CN102303588A - 基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，它包括换电平台，换电平台与快换机器人以及充电架在同一直线上；所述快换机器人包括电池托盘和四自由度的直角坐标机器人，所述直角坐标机器人在X轴双轨齿条上设有与之配合的X轴驱动电机，在Y轴双轨齿条上设有与之配合的Y轴驱动电机，在Z轴双轨齿条上设有与之配合的Z轴升降电机，电池托盘设置在Y轴双轨齿条上，并与之配合的R轴驱动电机连接；各驱动电机均与相应的编码器连接，各编码器与相应的驱动器连接；在电池托盘上设有测距传感器，在各双轨齿条两端设有相应限位开关；各驱动电机的驱动器、各限位开关、测距传感器均与控制系统连接。

Description

基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统

技术领域

本发明涉及一种电动汽车电池更换机器人控制系统，特别涉及电动乘用车底盘电池自动、快速更换机器人的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统。

背景技术

随着世界能源及环境问题的日益严重，电能作为一种清洁能源广泛应用于汽车领域，为电动汽车提供了广阔的应用空间。然而，由于受到当前电池能量密度的限制，电动汽车的续航里程一般在一百公里至两百公里之间，远不如传统汽车的续航里程。因此，能否快速为汽车提供能量补给，直接影响到电动汽车的推广应用。对电池充电需要几个小时才能完成，快速充电会对电池的寿命产生影响，同时，单个电池重，不利于人工更换。针对这一难题，研究能够快速更换电池的机器人是解决汽车能量快速补给的唯一有效办法。

现有的电动汽车能源补给方式主要有充电和换电两种方式。充电模式的不足主要有满充时间长；充电设备需要与长期停靠位置相结合，充电设施布局不灵活；在北方冬天寒冷气候下无法进行室外充电；电池无统一维护管理，影响电池循环使用寿命等，与之相比，由于换电方式具有补充能源速度快(快速补电)、对电池寿命影响小、易实现商业化等显著优点，已获得电动汽车厂商、电池厂商和充电运营商等的多方认同。

在中国新能源汽车产业政策密集出台的背景下，国内电动汽车充换电站市场快速起步，针对电动公交车、环卫车等车型的自动换电技术已逐渐成熟。但受相关技术和行业发展成熟度的制约，电动乘用车的自动换电技术还处于探索发展阶段。在此情形下，电动乘用车智能充换电服务网络的发展必须依靠换电技术的创新，才能真正推动电动汽车行业的健康和可持续发展。

中国国家知识产权局专利号为CN101559758A的发明专利公开了一种用于底盘电池的快速更换系统，由于该系统只包含电池与车辆之间的连接部件，不具有任何定位导向装置，因此系统无法实现电池的自动更换。专利号为CN201784595U的发明专利公开了一种电动汽车的电池自动更换系统，包含车辆定位平台和举升设备等，由于该系统的定位平台只实现车辆在前后方向上的定位，当换电车辆的底盘与水平面有夹角时(底盘倾斜一定的角度)，则举升设备举升电池箱时将产生过举升或举升不到位的情况，从而使换电后的车辆存在安全隐患。同时该系统提出了底盘电池更换的方法，提出了利用倾斜平面销的方式对电池进行定位，但是这种纯机械的电池定位方式误差大，没有信息反馈，很容易损坏电池。其次，该系统没有对电池自动识别的功能。

因此，需开发能够实现电池的自动识别和电池跟车辆底盘准确定位的控制系统和控制方法以实现对电动车辆快速、准确、安全的能量补给，从而促进电动汽车的推广及应用。

发明内容

本发明的研究目的就是为了克服上述缺陷，提供一种基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，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，它还能够对电池姿态调整，电池自动识别以及能够快速、准确、安全的对车辆电池进行更换，实现对直角坐标机器人的三个方向的控制，对电池小角度纠偏和定位及跟主控系统之间的信息交互。

为了实现上述内容，本发明采用如下技术方案：

一种基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，它包括换电平台，换电平台与快换机器人以及充电架在同一直线上；所述快换机器人包括电池托盘和四自由度的直角坐标机器人，所述直角坐标机器人包括X轴直线定位系统、Z轴升降平台、Y轴伸缩平台、R轴角度纠偏系统，X轴直线定位系统包括X轴双轨齿条，Z轴升降平台包括Y轴双轨齿条，R轴角度纠偏系统包括R轴驱动电机；X轴双轨齿条两端分别延伸到换电平台和充电架处；Z轴双轨齿条与X轴双轨齿条垂直活动连接，Y轴双轨齿条垂直活动安装在Z轴双轨齿条上；在X轴双轨齿条上设有与之配合的X轴驱动电机，在Y轴双轨齿条上设有与之配合的Y轴驱动电机，在Z轴双轨齿条上设有与之配合的Z轴升降电机，电池托盘设置在Y轴双轨齿条上，并与之配合的R轴驱动电机连接；各驱动电机均与相应的编码器连接，各编码器与相应的驱动器连接；在电池托盘上设有测距传感器，在各双轨齿条两端设有相应限位开关；各驱动电机的驱动器、各限位开关、测距传感器均与控制系统连接。

所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴升降电机和R轴驱动电机均为步进电机，其上分别设有与各相应双轨齿条配合的齿轮。

所述X轴驱动电机、Z轴升降电机联动，只有当X轴驱动电机和Z轴升降电机到达设定位置时，Y轴驱动电机才运动，只有Y轴驱动电机运动到指定位置时，R轴驱动电机才运动。

所述X轴双轨齿条与Z轴双轨齿条间、Z轴双轨齿条与Y轴双轨齿条间分别通过滑块垂直连接。

所述控制系统包括上位机以及与上位机连接的运动控制模块、电池管理模块、电池身份识别模块、电池位置检测模块；其中所述运动控制模块包括PLC控制器和操作手柄；所述PLC控制器与所述各限位开关连接，PLC控制器还通过各驱动器与相应的各编码器连接；同时PLC控制器还与急停开关连接；PLC控制器通过CAN总线与上位机通信；所述操作手柄与上位机连接；所述电池位置检测模块与测距传感器连接。

所述电池身份识别模块与RFID读写器连接。

所述测距传感器为激光测距传感器，通过电池位置检测模块经CAN总线与上位机连接。

所述电池位置检测模块为两个DMP传感器，它们安装在电池托盘上，与安装在电池充电工位的反光装置配合。

所述上位机通过CAN总线与电池管理模块、PLC控制器、电池身份识别模块、电池位置检测模块、操作手柄连接。

所述换电平台上设有换电车辆止位用V型停止位。

本发明的换电平台为电动乘用车底盘电池的更换提供工作平台，可承载2.5吨重量。换电平台为金属焊接结构，平台和地面之间有水平调整装置。平台具有对车辆自动前后定位的功能，在平台的前部设计有V型停止位，当车辆前轮驶入V型停止位后，车辆通过自身重力自动停止在V型停止位的中间。换电平台具有车辆检测装置(读卡器)，可以判断车辆的有无。当换电车辆行驶到换电平台后，通过读卡器读取车辆前方安装的RFID(射频身份识别标识)检测到有车辆存在，控制系统通过总线实时的向快换机器人和后台监控系统发送有无车辆的信息。

本发明的换电机器人包括电池托盘和四自由度的直角坐标机器人。其中，四自由度的直角坐标机器人能够在X，Y，Z三个方向移动及电池托盘R轴的小角度的旋转。X，Y，Z三个方向的移动都是伺服电机驱动两端带有齿轮的轴，通过齿轮在相应双轨齿条上的同步转动以实现相应方向的平移。

控制系统包括：上位机、电池管理系统(BMS)、运动控制系统。其中运动控制系统包括：西门子S7-300-315 PLC控制器、各限位开关、操作手柄、各伺服电机。

此外上位机还与电池位置检测模块、测距激光测距传感器、DMP传感器、RFID标签等连接。

电池管理系统(BMS)，通过CAN总线与每块电池进行通信。上位机通过CAN总线与主控制器——西门子S7-300-315 PLC控制器进行信息交互。电池管理系统通过CAN总线上报上位机监控系统电池的信息，上位机监控系统安装RFID标签读写器，通过读取装在电池上的RFID标签，确认每块电池的电量等信息。

在各双轨齿条两端安装限位开关。其中，X轴驱动电机、Z轴升降电机联动，只有当X轴驱动电机和Z轴升降电机到达设定位置时，Y轴驱动电机才运动，只有Y轴驱动电机运动到指定位置时，R轴驱动电机才运动。

操作手柄可对机器人进行坐标示教，通过示教读取各个电机的编码器，记录当前坐标值，并上传上位机控制系统进行存储。

运动控制系统能对卸下电池相对电池托盘的位置和角度进行检测，并进行当地存储，当从电池充电工位上取下已充满电的电池时，能够根据存储的数据对电池进行姿态的调整和复原。

机器人上装有两个DMP传感器，在相对电池充电工位进行取电池和放电池时，首先根据示教存储的坐标值进行初步定位，然后，两个DMP传感器对安装在电池充电工位的反光装置进行定位，进行二次确认，只有两次的确认无误，机械手才对电池进行取放。

每块电池贴有唯一的RFID标识，电池托盘上安装有读写器。当快换机器人取电池的位置确定后，通过读卡器读取电池的身份标识，进行本地校验，并向后台监控系统提供确认信息。

电池充电架为电动乘用车电池的存放提供可靠的存储位置，并通过辅助机构实现电池的自动充电操作。电池充电架为金属焊接结构，一个存放位置作为一个独立单元，彼此之间通过螺栓连接。

所述的控制系统操作流程，包括以下步骤：

1、当有车辆驶入换电平台V型停止位后，换电平台将有车信息报告给后台监控系统，后台监控系统收到报告信息后，通过总线发送工作指令给快换机器人；

2、快换机器人通过位置控制模块的位置控制功能，快速移动至换电车辆底盘下方，执行卸电池的动作；

3、对卸下的电池位置进行检测，并记录相关数据；

4、快换机器人从车辆底盘下方运动出来并下降到安全位置；

5、将电池位置调整到正确摆放位置；

6、快换机器人运动到电池充电架的指定位置(空)，并对位置进行检测判断(通过DMP传感器)；

7、把电池放到充电架上，并进行身份识别(通过RFID读卡器)，上传给后台监控系统，快换机器人退出；

8、根据后台监控系统的指令，快换机器人运动到电池充电架的指定位置(已充满电的电池)，并对位置(通过DMP传感器)和电池身份(通过RFID读卡器)进行检测判断；

9、确认无误后，把电池从充电架上取下，快换机器人退出；

10、快换机器人下降到安全位置，并横向移动到车辆底盘前方；

11、将电池的位置调整到适合安装的角度(通过R轴角度纠偏系统及之前卸下的电池的记忆信息)；

12、快换机器人电池托盘运动到车辆底盘下方，将电池安装到车上；

13、快换机器人离开车辆底盘下方并返回至安全位置，等待下一条工作指令。

本发明的快换机器人的工作流程为：

1)系统上电后，通过上位机下发复位指令，机器人的各个方向的触发限位开关后寻零，上位机记录当前位置为机器人运动的坐标原点。

2)卸电池：车辆安全停靠换电平台后，换电机器人根据示教的坐标点准确的将电池托盘伸到车辆的电池下方，Z轴升降电机向上运动，直到安装在机械手上的限位开关触发。此时，机械手上对电池进行释放，取下电池，通过三个激光测距传感器检测出电池相对机械手的位置和角度，并进行当地存储。

3)放电池：PLC控制器接受上位机下发的空的充电工位标号，通过与数据库匹配找出对应的坐标值，机械手托着电池到达相应充电工位，通过DMP传感器校验进行二次确认，将电池准确放到相应的充电工位上，对电池进行充电。当电池充满电时，电池管理系统告知上位机，上位机下达指令将RFID标签改为已充满标志，上传上位机进行记录。

4)取电池：PLC控制器接受上位机下发的已充满电电池的充电工位标号，通过与数据库匹配找出对应的坐标值，机械手到达相应充电工位，通过DMP传感器校验进行二次确认，将电池取下。此时，上位机将该充电工位的标号设置为空位。

5)安装电池：PLC控制器按照卸电池时的坐标值控制机械手到达车辆下方，根据卸电池时的电池位置和角度，通过机械手上的旋转电机对电池进行纠偏，恢复电池卸下时的姿态，将电池准确安装在车辆底部，机器人回到原点位置待命，完成整个换电过程。

本发明的有益效果是：能够对电池姿态调整，电池自动识别以及能够快速、准确、安全的对车辆电池进行更换，实现对直角坐标机器人的三个方向的控制，对电池小角度纠偏和定位及跟主控系统之间的信息交互。

附图说明

图1为发明实施例中基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统的结构示意主视图。

图2为对应于图1的俯视图；

图3为快换机器人取电池时的系统结构主视图；

图4为对应于图3的俯视图(换电车辆未示出)；

图5为快换机器人放电池时的系统结构主视图；

图6为对应于图3的俯视图；

图7快换机器人正面示意图；

图8快换机器人左视图；

图9快换机器人控制系统框图。

其中，1、换电车辆，2、换电平台，3、快换机器人，4、充电架，5、X轴直线定位系统，6、Z轴升降平台，7、Y轴伸缩平台，8、R轴角度纠偏系统，9、电池托盘，10、电池，11、V型停止位，12.X轴双轨齿条，13.X轴驱动电机，14.Y轴驱动电机，15.R轴驱动电机，16.Z轴升降电机，17.Z轴双轨齿条，18.驱动器，19.测距传感器，20.Y轴双轨齿条，21.电池管理模块，22.PLC控制器，23.操作手柄，24.限位开关，25.编码器，26.急停开关，27.上位机，28.电池身份识别模块，29.RFID读写器，30.电池位置检测模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1-图9中，一种基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，它包括换电平台2，换电平台2与快换机器人3以及充电架4在同一直线上；所述快换机器人3包括电池托盘9和四自由度的直角坐标机器人，所述直角坐标机器人包括X轴直线定位系统5、Z轴升降平台6、Y轴伸缩平台7、R轴角度纠偏系统8，X轴直线定位系统5包括X轴双轨齿条12，Z轴升降平台6包括Y轴双轨齿条20，R轴角度纠偏系统8包括R轴驱动电机15；X轴双轨齿条12两端分别延伸到换电平台2和充电架4处；Z轴双轨齿条17与X轴双轨齿条12垂直活动连接，Y轴双轨齿条20垂直活动安装在Z轴双轨齿条17上；在X轴双轨齿条12上设有与之配合的X轴驱动电机13，在Y轴双轨齿条20上设有与之配合的Y轴驱动电机14，在Z轴双轨齿条17上设有与之配合的Z轴升降电机16，电池托盘9设置在Y轴双轨齿条20上，并与之配合的R轴驱动电机15连接；各驱动电机均与相应的编码器25连接，各编码器25与相应的驱动器18连接；在电池托盘9上设有测距传感器19，在各双轨齿条两端设有相应限位开关24；各驱动电机的驱动器18、各限位开关24、测距传感器19均与控制系统连接。

所述X轴驱动电机13、Y轴驱动电机14、Z轴升降电机16和R轴驱动电机15均为步进电机，其上分别设有与各相应双轨齿条配合的齿轮。

所述X轴驱动电机13、Z轴升降电机16联动，只有当X轴驱动电机13和Z轴升降电机16到达设定位置时，Y轴驱动电机14才运动，只有Y轴驱动电机14运动到指定位置时，R轴驱动电机15才运动。

所述X轴双轨齿条12与Z轴双轨齿条17间、Z轴双轨齿条17与Y轴双轨齿条20间分别通过滑块垂直连接。

所述控制系统包括上位机27以及与上位机27连接的运动控制模块、电池管理模块21、电池身份识别模块28、电池位置检测模块30；其中所述运动控制模块包括PLC控制器22和操作手柄23；所述PLC控制器22与所述各限位开关24连接，PLC控制器22还通过各驱动器18与相应的各编码器25连接；同时PLC控制器22还与急停开关26连接；PLC控制器22通过CAN总线与上位机27通信；所述操作手柄23与上位机27连接；所述电池位置检测模块30与测距传感器19连接。

所述电池身份识别模块28与RFID读写器29连接。

所述测距传感器19为激光测距传感器，通过电池位置检测模块30经CAN总线与上位机27连接。

所述电池位置检测模块30为两个DMP传感器，它们安装在电池托盘9上，与安装在电池充电工位的反光装置配合。

所述上位机27通过CAN总线与电池管理模块21、PLC控制器22、电池身份识别模块28、电池位置检测模块30、操作手柄23连接。

所述换电平台2上设有换电车辆1止位用V型停止位11。

当整个系统上电后，通过上位机27下发复位指令，机器人的各驱动电机复位，上位机27记录当前位置为机器人运动的坐标原点。

当有车辆驶入换电平台V型停止位11后，换电平台1将有车信息报告给后台控制系统，后台控制系统收到报告信息后，通过总线发送工作指令给快换机器人3；

快换机器人3通过X轴直线定位系统5、Z轴升降平台6和Y轴伸缩平台7的位置控制模块的位置控制功能，快速移动至换电车辆1的底盘下方，执行卸电池的动作；

对卸下的电池位置进行检测，并记录相关数据；

快换机器人3从车辆底盘下方运动出来并下降到安全位置；

通过R轴角度纠偏系统8将电池位置调整到正确的摆放位置；

快换机器人3运动到电池充电架4的指定位置(空)，并对位置进行检测判断(通过DMP传感器)；

把电池放到充电架4上，并进行身份识别(通过RFID读卡器)，上传给后台监控系统，快换机器人3退出；

根据后台监控系统的指令，快换机器人3运动到电池充电架4的指定位置(已充满电的电池)，并对位置(通过DMP传感器)和电池身份(通过RFID读卡器)进行检测判断；

确认无误后，把电池从充电架4上取下，快换机器人3退出；

快换机器人3下降到安全位置，并横向移动到车辆底盘前方；

将电池的位置调整到适合安装的角度(通过R轴角度纠偏系统8及之前卸下的电池的记忆信息)；

快换机器人3电池托盘9运动到车辆底盘下方，将电池安装到车上；

快换机器人3离开车辆底盘下方并返回至安全位置，等待下一条工作指令。

快换机器人3具体工作过程为：根据示教的坐标点准确的将电池托盘9伸到车辆的电池下方，Y轴双轨齿条20向上运动取下电池，通过三个测距传感器19检测出电池相对机械手的位置和角度，并进行当地存储。

各驱动电机接受指令，通过DMP传感器校验确认，将电池准确放到相应的充电工位上，对电池进行充电。当电池充满电时，电池管理模块21告知上位机27，上位机27下达指令将RFID标签改为已充满标志，上传上位机27进行记录。

PLC控制器22接受上位机27下发的已充满电电池的充电工位标号，通过与数据库匹配找出对应的坐标值，电池托盘9到达相应充电工位，通过DMP传感器校验进行二次确认，将电池取下。此时，上位机27将该充电工位的标号设置为空位。

PLC控制器22按照卸电池时的坐标值控制机械手到达车辆下方，根据卸电池时的电池位置和角度，通过机械手上的R轴驱动电机15对电池进行纠偏，恢复电池卸下时的姿态，将电池准确安装在车辆底部，机器人回到原点位置待命，完成整个换电过程。

Claims (10)

1.一种基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，它包括换电平台，换电平台与快换机器人以及充电架在同一直线上；所述快换机器人包括电池托盘和四自由度的直角坐标机器人，所述直角坐标机器人包括X轴直线定位系统、Z轴升降平台、Y轴伸缩平台、R轴角度纠偏系统；所述X轴直线定位系统包括X轴双轨齿条，Z轴升降平台包括Y轴双轨齿条，R轴角度纠偏系统包括R轴驱动电机；X轴双轨齿条两端分别延伸到换电平台和充电架处；Z轴双轨齿条与X轴双轨齿条垂直活动连接，Y轴双轨齿条垂直活动安装在Z轴双轨齿条上；在X轴双轨齿条上设有与之配合的X轴驱动电机，在Y轴双轨齿条上设有与之配合的Y轴驱动电机，在Z轴双轨齿条上设有与之配合的Z轴升降电机，电池托盘设置在Y轴双轨齿条上，并与之配合的R轴驱动电机连接；各驱动电机均与相应的编码器连接，各编码器与相应的驱动器连接；在电池托盘上设有测距传感器，在各双轨齿条两端设有相应限位开关；各驱动电机的驱动器、各限位开关、测距传感器均与控制系统连接。

2.如权利要求1所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴升降电机和R轴驱动电机均为步进电机，其上分别设有与各相应双轨齿条配合的齿轮。

3.如权利要求1所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述X轴驱动电机、Z轴升降电机联动，只有当X轴驱动电机和Z轴升降电机到达设定位置时，Y轴驱动电机才运动，只有Y轴驱动电机运动到指定位置时，R轴驱动电机才运动。

4.如权利要求1所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述X轴双轨齿条与Z轴双轨齿条间、Z轴双轨齿条与Y轴双轨齿条间分别通过滑块垂直连接。

5.如权利要求1所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述控制系统包括上位机以及与上位机连接的运动控制模块、电池管理模块、电池身份识别模块、电池位置检测模块；其中所述运动控制模块包括PLC控制器和操作手柄；所述PLC控制器与所述各限位开关连接，PLC控制器还通过各驱动器与相应的各编码器连接；同时PLC控制器还与急停开关连接；PLC控制器通过CAN总线与上位机通信；所述操作手柄与上位机连接；所述电池位置检测模块与测距传感器连接。

6.如权利要求5所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述电池身份识别模块与RFID读写器连接。

7.如权利要求5所述的基于直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述测距传感器为激光测距传感器，通过电池位置检测模块经CAN总线与上位机连接。

8.如权利要求5所述的直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述电池位置检测模块为两个DMP传感器，它们安装在电池托盘上，与安装在电池充电工位的反光装置配合。

9.如权利要求5所述的直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述上位机通过CAN总线与电池管理模块、PLC控制器、电池身份识别模块、电池位置检测模块、操作手柄连接。

10.如权利要求1所述的直角坐标机器人的电动乘用车底盘电池快换系统，其特征是，所述换电平台上设有换电车辆止位用V型停止位。

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