CN105000001B - 一种电动乘用车底盘电池更换系统及换电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动乘用车底盘电池更换系统及换电方法，系统包括换电平台和换电机器人装置，换电平台上沿X轴方向设置有换电区，换电区为中空结构，换电区两侧设置有传送机构，换电区端点处分别设有一车轮固定机构，车轮固定机构高度可调，将车轮进行X、Z轴方向的固定，每个车轮固定机构的内侧设置有一个旋转机构，旋转机构实现车辆沿X、Y轴方向上的移动，换电区的X轴方向上设有车辆检测装置，换电机器人装置设置于换电平台下端，为换电区的电动乘用车更换电池。实现X/Y/Z方向精确定位后，换电机器人在固定的位置，通过电池托盘升降运动，实现电池的快速、准确地拆卸和安装，为电动乘用车提供了一种安全、准确、快速的电池更换方法。

Description

一种电动乘用车底盘电池更换系统及换电方法

技术领域

本发明涉及一种电动乘用车底盘电池更换系统及换电方法。

背景技术

随着环境污染和能源危机的加剧，电动汽车作为一种节能、环保的新型交通工具，已成为传统汽车工业发展的方向。近年来，各国政府、企业投入大量资金，用于电动汽车研发和应用，电动汽车行业得到迅速发展。然而，由于电池密度和续航里程的技术瓶颈问题，严重阻碍了电动汽车技术的推广应用。

目前，电动汽车能源补给主要有整车充电和机械换电两种模式。充电模式包含慢充和快充两种方法。慢充时间较长，快速充电对电池使用寿命影响较大，两种方法都可能造成配网侧的谐波污染，给电网造成破坏性影响。因此，整车充电模式存在较大的弊端。与整车充电相比，机械换电操作简单，能够在5-10分钟内完成电动乘用车电池组的快速更换，实现了电能的迅速补给。同时，可在夜间对电池组进行集中充电，实现了电网负荷的“调峰储能”，提高了电力设备的综合利用效率，具有较高的推广应用价值。

中国国家知识产权局已公开的发明专利CN200910090807.8中，阐述了一种用于电动乘用车底盘电池更换的方法，属于机械换电方式的一种。其电动乘用车定位方式为：电动乘用车底部有四个刚性举升支点，举升执行机构将电动乘用车固定支撑至轮胎离地的适当高度。此电池更换方法未涉及电动乘用车两个自由度方向的精确定位，较大的定位误差会严重影响到机器人电池更换作业的成功效率；更换车辆是否到达举升点、保障措施并无描述。同时，对举升支点(汽车、梁框、架焊接骨架)的支撑部位选择要求较高，严重情况下可引起车辆发生侧倾危险。

中国国家知识产权局已公开的发明专利CN201110199159.7中，阐述了一种用于电动乘用车底盘电池更换的方法，属于机械换电方式的一种。其电动乘用车定位方式为：电动乘用车驶向换电高台，通过V型槽实现X轴方向的定位，通过橡胶挡块实现Y轴方向的定位。驾驶车辆驶上换电高台，存在掉入镂空换电操作洞内或单向滑落换电平台危险。同时，粗放的V型槽车体坠入和橡胶挡块推移定位方式都可造成车体部件的损坏。

中国国家知识产权局已公开的发明专利CN201210222438.5中，阐述了一种用于电动乘用车底盘电池更换的方法，属于机械换电方式的一种。其电动乘用车定位方式为：电动乘用车驶向换电高台，通过V型槽实现X轴方向的定位；换电机器人通过传感器确定电动乘用车X/Y位置信息，并进行相应姿态调整和电池更换。电动乘用车定位粗放，换电机器人需根据具体车体位置信息，进行多轴位置姿态调整，给换电过程造成困难，耗费了大量时间。

因此，现有的电池更换方式存在以下技术不足：

1.目前，电动乘用车电池更换方式多采用换电高台，车辆行驶上没有防护的换电高台，容易造成车体滑落危险；

2.电动乘用车定位不准确，导致换电机器人需结合车体位置信息，进行各自由度方向的调整，耗费大量时间，造成了电池更换过程的过于复杂；

3.车体定位简单粗放。四个刚性举升定位的方式，在未进行准确车体准确定位情况下，将车体升高到脱离地面位置，对举升支点承重要求较高，换电过程容易造成侧倾危险；V行槽配合橡胶挡块定位的方式，V型槽车体颠簸和橡胶挡块推移定位都可造成车体部件的损坏。

发明内容

本发明为了解决上述电池更换系统过程复杂，交互困难，限位困难，时间过长等问题，提出了一种电动乘用车底盘电池更换系统及换电方法，该方法能够解决现有电动乘用车底盘电池更换模式(机械换电)存在问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电动乘用车底盘电池更换系统，包括换电平台和换电机器人，其中，换电平台上沿X轴方向设置有换电区，换电区为中空结构，换电区两侧设置有传送机构，换电区端点处分别设有一车轮固定机构，车轮固定机构高度可调，将车轮进行X、Z轴方向的准确定位，每个车轮固定机构的内侧设置有一个旋转机构，旋转机构通过旋转滚轴可实现车辆沿X、Y轴方向上的移动，换电区的X轴方向上设有两个光电传感器，两个光电传感器分别设置于换电区的前、后端，换电机器人装置固定于换电平台下端，为换电区的电动乘用车更换电池。

所述传动机构分别位于换电平台两侧，分别与伺服驱动器链接，由伺服电机驱动。

所述旋转机构为一圆柱形结构，固定安装在换电平台上，旋转机构设有滑动滚轴，旋转机构与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动，可实现滚轴X轴及旋转90°后的Y轴运动。

所述旋转机构可进行升降运动及90°旋转运动，包括安装法兰，大、小齿轮设置于安装法兰上，大齿轮与圆柱形旋转机构同心，伺服电机上端安装小齿轮，大小齿轮机械啮合，旋转伺服电机通过驱动小齿轮，实现旋转机构90°旋转；

所述旋转机构下端布置有升降伺服电机、蜗轮、蜗杆以及连接装置，伺服电机带动蜗杆旋转，实现旋转机构升降运动。

所述车轮固定机构固定安装在换电平台上，位于旋转机构外侧，为三角柱体结构。

所述车轮固定机构与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动，车轮固定机构可上升到固定高度，实现车轮在X/Z轴两个方向的精确定位，可有效避免电池组在更换过程中的车体下坠及X轴方向移动。车轮固定机构可使电动乘用车车轮始终处于换电平台水平高度上。车轮固定机构升降运动机械结构与旋转机构类似，不再赘述。

所述换电平台安装有前后两个光电传感器，电动乘用车前端触发第一个光电传感器，车体进入换电区；当电动乘用车前端触发第二个光电开关，后端不再触发第一个光电传感器，车体完全处于换电区位置。传动机构停止运动，电动乘用车完成X轴方向粗定位。

所述换电机器人装置包括换电机器人和电池传送装置，所述电池传送装置设置于换电平台下端Y轴方向。

所述换电机器人固定于换电区下端，可进行Z轴方向垂直举升运动。通过电池托盘压力传感器信号的变化，配合实现电池的更换。

所述换电机器人，包括举升装置、电池托盘和检测模块，所述检测模块设有DMP传感器、压力传感器、光电传感器和超声传感器，DMP传感器、超声传感器位于换电机器人电池托盘一侧，压力传感器位于电池托盘上端，光电传感器位于换电机器人零点、极限位置处，举升装置实现电池托盘的升降。

所述DMP传感器与电动乘用车电池组底部的圆形反光板相交互，获取车体的X/Y轴方向的位置信息，计算并调整标识点与靶点的位置偏差。

所述超声传感器用于测量电池托盘与电动乘用车Z轴方向的高度，实现换电机器人电池托盘上升或下降到固定高度位置。

所述压力传感器通过电池托盘压力值变化，用于判断电动乘用车电池组是否解锁，将相关信息传导至上位机控制系统。

所述电池传送装置位于Y轴方向，分别与伺服驱动器链接，由交流伺服电机驱动。

所述换电平台和换电机器人装置均含有一套控制系统，控制系统包括一台主电控柜和操作台，主电控柜的内部安装有PLC控制模块、扩展模块、电源模块和供电系统，操作台安装有显示模块和操控按钮；所述的PLC控制模块与显示模块之间通过PROFIBUS-DP总线连接通讯；所述车辆检测装置及DMP、压力传感器、超声传感器与PLC控制模块连接。

所述换电平台和换电机器人的控制系统均与上位机通讯连接，传送相关车辆和电池信息，读取相关控制操作指令。

基于上述系统的电池更换方法，包括以下步骤：

1)电动乘用车驶入水平换电平台，车辆处于空挡滑行状态，后台上位机控制两套传送机构开始滚动，电动乘用车向前滑行；

2)电动乘用车前端触发第一个光电传感器，车体进入换电平台换电区，换电机器人的DMP传感器读取电动乘用车X/Y方向实时位置信息，获得电动乘用车X与Y轴方向与目标值的偏差；

3)后台上位机根据车体位置偏差，控制伺服电机转速，调整传送机构的转速，实现车体X轴方向的纠偏；

4)车体前端触发第二个光电传感器，车体后端不再触发第一个光电传感器，车体完全到达换电区，上位机控制传送机构停止运动；

5)车轮固定机构上升到设定位置，车体完成X和Z轴方向的精确定位，旋转机构下降后进行90°旋转，实现车体Y轴方向的纠偏；

6)车体完成X、Y和Z轴方向定位后，换电机器人电池托盘上升到固定高度，完成待充和充满电池的更换；

7)车轮固定机构下降到换电平台水平位置，电动乘用车驶出换电平台，电动乘用车电池更换系统装置回到零点位置，结束电动乘用车电池更换过程。

本发明的工作原理为：

换电装置采用上下两层结构，电动乘用车在整个换电过程中，始终处于换电平台水平面上；换电机器人位于平台负一层。当车体驶入换电区内，通过传送机构即可实现车体X轴方向的运动。传送机构由伺服电机驱动，通过传送机构速度变化，可实现乘用车X轴方向的纠偏及粗定位。车体到达固定位置，三角柱形车轮固定机构上升，一方面实现X/Z轴方向的准确定位，另一方面可防止车体因旋转机构位置下降导致车体Z位置变化。圆形旋转机构包含水平X轴方向的滑动滚轴，下降并旋转90°后，可实现车体Y轴方向的位置调整。通过光电开关、DMP传感器信号的传导，后台上位机可实时获取车体位置信息，并最终控制实现车体的准确X/Y/Z轴方向的定位。车体的精确定位后，换电机器人无需进行X/Y轴方向的位置调整。换电机器人固定在预定位置，只需要电池托盘Z轴方向的升降运动，即可实现电池的快速、准确地拆卸和安装。

本发明的有益效果为：

(1)换电平台定位机构简单、定位可靠准确，造价低廉；它由换电平台、两套传送机构、四套旋转机构、四套车轮固定机构及两个光电传感器组成；传动机构通过滚轴滚动速度变化，有效实现车体X轴方向纠偏以及X轴方向的粗定位；

(2)车轮固定机构通过升降到固定高度，使车体轮胎处于换电平台水平面上，一方面，可有效实现车体X/Z轴方向的精确定位，另一方面，可防止车体在电池更换过程中的位置变化；旋转机构通过滚轴转动，有效实现车体X轴方向运动及旋转90°后的Y轴方向纠偏；

(3)换电平台为一整体水平结构，车体驶入换电区，即可在传送机构牵引下到达固定位置，避免了换电高台引起的车体滑落危险；

(4)传感器采集车体和电池信息，传递给控制系统，后台上位机与控制系统进行信息通讯；后台上位机实时获取车体位置、电池状态等实时信息，发送控制信号，配合实现电动乘用车的准确定位。

(5)车体X/Y/Z轴方向准确定位，可实现换电机器人位置固定，只需进行简单的Z轴升降运动，即可实现“待充”和“充满”电池的更换；同时，换电机器人无需进行X/Y轴方向位移和位置调整，极大缩短了系统电池更换的时间，有效减少了车体与换电机器人的信息交互，整个电池更换系统更加简单、可靠，满足了电动乘用车快速、安全、准确的能源补给。

附图说明

图1为本发明实施例中电动乘用车未驶入换电平台示意图；

图2为本发明实施例中电动乘用车完成定位示意图；

图3为本发明实施例中电动乘用车完成定位局部示意图；

图4为本发明实施例中电动乘用车电池更换示意图；

图5为本发明实施例中DMP传感器靶点定位示意图。

图中：1、换电平台，2、传送机构，3、旋转机构，4、车轮固定机构，5、光电传感器，6、电动乘用车，7、电池传送装置，8、换电机器人，9、电池组。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种电动乘用车6底盘电池更换系统，包括换电平台1和换电机器人8，其中，换电平台1上沿X轴方向设置有换电区，换电区为中空结构，换电区两侧设置有传送机构2，换电区端点处分别设有一车轮固定机构4，车轮固定机构4高度可调，将车轮进行X、Z轴方向的准确定位，每个车轮固定机构4的内侧设置有一个旋转机构3，旋转机构3通过旋转滚轴可实现车辆沿X、Y轴方向上的移动，换电区的X轴方向上设有两个光电传感器5，换电机器人8装置固定于换电平台1下端，为换电区的电动乘用车6更换电池。

所述换电平台1包括两套传动机构2、四套旋转机构3、四套车轮固定机构4、两个光电传感器5。

所述传动机构分别位于换电平台1两侧，分别与伺服驱动器链接，由伺服电机驱动。

所述旋转机构3为一圆柱形结构，固定安装在换电平台1上，旋转机构3设有滑动滚轴，旋转机构3与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动，可实现滚轴X轴及旋转90°后的Y轴运动。

所述旋转机构3进行实现升降运动及90°旋转运动。旋转机构3包括安装法兰，大小齿轮位于安装法兰上，大齿轮与圆柱形旋转机构3同心，旋转伺服电机上端安装小齿轮，大小齿轮机械啮合，伺服电机通过驱动小齿轮，实现旋转机构3的90°旋转。下端布置有升降伺服电机、蜗轮、蜗杆以及连接装置，伺服电机带动蜗杆旋转，实现旋转机构3升降运动。

所述车轮固定机构4固定安装在换电平台1上，位于旋转机构3外侧，为三角柱体结构。

如图3所示，所述车轮固定机构4与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动。车轮固定机构4可上升到固定高度，实现车轮在X/Z轴两个方向的精确定位，可有效避免电池组9在更换过程中的车体下坠及X轴方向移动。车轮固定机构4可使电动乘用车6车轮始终处于换电平台1水平高度上。车轮固定机构4升降运动机械结构与旋转机构3类似，不再赘述。

如图4所示，所述换电平台1安装有前后两个光电传感器5，电动乘用车6前端触发第一个光电传感器，车体进入换电区；当电动乘用车6前端触发第二个光电开关，后端不再触发第一个光电传感器，车体完全处于换电区位置。传动机构停止运动，电动乘用车6完成X轴方向粗定位。所述换电机器人装置包括换电机器人8和电池传送装置7，所述电池传送装置7设置于换电平台1下端Y轴方向。

所述换电机器人8固定于换电区下端，可进行Z轴方向垂直举升运动。通过电池托盘压力传感器信号的变化，配合实现电池的更换。

所述换电机器人8，包括举升装置、电池托盘和检测模块，所述检测模块设有DMP传感器、压力传感器、光电传感器和超声传感器，DMP传感器、超声传感器位于换电机器人电池托盘一侧，压力传感器位于电池托盘上端，光电传感器位于换电机器人8零点、极限位置处，举升装置实现电池托盘的升降。

如图5所示，所述DMP传感器与电动乘用车6电池组9底部的圆形反光板相交互，获取车体的X/Y轴方向的位置信息，计算并调整标识点与靶点的位置偏差。

所述超声传感器用于测量电池托盘与电动乘用车6Z轴方向的高度，实现换电机器人8电池托盘上升或下降到固定高度位置。

所述压力传感器通过电池托盘压力值变化，用于判断电动乘用车6电池组9是否解锁，将相关信息传导至上位机控制系统。

所述电池传送装置7位于Y轴方向，分别与伺服驱动器链接，由交流伺服电机驱动。

所述换电平台1和换电机器人装置均含有一套控制系统，控制系统包括一台主电控柜和操作台，主电控柜的内部安装有PLC控制模块、扩展模块、电源模块和供电系统，操作台安装有显示模块和操控按钮；所述的PLC控制模块与显示模块之间通过PROFIBUS-DP总线连接通讯；所述车辆检测装置及DMP、压力传感器、超声传感器与PLC控制模块连接。

所述换电平台1和换电机器人8的控制系统均与上位机通讯连接，传送相关车辆和电池信息，读取相关控制操作指令。

基于上述系统的电池更换方法，包括以下步骤：

1)电动乘用车6驶入水平换电平台1，车辆处于空挡滑行状态，后台上位机控制两套传送机构2开始滚动，电动乘用车6向前滑行；

2)电动乘用车6前端触发第一个光电传感器，车体进入换电平台1换电区，换电机器人8的DMP传感器读取电动乘用车6X/Y方向实时位置信息，获得电动乘用车6X与Y轴方向与目标值的偏差；

3)后台上位机根据车体位置偏差，控制伺服电机转速，调整传送机构2的转速，实现车体X轴方向的纠偏；

4)车体前端触发第二个光电传感器，车体后端不再触发第一个光电传感器，车体完全到达换电区，上位机控制传送机构2停止运动；

5)车轮固定机构4上升到设定位置，车体完成X和Z轴方向的精确定位，旋转机构3下降后进行90°旋转，实现车体Y轴方向的纠偏；

6)车体完成X、Y和Z轴方向定位后，换电机器人8电池托盘上升到固定高度，完成待充和充满电池的更换；

7)车轮固定机构4下降到换电平台1水平位置，电动乘用车6驶出换电平台1，电动乘用车6电池更换系统装置回到零点位置，结束电动乘用车6电池更换过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：包括换电平台和换电机器人，其中，换电平台上沿X轴方向设置有换电区，换电区为中空结构，换电区两侧设置有传送机构，换电区端点处分别设有一车轮固定机构，车轮固定机构高度可调，将车轮进行X、Z轴方向的准确定位，每个车轮固定机构的内侧设置有一个旋转机构，旋转机构通过旋转滚轴可实现车辆沿X、Y轴方向上的移动，换电区的X轴方向上设有两个光电传感器，两个光电传感器分别设置于换电区的前、后端，换电机器人装置固定于换电平台下端，为换电区的电动乘用车更换电池；

所述旋转机构为一圆柱形结构，固定安装在换电平台上，旋转机构设有滑动滚轴，旋转机构与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动，可实现滚轴X轴及旋转90°后的Y轴运动；

所述旋转机构进行实现升降运动及90°旋转运动，包括安装法兰，大、小齿轮设置于安装法兰上，大齿轮与圆柱形旋转机构同心，旋转伺服电机上端安装小齿轮，大小齿轮机械啮合，伺服电机通过驱动小齿轮，实现旋转机构90°旋转；

所述旋转机构下端布置有升降伺服电机、蜗轮、蜗杆以及连接装置，伺服电机带动蜗杆旋转，实现旋转机构升降运动。

2.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述车轮固定机构固定安装在换电平台上，位于旋转机构外侧，为三角柱体结构。

3.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述车轮固定机构与伺服驱动器连接，由伺服电机驱动，车轮固定机构可上升到固定高度，实现车轮在X/Z轴两个方向的精确定位，避免电池组在更换过程中的车体下坠及X轴方向移动。

4.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述换电平台安装有前后两个光电传感器，电动乘用车前端触发第一个光电传感器，车体进入换电区；当电动乘用车前端触发第二个光电开关，后端不再触发第一个光电传感器，车体完全处于换电区位置。

5.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述换电机器人装置包括换电机器人和电池传送装置，所述电池传送装置设置于换电平台下端Y轴方向。

6.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述换电机器人固定于换电区下端，可进行Z轴方向垂直举升运动，通过电池托盘压力传感器信号的变化，配合实现电池的更换。

7.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述换电机器人，包括举升装置、电池托盘和检测模块，所述检测模块设有DMP传感器、压力传感器、光电传感器和超声传感器，DMP传感器、超声传感器位于换电机器人电池托盘一侧，压力传感器位于电池托盘上端，光电传感器位于换电机器人零点、极限位置处，举升装置实现电池托盘的升降；

所述DMP传感器与电动乘用车电池组底部的圆形反光板相交互，获取车体的X/Y轴方向的位置信息，计算并调整标识点与靶点的位置偏差；

所述超声传感器用于测量电池托盘与电动乘用车Z轴方向的高度，实现换电机器人电池托盘上升或下降到固定高度位置；

所述压力传感器通过电池托盘压力值变化，用于判断电动乘用车电池组是否解锁，将相关信息传导至上位机控制系统。

8.如权利要求1所述的一种电动乘用车底盘电池更换系统，其特征是：所述换电平台和换电机器人装置均含有一套控制系统，控制系统包括一台主电控柜和操作台，主电控柜的内部安装有PLC控制模块、扩展模块、电源模块和供电系统，操作台安装有显示模块和操控按钮；所述的PLC控制模块与显示模块之间通过PROFIBUS-DP总线连接通讯；所述光电传感器及DMP传感器、压力传感器、超声传感器与PLC控制模块连接；

所述换电平台和换电机器人的控制系统均与上位机通讯连接，传送相关车辆和电池信息，读取相关控制操作指令。

9.基于权利要求1-8中任一项所述的系统的电池更换方法，其特征是：包括以下步骤：

1)电动乘用车驶入水平换电平台，车辆处于空挡滑行状态，后台上位机控制两套传送机构开始滚动，电动乘用车向前滑行；

2)电动乘用车前端触发第一个光电传感器，车体进入换电平台换电区，换电机器人DMP读取电动汽车实时位置，获得车体X/Y轴方向与目标值的偏差；

3)后台上位机根据车体位置偏差，控制伺服电机转速，调整两套传送机构实时速度，实现车体X轴方向的纠偏；

4)车体前端触发第二个光电传感器，车体后端不再触发第一个光电传感器，车体完全到达换电区，上位机控制传送机构停止运动；

5)车轮固定机构上升到预期位置，车体完成X/Z轴方向的精确定位，旋转机构下降后进行90°旋转，旋转机构上升后滚轴转动，实现车体Y轴方向的纠偏；

6)车体完成X/Y/Z轴方向定位后，换电机器人电池托盘上升到固定高度，完成“待充”和“充满”电池的更换；

7)车轮固定机构下降，电动乘用车驶出换电平台，电动乘用车电池更换系统装置回到零点位置，本次电动乘用车电池更换过程结束。