电动乘用车底盘电池组更换定位装置及其使用方法 技术领域 本发明涉及一种用于电动乘用车底盘电池组全自动更换时实现车辆定位的装置， 具体是配合全自动更换设备工作， 用于实现电动乘用车底盘电池组更换时的电动乘用车底 盘电池组更换定位装置及其方法。
背景技术 近年来， 随着环境污染和能源危机的加剧， 大力发展电动汽车， 是保证我国能源安 全， 实现中国汽车工业技术跨越式发展和可持续发展的重要选择。 因此， 电动汽车的发展成 为了汽车工业发展的必然趋势。
目前， 电动汽车能源补给主要有整车充电和机械换电两大类。 其中， 电动汽车整车 充电配套的充电方式有三种 ： 一是充电站 ； 二是可在城市小区、 商场停车位普遍设立的刷 卡式充电桩 ； 三是民用电插座。民用电插座不仅涉及电费计费、 电网冗余问题， 而且充电时 间长， 不可能成为主流充电方式。 而在停车位设立刷卡式充电桩， 很可能有大量的车辆在同 一时间进行充电， 一旦电动汽车的拥有量达到一定规模， 就会产生谐波， 对城市电网构成破 坏性影响， 电网将不堪此负。而充电站对车辆的充电服务， 必须能在短时间内完成， 鉴于目 前的快速充电、 电池技术， 快速充电对电池的造成的破坏是无法杜绝的， 用牺牲电池寿命作 为代价来完成快速充电是不划算的。因此， 该模式有很大的弊端。
与整车充电相比， 机械换电操作简单， 能够在 5 分钟内完成乘用车电池组的快速 更换， 实现了电能迅速补给， 减少客户的等待时间， 提高了充电站的利用率。 另外， 可在夜间 对电池组的进行集中充电， 实现了电力负荷的 “调峰储能” 的同时， 提高了电力设备的综合 利用效率， 延长了电池的使用寿命， 具有很高的推广价值和经济意义。
电动乘用车机械换电从电池安装方式分 ： 后背箱模式、 底盘模式， 底盘模式是把电 池放在底盘， 从更换方向上分有两种， 一个是上下换、 一个是侧面换。后背箱模式占用电动 汽车后背箱空间、 对车辆的定位要求低、 更换效率低、 更换过程需要人工参与， 不适于规模 化、 产业化发展 ； 底盘模式电池安装于汽车底部， 由于用铁板隔开了驾驶员与电池， 成为更 为安全的方式。 此外， 更换效率高、 自动化程度高， 能够很好的实现批量化和大规模商品化。 由于更换过程不需人工参与， 更换过程对车辆定位要求比较高。
中国国家知识产权局已公开的发明专利 CN200910090807.8 中， 阐述了一种用于 电动乘用车底盘电池更换的方法， 属于机械换电方式的一种。其电动乘用车定位方式为 ： 电动乘用车底部有四个刚性举升支点， 举升执行设备将电动乘用车固定支撑至轮胎离地的 适当高度。此举升过程中无法满足电动乘用车前后和左右的精确定位， 两个方向的冗余误 差会直接影响快换机器人更换电池作业的成功率 ； 更换车辆是否到达举升点、 保障措施并 无描述， 另对举升支点 ( 汽车、 梁框、 架焊接骨架 ) 的支撑部位选择要求较高， 定位难度比较 严重情况下使车辆发生侧倾、 跌落。 大， 支点滑落或支错位易对车辆底盘造成损坏，
发明内容本发明针对现有电动乘用车底盘 ( 机械 ) 换电模式存在问题， 提出了一种配合全 自动更换设备工作， 用于实现电动乘用车底盘电池组更换时的电动乘用车底盘电池组更换 定位装置及其方法。电动乘用车实现精确定位之后通过快换机器人可实现电池的快速、 准 确地拆卸和安装， 从而为电动乘用车充换电站提供了一种方便、 快捷、 经济的电池更换方 式。
为实现上述目的， 本发明采用的技术方案为 ：
一种电动乘用车底盘电池组更换定位装置， 它包括梯形高台， 在梯形高台的斜坡 上设有导引槽， 在梯形高台的顶部设有一对承载车辆前轮的 V 型滑槽和一对承载车辆后轮 的一型滑槽 ； 各滑槽还分别设有相应的定位伺服装置， 在定位伺服装置上设有车辆检测装 置， 定位伺服装置和车辆检测装置分别与控制装置连接 ； 所述的梯形高台为镂空结构， 在镂 空处对应底盘电池组的位置设置有液压驱动的自动升降装置 ； 每个所述定位伺服装置包括 一个伺服电机， 伺服电机与伺服驱动器和伸缩机构连接， 伺服驱动器与控制装置连接 ； 伸缩 机构则与橡胶挡块连接 ； 橡胶挡块上还设有压力传感器 ； V 型滑槽所对应的两定位伺服装 置上还设有车辆检测装置。
所述车辆检测装置为光电传感器。 所述橡胶挡块与伸缩机构通过铰链连接。
所述控制装置包括一台主电控柜和操作台， 主电控柜的内部安装有 PLC 控制模 块、 扩展模块、 电源模块、 供电系统， 操作台安装有显示设备和操控按钮 ； 所述定位伺服装置 和车辆检测装置与 PLC 控制模块连接。
一种电动乘用车底盘电池组更换定位装置的工作方法， 它的步骤为 ：
1) 更换车辆在梯形高台斜坡的导引槽作用下驶入梯形高台预定路线， 迫使更换车 辆前轮驶入一对 V 形滑槽， 后轮停留在一对一型滑槽内 ；
2) 光电传感器检测到车辆停留在梯形高台的更换位置后， 将信号传递到 PLC 控制 模块 ；
3)PLC 控制模块驱动四个定位伺服装置， 橡胶挡块顶端的压力传感器检测到压力 达到预定的设置值， 停止定位伺服装置的运动 ；
4)PLC 控制模块检测到快换机器人通过自动升降装置完成电动乘用车电池的更 换；
5)PLC 控制模块驱动四个定位伺服装置还原到初始状态， 四个定位伺服装置离开 车辆轮胎 ；
6) 更换车辆驶下梯形高台， 完成本次电池更换， PLC 控制模块进入等待状态。
本发明中， 电动乘用车底盘电池组更换车辆定位装置由机械单元和控制系统两个 部分组成， 所述的机械单元包括梯形高台、 四个作用于轮胎的定位伺服装置、 一对 V 形滑 槽、 一对一型滑槽， 梯形高台将更换车辆抬高到一定的离地高度， 为电池组更换设备预留一 定的垂直作业空间 ； 在高台斜坡的导引槽作用下迫使更换车辆前轮停留在 V 形滑槽， 后轮 停留在一型滑槽 ； 四个作用于轮胎的定位伺服装置相向伸缩， 实现车辆姿态的左右定位 ； 各滑槽在车辆自重的作用下， 配合光电检测传感器， 实现车辆的前后定位， 在车辆左右定位 时， 各滑槽对汽车轮胎的滚动作用， 减小了定位伺服装置的相向伸缩力。 四个作用于轮胎的 定位伺服装置分别设有驱动其运动的伺服电机。
梯形高台为镂空的空心结构， 高台上面设置有电池更换作业孔， 在镂空处对应底 盘电池组的位置设置有液压驱动的自动升降装置 20， 可方便通过电池快换机器人从下面进 行电池更换、 作业 ； 斜坡设置有车轮导引槽， 高台上面设置有前后定位的滑槽、 左右定位的 定位伺服装置。
V 型滑槽有 2 个， 单个为 “V” 字形排列。
一型滑槽有 2 个， 单个为 “一” 字形排列。
定位伺服装置有 4 个， 成对相向排列， 各伸缩机构的端部为橡胶挡块， 顶端布置有 光电检测传感器， 橡胶挡块增大伺服运动机构与车辆轮胎的接触面积， 同时， 减小伺服运动 机构的伸缩运动对轮胎侧面造成的破坏 ； 光电传感器用于检测高台上面是否有更换车辆、 车辆是否定位完成， 为更换装置提供相应检测信号。
橡胶挡块与伸缩机构部分为铰链连接， 具有一定的摆动自由度， 保证 4 个机构伸 缩作业时的平行度。
定位伺服装置为交流伺服电机驱动， 在压力传感器的配合下， 交流伺服电机控制 伸缩机构到达程序预定的水平位置。
控制装置包括一台主电控柜和操作台， 主电控柜的内部安装有 PLC 控制模块、 扩 展模块、 电源模块、 供电系统， 操作台安装有显示设备和各类操控按钮。所述的 PLC 控制模 块与触摸屏之间通过 PROFIBUS-DP 总线连接。
PLC 控制模块采用西门子 S7-300 系列 315-2DP 型控制器， 并连接有本地显示、 操作 设备。
本发明的有益效果是 ： 它由梯形高台、 四个作用于轮胎的伺服运动机构、 一对 V 形 滑槽、 一对一形滑槽组成， 更换车辆在高台斜坡导引槽作用下迫使更换车辆被动驶入 V 形 滑槽， 实现车辆前后定位 ； 控制系统根据相应传感器信号控制伺服驱动机械伸缩运动， 伺服 运动机构端部橡胶挡块作用于更换车辆轮胎， 在 V 形滑槽的滑动使用下， 调整更换车辆姿 态， 实现车辆左右定位。
在上述过程调整下实现更换车辆的精确定位。同时， 更换车辆压力被均衡在定位 装置的不同部分， 加上滑槽的滑动使用， 伺服运动机构无需提供过大扭矩， 即可实现更换车 辆的快速定位。 附图说明
图 1 为本发明实施例中电动乘用车底盘电池组更换定位装置总体示意图。
图 2 为 V 型滑槽示意图。
图 3 为一型滑槽示意图。
图 4 为自动升降装置示意图。
图 5 为控制系统原理框图。
图 6 为工作流程。
图中 ： 1、 梯形高台， 2、 导引槽， 3、 光电传感器， 4、 V 型滑槽， 5、 车轮轮胎， 6、 橡胶挡 块， 7、 定位伺服装置， 8、 一型滑槽， 9、 压力传感器， 10、 PLC 控制模块， 11、 显示设备， 12、 车前 轮左伺服驱动器， 13、 车前轮左伺服电机， 14、 车前轮右伺服驱动器， 15、 车前轮右伺服电机， 16、 车后轮左伺服驱动器， 17、 车后轮左伺服电机， 18、 车后轮右伺服驱动器， 19、 车后轮右伺服电机， 20、 自动升降装置。 具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图 1、 图 2、 图 3、 图 4 中， 电动乘用车底盘电池组更换车辆定位装置的机械单元包 括梯形高台 1、 四个作用于车轮轮胎 5 的定位伺服装置 7、 一对 V 形滑槽 4、 一对一型滑槽 8， 梯形高台 1 将更换车辆抬高到一定的离地高度， 为电池组更换设备预留一定的垂直作业空 间； 在梯形高台 1 斜坡的导引槽 2 作用下迫使更换车辆前轮驶入 V 形滑槽 4， 后轮停留在一 型滑槽 8 中， 四个作用于车轮轮胎 5 的定位伺服装置 7 相向伸缩， 实现车辆姿态的左右定 位； V 型滑槽 4 在车辆自重的作用下， 配合其上的光电检测传感器 3， 实现车辆的前后定位， 在车辆左右定位时， V 型滑槽 4 以及一型滑槽 8 对车轮轮胎 5 的滚动作用， 减小了定位伺服 装置 7 的相向伸缩力。四个作用于车轮轮胎 5 的定位伺服装置 7 分别设有伺服驱动器以及 交流伺服电机。
所述的梯形高台 1 为镂空的空心结构， 梯形高台 1 镂空处设置有电池更换作业孔， 对应于电池更换作业孔安装有液压驱动的自动升降装置 20， 以方便电池的更换， 斜坡设置 有车轮导引槽 2， 高台上面设置有前后定位的 V 型滑槽 4、 一型滑槽 8、 左右定位的定位伺服 装置 7。 定位伺服装置 7 有四组， 每组由伺服驱动器、 交流伺服电机、 橡胶挡块 6、 伸缩机构 组成， 成对相向排列， 每组端部安装有橡胶挡块 6、 压力传感器 9， 橡胶挡块 6 增大定位伺服 装置 7 与车轮轮胎 5 的接触面积， 同时， 减小定位伺服装置 7 的伸缩运动对车轮轮胎 5 侧面 造成的破坏 ； 光电传感器 3 用于检测高台 1 上面是否有更换车辆、 车辆是否定位完成， 为更 换装置提供相应检测信号。
橡胶挡块 6 与伸缩机构部分为铰链连接， 具有一定的摆动自由度， 保证 4 个机构伸 缩作业时的平行度。
定位伺服装置 7 为交流伺服驱动， 在压力传感器 9 的配合下， 交流伺服电机驱动伺 服伸缩机构到达程序预定的水平位置。
所述的四组定位伺服装置 7 中， 其伺服驱动器可分为 ：
车前轮左伺服驱动器 12， 它与车前轮左伺服电机 13 连接 ；
车前轮右伺服驱动器 14， 它与车前轮右伺服电机 15 连接 ；
车后轮左伺服驱动器 16， 它与车后轮左伺服电机 17 连接 ；
车后轮右伺服驱动器 18， 它与车后轮右伺服电机 19 连接 ；
各伺服驱动器通过 PROFIBUS-DP 总线与 PLC 控制模块连接。
整个控制装置包括一台主电控柜和操作台， 主电控柜的内部安装有 PLC 控制模 块、 扩展模块、 电源模块、 供电系统， 操作台安装有显示设备 11 和各类操控按钮。 所述的 PLC 控制模块与显示设备之间通过 PROFIBUS-DP 总线连接通讯。
PLC 控制模块采用西门子 S7-300 系列 315-2DP 型控制器， 并连接有本地显示、 操作 设备。
所述 PLC 控制模块还与光电传感器 3 连接。
本发明的工作流程， 包括以下主要步骤 ：
1、 更换车辆在梯形高台 1 斜坡的导引槽 2 作用下驶入梯形高台 1 预定路线， 最终 在 V 形滑槽 4 的作用下迫使更换车辆被动驶入 V 形滑槽 4， 后轮停留在一型滑槽 8。
2、 光电传感器 3 检测到车辆停留在梯形高台 1 更换位置， 信号传递到 PLC 控制模 块。
3、 PLC 控制模块驱动 4 个定位伺服装置 7， 橡胶挡块 6 顶端压力传感器 9 检测到压 力达到预定的设置值， 停止定位伺服装置 7 的运动。
4、 PLC 控制模块检测到快换机器人通过自动升降装置 20 完成电动乘用车电池的 更换。
5、 PLC 控制模块驱动 4 个伺服运动机构 7 还原到初始状态， 定位伺服装置 7 离开 车轮轮胎 5。
6、 更换车辆驶下梯形高台 1， 完成本次电池更换。PLC 控制模块进入等待状态。
本发明中， 光电检测传感器 3 判断到车辆已经前后到位， 控制系统检测到此信号， 定位伺服装置 7 带动橡胶挡块 6 挤压车轮轮胎侧面， 通过安装橡胶挡块 6 上压力传感器 9 反馈信号至控制模块， 在压力传感器检测到的压力信号达到设定的压力信号值， 停止定位 伺服装置 7 的动作， 从而实现电动乘用车左右位置的精确定位。 完成电动乘用车前后和左右精确定位后， 其定位信息被传送到控制模块， 并与其 它车辆更换系统进行信息交互， 完成电动乘用车底盘电池的更换。
此装置均只需机械部分四个方向的配合运动即可完成。 与现有的车体举升方式相 比， 该设计巧妙， 考虑周全， 支撑定位点的选择在其它定位措施的配合下， 可以轻易选择 ； 装 置运行的可靠性、 定位准确性高， 定位操作对车体无损害， 很好的满足了电动乘用车底盘电 池全自动化更换系统对车辆定位精度的要求。
上述描述对本发明作示例性说明， 不对本发明的保护范围作具体限定， 其技术特 征的等同替代方式或明显变形方式应当落在本发明的保护范围之内。