdf

本发明公开了一种电动公交系统，包括装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车，设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置，当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上，所述充电站与所述装卸装置分别装备有控制系统，其特征在于，所述装卸装置控制系统、所述车载控制系统与所述充电站控制系统可相互间通讯。本发明充分利用现有电网的峰谷差电能给电池组充电，环保、节能，并实现快速、准确地装卸电池组作业，保证电动公交车的连续在线运营，大大提高电动公交车的利用率。

1.  一种电动公交系统，包括：
装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车；
设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置，当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上；
所述充电站与所述装卸装置分别装备有控制系统；
其特征在于：
所述装卸装置控制系统、所述车载控制系统与所述充电站控制系统可相互间通讯；
当所述装卸装置控制系统接收到即将返回充电站的电动公交车车载控制系统发出的信号时，所述装卸装置预先定位到充电站相应位置前等待；
当所述电动公交车到达其对应的充电站相应位置时，所述装卸装置执行更换卡式电池组作业，从而实现电动公交车的连续在线运营。

2.  如权利要求1所述的电动公交系统，其特征在于：
所述车载控制系统包括至少一台PLC工控机，当所述装卸装置完成电池组的更换作业后，所述车载控制系统控制完成卡式电池组的锁定及整车电连接；
所述电动公交车具有专用底盘，所述底盘上设置有卡式电池组吊架，在卡式电池组吊架上装有能够和卡式电池组密切配合的滚轮组和与卡式电池组箱体实现电连接的电连接装置；
所述吊架上还装有至少两个锁紧装置；
所述锁紧装置包括电机、减速机及由减速机驱动的丝杆压紧装置；
当卡式电池组插入专用底盘的卡式电池组吊架并到位后，所述锁紧装置由车载控制系统控制，将卡式电池组锁定在吊架中，以保证行驶中的安全。

3.  如权利要求1所述的电动公交系统，其特征在于：
所述车载控制系统包括至少一台PLC工控机，所述电动公交车采用整车桁架结构的车架，以整车骨架来构造桁架结构，并在整车骨架上张拉蒙皮构成全承载式车身，车架底盘的梁上设有容纳卡式电池组的吊架，吊架承重梁两侧设置滚轮组，吊架上还设置有卡式电池组锁紧装置、定位装置以及同卡式电池组装卸装置对接的对接装置。

4.  如权利要求1-3之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交车还装有辅助启动装置；
所述辅助启动装置包括电容器和辅助电机，利用电容器的大比功率充放电的特点，将电反馈制动而产生的能量储存起来，供所述辅助电机使用；
所述车载控制系统根据车辆当前车速是否为零来判断是否启动所述辅助电机，即只有电动公交车由零时速加速时，所述辅助电机才会启动，以辅助主电机，减小启动电流。

5.  如权利要求1-3之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交车还装有两级控制刹车装置；
当驾驶员轻踩刹车踏板时，电动公交车主电机将由电动机转换为发电机，将车辆惯性动能转换成电能，通过电制动返充控制器将电能充入电容器中储存；
当驾驶员深踩刹车踏板时，启动由电动机、气泵和气瓶组成的气动刹车系统，对车辆紧急制动。

6.  如权利要求4所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交车还装有两级控制刹车装置；
当驾驶员轻踩刹车踏板时，电动公交车主电机将由电动机转换为发电机，将车辆惯性动能转换成电能，通过电制动返充控制器将电能充入电容器中储存；
当驾驶员深踩刹车踏板时，启动由电动机、气泵和气瓶组成的气动刹车系统，对车辆紧急制动。

7.  如权利要求1-3、6之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述卡式电池组包括容纳单元电池的箱体、设置在箱体上的集电插座以及箱体内若干由导线连接在一起的单元电池组成的电池组；
所述卡式电池组包括通过隔架栏分隔开的电池小组、组成各电池小组的单元电池以及用于连接单元电池、电池小组并将所述各电池小组与所述集电插座相连接的导线；
所述卡式电池组箱体上还设置有定位装置和锁紧装置，用于与电动公交车底盘之间的定位及锁紧，所述定位与锁紧装置均采用销孔连接方式；
所述卡式电池组的电连接插孔处装有可开闭的盖板。

8.  如权利要求1-3、6之一所述的电动公交系统，其特征在于：
当卡式电池组放电深度在60％-80％之间时，所述电动公交车更换电池组。

9.  如权利要求8所述的电动公交系统，其特征在于：
当放电深度达到约70％时，所述电动公交车更换电池组。

10.  如权利要求1所述的电动公交系统，其特征在于：
所述充电站还包括充电机和放置卡式电池组的充电架以及电网峰谷差自动跟踪装置；
所述充电机包括高压电充电机和低压电充电机；
所述充电站控制系统为可编程工控机；
所述可编程工控机根据所述电网峰谷差自动跟踪装置随时扫描的各分时段电网电压数据，控制所述充电机在电网峰谷差低谷时段给电池组充电，并在其余时段保持为电池组的保养性浮充。

11.  如权利要求2、3、6、9之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述充电站还包括充电机和放置卡式电池组的充电架以及电网峰谷差自动跟踪装置；
所述充电机包括高压电充电机和低压电充电机；
所述充电站控制系统为可编程工控机；
所述可编程工控机根据所述电网峰谷差自动跟踪装置随时扫描的各分时段电网电压数据，控制所述充电机在电网峰谷差低谷时段给电池组充电，并在其余时段保持为电池组的保养性浮充。

12.  如权利要求10所述的电动公交系统，其特征在于：
所述充电架上还设有采样装置、卡式电池组容量显示装置和卡式电池组温度测量及控制装置；
所述温度测量及控制装置将按照预先设定的电池种类、型号调节充电架内的温度；
所述充电架还包括多层可容纳卡式电池组的电池腔，充电架设有与卡式电池组电连接的电连接装置、导轮装置以及和卡式电池组装卸装置搭桥的搭桥装置。

13.  如权利要求10或12所述的电动公交系统，其特征在于：
所述充电站进一步包括多个充电架，利用多台装卸装置，可同时对多辆电动公交车进行卡式电池组的装卸及充电作业。

14.  如权利要求2或12所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电连接装置为鳄鱼夹接触装置，其上带有凸轮夹紧装置，用于使卡式电池组与电动公交车容纳卡式电池组的电池腔之间实现平顺的插拔操作，待锁紧装置将卡式电池组固定锁紧后，使凸轮夹紧装置动作，实现二者之间的电连接。

15.  如权利要求14所述的电动公交系统，其特征在于：
所述鳄鱼夹接触装置包括导电金属材料制成的定鳄、动鳄、支撑轴和由绝缘材料制成的凸轮轴及其驱动电机；
所述车载控制系统当卡式电池组插入电动公交车电池腔并准确到位后，将发出信号由驱动电机带动所述凸轮轴将鳄鱼夹接触装置的动鳄和定鳄配合，紧紧咬住电极舌；
当需要换电池时，车载控制系统发出指令，鳄鱼夹接触装置放松，所述动鳄张开使得高压电接触装置实现无阻力插拔，保证电池组自由推入或拉出。

16.  如权利要求15所述的电动公交系统，其特征在于：
所述鳄鱼夹接触装置包括高压接触舱和低压接触舱；
所述高压接触舱接通后为电动公交车的主电机提供高压电的电源；
所述低压接触舱接通后为电动公交车其他需要低压电的电气设备提供低压电的电源。

17.  如权利要求1-3、10、15之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述装卸装置控制系统包括至少一台PLC工控机，用于控制所述装卸装置完成更换电池组作业；
所述装卸装置为机械臂结构，包括平移平台、卡式电池组托盘、使所述卡式电池组托盘沿平移平台所在平面的垂直方向举升的举升装置、所述平移平台的行走轨道和设置在平移平台底面的轨道轮。

18.  如权利要求17所述的电动公交系统，其特征在于：
所述机械臂还包括旋转平台、旋转机构及旋转平台的驱动装置；
所述旋转平台设置于所述平移平台上，在所述平移平台上可旋转90°或180°，以便将已充好电的卡式电池组输入电动公交车，和/或将已使用过的或出故障的卡式电池组分别输送到充电站的充电架上或维修平台上。

19.  如权利要求17所述的电动公交系统，其特征在于：
所述举升装置还包括两组升降臂及驱动装置组成的升降系统；
所述机械臂与所述充电站的充电架均设置于充电站地面下；
当电动公交车返回充电站时，所述机械臂的一组升降臂预先取出即将返场的电动公交车所对应的卡式电池组，并平行移动至该电动公交车相应的停车位等待；
电动公交车定位后，另一组升降臂将已用完电的卡式电池组取出并下降至该号电池组相应层位后，将已取出充足电的卡式电池组的那组升降臂升至电动公交车电池腔位，并将电池组推入；
所述另一组升降臂取下的使用过的电池组放回其对应层位。

20.  如权利要求18或19所述的电动公交系统，其特征在于：
所述机械臂还设置有用于检测电动公交车位置和充电架上待取出的已充电电池组位置的传感器；
在所述机械臂垂直举升方向与充电架上不同位置对应设有传感器，可使卡式电池组托盘在垂直方向各充电层位任意定位。

21.  如权利要求1-3、9、10、15、18、19之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交系统还包括一控制中心；
所述控制中心由PC机和/或至少一台PLC工控机组成，所述控制中心设在充电站内，通过总线与充电站控制系统之间实现双向通讯。

22.  如权利要求21所述的电动公交系统，其特征在于，所述充电站控制系统与控制中心可使用同一台工控机。

23.  如权利要求1-3、9、10、15、18、19、22之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交系统还包括调度与紧急救援系统；
所述调度与紧急救援系统备有至少一辆紧急救援车；
所述紧急救援车装备有车载电池架和卡式电池组输入/输出通道；
所述电池架上备有充好电的卡式电池组；
所述电池组输入/输出通道具有电池腔、搭桥臂及动力装置，所述电池组输入/输出通道用于取出电动公交车的故障电池组，并将备用卡式电池组输入电动公交车；
所述搭桥臂及动力装置用于所述电池组输入/输出通道与所述电动公交车底盘电池组箱体的对位搭接。

24.  如权利要求1-3、9、10、15、19、22之一所述的电动公交系统，其特征在于：
所述电动公交系统还包括一应急装卸装置，其包括剪式举升机构及液压驱动装置、卡式电池组托盘、由动力装置驱动的主动承重轮、由人工转向的辅助承重轮及控制手柄；
所述卡式电池组托盘上还装有搭桥装置和电池组拨出拨入装置；
所述电池组拨出拨入装置为由链条带动的拨叉，上述装置能够将卡式电池组从电动公交车电池腔一直平稳拨出到机械臂托架上，或反之将电池组送到电动公交车电池腔内。

25.  一种电动公交系统的运行方法，包括：
装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车；
设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置；
当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上：
所述充电站与所述装卸装置分别装备有控制系统，其特征在于：
所述装卸装置控制系统、所述车载控制系统与所述充电站控制系统可相互间通讯；
当所述装卸装置控制系统接收到即将返回充电站的电动公交车车载控制系统发出的信号时，所述装卸装置预先定位到充电站相应位置前等待；
当所述电动公交车到达其对应的充电站相应位置时，所述装卸装置执行更换卡式电池组作业，从而实现电动公交车的连续在线运营。

26.  如权利要求25所述的电动公交系统的运行方法，其特征在于：
当车载控制系统检测发现有单元电池/电池小组出现故障，则电动公交车控制系统向驾驶员发出报警信号；
若未出故障的电池/电池小组剩余电量足够维持电动公交车驶回充电站则自行驶回，否则发出救援信号；
充电站收到电动公交车准备返回的信号后，发出等待更换故障电池组指令；
卡式电池组装卸装置到预定取电池组的充电站相应位置前等待电动公交车，并启动卡式电池组维修系统的维修程序，将装卸装置取出的卡式电池组输入充电站维修工位检测维修。

27.  一种用于权利要求1所述电动公交系统的电池组的充电方法，包括以下步骤：
电池组充电机接通充电电源；
充电站控制系统读取电池组数据；
电网峰谷差自动跟踪装置判断电网是否处于用电低谷，是则由充电站控制系统控制充电机接全额充电程序，按全额电流充电，直至充满；
否则由充电站控制系统控制充电机接浮充程序，按浮充电流充电；
充电站控制系统判断电池组是否充电完毕，是则进入浮充充电，电池组除在电动公交车上使用外，其余时间都至少是处于浮充充电状态；将读取的电池组充电状态数据返回给充电站控制系统。

一种电动公交系统
技术领域
本发明涉及一种电动公交系统，特别是涉及装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车组成的公交系统，包括卡式电池组的装卸装置、卡式电池组的充电站及电动公交车的调度与紧急救援系统。
背景技术
近年来石油危机，环境污染等问题日趋加重。人们发明了许多节能、环保的新交通工具试图替代燃烧汽油、柴油的汽车。其中有天然气汽车、氢燃料车、甲醇燃料车、燃料电池车、太阳能车、双燃料车及电动车等。就其性能和综合指标来说，电动车是其中的佼佼者，最有可能彻底取代“内燃机”作为新型交通工具。目前世界各国政府和民间均有大量资金和人力投入研究和发展电动车。其中美国、日本、德国等汽车大国在研究开发电动车方面相对地走在前面。但大多数是通过立法和行政手段强制推行一部分试用产品。如1999年美国加利弗尼亚、纽约等州都已先后立法，要求本国各大汽车厂要制造和销售20％“完全没有废气排放”的汽车，但这样标准的车就目前科学技术发展水平来讲只有电动车才可能做到。但是这类产品的实际总销量和饱有量只能占到其2000年汽车市场的2％以下，未能形成经济规模和批量生产。其中美国通用公司生产的EV-1、S-10电动皮卡车、日本丰田公司生产的e-com电动轿车、日本本田公司生产的EV-plus电动轿车、日本国国力环境所的“荧火虫”电动车以及福特、雪铁龙、日产、大发等许多世界著名汽车生产厂商的电动车产品或样车都停留在样品阶段。从以上产品主要性能指标——续航能力来看，美国克莱斯勒的皮卡TEVAN用810Kg重的镍镉电池行驶续航能力达到130km/次。美国人的EV-1皮卡续航能力也只能达到120-140km/次。日本人最新研制的8轮电动PUV子弹头车(KAZ)续航能力达到了300km/次。
那么影响电动车普及率提高的根本原因是什么呢？
①电池一次性充电后行驶里程不够长(因目前所有电池比能量低、造成续航能力不够)。
②电池的充电时间过长，目前无论哪种电池如用快速充电都会大幅度降低电池的容量和使用寿命，而且即便是所谓快速充电也需要数小时，而且在用电高峰期充电成本也会大大增加，并且影响车辆的使用效率。
③大部分研究机构的眼睛总盯着那些高档新型电池如镍氢电池和锂离子电池以及钠硫、锂硫、锂铁、锂、高分子聚合物电池等的研究开发。而这些种类的高档电池由于材料、工艺都不过关，同时无批量需求造成成本太大，消费者承受不了。
如上述提到的几种电动车每天只能平均行驶100km/次左右，极大的影响车辆使用效率。所以至今仍有某些汽车权威预言，只有等到比能量达到200以上，充电时间很短，成本又很低的高效能电池问世后，电动车才能大规模推广应用。
目前大城市都在大力提倡发展公共交通事业，降低人均占路率是各大城市政府的一个共识，并为此做了大量工作，如开辟公交车专用道路等。从目前几种常用公交车种来分析，大量发展无轨电车、轻轨类电力驱动型车，会给城市供电系统造成很大压力，同时目前的电力驱动车种都因一次性投资造价太高，给财政造成巨大压力。大部分财政实力较差的城市根本无力问津地铁、轻轨等种类公交工具，而大量发展“内燃机”类公交车又存在城市空气污染，热岛效应，易燃易爆等大量的社会问题。
发明内容
为解决因运营成本过高和效率太低导致的电动公交车不能在产业上大规模推广应用的问题，本发明提供一种电动公交系统，包括装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车，设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置，当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上，所述充电站与所述装卸装置分别装备有控制系统，其特征在于，所述装卸装置控制系统、所述车载控制系统与所述充电站控制系统可相互间通讯；当所述装卸装置控制系统接收到即将返回充电站的电动公交车车载控制系统发出的信号时，所述装卸装置预先定位到充电站相应位置前等待；当所述电动公交车到达充电站相应位置时，所述装卸装置执行更换卡式电池组作业，从而实现电动公交车的连续在线运营。
所述车载控制系统包括至少一台PLC工控机，当所述装卸装置完成电池组的更换作业后，所述车载控制系统控制完成卡式电池组的锁定及整车电连接，所述电动公交车底盘上设置有卡式电池组吊架，在卡式电池组吊架上装有能够和卡式电池组密切配合的滚轮组和与卡式电池组箱体实现电连接的电连接装置，所述吊架上还装有至少两个自动锁紧装置，所述锁紧装置包括电机、减速机及由减速机驱动的丝杆压紧装置；所述锁紧装置由车载控制系统自动控制，当卡式电池组插入专用底盘的卡式电池组吊架并到位后，锁紧装置自动将卡式电池组锁定在吊架中，以保证行驶中的安全。
另一可选的本发明的车载控制系统所述电动公交车采用整车桁架结构，所述车载控制系统包括至少一台PLC工控机，以整车骨架来构造桁架结构，并在整车骨架上张拉蒙皮构成全承载式车身，车架底盘的梁上设有容纳卡式电池组的吊架，吊架承重梁两侧设置滚轮组，吊架上还设置有卡式电池组锁紧装置、定位装置以及同卡式电池组装卸装置对接的对接装置。
所述电动公交车还装有辅助启动装置，所述辅助启动装置包括电容器和辅助电机，利用电容器的大比功率充放电的特点，将电反馈制动而产生的能量储存起来，供所述辅助电机使用，所述车载控制系统根据车辆当前车速是否为零来判断是否启动所述辅助电机，即只有电动公交车由零时速加速时，所述辅助电机才会启动，以辅助主电机，减小启动电流。
所述电动公交车还装有两级控制刹车装置，当驾驶员轻踩刹车踏板时，电动公交车主电机将由电动机转换为发电机，将车辆惯性动能转换成电能，通过电制动返充控制器将电能充入电容器中储存；当驾驶员深踩刹车踏板时，由电动机、气泵和气瓶组成的气动刹车系统将启动，对车辆紧急制动。
所述卡式电池组包括容纳单元电池的箱体、设置在箱体上的集电插座以及箱体内若干由导线连接在一起的单元电池组成的电池组，所述卡式电池组包括通过隔架栏分隔开的电池小组、组成各电池小组的单元电池以及用于连接单元电池、电池小组并将所述各电池小组与所述集电插座相连接的导线，所述卡式电池组箱体上还设置有定位装置和锁紧装置，用于与电动公交车专用底盘之间的定位及锁紧，所述定位与锁紧装置均采用销孔连接方式，所述卡式电池组的电连接插孔处装有可开闭的盖板。
当卡式电池组放电深度在60％-80％之间时，所述电动公交车更换电池组。
优选地，当放电深度达到约70％时，所述电动公交车更换电池组。
所述充电站还包括充电机和放置卡式电池组的充电架以及电网峰谷差自动跟踪装置，所述充电机包括高压电充电机和低压电充电机，所述充电站控制系统为可编程工控机，所述可编程工控机根据所述电网峰谷差自动跟踪装置随时扫描的各分时段电网电压数据，控制所述充电机在电网峰谷差低谷时段给电池组充电，并在其余时段保持为电池组的保养性浮充。
所述充电架上还设有采样装置、卡式电池组容量显示装置和卡式电池组温度测量及控制装置，所述温度测量及控制装置将按照预先设定的电池种类、型号调节充电架内的温度，所述充电架还包括多层可容纳卡式电池组进行充电的电池腔，充电架设有与卡式电池组电连接的电连接装置、导轮装置以及和卡式电池组装卸装置搭桥的搭桥装置。
所述充电站进一步包括多个充电架，利用多台装卸装置，可同时对多辆电动公交车进行卡式电池组的装卸及充电作业。
所述电连接装置为鳄鱼夹接触装置，其上带有凸轮夹紧装置，用于使卡式电池组与电动公交车容纳卡式电池组地电池腔之间实现平顺的插拔操作，待锁紧装置将卡式电池组固定锁紧后，使凸轮夹紧装置动作，实现二者之间的电连接。
所述鳄鱼夹接触装置包括导电金属材料制成的定鳄、动鳄、支撑轴和由绝缘材料制成的凸轮轴及其驱动电机，所述车载控制系统当卡式电池组插入电动公交车电池腔并准确到位后，将发出信号由驱动电机带动所述凸轮轴将鳄鱼夹接触装置的动鳄和定鳄配合，紧紧咬住电极舌；当需要换电池时，车载控制系统发出指令，鳄鱼夹接触装置放松，所述动鳄张开使得高压电接触装置实现无阻力插拔，保证电池组自由推入或拉出。
所述鳄鱼夹接触装置包括高压接触舱和低压接触舱，所述高压接触舱接通后为电动公交车的主电机提供高压电的电源，所述低压接触舱接通后为电动公交车其他需要低压电的电气设备提供低压电的电源。
所述装卸装置控制系统包括至少一台PLC工控机，用于控制所述装卸装置完成更换电池组作业，所述装卸装置为机械臂结构，包括平移平台、卡式电池组托盘、使所述卡式电池组托盘沿平移平台所在平面的垂直方向举升的举升装置、所述平移平台的行走轨道和设置在平移平台底面的轨道轮。
所述机械臂还包括旋转平台、旋转机构及旋转平台的驱动装置，所述旋转平台设置于所述平移平台上，在所述平移平台上可旋转90°或180°，以便将已充好电的卡式电池组输入电动公交车，和/或将已使用过的或出故障的卡式电池组分别输送到充电站的充电架上或维修平台上。
所述举升装置还包括两组升降臂及驱动装置组成的升降系统，所述机械臂与所述充电站的充电架均设置于充电站地面下，当电动公交车返回充电站时，所述机械臂的一组升降臂在控制中心的指令控制下预先取出即将返场的某序号的公交车相应的卡式电池组，并平行移动至固定的电动公交车停车位等待；电动公交车定位后，另一组升降臂将已用完电的卡式电池组取出并下降至该号电池组相应层位，平移一个电池组位后将已取出充足电的卡式电池组的那组升降臂升至电动公交车电池腔位，并将电池组推入，待电池盒锁紧后撤出搭桥臂；所述另一组升降臂取下的使用过的电池组放回其对应层位。
所述机械臂还设置有用于检测电动公交车位置和充电架上待取出的已充电电池组位置的传感器，在所述机械臂垂直举升方向与充电架上不同位置对应设有传感器，可使卡式电池组托盘在垂直方向各充电层位任意定位。
所述电动公交系统还包括一控制中心，所述控制中心由PC机和/或至少一台PLC工控机组成，所述控制中心设在充电站内，通过总线与充电站控制系统之间实现双向通讯。
优选地，所述充电站控制系统与控制中心可使用同一台工控机。
所述电动公交系统还包括调度与紧急救援系统，所述调度与紧急救援系统备有至少一辆紧急救援车，所述紧急救援车装备有车载电池架和卡式电池组输入/输出通道，所述电池架上备有充好电的卡式电池组，所述电池组输入/输出通道具有电池腔、搭桥臂及动力装置，所述电池组输入/输出通道用于取出电动公交车的故障电池组，并将备用卡式电池组输入电动公交车，所述搭桥臂及动力装置用于所述电池组输入/输出通道与所述电动公交车底盘电池组箱体的对位搭接。
所述电动公交系统还包括一应急装卸装置，其包括剪式举升机构及液压驱动装置、卡式电池组托盘、由动力装置驱动的主动承重轮、由人工转向的辅助承重轮及控制手柄，所述卡式电池组托盘上还装有搭桥装置和电池组拨出拨入装置，所述电池组拨出拨入装置为由链条带动的拨叉，上述装置能够将卡式电池组从电动公交车电池腔一直平稳拨出到机械臂托架上，或反之将电池组送到电动公交车电池腔内。
本发明还提供了一种电动公交系统的运行方法，包括装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车，设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置，当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上，所述充电站装备有控制系统，所述装卸装置装备有控制系统，其特征在于，所述装卸装置控制系统、所述车载控制系统与所述充电站控制系统可相互间通讯；当所述装卸装置控制系统接收到某序号电动公交车即将返回充电站的信号时，所述装卸装置预先定位到该序号电动公交车对应的充电站固定位置前等待；当所述电动公交车到达所对应的预定位置时，所述装卸装置执行更换卡式电池组作业，从而实现电动公交车的连续在线运营。
当车载控制系统检测发现有单元电池/电池小组出现故障，则电动公交车控制系统向驾驶员发出报警信号；若未出故障的电池/电池小组剩余电量足够维持电动公交车驶回充电站则自行驶回，否则发出等待救援信号；充电站收到电动公交车准备返回的信号后，发出等待更换故障电池组指令；卡式电池组装卸装置到预定取电池组的充电架位置前等待电动公交车，并启动卡式电池组维修系统的维修程序，将装卸装置取出的卡式电池组输入充电站维修工位检测维修。
本发明还提供有一种用于所述电动公交系统的电池组的充电方法，包括以下步骤：电池组充电机接通充电电源；充电站控制系统读取电池组数据；电网峰谷差自动跟踪装置判断电网是否处于用电低谷，是则由充电站控制系统控制充电机接全额充电程序，按全额电流充电，直至充满；否则由充电站控制系统控制充电机接浮充程序，按浮充电流充电；充电站控制系统判断电池组是否充电完毕，是则进入浮充充电，电池组除在电动公交车上使用外，其余时间都至少是处于浮充充电状态；将读取的电池组充电状态数据返回给充电站控制系统。
采用本发明的卡式电池组装卸装置能够实现快速、准确地装卸电动公交车和充电架上的卡式电池组，大大提高电动公交车的利用率。
采用本发明的鳄鱼夹接触装置作为电动公交车、充电架与卡式电池组的电连接装置，不但保证有效地高压电接触时的电流容量，而且能够实现无阻力插拔，保证电池组自由推入或拉出。
采用本发明的卡式电池组电动公交车，其充电过程是在脱离车体的情况下进行的，充分利用了现有电网的峰谷差电能，白天电网用电高峰时段只对电池组进行小电流浮充夜间凌晨0时至8时，电网用电低谷时段对电池组进行大电流充电，这样不但为电动公交车提供次日的运行电能，还可大大提高城市电网的功率因数Q值，起到很好的调峰作用使电网供电质量得到提高，电能的利用率达到最高，可极大地优化全世界的能源结构、减少温室气体排放及城市热岛效应等都的影响。
装备本发明的卡式电池组电动公交车的电动公交系统就是在大量研究和分析了上述矛盾后给出的城市公共交通综合解决方案。它有望在短时期内(预计5年)可大面积在各城市推广、取而代之现在所有“内燃机”公交车和有轨、无轨电车等地面公交工具，若按目前国内公交车总合50％计，2010年时全国总保有量将达到50万辆。年需求或年产量(按订单生产)将达到10万辆/年。国际市场则不言而喻。按中国电力系统98年峰谷差1000亿kW·h计算，卡式电池组电动公交车允许最大保有量可达到70万-90万辆。(400kW·h×365≈150000kW·h；15万kW·h×70万≈1000亿kW·h)；另一算法，目前北京公交车保有量为1.5万辆，每千人拥有1.5辆。以此类推，全国4亿城市人口共需公交车60万辆。因此如果全国公交系统全部用卡式电池组电动公交车，正好将1000亿kW·h的峰谷差电力全部利用。如此推算政府仅电力每年可多得500亿元财政收入。如将这部分财政收入直接补贴公交企业，则此“零污染”公交车项目基本上可称为“零成本”公交系统。随着我国三峡水利、电力工程建成发电，长江上游各支流梯级水电站滚动开发，黄河梯级水电滚动开发战略的逐步展开，随着“核电站”技术的日臻成熟，随着中国GDP平稳高速增长，据有关权威部门预测到2020年中国电力总产量将达到31500亿kW·h，峰谷差电力将达到3000亿以上，届时卡式电池组电动公交车将取代燃油公交车而大量推广应用，电能将代替石油成为人们日常交通活动的主要能源。
附图说明
图1为电动公交系统组成图；
图2A为电动公交车专用底盘正视图；
图2B为图2A中吊架滚轮组局部放大图；
图2C为电动公交车专用底盘俯视图；
图3A为鳄鱼夹接触装置结构主视图；
图3B为鳄鱼夹接触装置结构俯视图；
图4A为鳄鱼夹接触装置控制电连接继电器组布置图；
图4B为鳄鱼夹接触装置高压电串联继电器布置图；
图4C为鳄鱼夹接触装置故障电池组切断继电器布置图；
图5为电动公交车电池吊架电池组更换程序框图；
图6为电动公交车珩架式结构底盘示意图；
图7为电动公交车总体布局示意图；
图8为紧急救援车结构示意图；
图9A为卡式电池组中置、驱动电机后置示意图；
图9B为卡式电池组后置、驱动电机中置示意图；
图10A为电动公交车与平衡式(地上型)机械臂及充电站布置关系主视图；
图10B为电动公交车与平衡式(地上型)机械臂及充电站布置关系俯视图；
图11为平衡式机械臂搭桥臂与电动公交车底盘搭桥孔结构示意图；
图12A为平衡式机械臂结构主视图；
图12B为平衡式机械臂结构俯视图；
图13为平衡式机械臂电池组拨入拨出装置结构示意图；
图14A为电动公交车与平行式(地下型)机械臂及充电站结构位置关系侧视图；
图14B为电动公交车与平行式(地下型)机械臂及充电站结构位置关系主视图；
图15为机械臂检测元件分布图；
图16为机械臂手动检测、调试控制盘示意图；
图17为电动公交车更换电池组用半自动机械臂示意图；
图18为充电站结构组成示意图；
图19A为充电架结构主视图；
图19B为充电架结构侧视图；
图20为电网峰谷差自适应充电曲线示意图；
图21为充电站充电架电池组巡检程序框图；
图22为充电站充电程序框图；
图23为电动公交车与平衡式机械臂自动定位示意图；
图24A为平衡式机械臂自动控制维修程序框图A；
图24B为平衡式机械臂自动控制维修程序框图B；
图25A为平衡式机械臂自动控制维修后程序框图A；
图25B为平衡式机械臂自动控制维修后程序框图B；
图26A为平衡式机械臂自动控制程序框图A；
图26B为平衡式机械臂自动控制程序框图B；
图27为卡式电池组维修平台示意图；
图28为电动公交车系统通讯及控制示意图；
图29为电动公交车车载控制系统程序框图。
具体实施方式
图1所示为本发明的卡式电池组电动公交系统的组成，本发明的电动公交系统包括控制中心100、电动公交车200、电池组装卸装置300和充电站400。此外，本发明的公交系统还可设置一调度与紧急救援系统600及维修平台500，上述各组成部分之间可通过总线和/或无线信号相互通讯，实现电动公交车快速更换电池组以及对电池组的智能充电管理，在节约能源和环保的同时显著提高电动公交车的利用率。
正如发明内容的技术方案部分所述，本发明电动公交系统的协议通讯有两种方式：(1)通过车载控制系统、装卸装置控制系统、充电站控制系统三者之间直接实现通讯；(2)车载控制系统、装卸装置控制系统以及充电站控制系统之间的通讯通过一系统控制中心间接实现。本发明的电动公交系统的控制中心优选设在充电站内，通过总线与充电站控制系统之间实现双向通讯，更优选的是使充电站控制系统的可编程工控机同时起到控制中心的作用。因此，本发明所说的控制中心既可单独设置，也可与充电站控制系统绑定，实现一机多用。
下面以第(2)种方式为例，分四部分详细说明本发明的电动公交系统的各个组成部分：一、电动公交车；二、电池组装卸装置；三、充电站；四、电动公交系统的控制系统组成及协议通讯。
一、电动公交车
本发明的电动公交车200，其车载控制系统至少有一台工控机设置于电动公交车的适当位置，并通过总线控制该电动公交车各部分机械、电子装置，并以无线数字脉冲形式将车辆运行状况及故障状况发送至设在系统控制中心100的接收端，同时也将车辆当前车况显示在仪表台上，供驾驶员参考。如图2A、2B、2C所示，构成卡式电池组电动公交车200的主要部件为专用底盘201，其上装有卡式电池组吊架203，吊架上设置有卡式电池组腔220，通过设置于吊架上的电连接装置与内装的卡式电池组204实现电连接。在吊架203上还装有能够和卡式电池组204的轨道206密切配合的滚轮组202，此滚轮组和轨道配合，吊架上设有搭桥孔207，用于与电池组装卸装置相配合，可使卡式电池组能够平顺、准确的插入电动公交车吊架203中，此滚轮组排布较密，以承受至少重达0.5～2吨的电池组的重量及公交车在各种运动状态的动量，并保持卡式电池组在插入方向的精准度，并保证电接插件对位精确。在吊架203上还装有至少二个自动锁紧装置205，该锁紧装置是由电机及减速机带动丝杆压紧装置，对电池盒的进行锁紧，本发明中采用四个自动锁紧装置205对电池盒的四个角进行锁紧。锁紧装置的动作是由作为车载控制系统的工控机发出的指令控制，可自动锁紧或放松。当卡式电池组插入电池组腔220并到位后，由到位传感器256发出信号，车载工控机将发出指令将该4个锁紧装置205自动将卡式电池组204牢牢的锁定在吊架中，以保证行驶中的安全。当然，采用其他锁紧结构，或设置多个锁紧装置，或对电池盒其他部位进行锁紧都是本领域技术人员不需要创造性劳动就能够想到的。
如图3A、3B所示，吊架203上设置的电连接装置为鳄鱼夹接触装置，可与卡式电池组实现无阻力插拔和高效电连接，同时该电连接装置也安装在充电站放置卡式电池组的充电架上。该鳄鱼夹接触装置是由导电金属材料制成的定鳄246、动鳄245、支撑轴248、和由绝缘材料制成的凸轮轴240及其驱动装置电动机241和齿轮减速装置242构成；定鳄246固定于吊架203上，动鳄245与定鳄246中间有一枢轴，与动鳄245及定鳄246啮合端对应的另一端由凸轮轴240支撑；当卡式电池组204插入电动公交车电池腔220并准确到位后，车载控制系统将发出信号由电动机241带动凸轮轴240将动鳄245和定鳄246配合紧紧咬住电极舌250，以保证有效高压电接触电流容量，当需要换电池时，车载控制系统发出指令，鳄鱼夹凸轮轴240放松，鳄鱼夹动鳄245使得高压电接触装置实现无阻力插拔，保证电池组自由推入或拉出，该装置即保证了卡式电池组更换过程非常轻松，又保证电动公交车行驶过程有足够大的接触电流容量。此外，鳄鱼夹接触装置还设有高压接触舱265和低压接触舱264，内部由继电器组合控制，以最大限度地减短各组鳄鱼夹接触装置和各组继电器之间的动力电连线。
本发明的电动公交系统所使用的电动公交车采用卡式电池组作为整车动力电源，卡式电池组内分别装有供高压动力电的数十块单体电池255，分别串联成数小组电池单元组成的高压供电电源和至少一块的单体电池244组成的低压供电电源。由于整个卡式电池组204内几十块电池单体255分成了数个小组电池单元，246、250为接线柱，251为电池单体间的保温层，247、248、249均为绝缘材料构成的电极支架，凸轮轴240也为绝缘材料。这样的结构可以保证整个卡式电池组的电池在更换电池组过程中并无高压电存在，只有卡式电池组在电动公交车电池腔220内完全就位后，才由一系列鳄式接插器组成的鳄鱼夹接触装置和继电器组合将所有电池单体串联在一起组成高压动力电源。在卡式电池组接插器端266的插入孔处还设有随着鳄鱼夹接触装置拔出时自动关闭的端盖257，当卡式电池组与鳄鱼夹接触装置脱离接触后，端盖57自动关闭，以避免意外触及卡式电池组的高压电接线柱而发生危险，确保卡式电池组的用电安全。单体电池244和低压接触舱内的接线柱250等组成了为电动公交车提供低压电的电源。
如图4A、4B、4C所示为鳄鱼夹接触装置内各组继电器的布置及各自功能，在鳄鱼夹接触装置与卡式电池组接通前，车载控制系统将通过灭弧继电器J0的动作断开卡式电池组与电动公交车的电连接，凸轮轴240由继电器J8、J9通过电机D2控制其转动动作，实现鳄鱼夹接触装置的夹紧和放松；吊架上锁紧装置205的动作由继电器J6、J7通过电机D1控制，实现卡式电池组与电池腔220的锁紧；卡式电池组高压电源是由各组电池小组的串联继电器J1～J5的闭合实现的；若电动公交车运行途中车载控制系统检测到某一组电池组发生故障，则车载控制系统控制该组电池组的继电器的开闭，从整个电池组串联电路中将其切断，同时保留其余电池组组成的高压电对整车的驱动。
如图5所示，为电动公交车电池吊架电池组更换程序275的框图，当机械臂的搭桥臂插入公交车电池组吊架搭桥孔207时，设在207孔内的到位传感器得到即将换电池的信息，车内的换电池子程序275将启动执行，先关断供电电源，即断开灭弧继电器J0，放开锁紧装置，松开鳄鱼夹，等待换电池，待电池盒推入电池腔后，锁紧装置锁定，鳄鱼夹重新夹紧，接通所有继电器组合，再接通高压控制器前端的灭弧继电器J0，供给电动公交车所需电力。
如图6所示，作为本发明电动公交系统电动公交车的另一实施例，电动公交车可采用桁架式结构车架，底盘上设有同样的滚轮组202和锁紧装置205，以及同电池组装卸装置配合的搭桥孔207，该桁架式结构必须以全车骨架来构造桁架结构，并在此骨架上张拉蒙皮构成全承载式车身，整车结构设计必须用有限元方法做全车骨架应力分析，以保证整车结构强度。
如图7所示，卡式电池组电动公交车200上还装有车载固定大容量动力电容器264，该装置利用电容器的大比功率充放电的特点，通过电制动反充控制器263控制电容器264，将电返馈制动而产生的能量储存起来，供电动公交车200的辅助电机262短时放电，从而帮助主电机261启动车辆，车载工控机260根据车辆当前车速是否为零来判断是否启动辅助电机，即只有电动公交车由零时速加速时辅助电机262才会启动数秒或数十秒，从而在电动公交车起步时，辅助主电机减小启动电流。电动公交车200的传动系还装有液压离心联动离合器及离心超越两速变速箱的变速装置267，使电动公交车起步电流较小，以减低大电流对电池及电控系统的冲击。为改善电动公交车200的刹车效果，电动公交车200还装有两级控制刹车装置，当驾驶员轻踩刹车踏板时，电动公交车主电机261将由电动机转换为发电机，将车辆惯性动能转换成电能，通过电制动返充控制器263将电能充入车载固定动力电容器264中储存。当驾驶员深踩刹车踏板时，气动刹车系统将启动，气动刹车系统对车辆紧急制动。气动刹车系统是由驱动电机265带动气泵266组成，气源由气瓶提供。上述制动电能回收再利用装置有利于进一步减小电动公交车起步瞬间冲击电流，以保电池组204有更长的使用寿命，同时延长主电机261和主电机控制器263的使用寿命。
如图8所示为调度与紧急救援系统600装备的紧急救援车601的结构示意图，救援车601带一备用轮胎620，具有现场为故障电动公交车更换电池组的功能，车载电池架上备有卡式电池组204和电池组输入/输出通道610，输出通道610具有一电池腔220、搭桥臂及其动力装置327，电池组输入/输出通道用于取出电动公交车的故障电池组，并将备用卡式电池组输入电动公交车的车载电池架，搭桥臂及动力装置327用于电池组输入/输出通道与电动公交车底盘电池组箱体的对位搭接。
如图9A所示，电动公交车200也可以设计成为主电动机261后置、卡式电池组204中置布局式专用底盘，并将电动气泵、气瓶、车载低压电瓶等重量较重的部件同主电机布局在一起，以匹配卡式电池组的重量。
如图9B所示，电动公交车200还可以设计成为驱动电动机261中置、卡式电池组204后置形式的专用底盘，后者驱动电机中置式底盘结构更有利于底地板设置及前门上车及中门下车合理布置。
二、电池组装卸装置
如图10～13所示，用于地面型电动公交系统的电池组装卸装置300的平衡式机械臂300’，其中图10为电动公交车与平衡式(地上型)机械臂及充电站的布置图，图11为平衡式机械臂搭桥臂与电动公交车底盘搭桥孔结构示意图，图12为平衡式机械臂结构示意图，图13为平衡式机械臂电池组拨入拨出装置的结构示意图。图中，平衡式机械臂300’包括平行移动平台301、旋转平台302、垂直举升装置307、卡式电池组托盘306、以及轨道312和轨道轮311、旋转机构313。其中旋转平台302是由电动机及齿轮减速机构314和布置在机械臂适当位置的控制系统一工控机315的指令控制下进行旋转的，并由滚轮组303支撑在平移平台301上，垂直举升装置307由垂直举升液压缸331链条332以及动齿轮335组成，在垂直举升臂上设有足够多的传感器308，可使卡式电池组托盘306在垂直方向各层位任意定位。电池组托盘306上还装有搭桥臂325和由链条带动拨叉组成的电池组拨出/拨入装置324，以及电池组滚轮装置323。平衡式机械臂平移机构由驱动机构314驱动轨道轮311在轨道312上平行移动，整台机械臂在轨道312上平移时，由位于每组充电架单元前轨道的相应位置排布的若干传感器309定位。
在电动公交车定位停稳后，由平衡式机械臂托盘上自动伸出的搭桥臂325与电动公交车电池腔下的搭桥孔207相搭接，以消除电动公交车底盘在卸载或加载0.5～2吨重的电池组时所产生的高度差，上述动作是在电池组未移动前，搭桥臂先向前伸进对应的搭桥孔207进行搭接的，故准确性和修正定位误差性很好，如果不在换电池动作开始前先将电动公交车200和装卸装置300两系统进行搭桥，则重量较大的电池组在做向前推进运动时必然会上下，左右颤动，而不容易对准电动公交车的电池腔。
搭桥臂325是由驱动机构326和其动力装置，例如一液压缸327组成，上述装置保证电动公交车自动定位以后使电池组的拉出和插入平顺，并抵销由于重量较大的电池组出入卡式电池组电动公交车电池腔时所产生的电动公交车悬挂弹簧变形，使得卡式电池组在平衡机械臂和电动公交车之间平稳过度。
如图14A、14B所示，地下型电池组装卸装置一平行式机械臂装备有作为其控制系统的工控机，具有与电动公交车200的电池腔220以及搭桥孔207配合的搭桥臂325及其驱动装置327，其充电站400是在电动公交车200行驶路面下由层叠放置的卡式电池组204和其充电架401组成，其平行快速更换电池组装置392由平行移动平台380、轨道轮381、轨道382以及可升降系统383组成，也具有与地面型装卸装置相同结构的拨出推入装置。
在装卸电池组时，电动公交车搭桥孔207与搭桥臂325相配合，该充电站的充电架具有和地面型充电站的充电架相同的温度控制装置480。地下型卡式电池组充电站具有占地面积小、美观、容易布局、平行式升降平衡机械臂结构简单等优点，可在控制中心的指令控制下预先取出即将返场的某序号的公交车相应的卡式电池组，对卡式电池组204进行快速更换，更换过程为：在其控制系统接收到控制中心100的指令后，平行式机械臂A升降臂392预先取出相应顺序号的卡式电池组，并平行移动至固定的电动公交车停车位等待，电动公交车自动定位后，B升降臂托架391将已用完电的卡式电池组204取出并下降至该号电池组相应层位，平行机械臂装卸装置300平移一个电池组位后将已托有取出充足电卡式电池组的A升降臂升至电动公交车电池腔220位，并将电池组推入，待电池盒锁紧后撤出搭桥臂325。电动公交车即可驶离充电站，进行下一圈载客营运。这时平行式机械臂380则将B臂上刚取下放电后的电池组放回其原层位，取出另一块充足电池组等待下一辆电动公交车进站换电池过程。
如图15、16所示，机械臂300’的水平轨道以及垂直举升臂上的若干定位传感器308、309的布置位置以及机械臂控制盘的一个实施例，控制机械臂升降、平移、旋转等动作。当然对于本领域技术人员而言还可采用其他类似布置方式的控制盘，控制效果相同。
如图17所示，本发明的电动公交系统还备有的用于紧急情况下更换卡式电池组的半自动机械臂540，该装置由承载卡式电池组204的托盘534及搭桥臂525构成，底盘上装有用于将托盘举起的剪式举升机构541及举升液压装置546，底盘上还装有由动力驱动装置543驱动的主动承重轮542、能够由人工转向的辅助承重轮547及人工控制手柄548所组成，底架上还装有液压系统545及蓄电池544以保证该半自动机械臂是由人工半自动操作的动力装置。该装置的人工控制手柄548上还装有操作控制盘549，由人工操作为电动公交车更换卡式电池组的，控制其升、降、前、后移动。该装置保证电动公交车在临时出现故障或短暂停电时能够将充电架上作为预备紧急用的一、二层卡式电池组换上电动公交车，以保证电动公交车200的正常运营。
三、充电站
如图18以及图19A、19B所示分别为充电站结构组成及充电架结构示意图。充电站400由可编程控制器PLC工控机470、充电架401和调压、调流、整流等功能的充电机480组成。充电站还包括电网峰谷差自动跟踪装置471、卡式电池组容量显示装置472和卡式电池组温度测量、控制装置473和电网、电流、电压等数据采样装置474。充电架401由多层可容纳卡式电池组204进行充电的电池组腔420组成。
充电架401的每一电池组腔上设有与电动公交车底盘吊架上的电连接装置相同结构的鳄鱼夹接触装置440、导轮装置402以及与电池组装卸装置300配合搭桥的搭桥孔407构成，上述充电架还包括用于跟充电机相连接的充电电缆箱450以及电缆箱门和维修门460，该充电架可方便的在后门打开进行充电接触装置及电缆等维修，同时又保证其密封状态，在充电架的正面卡式电池组插入口设有可自动关闭的仓门421，以保证充电架内和外界环境相对封闭，在充电架内还设有温度调节装置431及其动力装置432，可采用常用的空调压缩机以及温度控制器，以保证电池组充电过程中温度的恒定，使电池组工作在其最佳的充电温度范围。充电架401上还设有防护棚以改善整个系统在雨雪等气象条件下的工作环境。
电网峰谷差自动跟踪装置471将每天扫描各分时段电网电压数据，并根据地区差和季节差所造成的电网峰谷差时差的不同，自动跟踪并记录数据的变化，以变化曲线作周均值曲线，以自动调整充电机大电流充电时间段，根据采样装置474采集到的充电架及卡式电池组的数据自动按照预先设定的电池种类、型号调节充电架内的温度，以保证卡式电池组204长期工作在最佳的充、放电工作温度范围，以提高电池组循环使用寿命。上述装置473、474可最大的限度的按照所用电池种类及电池型号为电池组设置最佳的充电工作环境。
如图20所示，卡式电池组智能化充电曲线图中单细线为典型的城市电网峰谷差用电量变化曲线，充电时间曲线如两条粗曲线所示，可编程工控机470控制充电机按照电网峰谷差自动跟踪装置471确定的充电时间曲线对卡式电池组充电，完全避开了电网峰值用电时间段，既保证所充电能都是来自于夜间23点到次日凌晨7点之间充电，主充电时段电流微调范围ΔI，充电电流微调范围是为了保证智能化充电器自动识别该卡式电池组的放电深度，现在容量状况以及现在的充电状况，自动微调充电电流以保证在低谷时段内将卡式电池组充至100％容量，进入白天电网用电峰值时段区域时，可编程工控机470控制充电机只对电池组进行浮充充电，以保证电池组有足够长的循环使用寿命。
如图21所示，充电站400的充电架401对卡式电池组的更换程序492的控制步骤为：当充电站控制系统接收到控制中心发出的某电动公交车即将进站更换电池的指令后，通过控制充电架401上相应继电器的接合，断开该电动公交车待取出的充电架上相应层位的卡式电池组的电源，等电池组更换作业完成后，将刚放入对应层位的已使用过的电池组充电电源接通，开始充电程序。
如图22所示，对卡式电池组的充电程序包括以下步骤：电池组充电机接通充电电源；充电站控制系统读取电池组数据；电网峰谷差自动跟踪装置判断电网是否处于用电低谷，是则由充电站控制系统控制充电机接全额充电程序，按全额电流充电，直至充满；否则由充电站控制系统控制充电机接浮充程序，按浮充电流充电；充电站控制系统判断电池组是否充电完毕，是则进入浮充充电，电池组除在电动公交车上使用外，其余时间都至少是处于浮充充电状态；将读取的电池组充电状态数据返回给充电站控制系统。
四、电动公交系统的控制系统组成及协议通讯
本发明的每组卡式电池组可供电动公交车行驶40公里以上，每辆电动公交车在充电站相应充电架上备有至少二组以上的卡式电池组以满足电动公交车一天营运里程之需要。由于公交车的运行特点是定点、定时、定线的运营形式，卡式电池组电动公交车每次正常更换电池组的营运里程由所选用的电池类型、种类、型号、性能、使用时间和放电深度决定，一般以卡式电池组放电深度达到60％～80％为宜，优选放电深度超过70％时即予以更换，在达到更换电池组的放电深度之前，车载控制系统将提示驾驶员，并向控制中心发出电动公交车需要返回更换电池组的信号，本发明的电动公交系统的控制中心优选设在充电站内，通过总线与充电站控制系统之间实现双向通讯，更优选的是使充电站控制系统的可编程工控机同时起到控制中心的作用。因此，本发明所说的控制中心既可单独设置，也可与充电站控制系统绑定，实现一机多用。当电动公交车在经过至少40公里以上载客运营后回到公交终点站设置的充电站，由车载控制系统与充电站控制系统之间的通讯协议自动控制电动公交车定位于对应的充电架401及电池组装卸装置300前，而电池组装卸装置的自动控制系统已经在电动公交车返回充电站之前预先得到车载控制系统发回到控制中心的信号预先定位在该顺序号电动公交车对应的充电架单元前，在电动公交车定位后同时自充电架和电动公交车电池腔取出已充足电的电池组和已放完电的电池组，经过180度转向、升降搭接对位后，分别将充足电的电池组插入公交车200和已放完电的卡式电池组插入充电架相应层位，电动公交车即可以进行下一轮的运营。从而实际地解决了世界电动公交车研究发展长期未能克服的连续运营里程数不够的瓶颈问题。
参考图1，电动公交控制系统中，各分系统的车载或机载工控机PLC都分别运行在各自的自控系统中，而数个分系统又需要通过RS232总线(或其它类型的串行数据总线)和无线通讯手段将其联网来共同组成总自控系统。即由电动公交系统控制中心为核心的和由电动公交车车载工控机构成的车载控制分系统，由换电池机械臂机载工控机所构成的机械臂控制分系统和由充电架的工控机组成的智能充电控制分系统，通过总线和无线脉冲数字信号按电动公交车优先原则联系在一起的总自控系统，各分系统内部通信则采用RS232总线(或422、CAN等其它串行总线形式)。
电动公交系统控制中心100是由中央处理器(PC机)和至少一台工控机PLC共同组成，优选为两台工控机，负责全系统的指挥控制，当控制中心100接收到电动公交车200以无线脉冲形式发回某序号电动公交车即将返场信号时，首先根据返场车辆的序号通过总线向电池组装卸装置300发出指令预先到该序号电动公交车的充电架单元前等待，并预先定位在该序号电动公交车现在所使用的卡式电池组所对应的所要更换的下一组卡式电池组层位，电动公交车在进入充电站后，驾驶员将沿着预先划定的定位线行驶，只要保证电动公交车与装卸装置相对平行距离误差不大于200毫米，装卸装置机械臂上的搭桥装置都能很好的进行换电池作业。
如图23所示，为保证定位准确，除了依靠驾驶员人工操作外，也可以使用自动刹车定位系统，当电动公交车驶近平衡机械臂适当距离时，车载工控机自动将车速降至事先设定的车速，在经第一次预定位位置291后再次减速为预定的更低速度，在第二次预定位位置292时完全刹车，当完成更换电池机械臂完成所有程序并撤出搭桥臂柱后，电动公交车车载工控机自动完成电池盒的锁定，电接通、电接插等程序后，将驾驶权交回驾驶员，完成一次快速更换电池组程序，驾驶员将已换电池的电动公交车开走，并进行下一圈公交运营。
如图24A、24B及图25A、25B所示分别为故障电池组的维修及维修后程序390、391，电动公交车回到充电站后，机械臂自电动公交车电池腔取出故障电池组后，旋转90°，移动到维修平台500，进行维修；然后机械臂回原位等待其控制系统发出的下次操作指令；故障电池组维修好后，维修工向控制中心发出电池组已修好的信息，控制中心通知机械臂的控制系统，指令机械臂取回电池组，按照检测到的电池组身份信息将其送回对应的充电架相应层位。
如图26A、26B所示，机械臂控制系统接收到来自控制中心的指令，首先判别目前是否在该电动公交车对应的充电架位置，是则原地等待该电动公交车，否则移动到该电动公交车对应的充电架位置，准备取出电动公交车上已使用过的电池组和充电架已充满电的电池组；待该电动公交车进站定位后，执行更换电池组程序。若已知出现故障电池组，则转为执行电池组维修程序(如图24-25所示)，否则将自电动公交车取下的电池组放回其对应的充电架层位，执行充电程序(如图21、22所示)。
如图27所示，与维修程序密切相关的维修平台500，具有与电池组装卸装置的搭桥臂对应的搭桥孔517和电池组锁紧装置514。
如图28所示，当电动公交车200在路上运行过程中，如果发生一小组电池故障则电动公交车的车载工控机将令车载通讯系统以无线脉冲将数字信号发回到控制中心，其信号中包括电池组某小组故障信息、现在电动公交车所在地理位置的GPS定位信息以无线脉冲方式发回故障信号，控制中心将对机械臂发出准备进入维修程序的指令(参见图24-25所示的维修及维修后程序390、391)；如果电动公交车车载电池组有两小组以上发生故障，则由控制中心指令调度与紧急救援系统600启动救援程序，如果电动公交车正常运营需更换电池组返回充电站，则控制中心预先命令电池组装卸装置300预先定位在充电站400的充电架401相应车号的相应序号的电池组前，当电动公交车200驶入充电站并自动定位在电池组装卸装置300前，电池组装卸装置300的机械臂将进行正常的更换电池作业程序(参见图26所示的正常更换电池组程序)，如果电池组有一小组损坏，则电动公交车事先以协议通讯的形式发送给控制中心，控制中心发出指令，此时卡式电池组装卸装置300执行维修程序，将充好电的电池从充电架401取出并插入电动公交车200并使其进行正常运营后将换下的故障电池自动送入设置在充电站端头的维修平台500(参见图27所示的维修平台500的结构)进行人工维护保养。在修理工对电池进行有效的维修保养后发出信号，由总线传入控制中心100，控制中心将命令装卸装置300的机械臂执行维修后程序(参见图25所示的维修后程序391)，将重新已维修好的卡式电池组204放回到充电架原来位置，进行充电(参见图21、22所示的充电架装卸电池组控制及电池组充电程序)。如果作为车载控制系统的工控机260发出两小组以上电池损坏的协议信息，则系统控制中心100将根据车载控制系统发回的GPS定位信息通过人工方式指令调度与紧急救援系统600派救援车601到现场救援。
电动公交车在运行中所需的驱动主电机用高压动力电源和各种灯光、喇叭等电器控制用低压电源的充电过程均由设在充电站400的高压充电机和低压充电机分别完成，在电动公交车运行中不进行任何高压和低压之间的电能转换，以提高电能利用率和效率，并提高供电系统可靠性。
如图29所示，电动公交车200车载工控机的系统控制程序272包括车速测量子程序273、数据处理子程序、电机转速显示子程序274、电池盒状态子程序275、电池容量显示子程序276及其电池组扫描切除子程序283、284。上述程序通过设在电动公交车传动轴和电机轴上的传感器，通过数据处理并进行数模转换，用较人性化的模拟量显示在驾驶台的仪表盘上，以方便驾驶员参考。车载控制系统的高压控制前端按程序272所设定的子程序对各小组电池组进行扫描，如果各电池小组正常工作则显示电池组当前容量；若某电池小组发生故障则执行272程序中的子程序283或284子程序，将有故障的电池小组单元通过高压控制器前端的继电器组合将其切除，并向驾驶员发出容量减少的指示276。若两小组以上电池单元发生故障，则指示驾驶员靠边停车等待调度与紧急救援系统600的指示。车载工控机此时通过无线数字脉冲发射装置向控制中心100发出通信协议(包括GPS定位信息)由调度与紧急救援系统600派出紧急救援换车601救援。
在电动公交车运行程序执行过程中，车载控制系统将对所述卡式电池组204中的每小组电池进行循环扫描，并依次记录其电压数据储存，经过数据处理后用直观方式显示在驾驶台仪表盘上的容量显示器上显示电池组现在容量，如果卡式电池组204内某小组电池电压连续6次扫描低于门限电压，则通过对应继电器的接合将该小组电池从其余电池组的串联电路中切除(参见图4)，并在电池组容量显示时将容量显示减半，以提醒驾驶员返场检修，如果出现两小组电池连续6次低于门限电压时，则执行强制停车程序284，此时电池容量显示为零，电动公交车只能做靠边移动不充许继续运行，同时通过协议通信以无线脉冲形式将停车地点GPS信息及故障形式等信息告知控制中心100及调度与紧急救援系统600，等待紧急救援车601到现场救助。
以上结合附图对本发明的电动公交系统，包括各组成部分的结构、功能以及协议通讯进行了清楚、详细的描述，本领域技术人员根据本发明说明书对本发明的电动公交系统和/或其组成部分所作的任何改变或变化都处于本发明的保护范围之内。