2022电动汽车换电机器人

电动汽车换电机器人目录TOC\o"1-2"\h\u266871电动汽车换电机器人概述 3310141.1国外研究现状 4190021.2国内研究现状 5175532电动汽车换电机器人整体设计 7250912.1电动乘用车换电机器人整体设计 794052.2电动公交车换电机器人整体设计 1125743电动汽车换电机器人关键技术 1355153.1电池箱锁止机构 13135573.2自主定位技术 16298263.3自动控制技术 19292314电动汽车换电机器人现场应用 21电动汽车换电机器人概述电动汽车作为一种新型交通工具，具有“零排放”、能量来源广等优点，是缓解我国石油资源紧张、城市大气污染严重问题的重要手段，是推进交通发展模式转变，推进节能减排工作的有效载体。能源供给是电动汽车产业链中的重要环节，能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。目前电动汽车难以推广的关键问题是电池容量有限与充电时间过长，电池制造技术、充电技术达不到日常使用的要求。电动汽车充换电设施主要有交流充电桩、直流充电站和电池更换站三种，提供服务的目标对象主要有电动公交车、电动乘用车和电动工程车、电动环卫车等特种车辆。电能补充方式主要有常规充电、快速充电和电池更换三种模式。续驶里程不能满足日常行驶需要的车辆，具有换电过程自动化程度高、换电时间短等优展相应研究，对促进电动汽车产业的发展将产生积极意义。种作业车辆，例如从2009车、清洁车等。图7－1列出了换电机器人服务的几类车型。图7－1各种电动汽车（a）申沃纯电动城市客车；（b）安凯纯电动城市客车；（c）日产leaf纯电动乘用车；（d）北汽301EV纯电动乘用车；（e）环卫车；（f）电网抢修车辆国外研究现状国外主要针对电动乘用车动力电池的更换开展了相关研究。成立于2007年的美国BetterPlace（BP）公司研发的电动汽车换电机器人，代表了国外电动乘用车换电机器人的发展方向。BP公司在日本东京建设的电动汽车换电站外景及换电系统如图7－2所示。图7－2电动汽车换电站（a）换电站外景；（b）换电系统BP换电机器人将乏电池运送至轨道的指定位置，由搬运机器人运往电池架指定空位进行充电，以备下次电池更换时使用。国内研究现状电动公交车换电机器人从机器人完成换电过程的实现方式来说，可以将电动公交车换电解决方案分为旋转换电和平移换电，旋转换电通过机器人自身（整体或部分）旋转完成换电过程，平移换电方式中采用基于直角坐标的机器人技术，机器人自身不进行旋转即可完成换电操作。上海电巴新能源科技有限公司研发的换电机器人如图7－3（a）所示，其机器人采用整体旋转的方式，为公交车完成电池更换操作。许继集团研发的换电机器人如图7－3（b）和图7－3（c）所示。图7－3（b）所示换电机器人采用工业机械臂形式，机械臂的末端配置有电池承载框，通过机械臂和承载框的多个自由度，完成电池在空间内的转移和车辆的换电。图7－3（c）所示的换电机器人通过电池托盘的旋转完成换电作业，旋转机构内置，不涉及外部空间，提升了系统的安全性。图7－3电动公交车换电机器人（a）机器人整体旋转换电；（b）多轴机器人旋转换电；（c）机器人托盘旋转换电；（d）机器人平移换电；（e）机器人平移换电山东电力科学研究院研发的平移式换电机器人如图7－3（d）所示，具有6个方向的自由度，其中角度微调（R轴）、俯仰纠偏（T轴）两个自由度可通过自动调整以适应车体姿态及电池外箱位置，克服了机器人对车体停靠位置的依赖，解决了电池外箱必须与地面保持水平的问题，实现了电池架的全密封，确保了充电环境的温度可控性，对于延长动力电池的循环使用寿命作用显著。山东鲁能智能技术有限公司研发的电池箱单程更换机器人如图7－3（e）所示，它包括框架机构、行走机构、升降传动机构和配重机构。框架机构安装在行走机构上，在框架机构的一侧为暂存架，另一侧为控制柜；框架机构的顶部安装升降传动机构，升降传动机构与升降机构连接，同时升降传动机构还与配重机构连接。该结构有效地减小了换电机器人的体积，节省了用地，同时采用改变了现有换电机器人中换电装置的安装方式，变力悬挂式安装，易于与电动公交车相配合。电动乘用车换电机器人中山大学研发的后备箱换电机器人如图7－4（a）所示。机器人通过多轴旋转机械臂及安装在末端的电池承载框，一次完成后备箱4块动力电池的更换。图7－4电动乘用车换电机器人（a）后备箱换电机器人；（b）侧面换电机器人；（c）底盘电池换电机器人杭州市电力局研发的侧面电池换电系统如图7－4（b）所示。机器人分布在电动汽车的两侧，通过安装于机械臂末端的真空吸盘完成车辆底盘电池的更换。与动力电池位于后备箱不同，动力电池位于车辆底部，不仅有效节省了车内储物空间，还使配重达到平衡。山东电力研究院与山东鲁能智能技术有限公司研发的底盘电池换电机器人如图7－4（c）所示，该机器人通过换电平台可实现换电车辆的自动定位，通过快换机器人可实现电池的快速、准确地拆卸和安装，从而为电动乘用车充换电站提供了一种方便、快捷、经济的电池更换方式、弥补了整车充电时间过长的不足，大大提高了电动汽车的行驶里程，为电动汽车长时间续航出行提供了可能。电动汽车换电机器人整体设计电动乘用车换电机器人整体设计电动乘用车换电机器人在更换动力电池的过程中，需满足承载能力强、定位精度高、运行平稳高效等要求。换电机器人本体由水平移动机构、液压升降机构和托盘旋转机构三部分组成，具有X轴水平移动、Z轴上下升降和R轴水平旋转三个方向的自由度。换电机器人三维图如图7－5所示。图7－5电动乘用车换电机器人三维图水平移动机构水平移动机构采用“地轨＋滚轮”的设计方案，由支撑平台和四个滚轮（一主动三从动）组成。工作平台底部安装有轴承座，轴承与轴配合实现轴向定位，轴两端安装滚轮。采用交流伺服电动机作为水平移动机构的动力源，伺服电动机通过支撑板固定于支撑平台上，其输出轴端安装同步带轮，通过与同步带啮合传递驱动力矩，驱动主动滚轮运动。主动滚轮通过万向联轴器传递动力，带动从动滚轮运动，从而实现机器人本体的水平运动。图7－6为美国BetterPlace和山东电力研究院研制的两种轨道式行走机构的电动乘用车换电机器人。图7－6轨道式行走机构的电动乘用车换电机器人液压升降机构行业获得了广泛应用。两级伸缩油缸如图7－7所示。图7－7两级伸缩油缸托盘旋转机构有效地实现了换电机器人系统要求的定位精度和可靠性。电动机轴与电池托盘支撑轴平池托盘的旋转运动。电动乘用车换电机器人旋转机构如图7－8所示。图7－8电动乘用车换电机器人旋转机构结构图一般电动乘用车换电机器人的换电流程如下：车辆定位。车辆驶上换电平台，配合车辆导引装置和V确定位。器人沿x轴（导轨方向）运动。机器人等待取乏电池。换电机器人沿x盘沿z轴（油缸伸出方向）上升。利用超声传感器的输入信号，机器人完成z位；利用视觉传感器的输入信号，机器人完成x轴和r轴（托盘旋转方向）锁止机构解锁。机器人沿z控制板，锁止机构自动解锁。机器人取乏电池并移至周转台。换电机器人将乏电池取下，沿x出，并将乏电池放至周转台顶层。堆垛机送满电池。换电机器人沿z换电机器人电池托盘上。盘下方，为电池汽车换上满电池。板，锁止机构自动闭锁。器人返回原位。电动乘用车底盘电池更换系统的换电流程图如图7－9所示。图7－9电动乘用车底盘电池更换系统的换电流程图图7－10为山东电力研究院研发的一种电动乘用车换电机器人系统。图7－11为电动乘用车底盘电池更换过程。换电机器人水平移动轨道与换电平台在平面内成90°垂直布置，车辆驶入换电平台后停止，机器人移动至车辆底盘下方，电池托盘举升电池［如图7－11（a）所示］；机器人读入超声和视觉传感器信号，进行托盘姿态调整［如图7－11（b）所示］；机器人将乏电池取出［如图7－11（c）所示］，为电动汽车更换满电池［如图7－11（d）所示］，成换电操作，换电效率高，换电过程运行平稳，性能可靠。图7－10电动乘用车换电机器人系统图7－11电动乘用车底盘电池更换过程（a）电池托盘举升电池到位；（b）定位传感器进行定位；（c）定位完毕安装电池；（d）二级定位销定位完成电动公交车换电机器人整体设计按照系统的功能要求，电动公交车换电机器人系统的总体设计包括换电机器人、堆垛机、电池箱及其锁止机构、充电架、周转台等，系统组成示意图如图7－12所示。图7－12电动公交车电池更换系统组成示意图电动公交车换电机器人本体由水平移动机构、升降机构、旋转机构、倾斜机构和推拉机构五部分组成，能够完成电动公交车电池箱在暂存架和车辆间的六自由度存取（平移、升降、旋转、倾斜、装／卸载），实现电池箱精确定位、解锁式装卸的全过程自动化。电动公交车换电机器人机构组成示意图如图7－13所示。图7－13电动公交车换电机器人机构组成示意图电动公交车换电机器人旋转机构按照其旋转方式分为机械臂旋转式及框架旋转式。其中，框架旋转式分为托盘旋转式、整体旋转式结构，如图7－14所示。机械臂旋转式换电机器人具有多个移动关节和转动关节，工作范围为圆柱形区域，如图7－15所示。其特点是位置精度高、运动直观、控制简单，但其占地面积大，作业半径大，且对末端夹持手的负载能力要求较高。一般电动公交车换电流程如图7－16所示。快换机械手向中转台取放电池。快换机械手从中转台放电池：快换机械手移动取电池的过程与上述相反。堆垛机从中转台取放电池。堆垛机移动对准中转台上的电池，货叉伸出，电磁堆垛机将电池放回中转台的过程与之相反。图7－14框架式轮式移动机构（a托盘旋转式；（b）整体旋转式图7－15机械臂旋转式换电机器人图7－16换电流程堆垛机从充电架取放电池。堆垛机根据标定的认址位置找到对应电池架工位，电池过程。堆垛机向电池架取电池的过程与之相反。电动汽车换电机器人关键技术电池箱锁止机构电动乘用车电池箱锁止机构电池箱底端采用装甲钢板材料，在车体行进方向的两侧焊接四个U形槽，槽上安装悬挂销，悬挂销上安装套筒，便于锁止机构锁钩旋转挂接。装甲钢板四角上焊接有导向销，便于电池安装过程中准确定位，起到了电池箱限位修正的作用。图7－17为电动乘用车动力电池箱示意图。由于电动乘用车底盘空间有限，在有限的空间内需要容纳体积、重量大的动力电池箱，因此，电动乘用车动力电池箱锁止机构设计的关键在于满足设备体积小、承重能力止机构的结构图如图7－18（a）所示，锁止机构与车辆底盘悬挂装置装配效果如图7－18（b）所示，锁止机构在车体上的安装实物图如图7－19所示。图7－17电动乘用车动力电池箱示意图图7－18电动乘用车动力电池箱锁止机构（a）锁止机构结构图；（b）锁止机构安装示意图图7－19电动乘用车动力电池箱锁止机构实物图锁止机构控制系统采用单片机控制，其输出驱动电压可调，而控制电路和功率驱动电路信号隔离。根据光电开关与锁止机构锁钩的相对位置，可采用自动和手动控制方式。当锁止机构的锁钩处于限定位置时，自动操作有效，可实现锁钩由一个限定位置向另一个限定位置方向的动作；当锁钩未处于限定位置时，可一直触发手动按钮，锁钩旋转至对应限定位置处。锁止机构硬件电路包括电动机控制电路和驱动电路两个部分。控制电路由DC／DC转换、单片机外围电路、输入输出信号处理三部分组成，其电路原理图如图7－20所示。对集成在一起的控制电路，控制转速的PWM信号经光耦隔离，由三极管放大电路放大后，驱动MOS开通和关断，从而控制电动机启停和转速。同样，转向控制信号经光耦隔离，由三极管放大电路放大，直接控制转向断电器改变输出电压的极性，从而改变电动机转向。图7－20锁止机构控制电路原理图电动公交车电池箱锁止机构电动公交车动力电池锁止机构采用助力连杆方式，使得驱动装置在较小的力的作用进行快速取放要求的实用新型箱体，其结构形式如图7－21所示。山东电力研究院研制了一种电动公交车快速系统的动力电池锁止机构，其结构图如图7－22所示。该机构借助于电池推手组件，通过电磁顶块带动动作基座运动，进而带动锁止运动组件的直线运动实现。采用锁止定位组件保证了动力电池与电动公交车电池箱体连接，可靠地完成了动力电池锁止和解锁操作。图7－21电动公交车动力电池箱图7－22一种电动公交车电池锁止机构结构自主定位技术机器人自主定位技术是用于确定机器人在环境中的实时位姿，引导机器人到达目标点的关键技术。当机器人要自主实现某一预期功能时，首先要对自身位姿进行实时监测，然后根据当前和预期位姿之间的差异来规划机器人下一步的运动轨迹，并实时更新位姿。传感器是换电机器人获取电池位置信息实现自主定位的关键部件。图7－23列出了换电机器人常用传感器。图7－23换电机器人常用传感器下面以几个典型应用为例进行介绍。内传感器内传感器中光电编码器是最常见的。按编码器运动部件的运动方式来说，可以分为旋转式和直线式两种。对采用电气驱动系统的换电机器人来说，由于旋转式光电编码器易做成全封闭形式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较强的环境使用能力，因此，在伺服电动机中获得了广泛应用。外传感器超声传感器。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较现。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在机器人上得到了广泛的应用。超声传感器如图7－24所示。图7－24超声传感器视觉传感器。全方位视觉传感器摄取相机周围颜色鲜明的人工表示的全方位图池仓进行定位，从而实现电池对车体的精准装卸。视觉传感器如图7－25所示。图7－25视觉传感器定位传感器。用于完成机器人与定位目标相对位置的确定，图7－26是DMP传感精细定位，此定位精度直接决定机器人电池更换的成败。图7－26DMP传感器检测过程电动汽车换机器人电池定位技术是实现电动汽车换电过程自动化的关键技术，通过视觉定位实现电动汽车的电池更换，不仅可提高换电操作的安全性，缩短换电操作的时间，同时也可大大简化换电服务流程，提高换电站的服务质量。针对不同的实际场地，在不影响车辆换电的前提下，确定视觉系统的安装位置。根据现场情况及相关要求，当车辆停置于指定的换电工位时，针对不同停车方向，视觉系统可对车辆进行位置识别，并根据已支持车辆的类型和换电方式快速确定电池布署位置。安装完毕后，视觉系统采用离线的方式进行一次立体视觉标定及与换电机器人的联合标定，标定结果作为系统标准值。在实际运行时，系统定期通过采样图对的信息进行实时标定参数检测，以确保标定结果的准确有效性。如重投影误差过大时，向上位机发出提示信息，要求与机器人进行联合标定，从而避免定位精度下降所导致的取换电池失败情况发生。系统标定误差的积累通常是由于外力撞击等原因所造成。通过视觉系统获得电池的三维坐标后，机器人根据返回的三维坐标及旋转平移信息来取电池，为进一步增强系统的可靠性，通过夹具前方传感器对夹具进行电池定位旋转角度的修正，并记录该修正量，对电池识别位置信息进行第一次修正，确保取电池过程顺利进行。在确定电动汽车电池的坐标后，取出电池。在取出电池的过程中，通过夹具上方传感器、侧面传感器进行测距，获取电池定位的距离偏差与角度偏差，用以对电池识别位置信息进行第二次修正。当电池取出后，由于车身负载减轻，电池仓位置将有所上升，当对空电池仓定位时，需要将第二次修正后的电池识别位置信息作为初始值，通过比对与电池仓进行硬链接的车身区域的变化情况，再一次修正电池仓位置信息，根据该信息机器人进行放电池操作。自动控制技术主控系统主控系统是整个配电柜电气设计中的控制中心，完成传感器数据、开关量信号、模拟量信号的采集、分析并输出控制指令、伺服电动机控制。采用PLC作为主控器件，扩展两个模拟量模块完成两路模拟量输入，一路模拟量输出。模拟量输入信号主要包括DMP出信号主要包括控制液压系统运动的给定信号，用以控制液压系统实现升降运动。人机交互人机交互主要通过触摸屏、指示灯、操作按钮等实现机器人运动、调试、监视、状态参数的显示与设置，是操作人员与机器人交互的窗口。采用工业以太网协议与后台监控系统完成机器人与后台系统间的数据交互。触摸屏通过无线传输模块，将有线数据转成无线通信链路，完成与电动汽车锁止机构机械控制数据的交互。控制方法图7－27为山东电力研究院研制的一种电动乘用车底盘电池换电机器人的控制系统架构。图7－27换电机器人控制系统架构换电机器人的控制系统如图7－28所示。主要实现对x轴和r轴交流伺服电动机的控制和对z轴液压伺服系统的控制，满足机器人高响应、大惯量和高精度控制的要求。图7－28控制系统原理图系统采用PLC逻辑控制器作为控制系统的主控单元，电动机控制方式选用位置环控制方式，z轴液压伺服采用位置环和速度环相结合的控制方式，其具体实现原理如下：x轴。x走，选用交流伺服电动机作为驱动元件，采用光电开关作为正向、反向和原点的开关信号，沿x轴行走导轨之间安装n其定位方式采用寻址片＋定量脉冲的相对寻址方式。r轴。r元件，采用磁性接近开关作为正向、反向和原点的开关信号。驱动r轴运动的位置偏差信号来自安装在电池托盘一侧的1个定位传感器，该传感器是模拟量输出型的二维位置偏差输出传感器。当传感器检测到偏差值时，将偏差信号传送到PLC进行处理并输出脉冲信号驱动电动机运动。z轴。z轴方向的自由度主要实现机器人沿z距离值作为设定值，将编码器反馈值作为测定值，利用设定值与测定值的差值作为PID的输入对伺服阀进行PID控制。其原理如图7－29所示。图7－29控制系统（z轴）原理图PID调节的输入为

图7－30控制系统的控制流程图式中：C为举升机构速度。控制系统的控制流程图如图7－30所示。通过有线进行内部通信，后台监控系统通过以太网或者WLAN系统主要功能包括：对换电全过程进行监控，实时采集换电机器人的位置、各轴移动速统具备对换电机器人遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能。换电监控画面如图7－31所示。图7－31换电监控画面电动汽车换电机器人现场应用在国家新能源政策支持下，我国电动汽车发展正进入关键时期，既面临重大的发展机遇，又面临着严峻的挑战，其中电动汽车能源供给服务网络的建设更是电动汽车产业化应用的关键。为实现大面积推广开来的电动汽车市场的支撑，必须通过智能电网、物联网和交通网的“三网”技术融合，实施信息化、自动化和网络化的“三化”管理，从而实现对电动汽车用户跨区域全覆盖的同网、同质和同价的“三同”服务。“十二五”期间，国家电网公司投资20亿元，在济南、青岛、临沂等地建设十余个电动汽车充换电站。换电机器人作为电动汽车能源供给服务网络中的主要组成部分，扮演着相当重要的角色，未来市场广阔。电动乘用车换电机器人的应用江苏应用情况继国外BP公司在全球多个国家和地区建立的电动乘用车换电站之后，国内首座乘用车底盘电池更换站于江苏盐城市经济技术开发区松江路建设完成。该系统为国内首套自主研发乘用车全自动底盘更换系统，电池取放无缝连接、车辆导引自动定位、电池箱自适应定位，一次换电3min内完成，设计日更换电池服务能力288辆次，如图7－32所示。图7－32盐城松江路电动汽车换电站北京应用情况2012年，北京高安屯电动汽车充换电站监控室内共配有4条换电流水线，可同时为乘用车、电动公交车和电动环卫车充换电，如图7－33所示。该站一天能为400辆纯电动环卫车“加油”，年累计换电服务能力高达14.6万车次。目前，首批享受机器人充换电的主要是60多辆电动环卫车。图7－33北京高安屯电动乘用车换电站电动公交车换电机器人的应用电动公交车换电机器人作为电动汽车交换电站的关键设备之一，已经获得了广泛应用。2008年北京奥运会和残奥会上采用了快速更换技术的50运动员、裁判员和政府官员15万人次，行驶13万km，更换电池2000大规模采用电池快速更换方式的运用，如图7－34所示。图7－34北京奥运会电动汽车换电站北京应用情况北京高安屯充换电站设有4条换电流水线，可同时服务8辆电动汽车，采用左右两侧椭圆形轨道布置，换电机器人沿轨道轴向做旋转运动，自动定位并进行换电作业。目前主要服务于环卫车和乘用车，每天可满足400