引言

隨著環(huán)境的變化，綠色能源的開發(fā)成為動力發(fā)展的主旋律。電動車輛使用電動機(jī)作為原動機(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)，受到世界各國的極大關(guān)注。電池作為電動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，以保證電動車的續(xù)航能力。電動汽車單次充電的續(xù)駛里程較短，而電池每次充電的時間又太長，讓電動汽車的使用和推廣受到嚴(yán)重限制，因此，應(yīng)用在電動汽車上的動力電池快速更換技術(shù)成為了新能電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用具備實(shí)際價值可行性方案之一。同時，由于目前電動汽車換電設(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)沒有得到徹底克服。尤其是對電動汽車中的電池(如圖1所示)進(jìn)行定位是一項關(guān)鍵技術(shù)。本文主要介紹一種在對電動汽車換電過程中可快速進(jìn)行電池定位的方法。

（a）電動汽車右側(cè)電池箱排布

（b）電動汽車左側(cè)電池箱排布

圖1電動汽車電池分布

1常用電池定位方法簡介

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

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

…………………………………………………………………(1)

圖2兩點(diǎn)測距

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

采用上述方法計算電池的偏轉(zhuǎn)角度和電池的取放位置，需要使用兩套測量設(shè)備或者采用一套測量設(shè)備機(jī)器人移動兩次的方法完成測量，具有成本高、檢測時間較長的缺點(diǎn)。為了改善上述缺點(diǎn)，下面提出了一種使用單套測量設(shè)備機(jī)器人移動一次完成電池定位的方法。

2旋轉(zhuǎn)測距法

2.1基本原理

2.1.1電池角度測量

在理想狀態(tài)下(如圖3)，測距儀安裝于換電機(jī)器人貨叉上，其測量起點(diǎn)正好位于貨叉的中心位置。電動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)。測距儀沿貨叉方向(OA)測得電池平面AB至貨叉旋轉(zhuǎn)中心的距離為L。當(dāng)貨叉旋轉(zhuǎn)某一確定角度α后，此時測距儀測得從貨叉旋轉(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，此時測距儀測量得到的電池平面AB沿貨叉方向的長度為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量圖

2.1.2電池與貨叉距離計算

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

如圖4。設(shè)在O點(diǎn)測距儀沿與軌道垂直方向測得到電池的距離為L，通過計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)取放電池位置到測量點(diǎn)在軌道方向的距離為s，則當(dāng)貨叉移動到O’處時，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貨叉伸出的長度。

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)際測量過程中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因測距儀不可能嚴(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，測距儀與貨叉回轉(zhuǎn)中心的距離為R，當(dāng)貨叉垂直于換電機(jī)器人運(yùn)行軌道時測距儀和回轉(zhuǎn)中心的連線與軌道之間的夾角為β(如圖5)。在進(jìn)行定位測量時，先使貨叉方向與機(jī)器人運(yùn)行軌道垂直，這時測距儀的測量的距離為L，然后使貨叉在固定位置旋轉(zhuǎn)一定的角度α。如果電動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，測距儀測量結(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。此時測距儀測量所得數(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)

此時若當(dāng)前位置調(diào)整貨叉正對電池，則測距儀的測量結(jié)果應(yīng)該與下式計算結(jié)果接近：

…………………………………(10)

在換電機(jī)器人移動后，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’可計算出電池平面到測距儀原點(diǎn)的距離l’：

…………………………………………..……(11)

即

……………..………(12)由此就可以確定貨叉在取放電池時伸出的長度。

圖5實(shí)際運(yùn)行過程中測量方法

3算法應(yīng)用

在某換電試驗中，采用兩點(diǎn)測距法更換單塊電池共需18步，若采用旋轉(zhuǎn)測距定位法只需16步，取消了在兩個參照位測距的動作，采用實(shí)時計算值代替。在上述計算公式中的R值和α值不能通過實(shí)際測量得到，必須通過多次試驗獲取平均值。對算法的驗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，因此僅對步11和步12進(jìn)行了改進(jìn)，將式(11)中的L’用步7的測量數(shù)據(jù)代替，完成單塊電池的更換，整個過程較采用兩點(diǎn)測距法運(yùn)行時間減少了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，每輛電動汽車包含九箱電池,分別分布在電動汽車的左右兩側(cè)。按照本文介紹的算法,在對電池進(jìn)行方位測量過程中,每箱電池運(yùn)行時間減少8-10s,九箱電池一共減少72s-90s,大大提高了電動汽車的換電效率,實(shí)現(xiàn)了快速換電。

4結(jié)束語

如何對電動汽車電池進(jìn)行快速定位是換電領(lǐng)域一項關(guān)鍵技術(shù)。本文采用旋轉(zhuǎn)測距定位的方法測量電池的方位,相較兩點(diǎn)測距法在運(yùn)行效率上有了大大提高。通過大量實(shí)驗證明該定位方法簡單、有效、可靠，同時降低了換電設(shè)備的運(yùn)行時間。