本发明涉及智能交通技术领域，更为具体地，涉及一种带有充电车道的高速公路车辆引导系统及引导方法。
背景技术：
2015年，国家工业和信息化部正式发布《<中国制造2025>重点领域技术路线图(2015年版)》，明确了新材料产业等10大领域以及23个重点发展方向，其中明确提出纯电动和插电式混合动力汽车、燃料电池汽车、节能汽车、智能网联汽车是国内未来重点发展的方向。在我国的新能源汽车中，电动汽车已经是未来汽车发展的趋势方向。随着电池技术的发展，电动汽车续航能力得到了提高，然而方便、高效的充电技术一直是限制电动汽车发展的瓶颈。现有的充电技术大致可分为固定电站充电与不停车充电两大类。其中，不停车充电通过在道路上铺设感应充电线圈，当汽车通过时通过无线感应为车内电池充电，这种充电方式克服了固定电站充电方式存在成本高昂、耗时长，需求数量巨大，使用不方便的缺陷，尤其是在高速公路中，缓解了电动汽车充电站的拥挤状况。然而，如果在所有地面铺设感应充电线圈，一方面对于非充电电动车容易造成干扰，另一方面存在能源浪费及计费困难等缺陷。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种带有充电车道的高速公路车辆引导系统及引导方法，以解决现有的不停车充电方式在全部车道铺设感应充电线圈对非充电电动车造成干扰，以及浪费能源的问题。
本发明提供的带有充电车道的高速公路车辆引导系统，包括：普通车道、充电车道、智能驾驶车载设备、路侧单元、通信网络设备、车内充电子系统、道路充电子系统和用户卡；其中，普通车道用于供无需充电的电动车行驶；充电车道用于供需要充电的电动车行驶；智能驾驶车载设备包括车载传感器和车载单元，车载传感器包括车内电流传感器和车外环境感知传感器，车内电流传感器用于实时感知电动车的电量信息传送至车载单元，车外环境感知传感器用于感应车外的环境信息传送至车载单元；车载单元用于根据电量信息和环境信息判断电动车是否需要充电，以及，在判断出电动车需要充电时，通过通讯网络设备向路侧单元发出充电请求；路侧单元用于根据充电请求采集预定范围内其他车道上电动车的行驶信息、电量信息并分析出换道引导信息发送至需要充电的电动车的车载单元，需要充电的电动车的车载单元根据换道引导信息调节自身车辆速度从普通车道切换至充电车道；道路充电子系统包括均匀布置在充电车道上的充电单元；车内充电子系统包括射频发射器和无线充电接收器，射频发射器用于向道路充电子系统发射激活信号，激活充电单元；无线充电接收器包括处理器、无线电力接收线圈和交流-直流转换器；其中，处理器用于对激活信号进行验证；无线电力接收线圈设置于电动车的车底，并通过交流-直流转换器与电动车的电池连接；交流-直流转换器用于将交流电转换为直流电；无线电力接收线圈用于耦合充电单元，对电动车的电池进行无线充电；用户卡用于与车内充电子系统相连接，射频发射器根据已充电电量信息计算相应的金额，并从用户卡内扣除。
本发明提供的带有充电车道的高速公路车辆引导方法，包括：
步骤s1：通过车载传感器收集电动车的电量信息、车外环境信息；
步骤s2：车载单元根据车载传感器采集的电量信息、车外环境信息计算所述电动车的续航里程，并判断续航里程是否能到达目的地；
步骤s3：在续航里程未能到达目的地时，车载单元判断电动车的电池是否低于预设电量；
步骤s4：在电动车的电池低于预设电量时，车载单元通过通信网络设备向路侧单元发出充电请求；
步骤s5：路侧单元根据充电请求采集预定范围内其他车道上电动车的行驶信息、电量信息并分析出换道引导信息发送至需要充电的电动车的车载单元；
步骤s6：需要充电的电动车的车载单元根据接收到的换道引导信息调节自身车辆速度从普通车道切换至充电车道；
步骤s7：在电动车进入充电车道后，通过射频发射器向道路充电子系统发射激活信号，激活充电单元；
步骤s8：处理器对激活信号进行解调和解密，并验证激活信号；
步骤s9：在激活信号通过验证时，无线充电接收器开启交流-直流转换器，无线电力接收线圈耦合充电单元，对电动车的电池进行无线充电。
利用上述本发明的带有充电车道的高速公路车辆引导系统及引导方法，能够取得以下技术效果：
1、相比于固定电站充电方式，无线充电形式满足电动车辆实时的充电需求，减少车辆充电排队时间，提高的车辆运行效率，另一方面，在普通车道的一侧单独建立一条专用的充电车道，在充电车道上铺设充电单元，供需要充电的电动车进行充电，既可以节省充电道路的建设及维修费用，也可以避免充电车辆对非充电车辆的干扰，避免能源的浪费；
2、本发明基于车联网技术，实时监测车辆的电量情况，交通管控中心依据车辆的电量情况管理车辆在不同车道上的分布，实时满足电动车辆的充电需求，且提高道路网通行效率。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的带有充电车道的高速公路车辆引导系统的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的带有充电车道的高速公路车辆引导系统的安装位置示意图；
图3为根据本发明实施例的带有充电车道的高速公路车辆引导系统的实际情景示意图；
图4为根据本发明实施例的带有充电车道的高速公路车辆引导方法的流程示意图；
图5为根据本发明实施例的车辆换道引导方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：普通车道lane1～lane2、充电车道lane3、智能驾驶车载设备1、车载检测器11、车载单元12、路侧单元2、通讯网络设备3、车内充电子系统4、射频发射器41、无线充电接收器42、道路充电子系统5、充电单元5-1～5-5、用户卡6、电动车v1～v3。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
本发明中车辆指的是电动车，下述描述的车辆与电动车相当于同一个概念。
本发明提供一种带有充电车道的高速公路车辆引导系统，该系统将高速公路最右侧的慢车道(非应急车道)设置为充电车道，以电动车的充电需求为依据，通过v2v、v2i、i2v信息交互，引导车辆在充电车道上驶入与驶出，从而在提高车辆充电效率的同时节约能源，并有助于提高道路交通的通行效率，减少充电车辆对其他车辆的干扰。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的带有充电车道的高速公路车辆引导系统包括：普通车道、充电车道、智能驾驶车载设备1、路侧单元2、通信网络设备3、车内充电子系统4、道路充电子系统5和用户卡6；其中，普通车道为至少一条，以现有的高速公路为基础，本发明将超车道和行车道作为普通车道使用，无需充电的电动车行驶在普通车道上；充电车道为一条，本发明将高速公路的慢车道作为充电车道使用，当电动车需要充电时从普通车道切换入充电车道在继续行驶的过程中进行充电，充电完成后再重新回到普通车道。
智能驾驶车载设备1包括车载传感器11和车载单元12，车载传感器11包括车内电流传感器和车外环境感知传感器，车内电流传感器用于实时感知电动车的电量信息传送至车载单元12，从而向驾驶员提供关于车的状况信息；车外环境感知传感器用于感应车外的环境信息传送至车载单元12，目前，主流的用于感知车外周围环境的传感器包括激光雷达(lidar)、毫米波雷达(millimeterwave)、视觉传感器三种；车载单元12用于根据电量信息和环境信息判断电动车是否需要充电，以及，在判断出电动车需要充电时，通过通讯网络设备3向路侧单元2发出充电请求；车载单元12为obu(onboardunit)或obd(onboarddiagnostic)诊断终端，车载传感器11将车内信息与车外信息输入给车载单元12，车载单元12经过分析后，对处于低电量状态的电动车及时做出充电的决策，并通过通讯网络设备3向路测单元2发出充电的请求。
路侧单元2基于无线射频识别技术，同时通过短程通信网络读取一定范围内不同车道上其他车辆的行驶信息、电量信息等，通过交通状态分析后，路侧单元2将车辆引导信息，例如加速、减速、换道等信息发送至车载单元12，车载单元12辅助驾驶员完成换道等行为操作。
路侧单元(roadsideunit)2是一种高速公路基础设施，一般安装在道路的两侧，采用dsrc(dedicatedshortrangecommunication)技术，与车载单元12进行通讯。路侧单元2能够高效收集道路交通信息并将收集的信息进行集中处理和反馈。路侧单元2的设计，遵循国家标准为gb20851，通讯频率为5.8ghz。路侧单元2是由高增益定向束控读写天线和射频控制器组成，高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。
通信网络设备3用于实现车联网，其主要依赖两方面的通信技术：短距离视频通信dsrc(dedicatedshortrangecommunication)和远距离移动通信技术，前者主要是rfid传感设备及类似wifi等2.4g通信技术，后者主要是gprs、3g、lte、4g等移动通信技术。
道路充电子系统5包括均匀布置在充电车道上的充电单元，充电单元覆盖整条充电车道，图2中示出了5个充电单元，分别为充电单元5-1～5-5。
车内充电子系统4包括射频发射器41和无线充电接收器42，射频发射器41用于向道路充电子系统5发射激活信号，激活充电单元；射频发射器41由车载单元12控制开启或关闭；无线充电接收器42包括处理器、无线电力接收线圈和交流-直流转换器；其中，处理器用于对射频发射器41发出的激活信号进行解调和解密后验证激活信号；无线电力接收线圈设置于电动车的车底，并通过交流-直流转换器与电动车的电池连接；交流-直流转换器用于将交流电转换为直流电；无线电力接收线圈用于耦合充电单元，对电动车的电池进行无线充电。
需要说明的是，充电单元与车内无线充电接收器42通过无线电力接收线圈进行无线充电，充电单元的初始状态为休眠状态，并由电动车的车内充电子系统中的射频发射器41来激活。当电动车底部的无线充电接收器42行驶至充电单元，例如充电单元5-2上方时，该充电单元5-2被激活发射无线能量，充电单元5-2发出的无线能量被无线充电接收器42接收后转化为电能对电动车的电池进行充电。
用户卡6用于与车内充电子系统4相连接，在射频发射器根据已充电电量信息计算相应的金额后，从用户卡内扣除。当用户卡6内的余额不足或车主关闭无线充电功能后，车载单元12关闭射频发射器41并根据充电的多少来计算费用。
本发明中以长途物流运输货车为主。其中在新一代大众delivery的产品序列中，包括了一款纯电动的e-delivery版本。该车将主要针对南美的新能源物流车市场。在一次充电之后，大众e-delivery的续航里程为200公里，本发明以此为样本进行设计，至于一次充电时间将由电池的类型，电池的容量来决定。一般的电动汽车快充需要30分钟可充50％，1～1.5个小时就充满了，慢充需要6～12个小时左右，每个品牌与每个型号的电动汽车充电的时间都不尽相同，无线充电一般持续时间较固定充电设施需要花费更多的充电时间，因此，在本发明中假设充电时间需要6～12个小时。
上述内容详细说明了本发明提供的带有充电车道的高速公路车辆引导系统的逻辑结构，与车辆引导系统相对应，本发明还提供一种带有充电车道的高速公路车辆引导方法。
如图3和图4所示，假设所有车辆依据其电量按照规则行驶，即高电量车辆为续航里程为100公里以上，且要求行驶于普通车道lane1，中电量车为续航里程为10～100公里，要求行驶于普通车道lane2，当电量续航里程低于10公里时，为低电量车，需要从普通车道lane2切换至充电车道lane3充电。
本发明提供的带有充电车道的高速公路车辆引导方法，包括：
step1:车载传感器11收集车辆的电量信息、车外环境信息。
step2：车载单元12将根据车载传感器11采集的信息计算车辆的续航里程。
此外车辆的位置、速度等信息也将通过通信网络设备3传递给路侧单元2。
step3：车载单元12铺助车辆做出是否需要充电及何时充电的决策。
车载单元12判断车辆电池的续航里程能否满足车辆到达目的地？满足，转至step4；不满足，转至step5。
step4：车辆保持原有车道(lane1/lane2)不变。
step5：车载单元12判断车辆是否处于低电量？若否，转至step11；若是，转至step6。
step6：车载单元12向路侧单元2发送换道至充电车道lane3的请求，路侧单元2接收信号，基于采集得到的车辆周边其他车辆的位置、速度等信息，提出车辆速度控制方案，并将方案传递给车载单元，车载单元接收信号，调节自身车辆速度，辅助车辆进行换道至充电车道lane3，转入step7。
step7：电动车通过射频发射器41发出激活信号，无线电力接收线圈接收到激活信号后通过处理器进行解调和解密后进行验证，验证通过后车内无线充电接收器42开启交流-直流转换器，将存储的电能转换为直流电，为电动车的电池进行充电。
step8：车载单元12判断车辆的充电量是否满足行驶至目的地的需求？若是，转入step9，若否，转入step7。
step9：车载单元12关闭射频发射器41，同时用户卡通过射频发射器41中的账户信息扣除相应费用。
step10：车载单元12向路侧单元2发送信号，换道至普通车道lane1/lane2。
step11：判断车辆是否已经处于中电量？若是，转入step12；若否，转入step15。
step12：路侧单元2根据车载单元12发送的位置信息判断车辆是否处于lane1车道？若是，转至step13；若否，转至step14。
step13：路侧单元2向车载单元12发送引导信号，提示车辆换道至车道lane2。
step14：车辆保持原有车道lane2行驶。
step15：车辆保持原有车道lane1/lane2行驶。
如图3和图5所示，车载单元12向路侧单元2发送换道请求，路侧单元2基于采集得到的车辆在车道中的位置信息、车速等信息，引导车辆在不同车道的换道行为，其详细操作流程如下。
step1：车载单元12向路侧单元2发送换道信号，路侧单元2接收车辆换道的请求。
step2：判断车辆的续航里程是否接近于xmin？若是，转入step3，若否，转入step9。
车辆需要停车等待汇入车道lane3进行充电的状况，通常出现在车辆的续航里程处于极限状态的情况下。此时车辆只能从初始速度v0采用最短的时间减速至0，即最大减速度dmax减速后停车等待可插车间隙的出现。当可插车间隙出现时，从速度0采用最短的时间加速至目标车道车速vml，即最大加速度amax，在此过程中所持续的距离可视为车辆的极限续航里程xmin，即：
即当电动车的续航里程接近于xmin，且仍没有找到可插车间隙时，车辆可采取停车等待的方式，从而保证电动车的正常行驶。
step3：车辆继续行驶，等待目标车队出现可插车间隙。
step4：路侧单元2基于道路环境信息判断该车辆的目标车道是否存在可插车间隔？若存在，转至step5，若不存在转至step1。
step5：车载单元12根据目标车道中待汇入车队的位置及相对车速，计算车辆汇入目标车队时所需的加/减速度及汇入目标车对所需的时间。
具体地，参见图3，位于车道lane1的车辆v3向路侧单元发送信号，要换道至lane2，路侧单元2检测lane2车道上的车队队尾车辆v1与车队队首车辆v2之间的间隔，假设车辆v3的初始速度为v0，而目标车道的车辆v1车速为vml，为了与目标车队形成新的车队，车辆首先需加速至vml；车辆汇入后，需要与前车(或后车)保持一定的间隔为xconst；车辆当前位置与汇入车队的队首(或队尾)车辆的间隔为xmerge。若车辆从v0加速至vml，采用较为舒适的加速度αdesired行驶，所需的距离：xaccdesired＝xmerge-xconst，则车辆所需满足期望加/减速距离为：
且所需要的加/减速时间taccdesired为：
则车辆采用初始速度v0行驶的时间为：
其中，
step6：车载单元12将根据车辆自身的初始速度、初始位置、车辆的加/减速能力与控制方案进行对比，判断车辆是否满足控制方案的要求？满足，转入step7，不满足，转入step1。
step7：车载单元12将根据控制策略，引导车辆调节其自身的加/减速及引导车辆加/减速开始的时刻。
step8：车载单元12辅助车辆换道至目标车道。
step9：车辆停车等待。
step10：车载单元12向路侧单元3发送汇入目标车道的请求，路侧单元3向目标车道车队发出信号，将一个车队划分为两个车队。
具体地，调节某一车队中的某一跟随车辆与前车的车距，使其成为另一个车队的首车(leadingvehicle)。调节两个车队之间的间距，使两个车队之间形成一个可插车间隔，转至step7、8。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。