引言

隨著環(huán)境的變化，綠色能源的開(kāi)發(fā)成為動(dòng)力發(fā)展的主旋律。電動(dòng)車輛使用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，具有零排放、噪聲小、舒適干凈、易于操縱和維護(hù)的特點(diǎn)，受到世界各國(guó)的極大關(guān)注。電池作為電動(dòng)車輛最為核心的部件，需要經(jīng)常進(jìn)行充電或者更換電池，以保證電動(dòng)車的續(xù)航能力。電動(dòng)汽車單次充電的續(xù)駛里程較短，而電池每次充電的時(shí)間又太長(zhǎng)，讓電動(dòng)汽車的使用和推廣受到嚴(yán)重限制，因此，應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池快速更換技術(shù)成為了新能電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用具備實(shí)際價(jià)值可行性方案之一。同時(shí)，由于目前電動(dòng)汽車換電設(shè)施建設(shè)仍然處于示范、試點(diǎn)與推廣階段，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，在快速換電中的許多技術(shù)難關(guān)沒(méi)有得到徹底克服。尤其是對(duì)電動(dòng)汽車中的電池(如圖1所示)進(jìn)行定位是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文主要介紹一種在對(duì)電動(dòng)汽車換電過(guò)程中可快速進(jìn)行電池定位的方法。

（a）電動(dòng)汽車右側(cè)電池箱排布

（b）電動(dòng)汽車左側(cè)電池箱排布

圖1電動(dòng)汽車電池分布

1常用電池定位方法簡(jiǎn)介

在快速換電中，電池的更換完全依靠換電機(jī)器人來(lái)完成。要保證換電的成功率，換電機(jī)器人在進(jìn)行動(dòng)作前，首先要計(jì)算出承載電池貨叉的伸出長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)角度。但是由于電動(dòng)汽車停車方位的隨機(jī)性，這些數(shù)據(jù)都需要在換電過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量，以確保取放電池的準(zhǔn)確性。

計(jì)算電池偏轉(zhuǎn)角度最常采用的是兩點(diǎn)測(cè)距法（如圖2所示）：在換電程序中設(shè)定兩個(gè)固定位置，換電機(jī)器人在這兩個(gè)固定位置分別測(cè)得換電機(jī)器人與電池之間的距離l1、l2，然后根據(jù)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離s，計(jì)算出電池的偏轉(zhuǎn)角度。

…………………………………………………………………(1)

圖2兩點(diǎn)測(cè)距

而在進(jìn)行取電池時(shí)通常采用的作法是：首先根據(jù)測(cè)量設(shè)備在機(jī)器人的安裝位置使機(jī)器人動(dòng)作，調(diào)整貨叉方向，采集到電池與貨叉的相對(duì)位移，然后修正貨叉取電池位置，執(zhí)行機(jī)器人取電池動(dòng)作，并保存取電池坐標(biāo)以供放電池時(shí)使用。

采用上述方法計(jì)算電池的偏轉(zhuǎn)角度和電池的取放位置，需要使用兩套測(cè)量設(shè)備或者采用一套測(cè)量設(shè)備機(jī)器人移動(dòng)兩次的方法完成測(cè)量，具有成本高、檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。為了改善上述缺點(diǎn)，下面提出了一種使用單套測(cè)量設(shè)備機(jī)器人移動(dòng)一次完成電池定位的方法。

2旋轉(zhuǎn)測(cè)距法

2.1基本原理

2.1.1電池角度測(cè)量

在理想狀態(tài)下(如圖3)，測(cè)距儀安裝于換電機(jī)器人貨叉上，其測(cè)量起點(diǎn)正好位于貨叉的中心位置。電動(dòng)汽車按照正確指引停車后電池平面AB平行于換電機(jī)器人運(yùn)行軌道(垂直于貨叉取放電池的方向)。測(cè)距儀沿貨叉方向(OA)測(cè)得電池平面AB至貨叉旋轉(zhuǎn)中心的距離為L(zhǎng)。當(dāng)貨叉旋轉(zhuǎn)某一確定角度α后，此時(shí)測(cè)距儀測(cè)得從貨叉旋轉(zhuǎn)中心到電池平面AB沿貨叉方向的距離為l，此時(shí)有：

………………………………………….………………………(2)

當(dāng)換電汽車與換電機(jī)器人運(yùn)行軌道存在夾角θ時(shí)，此時(shí)測(cè)距儀測(cè)量得到的電池平面AB沿貨叉方向的長(zhǎng)度為l’，并滿足以下關(guān)系：

………………………………………………………(3)

進(jìn)而可以求出電池平面與換電機(jī)器人運(yùn)行軌道之間的夾角θ：

………………………..……………………………(4)

最后適當(dāng)調(diào)整貨叉方向，以便順利取放電池。

圖3理想情況下電池角度測(cè)量圖

2.1.2電池與貨叉距離計(jì)算

一些大型商用電動(dòng)汽車為了滿足更長(zhǎng)的續(xù)航能力，經(jīng)常采用多塊電池驅(qū)動(dòng)，各電池之間的位置相對(duì)固定，使用側(cè)面換電技術(shù)，通過(guò)測(cè)量單塊電池的方位即可確定其它電池的方位，此時(shí)若要對(duì)其它電池進(jìn)行更換，可以使用前面的測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算出的角度進(jìn)行確定。

如圖4。設(shè)在O點(diǎn)測(cè)距儀沿與軌道垂直方向測(cè)得到電池的距離為L(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算得到的電池方位角為θ，則O點(diǎn)(貨叉旋轉(zhuǎn)中心)到電池的實(shí)際距離為：

…………………………………………...…………………(5)

設(shè)取放電池位置到測(cè)量點(diǎn)在軌道方向的距離為s，則當(dāng)貨叉移動(dòng)到O’處時(shí)，電池到貨叉旋轉(zhuǎn)中心(O’)的實(shí)際距離為：

………………………………………………(6)

據(jù)此就可以得到取放電池時(shí)貨叉伸出的長(zhǎng)度。

圖4電池與貨叉距離示意圖

2.2算法優(yōu)化

在電池方位實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因測(cè)距儀不可能嚴(yán)格安裝在貨叉的旋轉(zhuǎn)中心，其安裝位置距貨叉的旋轉(zhuǎn)中心有一定的距離，但其測(cè)量方向與貨叉伸出的方向基本保持一致。

設(shè)貨叉位于原點(diǎn)位置時(shí)，測(cè)距儀與貨叉回轉(zhuǎn)中心的距離為R，當(dāng)貨叉垂直于換電機(jī)器人運(yùn)行軌道時(shí)測(cè)距儀和回轉(zhuǎn)中心的連線與軌道之間的夾角為β(如圖5)。在進(jìn)行定位測(cè)量時(shí)，先使貨叉方向與機(jī)器人運(yùn)行軌道垂直，這時(shí)測(cè)距儀的測(cè)量的距離為L(zhǎng)，然后使貨叉在固定位置旋轉(zhuǎn)一定的角度α。如果電動(dòng)汽車正好停車在理想的換電位置，則電池平面與機(jī)器人運(yùn)行軌道平行，測(cè)距儀測(cè)量結(jié)果為l，滿足式（7）。

…………………...………(7)

若電池平面與機(jī)器人運(yùn)行軌道平面不平行,式(7)不成立。此時(shí)測(cè)距儀測(cè)量所得數(shù)據(jù)為l’，設(shè)車體與理想停車位的夾角為θ。則有以下關(guān)系：

………….………(8)

進(jìn)而可以求出電池平面與換電機(jī)器人運(yùn)行軌道之間的夾角θ：

………………(9)

此時(shí)若當(dāng)前位置調(diào)整貨叉正對(duì)電池，則測(cè)距儀的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該與下式計(jì)算結(jié)果接近：

…………………………………(10)

在換電機(jī)器人移動(dòng)后，若要再次正確地取放電池，只須貨叉回歸原點(diǎn)，并按照θ值調(diào)整好方向，利用L’可計(jì)算出電池平面到測(cè)距儀原點(diǎn)的距離l’：

…………………………………………..……(11)

即

……………..………(12)由此就可以確定貨叉在取放電池時(shí)伸出的長(zhǎng)度。

圖5實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量方法

3算法應(yīng)用

在某換電試驗(yàn)中，采用兩點(diǎn)測(cè)距法更換單塊電池共需18步，若采用旋轉(zhuǎn)測(cè)距定位法只需16步，取消了在兩個(gè)參照位測(cè)距的動(dòng)作，采用實(shí)時(shí)計(jì)算值代替。在上述計(jì)算公式中的R值和α值不能通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到，必須通過(guò)多次試驗(yàn)獲取平均值。對(duì)算法的驗(yàn)證是穿插在其它工作中進(jìn)行的，不可能進(jìn)行大量的試驗(yàn)，因此僅對(duì)步11和步12進(jìn)行了改進(jìn)，將式(11)中的L’用步7的測(cè)量數(shù)據(jù)代替，完成單塊電池的更換，整個(gè)過(guò)程較采用兩點(diǎn)測(cè)距法運(yùn)行時(shí)間減少了8~10秒。

表1兩種換電定位方法的工藝比較

在我單位承擔(dān)的南京商用車換電站建設(shè)中，每輛電動(dòng)汽車包含九箱電池,分別分布在電動(dòng)汽車的左右兩側(cè)。按照本文介紹的算法,在對(duì)電池進(jìn)行方位測(cè)量過(guò)程中,每箱電池運(yùn)行時(shí)間減少8-10s,九箱電池一共減少72s-90s,大大提高了電動(dòng)汽車的換電效率,實(shí)現(xiàn)了快速換電。

4結(jié)束語(yǔ)

如何對(duì)電動(dòng)汽車電池進(jìn)行快速定位是換電領(lǐng)域一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文采用旋轉(zhuǎn)測(cè)距定位的方法測(cè)量電池的方位,相較兩點(diǎn)測(cè)距法在運(yùn)行效率上有了大大提高。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明該定位方法簡(jiǎn)單、有效、可靠，同時(shí)降低了換電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。