方線偉 袁秀峰 林文舵 丁明波

法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

0 引言

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車電池的續(xù)航能力和充電方式都有所改善，人們對(duì)其的關(guān)注度及購買意愿與日俱增。在一些相對(duì)封閉的港口、礦山、水泥泵站、汽車運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，重型電動(dòng)卡車（以下簡(jiǎn)稱重卡）的使用也越來越多，一方面由于我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)“30&60 雙碳”排放目標(biāo)，政府對(duì)換電項(xiàng)目的大力支持；另一方面，重型電動(dòng)卡車可以大大降低客戶后期的使用成本和維護(hù)成本，節(jié)約能源資源，重卡換電技術(shù)主要受到電池的續(xù)航能力和換電方式、換電站的選址等因素的影響。

目前市場(chǎng)上有多家重卡換電站廠家，每家換電站企業(yè)都有自己的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特的換電方式。換電方式可分為卡車頂部換電、卡車單側(cè)換電、卡車雙側(cè)換電等，每種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。普通頂部換電方式對(duì)司機(jī)的操作?？克揭筝^高，對(duì)換電機(jī)器人的自動(dòng)化水平要求偏低，成本相對(duì)偏低；單側(cè)換電方式對(duì)卡車司機(jī)的停靠位置要求不是太高，主要采用類似機(jī)械手的機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和定位重卡位置，對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度依賴較大；雙側(cè)換電方式類似于單側(cè)換電，設(shè)有2 套換電機(jī)器人和電池充電管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人取空電量的電池和放充滿電量的電池同步進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)等待卡車上空電量的電池吊放到空倉位后再提供滿電量的電池到卡車上的情況，這種方案可縮短換電時(shí)間，但卻增加了2 套吊裝設(shè)備，整個(gè)換電站的成本相對(duì)增加一倍。

本文以某重卡換電項(xiàng)目為例，結(jié)合歐式橋式起重機(jī)低凈空的特點(diǎn)，采用歐式智能起重機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)單側(cè)換電方式，每個(gè)重卡的換電時(shí)間基本在3～5 min 完成，換電時(shí)間比加滿一箱油的時(shí)間大大縮短，有效提高了整個(gè)重卡的換電效率。本文介紹了重卡換電用智能起重機(jī)的電控系統(tǒng)組成、自動(dòng)操作流程、卡車電池定位識(shí)別方法和換電管理流程等。

1 重卡換電站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重卡換電站的機(jī)械部分主要由電池充換電倉、地面電池底托、取放電池用的機(jī)器設(shè)備等組成；電氣部分主要由地面站控管理系統(tǒng)、智能起重機(jī)控制系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)等組成。換電倉根據(jù)不同的工況需求，配置的電池倉位也不同，一般采用3+1、5+1、7+1 等模式。本文主要介紹重卡換電站的智能起重機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，其他部分只做簡(jiǎn)單介紹。

智能起重機(jī)采用X軸、Y軸、Z軸的三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定位+吊具機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池的抓取、搬運(yùn)及卸載等動(dòng)作。起重機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC+伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)位置精準(zhǔn)控制，控制系統(tǒng)放置于起重機(jī)上，減少了通訊線纜的長(zhǎng)度，避免了因伺服通訊線纜過長(zhǎng)而造成的信號(hào)干擾，提高了智能起重機(jī)的穩(wěn)定性。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

該換電站由1 個(gè)換電通道和垂直于換電通道的集裝箱組成，集裝箱內(nèi)集成了4 個(gè)電池充電倉，采用3+1 模式，內(nèi)含1 個(gè)周轉(zhuǎn)工位和3 個(gè)電池工位。集裝箱外部采用4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)300 kW 獨(dú)立充電樁為集裝箱內(nèi)的3 個(gè)電池進(jìn)行充電，同時(shí)還可對(duì)外來車輛進(jìn)行直接充電，重卡整體換電站的地面布置如圖1所示。集裝箱內(nèi)主要集成了智能起重機(jī)、電池底座、集裝箱內(nèi)飾結(jié)構(gòu)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)、監(jiān)控室空調(diào)、地面站控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)施等部分。

圖1 重卡換電站地面布置圖

智能起重機(jī)是整個(gè)換電站中的核心搬運(yùn)裝置，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)的基礎(chǔ)設(shè)備，表1 給出了智能起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和定位精度要求等參數(shù)。

表1 起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)行參數(shù)

1.2 智能起重機(jī)的控制框圖

智能起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要包含起重機(jī)的三坐標(biāo)定位系統(tǒng)、起重機(jī)電控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、地面站控系統(tǒng)、移門掃描系統(tǒng)等部分，每個(gè)部分的工作要求和目標(biāo)都圍繞著實(shí)現(xiàn)電池吊裝時(shí)的準(zhǔn)確性和快速性進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能起重機(jī)與地面站控系統(tǒng)采用穩(wěn)定的有線控制實(shí)現(xiàn)，保障了信號(hào)不會(huì)因其他干擾而出現(xiàn)故障，同時(shí)也保障了信息通訊的實(shí)時(shí)性，智能起重機(jī)的控制框圖如圖2所示。

圖2 智能起重機(jī)控制系統(tǒng)框圖

1.3 智能起重機(jī)電控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能起重機(jī)采用伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)和定位，伺服電動(dòng)機(jī)自帶有編碼器，控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。然而智能起重機(jī)的噸位小、自重輕，在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)車輪打滑或跳動(dòng)等現(xiàn)象，不能完全利用伺服電動(dòng)機(jī)編碼器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，外部需要增加檢測(cè)傳感器方可實(shí)現(xiàn)位置控制，故采用速度閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制雙重控制方式以保障系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。常用的外部檢測(cè)傳感器有激光測(cè)距儀、條碼測(cè)距儀、絕對(duì)值編碼器和格雷母線等，為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試的順利進(jìn)行，本系統(tǒng)大車采用激光測(cè)距儀定位、小車采用絕對(duì)值編碼器加齒輪齒條控制、起升采用絕對(duì)值編碼器控制方式，有效提高了設(shè)備的整體控制精度。

伺服控制器系統(tǒng)和三坐標(biāo)控制系統(tǒng)采用通訊方式與PLC 系統(tǒng)進(jìn)行通訊和控制，保障了智能起重機(jī)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)，減少了其他電子元器件的干擾。

1.4 地面站控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

地面站控系統(tǒng)承載著整個(gè)換電站的控制和運(yùn)行，上端與智能起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，下端與地面充電管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程運(yùn)維中心進(jìn)行對(duì)接，是整個(gè)換電站的核心控制部分。本文主要介紹與智能起重機(jī)設(shè)計(jì)和控制相關(guān)的部分，地面站控系統(tǒng)采用PLC 和工控機(jī)進(jìn)行調(diào)度控制，智能起重機(jī)通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、通過觸摸屏（HMI）實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行。

地面移門控制系統(tǒng)主要涉及到重卡電動(dòng)汽車?？课恢煤蛙囕d電池位置的定位，同樣采用伺服控制+編碼器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。為了更準(zhǔn)確地識(shí)別車載電池的停放角度，在移門系統(tǒng)上增加激光測(cè)距儀，檢測(cè)車載電池的偏移量，根據(jù)偏移量的數(shù)值適當(dāng)調(diào)整智能起重機(jī)的小車位置和吊具的旋轉(zhuǎn)角度，使起吊車載電池時(shí)能夠更準(zhǔn)確。

2 重卡換電站流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重卡換電站的換電流程主要由電池出入庫和電池移庫等流程組成。針對(duì)每個(gè)流程，系統(tǒng)優(yōu)化選擇一條最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)電池移動(dòng)的最短路徑，從而提高了設(shè)計(jì)的運(yùn)行效率。整個(gè)換電系統(tǒng)有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)等3 種運(yùn)行模式，自動(dòng)模式為正常生產(chǎn)時(shí)期使用，其他可操作范圍為控制柜按鈕、急停按鈕以及觸摸屏上的顯示信息等；半自動(dòng)、手動(dòng)模式只是針對(duì)調(diào)試、維修、故障排除時(shí)使用，包括每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單步以及連步動(dòng)作執(zhí)行。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，若手動(dòng)運(yùn)行模式失效，而急停按鈕不管是何種模式，均應(yīng)能及時(shí)確保安全斷電，以保障動(dòng)作機(jī)構(gòu)及時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

2.1 全自動(dòng)模式下的控制流程

1）電池出入庫流程

當(dāng)重卡電動(dòng)汽車開到位置后，司機(jī)通過RFID 系統(tǒng)進(jìn)行掃碼確認(rèn)，并對(duì)汽車電池進(jìn)行解鎖操作，待車輛信息和系統(tǒng)信息匹配完成后，換電系統(tǒng)移門自動(dòng)打開，掃描重卡電動(dòng)汽車上面電池的擺放狀態(tài)，系統(tǒng)確認(rèn)重卡電動(dòng)汽車上電池的坐標(biāo)位置，智能起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行到電池位置進(jìn)行取電池操作，然后取走空電池放進(jìn)充電倉內(nèi)，系統(tǒng)推薦滿電池進(jìn)行更換，直至完成電池的更換。換電流程如圖3所示。

圖3 電池出入庫流程圖

2）電池移庫流程

為了提高換電的效率，可以臨時(shí)將充滿電的電池移到距離移門較近的地方，并將空位置預(yù)留給后續(xù)需要充電的電池。一方面可以保障換電的效率，另一方面也對(duì)電池的充電壽命進(jìn)行監(jiān)控，能夠最大限度地利用電池的充放電過程。電池的移庫基本上是在設(shè)備空閑時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)電池充放電數(shù)據(jù)指導(dǎo)智能起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行完成。

2.2 智能起重機(jī)智能監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能起重機(jī)的遠(yuǎn)程全自動(dòng)和半自動(dòng)進(jìn)行操作，地面站控系統(tǒng)根據(jù)換電過程和數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要設(shè)計(jì)了1 套完整的系統(tǒng)操作流程，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作接口對(duì)接和就地操作控制，操作流程界面如圖4所示。通過界面可以監(jiān)控汽車的車輛信息、電池的坐標(biāo)信息、智能起重機(jī)的當(dāng)前位置信息和狀態(tài)信息等，這些信息既可本地監(jiān)控，也可通過無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析當(dāng)前該站的運(yùn)行情況和維保信息。

圖4 站控系統(tǒng)操作流程

1）重卡電動(dòng)汽車電池定位設(shè)計(jì)

在重卡換電站集裝箱移門上安裝激光測(cè)距儀，移門安裝帶有絕對(duì)值編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)，通過移門的移動(dòng)帶動(dòng)移門上的激光測(cè)距儀移動(dòng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)距離重卡汽車上的電池距離，取移門打開時(shí)的位置數(shù)據(jù)、中間位置數(shù)據(jù)和移門到位后的位置數(shù)據(jù)（見圖5），通過計(jì)算出重卡汽車電池的坐標(biāo)位置，指導(dǎo)智能起重機(jī)進(jìn)行電池抓取位置的判斷，能夠快速找到最合適的吊裝位，不需要駕駛員反復(fù)調(diào)整車輛的位置，節(jié)省了停車時(shí)間，進(jìn)而提升了換電效率。

圖5 重卡汽車電池位置示意圖

①預(yù)先設(shè)定電池的中心基準(zhǔn)位置坐標(biāo)A（a，b），選取移門中心和電池的中心在同一條直線，此時(shí)記錄下激光的距離B，移門的位移為C。

②接收到換電指令后，在預(yù)設(shè)的第一位置記錄移門第1 次行走距離X1和激光距離Y1（第1 位置是電池上邊緣的任意位置）。

③在預(yù)設(shè)的第2 位置記錄移門第2 次行走距離X2和激光距離Y2（第2 位置是電池下邊緣的任意位置），并獲取卡車電池的寬度D。

④基于移門第1 次行走距離X1、激光距離Y1、移門第2 次行走距離X2和激光側(cè)出距離Y2，計(jì)算電池的偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N。

⑤基于偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的閾值對(duì)比，確定電池的吊裝策略。

結(jié)合重卡汽車電池的位置，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值，得出電池的偏差角度α、電池的左右偏差距離M和前后中心偏差距離N分別為

電池吊裝策略主要是通過判斷偏差角度α是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第1 閾值，左右偏差M是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第2 閾值，前后偏差N是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第3 閾值；若這3 個(gè)條件中有任意1 個(gè)未滿足，則需要駕駛員調(diào)整車輛，重新進(jìn)行打開移門進(jìn)行掃描確認(rèn)信息；若這3 個(gè)條件都滿足，系統(tǒng)則根據(jù)前后偏差和左右偏差，通過機(jī)器人自帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，匹配卡車最終停止位置，準(zhǔn)確地識(shí)別卡車電池的位置。

2）防搖擺控制設(shè)計(jì)

由于重卡汽車的電池自重為3.5 t，智能起重機(jī)的載荷采用5 t 設(shè)計(jì)。起重機(jī)本身的跨度小、小車自重和吊裝質(zhì)量相對(duì)較輕，特別是在大車機(jī)構(gòu)快速運(yùn)行和高定位精度過程中，系統(tǒng)對(duì)智能起重機(jī)的穩(wěn)定性要求較高。智能起重機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，增加了導(dǎo)錐式機(jī)械防遙裝置，以保障運(yùn)行時(shí)機(jī)械裝置的穩(wěn)定性，并在自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加電氣開環(huán)防搖擺控制程序，路徑規(guī)劃過程中對(duì)速度和加速度增加了S 曲線控制，根據(jù)目標(biāo)位置的距離采用不同的控制策略和速度曲線，可在運(yùn)行過程中提前進(jìn)行變速控制，實(shí)現(xiàn)智能起重機(jī)在運(yùn)行中快速定位，保障電池定位時(shí)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，提高整個(gè)換電過程中的效率。

3 展望與總結(jié)

隨著新能源汽車在各行業(yè)的不斷普及，電動(dòng)重卡汽車在特定行業(yè)得到了充分的利用。通過重卡換電站的數(shù)量增加，有效地解決了電池能量不足的問題，重卡換電站作為獨(dú)立的、可移動(dòng)的設(shè)備，系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的可行性強(qiáng)，換電系統(tǒng)的可復(fù)制性強(qiáng)，在很多礦場(chǎng)和封閉廠區(qū)內(nèi)推廣性強(qiáng)。重卡換電站配備智能化起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)了重卡換電全流程的自動(dòng)控制，有效提高了重卡換電的效率和電池質(zhì)量的管理，減少了客戶和廠家的運(yùn)維服務(wù)成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率和安全性，為客戶實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能目標(biāo)創(chuàng)造價(jià)值。通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，重卡換電智能起重機(jī)已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位±3 mm 的目標(biāo)，該起重機(jī)的配置和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，可以借鑒到其他行業(yè)起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，增加一些人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，為客戶節(jié)省大量的人力和物力成本。