CN116022099A - 集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质，该系统包括：一第一轨道，垂直于一第一换电路径，第一轨道的第一端形成一临近第一换电路径的装卸工位，第一轨道的至少一侧排列若干充电座；至少一顶吊机器人，基于装卸工位装卸电池包；至少一动态缓存设备，设置于第一轨道的一侧，存放满电电池包的动态缓存设备的移动行程经过装卸工位；以及至少一搬运机器人，基于第一轨道移动，搬运机器人和动态缓存设备分时进入装卸工位。本发明能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

Description

集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质

背景技术

目前的电动车采用的换电模式，大部分是底部换电，需要把车辆支撑起来，在车辆底部打开电池仓门，从下方取出电池，进行电池更换。但是，大型新能源车例如：重型无人卡车等，自身的重量巨大，显然无法进行底部换电，而且底部换电整体速度慢，降低了换电站的周转效率。

对于卡车尤其是重卡换电，目前大多都采用顶部吊装方式，例如：CN215552604U，一种新能源重卡换电站；CN214689108U，一种具有双向车道的电动重卡换电站；CN110862008A，一种电动重卡充换电系统；CN210634533U，一种重型卡车电池更换站。这些技术方案的核心设备包括了行吊、车载换电底座、电池箱，主要特点是通过行车吊将车上的电池包从顶部吊离车身，进行换电操作。其换电流程主要包括：

①辆驶入换电等待区，停靠准确后熄火。

②换电站侧RFID设备识别车辆信息。

③司机下车扫码启动换电。

④车载电池底座解锁，行业吊定位电池包位置，吊取车上的电池包。

⑤行车吊在电池仓内倒仓，将新的电池包吊装到车辆上后，行车吊恢复原位。

⑥新的电池包到位后，车载电池底座上锁，司机驾驶车辆离开换电站；

但是，这些技术方案都存在以下缺点：

①站体高度＞6米，高度较高，设备难以整体运输；

②每个工位需要设置移动装置，增加了系统复杂度和成本；

③不适合移动换电，即换电站可随时方便地移动到目的地对卡车进行换电。

④换电站对单个电动重卡进行换电的周期时间漫长，换电站的换电效率缓慢，难以使用码头等电动重卡集中、需要频繁进行换电操作的使用场景。(换电缓慢的一个原因是在搬运空电池包或满电电池包的行程过长，导致吊装机构只能长时间等待，在整个换电过程中，吊装机构长期处于空闲状态，换电效率较低)

因此，本发明提供了一种适用于水平换电模式下的集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质，克服了现有技术的困难，能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

本发明的实施例提供一种集成式车辆垂直换电系统，包括：

一第一轨道，垂直于一第一换电路径，所述第一轨道的第一端形成一临近所述第一换电路径的装卸工位，所述第一轨道的至少一侧排列若干充电座；

至少一顶吊机器人，基于所述装卸工位装卸电池包；

至少一动态缓存设备，设置于所述第一轨道的一侧，存放满电电池包的所述动态缓存设备的移动行程经过所述装卸工位；以及

至少一搬运机器人，基于所述第一轨道移动，所述搬运机器人和所述动态缓存设备分时进入所述装卸工位。

优选地，还包括一个检测所述搬运机器人的检测模块，当所述搬运机器人装载待充电的电池包离开所述装卸工位后，启动所述动态缓存设备装载待更换的电池包沿垂直于所述第一轨道的方向进入所述装卸工位。

优选地，当顶吊机器人将电池包自所述动态缓存设备取走，并且所述动态缓存设备复位后，所述搬运机器人将另一待更换的电池包搬运到所述动态缓存设备。

优选地，沿所述第一轨道的延展方向的两侧，自所述第一端向第二端各自依次排列一动态缓存设备和若干充电座。

优选地，沿所述第一轨道的第一侧，自所述第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备和若干充电座；沿所述第一轨道的第二侧，设置依次排列的若干充电座。

优选地，沿所述第一轨道的第一侧，自所述第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备和若干充电座；沿所述第一轨道的第二侧，设置依次排列一固定缓存设备和若干充电座。

优选地，所述动态缓存设备包括：

一组叉车臂，所述叉车臂的伸缩方向垂直于所述第一轨道的延展方向，支撑所述电池包支撑板在所述装卸工位一侧的初始位置与所述装卸工位之间平移。

优选地，所述第一轨道、所述第一轨道两侧的动态缓存设备和充电座以及搬运机器人集成于一集装箱电池仓内，所述第一轨道的延展方向平行于所述电池包的长度方向和集装箱的长度方向。

优选地，所述顶吊机器人设置于所述第一端与所述第一换电路径的交汇处，沿电动车的宽度方向在所述搬运机器人和所述第一换电路径的第一换电工位之间装卸电池包，并且所述顶吊机器人的移动行程基于水平面的第一投影与所述第一轨道的延展方向基于水平面的第二投影同轴。

优选地，所述顶吊机器人包括：

一吊具总成，吊装所述电池包；

一升降机构，驱动所述吊具总成升降；

一小车机构，驱动所述升降机构沿垂直于所述第一轨道的延展方向的方向移动；以及

一大车机构，驱动所述小车机构沿所述移动行程在所述第一轨道的第一端与所述第一换电路径的第一换电工位之间移动。

优选地，所述动态缓存设备包括：

一第二轨道，所述第二轨道垂直于所述第一轨道的延展方向；以及

一电池包支撑板，所述电池包支撑板的两侧基于引导轮组在所述第二轨道上移动。

优选地，所述搬运机器人自所述动态缓存设备或充电座取放电池包，包括：

一行走机构，沿所述轨道的延展方向移动；

一升降机构，设置于所述行走机构上方；以及

一货叉机构，受所述升降机构顶升，且具有垂直于所述轨道的延展方向的货叉行程，向所述充电座取放所述电池包。

优选地，所述第一轨道的两端分别与不同的换电路径形成装卸工位，分别设有对应的顶吊机器人、动态缓存设备以及搬运机器人。

本发明的实施例还提供一种集成式车辆垂直换电方法，采用上述的集成式车辆垂直换电系统，包括以下步骤：

S110、所述顶吊机器人自电动车卸下待充电的第一电池包到所述搬运机器人；

S120、在所述搬运机器人装载待充电的电池包沿所述第一轨道离开所述装卸工位后，所述动态缓存设备装载待更换的第二电池包进入所述装卸工位；

S130、所述顶吊机器人自所述装卸工位中的动态缓存设备吊装所述第二电池包到所述电动车。

优选地，还包括以下步骤：

S140、所述搬运机器人自所述充电座获得另一待更换的第三电池包，当所述动态缓存设备复位后，所述搬运机器人进入所述装卸工位，将所述第三电池包运到所述动态缓存设备。

优选地，所述步骤S140完成于所述电动车驶离所述第一换电工位之后，另一电动车到达所述第一换电工位之前的时序范围内。

本发明的实施例还提供另一种集成式车辆垂直换电方法，采用上述的集成式车辆垂直换电系统，包括以下步骤：

S210、所述顶吊机器人自电动车卸下待充电的第一电池包到所述搬运机器人；

S220、在所述搬运机器人先将所述待充电的电池包送入所述固定缓存设备；

S230、所述动态缓存设备装载待更换的第二电池包进入所述装卸工位；

S240、所述顶吊机器人自所述装卸工位中的动态缓存设备吊装所述第二电池包到所述电动车，同时，所述搬运机器人自所述固定缓存设备取回待充电的电池包，并沿所述第一轨道搬运到一空闲的充电座。

优选地，还包括以下步骤：

S250、所述搬运机器人自另一个所述充电座获得另一待更换的第三电池包，沿所述第一轨道返回装卸工位；

S260、所述搬运机器人进入所述装卸工位，将所述第三电池包运到所述动态缓存设备。

本发明的实施例还提供一种集成式车辆垂直换电设备，包括：

处理器；

存储器，其中存储有所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述集成式车辆垂直换电方法的步骤。

本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，所述程序被执行时实现上述集成式车辆垂直换电方法的步骤。

本发明的目的在于提供集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质，能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明的集成式车辆垂直换电系统的俯视图。

图2是本发明的集成式车辆垂直换电系统的换电工位的示意图。

图3是本发明的集成式车辆垂直换电系统中顶吊机器人的示意图。

图4是本发明的集成式车辆垂直换电系统中动态缓存设备的示意图。

图5是本发明的集成式车辆垂直换电系统中搬运机器人与第一轨道配合的立体图。

图6是本发明的集成式车辆垂直换电系统中搬运机器人的立体图。

图7是本发明的集成式车辆垂直换电系统中货叉机构的立体图。

图8是本发明的集成式车辆垂直换电系统中集装箱电池仓的立体图。

图9是本发明的另一种集成式车辆垂直换电系统的俯视图。

图10至图18是集成式车辆垂直换电系统的换电过程的示意图。

图19是本发明的集成式车辆垂直换电方法的流程图。

图20是本发明的集成式车辆垂直换电设备的结构示意图。

图21是本发明一实施例的计算机可读存储介质的结构示意图。

附图标记

1             控制室

2             电动重卡

3             顶吊机器人

31            大车机构

311           大车主体

312           大车行走轮

313           大车轨道

32            小车机构

321           小车行走轮

322           小车驱动

33            升降机构

331           升降驱动

332           钢丝绳

34            吊具总成

341           吊具主体

342           吊具锁销

4             动态缓存设备

41            驱动装置

42            行走轮

43            导向轮

44            第二轨道

45            滑板

5             搬运机器人

51            行走机构

52            升降机构

53            货叉机构

6             电池底座

7             集装箱电池仓

71            标准集装箱

72            充电机

8             换电顶棚

9             第一轨道

91            换电工位

92            装卸工位

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本申请所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本申请中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

在本申请的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

在常规的轨道换电系统中，各个充电座上的电池包充电的情况各不相同，搬运机器人会根据换电是的实际情况，选中空闲充电座来访用空的电池包并选中具有满电的电池包的充电座(基于概率在通常情况下这两个目标位一个会更靠近轨道的起点，另一个很可能接近轨道的终点)。所以，当顶吊机器人将带充电的电池包从电动重卡上卸下放到搬运机器人之后，搬运机器人至少要依次完成将用完的电池包放到一个空闲充电座的第一段行程(运空电电池包行程)、自空闲充电座移动到具有满电电池包的另一个充电座的第二段行程(空载移动行程)以及将满电电池包运动到换电工作的第三段行程(运满电电池包行程)。这种三段行程的模式，搬运机器人在每一段都要重复进行启动、加速、减速、刹车停止等，造成了换电时间的消耗。而且，在一次换电过程中，搬运机器人基于轨道的最远行程，是由空闲充电座和具有满电电池包的充电座两者中在轨道分布的最远位置决定的。哪怕第一段行程非常短，但只要满电电池包的充电座在轨道末端，整个搬运机器人就要以三段行程的模式走完轨道的全长的来回。这种放空包、再取包的模式，只要有一个目标位(空闲充电座或者具有满电电池包的充电座)在轨道末端，就会造成远距离运输。并且，在搬运机器人往返的整个过程中，顶吊机器人都是处于等待的状态(顶吊机器人必须等待搬运机器人运回满电的电池包才能向电动重卡装载电池包)，所以，如何缩短顶吊机器人在换电过程中的等待时间，成为制约换电速度的难点。

图1是本发明的集成式车辆垂直换电系统的俯视图。图2是本发明的集成式车辆垂直换电系统的换电工位的示意图。如图1和2所示，本发明的集成式车辆垂直换电系统主要适用于码头、集装箱堆场等地的电动重卡，尤其适用于换电站需与车道垂直布局的使用场景，集成式车辆垂直换电系统包括：一第一轨道9、一顶吊机器人3、一动态缓存设备4以及一搬运机器人5。第一轨道9垂直于一第一换电路径，第一轨道9的第一端形成一临近第一换电路径的装卸工位92，第一轨道9的至少一侧排列若干充电座。顶吊机器人3基于装卸工位92装卸电池包。动态缓存设备4设置于第一轨道9的装卸工位92的一侧，存放满电电池包的动态缓存设备4的移动行程经过装卸工位92(参见图10)。搬运机器人5基于第一轨道9移动，搬运机器人5和动态缓存设备4分时进入装卸工位92。本发明能够通过紧邻换电工位91(参见图10)的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，，在搬运机器人5装载待充电的电池包离开装卸工位92后，启动动态缓存设备4装载待更换的电池包沿垂直于第一轨道9的方向立刻进入装卸工位92，避免了由一个搬运机器人5基于往返行程来取放电池包的情况，大大缩短了对单个电动卡车进行换电所需的时间，电动卡车迅速换电后离开换电站，本发明能够减少换电的时间周期，大大加快换电站的提升换电效率。(其中，X轴为第一轨道9的延展方向、Y轴为第一轨道9的宽度方向、Z轴为高度方向)

在一个优选实施例中，还包括一个检测搬运机器人5的检测模块，当搬运机器人5装载待充电的电池包离开装卸工位92后，立刻启动动态缓存设备4装载待更换的电池包沿垂直于第一轨道9的方向进入装卸工位92，从而获得更短的换电换电时间，减少顶吊机器人3的等待时间，但不以此为限。

在一个优选实施例中，当顶吊机器人(3)将电池包自动态缓存设备(4)取走，并且动态缓存设备4复位后，搬运机器人5将另一待更换的电池包(满电状态)搬运到动态缓存设备4，从而使得始终能有一个满电的电池包在初级位置的动态缓存设备4中，为下一次换电做好提前的准备，但不以此为限。

在一个优选实施例中，完成于电动车驶离第一换电工位之后，另一电动车到达第一换电工位之前的时序范围内，搬运机器人5将另一待更换的电池包(满电状态)搬运到动态缓存设备4，从而利用换电后的电动车离站，另一电动车进站的时间间隙，尽早完成为下一次换电的前置准备工作，但不以此为限。

在一个优选实施例中，沿第一轨道9的延展方向的两侧，自第一端向第二端各自依次排列一动态缓存设备4和若干充电座，位于第一轨道9的第二侧的动态缓存设备4可以用于先移动到换电工位92接收顶吊机器人3放下的待充电的电池包并复位，然后，位于第一轨道9的第一侧的动态缓存设备4将准备待更换的电池包(满电状态)移动到换电工位92配合顶吊机器人3吊起待更换的电池包。换电结束后，再由搬运机器人5将自第一轨道9的第二侧的动态缓存设备4将待充电的电池包搬运到其他的充电座，并带回另一个满电的电池包存入第一轨道9的第一侧的动态缓存设备4。使得在换电过程中，搬运机器人5不需要位移，通过两个不同作用的动态缓存设备4的组合使用，进一步缩短换电时间，提升换电效率，但不以此为限。

在一个优选实施例中，沿第一轨道9的第一侧，自第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备4和若干充电座。沿第一轨道9的第二侧，设置依次排列的若干充电座，但不以此为限。

在一个优选实施例中，顶吊机器人3设置于第一端与第一换电路径的交汇处，沿电动车的宽度方向在搬运机器人5和第一换电路径的第一换电工位之间装卸电池包，并且顶吊机器人3的移动行程基于水平面的第一投影与第一轨道9的延展方向基于水平面的第二投影同轴，但不以此为限。

图3是本发明的集成式车辆垂直换电系统中顶吊机器人的示意图。如图3所示，顶吊机器人3包括：一大车机构31、一小车机构32、一升降机构33以及一吊具总成34。吊具总成34吊装电池包。升降机构33驱动吊具总成34升降。小车机构32驱动升降机构33沿垂直于第一轨道9的延展方向的方向移动。大车机构31驱动小车机构32沿移动行程在第一轨道9的第一端与第一换电路径的第一换电工位之间移动。大车机构31主要包括大车主结构311、大车行走轮312、大车轨道313。小车机构32主要包括小车行走轮321以及小车驱动322。升降机构33主要包括升降驱动331以及钢丝绳332。吊具总成34主要包括吊具主结构341以及吊具锁销342。吊具总成34吊装电池包。升降机构33驱动吊具总成34升降。小车机构32驱动升降机构33沿垂直于第一轨道9的延展方向的方向移动。大车机构31驱动小车机构32沿移动行程在第一轨道9的第一端与第一换电路径的第一换电工位之间移动。从而通过顶吊机器人3将电池包自电动车搬运到位于装卸工位92的搬运机器人5，或者移动到装卸工位92的态缓存设备4处吊装电池包到电动车。

图4是本发明的集成式车辆垂直换电系统中动态缓存设备的示意图。如图4所示，动态缓存设备4包括：一驱动装置41、一行走轮42、一导向轮43、一第二轨道44和一电池包支撑板45。第二轨道44垂直于第一轨道9的延展方向。电池包支撑板45的两侧基于引导轮组在第二轨道44上移动，使得电池包支撑板45具有位于装卸工位92一侧的初始状态以及平移后进入装卸工位92内的搬运状态。

图5是本发明的集成式车辆垂直换电系统中搬运机器人与第一轨道配合的立体图。图6是本发明的集成式车辆垂直换电系统中搬运机器人的立体图。图7是本发明的集成式车辆垂直换电系统中货叉机构的立体图。如图5至7所示，搬运机器人5自动态缓存设备4或充电座取放电池包，包括：一行走机构51、一升降机构52以及一货叉机构53。行走机构51沿轨道的延展方向移动。升降机构52设置于行走机构上方。货叉机构53受升降机构52顶升，且具有垂直于轨道的延展方向的货叉行程，向充电座取放电池包。

在一个优选实施例中，第一轨道9、第一轨道9两侧的动态缓存设备4和充电座以及搬运机器人5集成于一作为集装箱电池仓7使用的标准集装箱71(为了便于看清内部，图纸中仅展示了标准集装箱71的框架)内，充电座包括电池底座6和设置在电池底座6下方为电池底座6中的电池包充电的充电机72。第一轨道9的延展方向平行于电池包的长度方向和集装箱的长度方向，本发明通过这样的结构，从而缩小整体体积，方便移动和布局。

图8是本发明的集成式车辆垂直换电系统中集装箱电池仓的立体图。如图8所示，第一轨道9和充电座以及搬运机器人5集成于一作为集装箱电池仓7使用的标准集装箱71(为了便于看清内部，图纸中仅展示了标准集装箱71的框架)内，充电座包括电池底座6和设置在电池底座6下方为电池底座6中的电池包充电的充电机72。第一轨道9的延展方向平行于电池包的长度方向和集装箱的长度方向，本发明通过这样的结构，从而缩小整体体积，方便移动和布局。

图9是本发明的另一种集成式车辆垂直换电系统的俯视图。如图9所示，第一轨道9的两端分别与不同的换电路径形成装卸工位，分别设有对应的顶吊机器人3、动态缓存设备4以及搬运机器人5，从而实现基于一条第一轨道9两侧的电池包同时为两台电动重卡进行换电。对称布置双卡车通道、双顶吊机器人、双移动缓存设备、双搬运机器人，同时充电工位扩充到10个，换电运营能力进一步提高，换电过程同前文。其中，第一轨道9的第二端的顶吊机器人3、动态缓存设备4以及搬运机器人5，参见第一端的相同设置，此处不再赘述。

继续参见图1至9，本发明主要包括控制室1、电动重卡2、顶吊机器人3、动态缓存设备4、搬运机器人5、电池底座6、集装箱电池仓7以及换电顶棚8。其中，各部件的主要功能如下所示：

顶吊机器人3：解锁车载底座上的电池包，自动从电动重卡2拆卸空电池到搬运机器人5上，自动从动态缓存设备4装载满电池到电动重卡2上。具有沿X方向行走，沿Z方向升降，沿Y方向微调功能，同时配置自动吊具。

动态缓存设备4：缓冲满电池包，具有沿Y方向移动功能。

搬运机器人5：负责搬运转移电池包，自动从电池底座6搬运满电池到动态缓存设备4上，自动与顶吊机器人3交互搬运空电池到电池底座6上。具有沿X方向行走，沿Y方向叉取和沿Z方向升降功能。

电池底座6：连接电池与充电机，配置快插连接器。

集装箱电池仓7：存储电池，对空电池进行充电管理，同时进行电池监控检测。

车载底座(图中未示出)：连接电池与换电车辆，配置快插连接器，连接电池与换电车辆电机。

定位系统(图中未示出)：识别换电车辆信息，与车辆和电池进行信息交互，引导车辆，进行初步定位。

辅助系统(图中未示出)：配置消防系统、视频监控系统、数据服务器。对整站进行全方位监控和数据处理，连接云服务器。

本发明适应市场需要本发明专利，旨在发明一种模块化、集装箱化，设备能够实现快速拼装、便于运输，重量轻、可靠性高且换电速度快的新型换电站。通过换电站内各关键设备协调配合，大大提高换电速度和单站运营能力。40尺标准集装箱作为电池仓，8个电池充电工位均匀分布在两侧，空间紧凑，便于海运与陆运。电池包周转时无需跨越相邻电池包，换电站总体高度低。电池仓内有专门的搬运机器人，电池底座无需移载功能，从而降低建站成本。另外顶吊机器人与电动重卡交互时采用钢索吊装电池包，在电池包接近车辆落座时，钢索具有一定的柔性，比较容易实现误差的兼容，技术简单、成本低、是一种可行性比较好的换电方案，也是最早商用化的换电方案。

本发明的换电流程主要包括：

①车辆驶入换电站，到达固定换电位置，换电车辆上传换电需求信息。

②车载底座解锁空电池包，顶吊机器人定位电池包位置，搬运机器人接到信息到最左侧等待接驳空电池包。

③顶吊机器人根据换电车辆停放位置和姿态调整自身状态(具体包括沿X方向行走，沿Y方向微调)，根据激光传感器获得的数据执行自身动作，升降机构下降，吊具上的锁销连接电池包顶部吊装孔，升降机构提升使空电池包脱离车载底座并提升一定高度，顶吊机器人沿X方向行走和沿Y方向微调运行到搬运机器人正上方交接空电池包。

④搬运机器人把空电池包存放到系统分配的充电工位电池底座上进行充电。同时间内移动缓存设备把满电池包沿Y方向移载到顶吊机器人正下方，顶吊机器人从移动缓存设备上接到满电池包。

⑤顶吊机器人沿X方向行走移动到车辆正上方，把满电池交接到车辆车载底座上，车辆上的锁紧机构锁紧。

⑥换电车辆驶出换电站。

图10至图18是集成式车辆垂直换电系统的换电过程的示意图。以下分步骤介绍：如图10所示，第一轨道9的第一端临近第一换电路径的换电工位91，第一轨道9的第一侧自第一端到第二端依次排列动态缓存设备4以及充电座63、65、67，第一轨道9的第二侧依次排列充电座62、64、66、68。动态缓存设备4处于装卸工位92一侧的初始位置，且动态缓存设备4上暂存一待更换的第二电池包71(满电)。空闲的搬运机器人5位于装卸工位92中。电动重卡2带着待充电的电池包70(电量低，需要更换充电)驶入充电站的换电工位91的区域。

如图11所示，顶吊机器人3自电动重卡2卸下待充电的第一电池包70到搬运机器人5。

如图12、13所示，当检测到搬运机器人5装载待充电的电池包沿第一轨道9离开装卸工位92后，立刻启动动态缓存设备4装载待更换的第二电池71包进入装卸工位92。

如图14、15所示，顶吊机器人3自装卸工位92中的动态缓存设备4吊装第二电池71包到电动重卡2，完成换电后的电动重卡2可以驶离充电站。同时，搬运机器人5将第一电池包70搬运到充电座65进行充电，并且，搬运机器人5自另一充电座66获得另一待更换的第三电池包72(满电)。由于在上述过程中，顶吊机器人3只需要等待搬运机器人5离开装卸工位92后，动态缓存设备4立刻进入装卸工位92所需的时间，从而大大减少顶吊机器人的等待时间，加快换电站的提升换电效率。

如图16、17、18所示，在电动重卡2驶离第一换电工位之后，另一电动重卡2’到达第一换电工位之前的时序范围内，动态缓存设备4离开装卸工位92复位后，搬运机器人5进入装卸工位92，并将第三电池包72运到动态缓存设备4，从而下一次快速换电做好准备。

在本发明中利用动态缓存设备4和搬运机器人5的配合，避缩短了顶吊机器人3的等待时间，并充分利用换电车辆离开、进站的时间差为动态缓存设备4补充满电的电池包，从而为下一次快速换电做好准备工作。

本发明基于上述技术特征，具有以下技术效果：

1、换电速度快，单站运营能力大。

2、换电站整体高度底。

3、换电仓内电池底座无需移载功能，降低成本。

4、钢索具有柔性容易实现误差的兼容，技术简单、成本低、可行性高。

5、模块化、集装箱化，便于海运和陆运。

6、简单、可靠，真正的无人化，远程化。

图19是本发明的集成式车辆垂直换电方法的流程图。如图19所示，本发明的集成式车辆垂直换电方法，采用上述的集成式车辆垂直换电系统，包括以下步骤：

S110、顶吊机器人3自电动车卸下待充电的第一电池包到搬运机器人5。

S120、在搬运机器人5装载待充电的电池包沿第一轨道9离开装卸工位92后，动态缓存设备4装载待更换的第二电池包进入装卸工位92。

S130、顶吊机器人3自装卸工位92中的动态缓存设备4吊装第二电池包到电动车。

在一个优选实施例中，包括以下步骤：

S140、搬运机器人自充电座获得另一待更换的第三电池包，当动态缓存设备复位后，搬运机器人进入装卸工位，将第三电池包运到动态缓存设备，从而使得始终能有一个满电的电池包在初级位置的动态缓存设备4中，为下一次做准备，从而利用换电后的电动车离站，另一电动车进站的时间间隙，尽早完成为下一次换电的准备工作。

在一个优选实施例中，步骤S140完成于电动车驶离第一换电工位之后，另一电动车到达第一换电工位之前的时序范围内，搬运机器人5将另一待更换的电池包(满电状态)搬运到动态缓存设备4，从而利用换电后的电动车离站，另一电动车进站的时间间隙，尽早完成为下一次换电的准备工作。

本发明的集成式车辆垂直换电方法能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

在一个优选实施例中，本发明的集成式车辆垂直换电系统中，沿第一轨道9的第一侧，自第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备4和若干充电座；沿第一轨道9的第二侧，设置依次排列一固定缓存设备(不具备移动电池包的能力)和若干充电座。其中，动态缓存设备4包括：一组叉车臂，叉车臂的伸缩方向垂直于第一轨道9的延展方向，支撑电池包支撑板45在装卸工位92一侧的初始位置与装卸工位92之间平移。该实施例中，叉车臂是悬空的机构，从而避免了额外添加新的轨道，其余技术特征如前，此处不再赘述。

上述组合使用动态缓存设备4和固定缓存设备的集成式车辆垂直换电方法，包括以下步骤：

S210、顶吊机器人3自电动车卸下待充电的第一电池包到搬运机器人5；

S220、在搬运机器人5先将待充电的电池包送入固定缓存设备；

S230、动态缓存设备4装载待更换的第二电池包进入装卸工位92；

S240、顶吊机器人3自装卸工位92中的动态缓存设备4吊装第二电池包到电动车，同时，搬运机器人5自固定缓存设备取回待充电的电池包，并沿第一轨道9搬运到一空闲的充电座。

在一个优选实施例中，还包括以下步骤：

S250、搬运机器人5自另一个充电座获得另一待更换的第三电池包，沿第一轨道9返回装卸工位92；

S260、搬运机器人5进入装卸工位92，将第三电池包运到动态缓存设备4，从而使得始终能有一个满电的电池包在初级位置的动态缓存设备4中，为下一次做准备，从而利用换电后的电动车离站，另一电动车进站的时间间隙，尽早完成为下一次换电的准备工作。

上述组合使用动态缓存设备4和固定缓存设备的集成式车辆垂直换电方法的具体实施过程包括：顶吊机器人3放下的待充电的电池包到搬运机器人5后，搬运机器人5将待充电的电池包搬运到位于第一轨道9的第二侧的固定缓存设备暂存，然后，位于第一轨道9的第一侧的动态缓存设备4将准备待更换的电池包(满电状态)移动到换电工位92，配合顶吊机器人3吊起待更换的电池包装到电动重卡。换电结束后，再由搬运机器人5将自第一轨道9的第二侧的固定缓存设备将待充电的电池包搬运到其他的充电座，并带回另一个满电的电池包存入第一轨道9的第一侧的动态缓存设备4。使得在换电过程中，由于搬运机器人5不需要位移，通过不同作用的动态缓存设备4和固定缓存设备的组合使用，进一步缩短换电时间，提升换电效率，但不以此为限。

本发明实施例还提供一种集成式车辆垂直换电设备，包括处理器。存储器，其中存储有处理器的可执行指令。其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行的集成式车辆垂直换电方法的步骤。

如上所示，该实施例本发明的集成式车辆垂直换电系统能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“平台”。

图20是本发明的集成式车辆垂直换电设备的结构示意图。下面参照图20来描述根据本发明的这种实施方式的电子设备600。图20显示的电子设备600仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图20所示，电子设备600以通用计算设备的形式表现。电子设备600的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元610、至少一个存储单元620、连接不同平台组件(包括存储单元620和处理单元610)的总线630、显示单元640等。

其中，存储单元存储有程序代码，程序代码可以被处理单元610执行，使得处理单元610执行本说明书上述电子处方流转处理方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。例如，处理单元610可以执行如图19中所示的步骤。

存储单元620可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)6201和/或高速缓存存储单元6202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)6203。

存储单元620还可以包括具有一组(至少一个)程序模块6205的程序/实用工具6204，这样的程序模块6205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线630可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备600也可以与一个或多个外部设备700(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备600交互的设备通信，和/或与使得该电子设备600能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口650进行。并且，电子设备600还可以通过网络适配器660与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器660可以通过总线630与电子设备600的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备600使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储平台等。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现的集成式车辆垂直换电方法的步骤。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述电子处方流转处理方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。

如上所示，该实施例本发明的集成式车辆垂直换电系统能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

图21是本发明的计算机可读存储介质的结构示意图。参考图21所示，描述了根据本发明的实施方式的用于实现上述方法的程序产品800，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

综上，本发明的目的在于提供集成式车辆垂直换电系统、方法、设备及存储介质，能够通过紧邻换电工位的动态缓存设备提供最短换电路径以减少顶吊机器人的等待时间，并且集成于集装箱内，不但减小换电站占据的空间位置，而且大大加快换电站的提升换电效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，包括：

一第一轨道(9)，垂直于一第一换电路径，所述第一轨道(9)的第一端形成一临近所述第一换电路径的装卸工位(92)，所述第一轨道(9)的至少一侧排列若干充电座；

至少一顶吊机器人(3)，基于所述装卸工位(92)装卸电池包；

至少一动态缓存设备(4)，设置于所述第一轨道(9)的一侧，存放满电电池包的所述动态缓存设备(4)的移动行程经过所述装卸工位(92)；以及

至少一搬运机器人(5)，基于所述第一轨道(9)移动，所述搬运机器人(5)和所述动态缓存设备(4)分时进入所述装卸工位(92)。

2.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，还包括一个检测所述搬运机器人(5)的检测模块，当所述搬运机器人(5)装载待充电的电池包离开所述装卸工位(92)后，启动所述动态缓存设备(4)装载待更换的电池包沿垂直于所述第一轨道(9)的方向进入所述装卸工位(92)。

3.如权利要求2所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，当顶吊机器人(3)将电池包自所述动态缓存设备(4)取走，并且所述动态缓存设备(4)复位后，所述搬运机器人(5)将另一待更换的电池包搬运到所述动态缓存设备(4)。

4.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，沿所述第一轨道(9)的延展方向的两侧，自所述第一端向第二端各自依次排列一动态缓存设备(4)和若干充电座。

5.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，沿所述第一轨道(9)的第一侧，自所述第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备(4)和若干充电座；沿所述第一轨道(9)的第二侧，设置依次排列的若干充电座。

6.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，沿所述第一轨道(9)的第一侧，自所述第一端向第二端依次排列的一动态缓存设备(4)和若干充电座；沿所述第一轨道(9)的第二侧，设置依次排列一固定缓存设备和若干充电座。

7.如权利要求6所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述动态缓存设备(4)包括：

一组叉车臂，所述叉车臂的伸缩方向垂直于所述第一轨道(9)的延展方向，支撑所述电池包支撑板(45)在所述装卸工位(92)一侧的初始位置与所述装卸工位(92)之间平移。

8.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述第一轨道(9)、所述第一轨道(9)两侧的动态缓存设备(4)和充电座以及搬运机器人(5)集成于一集装箱电池仓(7)内，所述第一轨道(9)的延展方向平行于所述电池包的长度方向和集装箱的长度方向。

9.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述顶吊机器人(3)设置于所述第一端与所述第一换电路径的交汇处，沿电动车的宽度方向在所述搬运机器人(5)和所述第一换电路径的第一换电工位之间装卸电池包，并且所述顶吊机器人(3)的移动行程基于水平面的第一投影与所述第一轨道(9)的延展方向基于水平面的第二投影同轴。

10.如权利要求8所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述顶吊机器人(3)包括：

一吊具总成(34)，吊装所述电池包；

一升降机构(33)，驱动所述吊具总成(34)升降；

一小车机构(32)，驱动所述升降机构(33)沿垂直于所述第一轨道(9)的延展方向的方向移动；以及

一大车机构(31)，驱动所述小车机构(32)沿所述移动行程在所述第一轨道(9)的第一端与所述第一换电路径的第一换电工位之间移动。

11.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述动态缓存设备(4)包括：

一第二轨道(44)，所述第二轨道(44)垂直于所述第一轨道(9)的延展方向；以及

一电池包支撑板(45)，所述电池包支撑板(45)的两侧基于引导轮组在所述第二轨道(44)上移动。

12.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述搬运机器人(5)自所述动态缓存设备(4)或充电座取放电池包，包括：

一行走机构(51)，沿所述轨道的延展方向移动；

一升降机构(52)，设置于所述行走机构上方；以及

一货叉机构(53)，受所述升降机构(52)顶升，且具有垂直于所述轨道的延展方向的货叉行程，向所述充电座取放所述电池包。

13.如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，其特征在于，所述第一轨道(9)的两端分别与不同的换电路径形成装卸工位，分别设有对应的顶吊机器人(3)、动态缓存设备(4)以及搬运机器人(5)。

14.一种集成式车辆垂直换电方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的集成式车辆垂直换电系统，包括以下步骤：

S110、所述顶吊机器人(3)自电动车卸下待充电的第一电池包到所述搬运机器人(5)；

S120、在所述搬运机器人(5)装载待充电的电池包沿所述第一轨道(9)离开所述装卸工位(92)后，所述动态缓存设备(4)装载待更换的第二电池包进入所述装卸工位(92)；

S130、所述顶吊机器人(3)自所述装卸工位(92)中的动态缓存设备(4)吊装所述第二电池包到所述电动车。

15.如权利要求14所述的集成式车辆垂直换电方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S140、所述搬运机器人(5)自所述充电座获得另一待更换的第三电池包，当所述动态缓存设备(4)复位后，所述搬运机器人(5)进入所述装卸工位(92)，将所述第三电池包运到所述动态缓存设备(4)。

16.如权利要求15所述的集成式车辆垂直换电方法，其特征在于，所述步骤S140完成于所述电动车驶离所述第一换电工位之后，另一电动车到达所述第一换电工位之前的时序范围内。

17.一种集成式车辆垂直换电方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的集成式车辆垂直换电系统，包括以下步骤：

S210、所述顶吊机器人(3)自电动车卸下待充电的第一电池包到所述搬运机器人(5)；

S220、在所述搬运机器人(5)先将所述待充电的电池包送入所述固定缓存设备；

S230、所述动态缓存设备(4)装载待更换的第二电池包进入所述装卸工位(92)；

S240、所述顶吊机器人(3)自所述装卸工位(92)中的动态缓存设备(4)吊装所述第二电池包到所述电动车，同时，所述搬运机器人(5)自所述固定缓存设备取回待充电的电池包，并沿所述第一轨道(9)搬运到一空闲的充电座。

18.如权利要求17所述的集成式车辆垂直换电方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S250、所述搬运机器人(5)自另一个所述充电座获得另一待更换的第三电池包，沿所述第一轨道(9)返回装卸工位(92)；

S260、所述搬运机器人(5)进入所述装卸工位(92)，将所述第三电池包运到所述动态缓存设备(4)。

19.一种集成式车辆垂直换电设备，其特征在于，包括：

处理器；

存储器，其中存储有所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求14至18中任意一项所述集成式车辆垂直换电方法的步骤。

20.一种计算机可读存储介质，用于存储程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求14至18中任意一项所述集成式车辆垂直换电方法的步骤。

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