CN219727926U - 一种移动式重卡充换电站系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种移动式重卡充换电站系统，其包括充换电装置以及控制系统；充换电装置中，电池组组件内设置电池位置传感器；换电通道组件与上车组件的桁车轨道上安装吊装桁车，吊装桁车上安装吊具以及X、Y和Z向驱动机构，上车组件及换电通道组件内设有吊具位置检测机构；车辆换电通道的侧壁上设有车载电池定位传感器；控制系统中，远程IO控制器接收电池位置传感器、吊具位置检测机构和车载电池定位传感器的位置信号传输至站控工控机，环境控制器通信连接换电车辆的车载控制器，站控工控机用于向换电控制器下发换电指令以控制X、Y和Z向驱动机构的运动。本实用新型完善了移动组合式充换电站的站内控制架构，能够提升充换电站的工作效率。

Description

一种移动式重卡充换电站系统

技术领域

本实用新型涉及重卡电动车辆充换电设备技术领域，特别是一种移动式重卡充换电站系统。

背景技术

重卡电动化是新能源汽车发展的重要组成部分，在节能减排领域具有巨大的潜力。目前在电动重卡动力电池箱换电领域，有采用换电设备+充电设备+外舱的方案，换电设备、充电设备和外舱均为独立结构，单独制造和安装，现场安装效率低，不利于批量生产和调试。也有采用标准集装箱方案，将换电设备和充电设备集成在标准化的集装箱内，整体安装和调试，集成度较高，但是不能适应现场场地需求，不能根据现场场地进行自由组合和拼装，不能扩展，灵活性不够。并且目前上述两种方案的站控系统架构不能满足现场换电设备的实时性数据采集和控制的需求，通信延时较长，不能满足重卡换电设备的安全性需求。

针对上述缺陷，专利ZL202222696286.4公开了一种可自由组合移动式重卡充换电站，该换电站采取了移动式模块化智能拼搭方式，占地面积小，地基要求低、安装速度快、可移动、成本低、搭建简单，适合大规模快速列装建设，可快速落站运营。对于港口、矿山类企业来说，可以根据自己的业务重心，让换电站也可以随之进行移动。对于城市干线物流类企业来说，这种模块化搭建的换电站，解决了城市发展过程中物流企业因经常性搬离原先经营场所而带来的建站顾虑，让这类物流企业不再因为换电站无法搬迁的问题而放弃换电模式。专利ZL202222575997.6公开了一种新能源车辆电池更换机构，能够基于前述充换电站实现对换装电池的移动抓取。而如何利用这种充换电站，使其能够高效运行，还有待研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种移动式重卡充换电站系统，在移动组合式充换电站的基础上，完善站内控制架构，提升充换电站的工作效率和可靠性。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种移动式重卡充换电站系统，包括充换电装置以及控制系统；

所述充换电装置包括充电组件、电池组组件、上车组件、换电通道组件以及控制室组件，所述电池组组件内设置多个充电位，各充电位分别安装有充电座，充电座上设有用于检测电池是否在位的电池位置传感器；单个所述上车组件与电池组组件上下连接组成一个换电组件，换电通道组件下方设置车辆换电通道，换电通道组件与换电组件中的上车组件相连，两者内部设置相互贯通的桁车轨道，所述桁车轨道上活动安装吊装桁车，吊装桁车上活动安装有吊具以及用于驱动吊具分别在X、Y、Z方向上运动的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，上车组件及换电通道组件内设有吊具位置检测机构；充电组件连接电池组组件，其内设有用于向充电位上电池进行充电的充电机；所述控制室组件及电池组组件分别位于所述车辆换电通道的两侧，控制室组件和/或电池组组件朝向车辆换电通道的侧壁上设有车载电池定位传感器；

所述控制系统包括设置于控制室组件内的远程IO控制器、环境控制器、换电控制器以及站控工控机，所述远程IO控制器通信连接所述电池位置传感器、吊具位置检测机构和车载电池定位传感器，将接收到的位置信号传输至站控工控机，所述环境控制器通信连接换电车辆的车载控制器，将接收到的换电请求和车载电池信息传输至站控工控机，所述站控工控机用于向换电控制器下发换电指令，所述换电控制器根据换电指令控制所述X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构的运动。

可选的，所述远程IO控制器、环境控制器和换电控制器与站控工控机之间采用Modbus TCP总线通信连接；所述换电控制器与X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构之间采用EtherCAT总线通信连接。

以上，本实用新型搭建了一种工业总线式双层控制架构，由站控工控机负责全站设备的状态监视和间接控制，换电控制器在站控工控机的控制下对换电设备进行直接控制，能够实现换电站内全面的信息交互，设备布线简单，控制方式可靠。

可选的，所述换电控制器采用PLC控制器；

所述X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构分别包括伺服驱动器和伺服电机，PLC控制器通过总线向伺服驱动器发送控制信号从而驱动伺服电机运动以带动吊具沿X方向、Y方向或Z方向运动。

可选的，所述车载电池定位传感器采用激光测距式传感器，且检测口朝向车辆换电通道；车辆换电通道两侧的至少一侧壁上至少安装有2个位于同一高度的车载电池定位传感器，该2个车载电池定位传感器之间的距离略小于车载电池的宽度，且该2个车载电池定位传感器之间连线的垂直向上投影被覆盖于所述吊具的Y方向运动范围内。

上述至少2个车载电池定位传感器通过检测自身与车辆之间的距离，判断传感器实时检测的位置是否为车载电池，可通过根据车载电池的允许停留换电位置事先标定两传感器之间的距离，站控工控机能够根据车载电池定位传感器的检测信息判断车载电池实时是否进入允许停留换电位置，从而根据判断结果通过环境控制器与车载控制器的交互实现车辆的位置移动，最终使车载电池能够停留在吊具可吊装的位置。

可选的，所述车辆换电通道还设有报警灯、语音播报器和道闸灯，所述环境控制器通信连接所述远程IO控制器以获取车载电池位置信息，并根据车载电池位置信息控制所述报警灯、语音播报器和道闸灯的信号输出。包括：当车辆进入车辆换电通道时，环境控制器控制道闸灯亮起；当车载电池未到位或到位时，环境控制器控制语音播报器和报警灯输出不同信号等。

可选的，所述电池位置传感器采用接近开关或者压力传感器。

可选的，所述充电组件或电池组组件内设置有用于检测各电池组电量信息的电能管理模块，所述电能管理模块无线通信连接远程IO控制器，通过远程IO控制器将各电池组的电量信息上送至站控工控机。由此可供站控工控机更合理的选择有效电池组进行换电控制。

有益效果

本实用新型在移动组合式充换电站的基础上，利用总线技术实现了一种双层站控系统架构，布线简单，能够通过站控工控机实现对全站设备的监视和总控，同时换电控制器采用实时性更高的EtherCAT总线实现对吊具驱动机构的直接控制，能够保障吊具运行的高效和位置的准确性，配合环境控制器对车载电池位置的获取，能够有效提升换电定位精度，提升充换电站的安全等级，减少整体换电时间，运营效率更高。

附图说明

图1所示为本实用新型控制系统架构示意图；

图2所示为本实用新型移动组合式充换电装置的一种实施例组合结构示意图；

图3所示为本实用新型充换电装置中上车组件的一种实施例结构示意图；

图4所示为本实用新型充换电装置中电池组组件的一种实施例结构示意图；

图5所示为本实用新型充换电装置中充电组件的一种实施例结构示意图；

图6所示为本实用新型充换电装置中吊装桁车的一种实施例结构示意图；

图7所示为本实用新型充换电装置中吊具底部结构示意图；

图8所示为本实用新型充换电装置中吊具上部结构示意图。

图1-8中：1、上车组件；2、电池组组件；3、充电组件；4、控制室组件；5、备品备件室；6、换电通道组件；

111、Y方向桁车；112、X方向桁车；113、齿轮机构；114、卷扬机构；12、吊具；1221、端盖；122、锁钩旋转驱动机构；1222、法兰盘；1223、连杆；1224、旋转锁钩；1225、电缸位置信号编码器；1226、电缸；123、电池导向柱；124、吊具导向柱；131、桁车轨道舱体；132、桁车轨道；133、齿条机构；134、限位机构；

20、电池组存储舱；21、充电座；22、充电连接器；

30、充电舱；31、充电接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

本实用新型的移动式重卡充换电站系统旨在移动组合式充换电站的基础上，完善站内控制架构，提升充换电站的工作效率和可靠性。

本实施例的移动式重卡充换电站系统包括充换电装置以及控制系统，其中的充换电装置可采用现有的移动组合式充换电站，参考图2所示，充换电装置包括可组合的充电组件3、电池组组件2、上车组件1、换电通道组件6以及控制室组件4。控制系统包括设置于控制室组件内的远程IO控制器、环境控制器、换电控制器以及站控工控机。

如图4，电池组组件包括电池组存储舱20，其内设置多个充电位，各充电位分别安装有充电座21，充电座上设有充电连接器以及用于检测电池是否在位的电池位置传感器，电池位置传感器可选择压力传感器或者接近开关；单个电池组组件可设置一个分别电连接所有充电座上充电连接器的充电接口，用于与充电组件的充电接口31电连接。电池位置传感器与远程IO控制器之间无线通信连接，以通过远程IO控制器向站控工控机上送各充电座上的电池是否在位信息。为了更好的管理各电池组，充电组件或电池组组件内可设置用于检测各电池组电量信息的电能管理模块，使电能管理模块无线通信连接远程IO控制器，能够实现各电池组电量信息的上送，供站控工控机更合理的选择有效电池组进行换电控制。

如图2，在进行充换电站组合时，单个上车组件1与电池组组件2上下连接组成一个换电组件，如图5，充电组件3连接电池组组件，其包括充电舱30，充电舱内设有用于向充电位上电池进行充电的充电机，并提供充电接口31，充电组件还可提供全站所需工作电源。换电通道组件6下方设置车辆换电通道，换电通道组件与换电组件中的上车组件相连，两者内部设置相互贯通的桁车轨道132，桁车轨道的两端根据实际限位需要设置限位机构134。

结合图3和图6，桁车轨道132上滑动或滚动安装吊装桁车，吊装桁车上活动安装有吊具以及用于驱动吊具分别在X、Y、Z方向上运动的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，吊装桁车包括Y方向桁车111和X方向桁车112，桁车轨道132上安装齿条机构，X方向桁车112两侧设置齿轮机构113，与桁车轨道上的齿条机构相配合，通过X方向驱动电机114带动齿轮机构在齿条上移动，从而实现吊装桁车整体在桁车轨道上的X方向运动。X方向桁车的车架上设置Y方向桁车111的Y方向轨道，Y方向桁车的运动方向垂直于X方向桁车的运动方向，并滚动安装于Y方向轨道上，与X向运动实现方式类似的，Y方向桁车与Y方向轨道之间可通过齿轮齿条机构实现运动副，由Y方向驱动电机实现运动控制。

本实用新型中，吊具在Z轴方向上的运动同样可通过设置轨道由驱动电机实现运动控制，除此之外，也可采用其它驱动形式，结合图6至图8，本实施例中，吊具12通过卷扬机构114吊装，Y方向桁车111运动方向的两侧部分别固定安装一个卷扬机，每个卷扬机左右两侧设置两个卷筒，每个卷筒上有一组钢丝绳，钢丝绳末端通过楔形接头与吊具12连接，通过卷扬机带动卷筒转动来缠绕或放松钢丝绳，可实现吊具12在Z轴方向的移动。

上述卷扬机可由伺服电机控制转动，X方向驱动电机、Y方向驱动电机均可采用伺服电机，伺服电机分别由不同的伺服驱动器驱动，各伺服驱动器由换电控制器控制运行。

本实用新型的吊具可采用现有技术，在本实施例中，如图7和图8所示，吊具12两端分别安装一组旋转锁钩机构122，旋转锁钩机构包括端盖1221、法兰盘1222、连杆1223、旋转锁钩1224、电缸1226和电缸位置信号编码器1225；其中法兰盘1222、电缸1226固定在吊具12板状本体的上部，旋转锁钩1224的转轴由吊具板状本体的下部从法兰盘1222中穿出，端盖1221安装在法兰盘1222上方，并与旋转锁钩1224固定，每组连杆对应用于驱动吊具一侧的两个相对设置的旋转锁钩，每组连杆1223包括中心连杆、侧连杆和末端摇杆，中心连杆的中部连接电缸活塞杆末端，其两端分别转动连接一个侧连杆，侧连杆另一端转动连接摇杆，摇杆末端固定连接旋转锁钩1224转轴末端，则当摇杆转动时即带动可旋转锁钩1224与端盖1221同步转动。电缸1226上安装有电缸位置信号编码器1225，用于实时反馈电缸活塞杆位置。

如图7所示，吊具12下部还布置若干电池导向柱123，用于导向固定电池位置，电池导向柱123采用锥形结构，在吊具12下落时，由电池导向柱123先接触电池框架，然后吊具12在电池导向柱123与电池框架的干涉限制下向下移动，纠正吊具12的偏斜。在吊具12卡住电池框架上升时，由于电池导向柱123根部的圆柱段与电池框架接触，在上升与移动时，电池不会与吊具12发生相对移动。如图8所示，吊具12上还设有两个吊具导向柱124，其与Y向桁车结构相配合，在吊具上升时起导向作用，并且在吊具12上升到顶时起固定作用，使吊具12在吊装桁车移动过程中不发生晃动。

旋转锁钩的转动控制通过改变电缸位置信号编码器1225的值来实现，需要提升电池时，当吊具12下落停稳后，电缸1226开始工作，活塞杆伸出，带动两中心连杆朝吊具12两端运动，通过侧连杆带动摇杆转动90°，使得旋转锁钩1224转动90°与吊具12长度方向垂直，以能够勾住电池框架，吊具12开始提升。落下电池时，当电池落稳后，电缸1226反转，电活塞杆收回，摇杆反向转动90°，旋转锁钩1224随之转动90°收回至吊具板状本体下方，此时旋转锁钩1224与电池框架脱离，吊具12可开始提升。

通过上述各运动部件的运动配合，可以实现吊具12在X轴、Y轴、Z轴方向的移动，以能够准确到达电池箱上方。

为了实现吊具位置检测和更准确的运动位置控制，本实施例中，上车组件及换电通道组件内设有吊具位置检测机构，如：在桁车轨道、Y向轨道的多个位置，桁车轨道舱体内多个位置设置接近开关等传感器；在卷扬机转轴设置角位移传感器等。并将这些位移传感器与远程IO控制器之间无线通信连接，以能够通过远程IO控制器向站控工控机上送吊具位置信息，站控工控机根据接收到的多方位信息进行吊具位置判断采用现有技术。

如图2，控制室组件及电池组组件分别位于所述车辆换电通道的两侧，如图2，本实施例的控制室组件配置了监控室及备品备件室5，分别采用标准化的集装箱。监控室可由中控台、控制柜、配电柜、消防报警装置、集装箱外壳等组成；中控台用于集成站控工控机、本地PLC换电控制器、HMI触摸屏、视频监控显示屏等，实现整个充换电装置的在线数据采集监控、运动控制、故障报警等；控制柜用于实现充换电装置的电气控制和保护、故障急停等；配电柜为充换电装置提供电源及动力输入。备品备件室5用来存放电池箱更换装置的备品备件，也可作为移栽桁车132的维护检修通道，同时也能满足设备运维人员的休息需要。控制室组件和/或电池组组件朝向车辆换电通道的侧壁上设有车载电池定位传感器，它们无线通信连接远程IO控制器，以将车载电池定位信息上送至站控工控机。

如图1，本实施例中，环境控制器用于与车载控制器进行无线交互，如接收换电请求、发送车辆位置调整指令等。环境控制器可将换电请求上送至站控工控机，由站控工控机根据换电请求信息判断换电车辆的合法性等。当允许换电时，站控工控机可根据远程IO控制器上送的车载电池定位传感器检测信息判断车载电池当前位置，并分析是否需要车辆位置调整，将测量位置调整指令通过环境控制器下发至车载控制器，最终使得车载电池位置处于允许停留换电位置。

本实施例中，车载电池定位传感器可采用激光测距式传感器，且检测口朝向车辆换电通道；车辆换电通道两侧的至少一侧壁上至少安装有2个位于同一高度的车载电池定位传感器，该2个车载电池定位传感器之间的距离略小于车载电池的宽度，且该2个车载电池定位传感器之间连线的垂直向上投影被覆盖于所述吊具的Y方向运动范围内。上述至少2个车载电池定位传感器分别检测自身与车辆之间的距离。通过根据车载电池的允许停留换电位置事先标定两传感器之间的距离，站控工控机能够根据两个车载电池定位传感器的检测结果信息判断传感器实时检测的位置是否为车载电池，进而判断车载电池实时是否进入允许停留换电位置，然后根据判断结果通过环境控制器与车载控制器的交互实现车辆的位置移动，最终使车载电池能够停留在吊具可吊装的位置。

为了实现车载电池更精确的定位，用于车载电池定位的传感器可在更多位置进行设置。

为了更方便地与换电车辆驾驶人员进行交互，以高效调整车辆位置，本实施例的车辆换电通道还设有报警灯、语音播报器和道闸灯，环境控制器通信可通信连接远程IO控制器以获取车载电池位置信息，并根据车载电池位置信息控制报警灯、语音播报器和道闸灯的信号输出，包括：当车辆进入车辆换电通道时，环境控制器控制道闸灯亮起；当车载电池未到位或到位时，环境控制器控制语音播报器和报警灯输出不同信号等。

为实现充换电站全站的高效运行，如图1，本实施例的控制系统采用了工业以太网实时总线方案，远程IO控制器、环境控制器、PLC换电控制器与站控工控机之间采用ModbusTCP总线通讯方式；用于实现吊装桁车运动控制以及吊具电缸伸缩控制的部分则采用实时性更高的EtherCAT总线通讯方式，由站控工控机进行相关的逻辑运算，根据车载电池位置计算吊装桁车控制变量，具体计算方法可利用现有技术实现，非本实用新型研究内容，不予赘述。

综上，本实用新型的控制系统在整体架构上，通过设置换电控制器、环境控制器以及远程IO控制器，把运动控制部分和环境以及其他数据采集分开来，运动控制部分采用EtherCAT总线架构，由PLC控制器控制伺服驱动器驱动伺服电机实现吊具的运动控制，能够最大限度的提高运动控制的实时性，减少整体换电时间，并能够实现全站更全面、准确、实时的信息采集，提升换电定位精度和安全性，且设备布线较为简洁，整站组合安装难度较小，即能够实现移动组合式充换电站的高效运行。

以上结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种移动式重卡充换电站系统，其特征是，包括充换电装置以及控制系统；

所述充换电装置包括充电组件、电池组组件、上车组件、换电通道组件以及控制室组件，所述电池组组件内设置多个充电位，各充电位分别安装有充电座，充电座上设有用于检测电池是否在位的电池位置传感器；单个所述上车组件与电池组组件上下连接组成一个换电组件，换电通道组件下方设置车辆换电通道，换电通道组件与换电组件中的上车组件相连，两者内部设置相互贯通的桁车轨道，所述桁车轨道上活动安装吊装桁车，吊装桁车上活动安装有吊具以及用于驱动吊具分别在X、Y、Z方向上运动的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，上车组件及换电通道组件内设有吊具位置检测机构；充电组件连接电池组组件，其内设有用于向充电位上电池进行充电的充电机；所述控制室组件及电池组组件分别位于所述车辆换电通道的两侧，控制室组件和/或电池组组件朝向车辆换电通道的侧壁上设有车载电池定位传感器；

所述控制系统包括设置于控制室组件内的远程IO控制器、环境控制器、换电控制器以及站控工控机，所述远程IO控制器通信连接所述电池位置传感器、吊具位置检测机构和车载电池定位传感器，将接收到的位置信号传输至站控工控机，所述环境控制器通信连接换电车辆的车载控制器，将接收到的换电请求和车载电池信息传输至站控工控机，所述站控工控机用于向换电控制器下发换电指令，所述换电控制器根据换电指令控制所述X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构的运动。

2.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述远程IO控制器、环境控制器和换电控制器与站控工控机之间采用Modbus TCP总线通信连接；所述换电控制器与X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构之间采用EtherCAT总线通信连接。

3.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述换电控制器采用PLC控制器；

所述X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构分别包括伺服驱动器和伺服电机，PLC控制器通过总线向伺服驱动器发送控制信号从而驱动伺服电机运动以带动吊具沿X方向、Y方向或Z方向运动。

4.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述车载电池定位传感器采用激光测距式传感器，且检测口朝向车辆换电通道；车辆换电通道两侧的至少一侧壁上至少安装有2个位于同一高度的车载电池定位传感器，该2个车载电池定位传感器之间的距离略小于车载电池的宽度，且该2个车载电池定位传感器之间连线的垂直向上投影被覆盖于所述吊具的Y方向运动范围内。

5.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述车辆换电通道还设有报警灯、语音播报器和道闸灯，所述环境控制器通信连接所述远程IO控制器以获取车载电池位置信息，并根据车载电池位置信息控制所述报警灯、语音播报器和道闸灯的信号输出。

6.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述电池位置传感器采用接近开关或者压力传感器。

7.根据权利要求1所述的移动式重卡充换电站系统，其特征是，所述充电组件或电池组组件内设置有用于检测各电池组电量信息的电能管理模块，所述电能管理模块无线通信连接远程IO控制器，通过远程IO控制器将各电池组的电量信息上送至站控工控机。