电动汽车自动充电系统.pdf

本发明公开了一种电动汽车自动充电系统，包括充电控制器、充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置，所述充电控制器与充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置连接；充电桩包括桩体，以及桩体内的电气模块和计量模块；汽车充电插座识别定位装置包括超声波传感器、激光测距传感器组、CCD图像传感器、图像对位处理器；所述超声波传感器、激光测距传感器组与充电控制器连接；CCD图像传感器通过图像对位处理器与充电控制器连接，充电控制器控制充电插头自动插拔装置，使充电插头自动插拔装置上的充电插头与电动汽车上的充电插座实现自动插拔。本发明可自动将充电插头插入或拔出电动汽车的充电插座中。

权利要求书1.  电动汽车自动充电系统，其特征在于：包括充电控制器、充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置，所述充电控制器与充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置连接；所述充电桩包括桩体，以及桩体内的电气模块和计量模块，所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座，所述电气模块与计量模块连接；所述汽车充电插座识别定位装置包括超声波传感器、激光测距传感器组、CCD图像传感器、图像对位处理器；所述超声波传感器实时探测汽车泊车信号，并将该泊车信号传递给充电控制器，当充电控制器接收到超声波传感器传来的泊车信号时，充电控制器控制激光测距传感器组的开启，激光测距传感器组的激光测距传感器采集汽车泊车姿态，并将该姿态信息传递给充电控制器；所述CCD图像传感器将采集的充电插座所在侧的汽车侧面图像数据传递给图像对位处理器，图像对位处理器将接收的图像信息与预先存储在图像对位处理器中的参考图像进行比较，算出实际汽车充电插座位置与参考图像的汽车充电插座位置的偏移值，并将该偏移值传送给充电控制器，充电控制器根据上述数据控制充电插头自动插拔装置，使充电插头自动插拔装置上的充电插头与电动汽车上的充电插座实现自动插拔。2.  如权利要求1所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于：所述充电插头自动插拔装置包括底座、升降台、机械大臂、机械小臂，以及机械小臂上的充电插头；所述底座安设在底座导轨上，底座通过水平伺服电机在底座导轨上实现直线移动；所述升降台通过旋转台与底座连接，所述升降台上设有机械臂支座，所述机械大臂通过铰链与机械臂支座顶端相连，机械大臂在旋转伺服电机的驱动下绕铰链转动，当不进行充电时，机械大臂折叠在机械臂支座的存放槽内；所述机械大臂上设有导轨，所述机械小臂置于导轨上，机械小臂与直线伺服电机连接，充电控制器控制直线伺服电机，使直线伺服电机控制机械小臂在导轨上移动，以实现机械小臂上的充电插头与电动汽车上的汽车充电插座自动插拔；所述充电控制器控制旋转台的旋转角度，充电控制器控制升降台的升降高度，充电控制器控制底座的水平移动。3.  如权利要求1所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于：所述电气模块输出的电压为交流220V、交流380V和\或直流380V。4.  如权利要求1或3所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于：所述电气模块还包括电源转接端子排和安全防护装置。5.  如权利要求2所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于：所述机械臂支座上设有横梁，所述超声波传感器和激光测距传感器组置于横梁上，所述激光测距传感器组包括2个分别置于横梁两侧的激光测距传感器。6.  如权利要求2所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于：所述底座通过丝杆与水平伺服电机连接；所述升降台通过导柱安设在旋转台上；所述旋转台通过转盘安设在底座上；充电插头通过插头紧固装置固定在机械小臂上。

说明书电动汽车自动充电系统
技术领域
本发明涉及一种充电装置，具体涉及一种电动汽车自动充电系统。
背景技术
电动汽车节能环保，不污染环境，是未来汽车的主流形态，也是当前汽车工业发展的重点和研究热点。电动汽车的充电装置是保证电动汽车正常使用的重要设备。现有的电动汽车充电装置包括了各类交流和直流充电桩和充电站。使用这些充电装置时，需要使用者手动将充电装置上的充电插头插入电动汽车的充电插座内，然后启动充电，而在充电完成后，同样需要使用者手动移除充电插头并将其放置在充电装置上。在交流充电装置的充电插头上，除了有供电触头外，还有保护接地触头、控制确认触头、充电连接确认触头等共计7个触头。而在直流充电装置的充电插头上，除了供电触头外，还有保护接地触头等共计9个触头。在充电过程中，首先接通保护接地触头，最后接通控制确认触头与充电连接确认触头，在脱开的过程中，首先断开充电连接确认触头和控制确认触头，最后断开保护接地触头。触头的接通与断开通过内部开关电路进行控制。通过手动方式插拔充电插头进行电动汽车充电作业一方面存在一定安全隐患，另一方面降低了电动汽车的使用体验，便捷性不够。
发明内容
本发明针对使用电动汽车充电装置时需要手动插拔充电插头进行充电作业的问题，提出一种智能化的电动汽车自动充电系统，该系统能够自动识别停泊在充电车位上的电动汽车并自动定位充电插座，通过自动充插拔电插头完成充电过程。
本发明是这样实现的：
一种电动汽车自动充电系统，包括充电控制器、充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置，所述充电控制器与充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置连接；
所述充电桩包括桩体，以及桩体内的电气模块和计量模块，所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座，所述电气模块与计量模块连接；
所述汽车充电插座识别定位装置包括超声波传感器、激光测距传感器组、CCD图像传感器、图像对位处理器；所述超声波传感器实时探测汽车泊车信号，并将该泊车信号传递给充电控制器，当充电控制器接收到超声波传感器传来的泊车信号时，充电控制器控制激光测距传感器组的开启，激光测距传感器组的激光测距传感器采集汽车泊车姿态，并将该姿态信息传递给充电控制器；所述CCD图像传感器将采集的充电插座所在侧的汽车侧面图像数据传递给图像对位处理器，图像对位处理器将接收的图像信息与预先存储在图像对位处理器中的参考图像进行比较，算出实际汽车插座位置与参考图像的汽车插座位置的偏移值，并将该偏移值传送给充电控制器，充电控制器根据上述数据控制充电插头自动插拔装置，使充电插头自动插拔装置上的充电插头与电动汽车上的充电插座实现自动插拔。
按上述方案，所述充电插头自动插拔装置包括底座、升降台、机械大臂、机械小臂，以及机械小臂上的充电插头；
所述底座安设在底座导轨上，底座通过水平伺服电机在底座导轨上实现直线移动；所述升降台通过旋转台与底座连接，所述升降台上设有机械臂支座，所述机械大臂通过铰链与机械臂支座顶端相连，机械大臂在旋转伺服电机的驱动下绕铰链转动，当不进行充电时，机械大臂折叠在机械臂支座的存放槽内；所述机械大臂上设有导轨，所述机械小臂置于导轨上，机械小臂与直线伺服电机连接，充电控制器控制直接伺服电机，使直接伺服电机控制机械小臂在导轨上移动，以实现机械小臂上的充电插头与电动汽车上的汽车充电插座自动插拔；
所述充电控制器控制旋转台的旋转角度，充电控制器控制升降台的升降高度，充电控制器控制底座的水平移动。
按上述方案，所述电气模块输出的电压为交流220V、交流380V和\或直流380V。
按上述方案，所述电气模块还包括电源转接端子排和安全防护装置。
按上述方案，所述机械臂支座上设有横梁，所述超声波传感器和激光测距传感器组置于横梁上，所述激光测距传感器组包括2个分别置于横梁两侧的激光测距传感器。
按上述方案，所述底座通过丝杆与水平伺服电机连接；所述升降台通过导柱安设在旋转台上；所述旋转台通过转盘安设在底座上；充电插头通过插头紧固装置固定在机械小臂上。
本发明中的充电控制器由PLC可编程控制器构成，与充电桩、汽车充电插座识别定位装置和充电插头自动插拔装置相连接，收集数据并发送控制指令。
本发明中的桩体采用落地式安装结构，计量模块包括电能表和计费管理系统等。充电桩与交流电网相连接，根据需要提供直流或交流工作电压。其中交流充电的工作电压根据需要可选择使用380V或220V的交流电，额定电流为32A，频率50Hz，直流充电的工作电压为380V，符合国内充电桩的相关规范要求。充电桩也与充电控制器相连接，由充电控制器进行充电过程的启停控制和充电过程监测。
本发明中的超声波传感器处于常开状态，实时探测汽车泊车信号并反馈给充电控制器，当发现汽车停入车位时，充电控制器则控制开启激光测距传感器组，激光测距传感器组采集汽车泊车姿态，并将该姿态信息传递给充电控制器，充电控制根据该信号驱动伺服电机调整充电插头自动插拔装置的角度，使其与汽车侧面保持平行状态。CCD图像传感器采集充电插座所在侧的汽车侧面图像数据，然后将该图像数据传递给图像对位处理器，该图像数据与在系统安装时预先存储在图像对位处理器中的参考图像进行比对分析，算出实时采集图像上的插座位置与参考图像中插座位置的偏移值，然后图像对位处理器将该偏移值传送给充电控制器，再由充电控制器控制充电插头自动插拔装置的伺服电机动作，调整充电插头位置，将充电插头移动至和充电插座相配合的位置，然后插入充电插座中，充电控制器检测插头插入信号，在收到插头插入确认信号和控制确认信号后，启动充电作业，为电动汽车充电。在充电过程中，充电控制器对充电过程进行监测，确保充电过程顺利进行。当充电完成后，充电控制器控制充电插头自动插拔装置的伺服电机，使充电插头拔出充电插座。
本发明中，底座安装在底座导轨上，通过水平伺服电机驱动可以直线移动。升降台安装在底座上，通过垂直伺服电机驱动可进行小幅度升降，以满足充电插头在高度方向上的有限调节。机械大臂安装在升降台上方的机械臂支座顶端，通过旋转伺服电机控制机械大臂转动。机械小臂安装在机械大臂上，通过直线伺服电机控制机械小臂的伸出与缩回。插头紧固装置安装在机械小臂的末端，将充电插头固定在机械小臂上，通过机械小臂的伸缩，完成将充电插头插入和拔出汽车充电插座的动作。充电插头自动插拔装置可完成空间三个自由度上的平移运动以及两个方向的旋转运动，从而实现充电插头和充电插座的自动对位和插拔动作。
在汽车接近车位，超声波传感器对汽车停泊状态进行监测，当感应到汽车在车位上停泊好的信号后，启动充电插头自动插拔装置使其处于预备状态，使原本折起的机械大臂旋转至和地面平行的状态，同时启动激光测距传感器组，实时测量汽车侧面三个测量点与激光测距传感器平面间的距离，分析汽车纵向轴线与激光测距传感器平面的夹角，实现对汽车停泊姿态的判断。激光测距传感器的数据通过RS485通讯接口与充电控制器进行通讯，并由充电控制器发送控制指令给充电插头自动插拔装置进行姿态调整，首先通过伺服电机驱动充电插头自动插拔装置旋转至和汽车侧面平行的位置，然后通过图像比对分析，对充电插头和充电插座进行对位。在高度方向上，由于电动汽车的充电插座在绝对高度上的变化仅会受到汽车载重差异所导致的悬架伸缩影响，变化量相对较小，可通过电机驱动升降台进行少量调节。在沿车身长度方向上，则通过电机驱动充电装置在底座导轨上移动进行对正。当完成充电插头和插座的对位后，则由直线伺服电机驱动机械小臂缓缓伸展，通过视觉对位系统（CCD图像传感器和图像对位处理器）的校正辅助，将充电插头插入充电插座中。充电控制器对充电插头的连接状态和电动汽车充电准备就绪状态进行检查，收到确认信号后，启动充电桩的充电功能进行充电。完成充电后，首先充电控制器切断充电桩的充电功能，然后控制充电插头自动插拔装置回归初始位置和待机状态，等待下一次充电作业。
本发明的有益效果是在电动汽车停入车位后，无需人工参与即可自动将充电插头插入电动汽车的充电插座中进行充电，在充电结束后，充电插头自动拨出插座。与现有的充电装置相比，本发明不仅能够提高电动汽车的使用体验，而且提高了充电作业的安全性。
附图说明
图1是电动汽车自动充电系统的结构框图。
图2是电动汽车自动充电系统的结构示意图。
图3是充电插头自动插拔装置的使用结构图。
图4是充电插头自动插拔装置与电动汽车的充电插座的对位示意图。
图中：1、桩体，2、底座，3、底座导轨，4、丝杠，5、旋转台，6、升降台，7、充电控制器，8、机械臂支座，9、机械大臂，10、超声波传感器，11、机械小臂，12、激光测距传感器，13、充电插头，14、CCD图像传感器， 16、电动汽车，17、车位，18、充电插座，19、横梁，20、存放槽，21、导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1-图4，电动汽车自动充电系统，包括充电控制器7、充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置，所述充电控制器7与充电桩、汽车充电插座识别定位装置、充电插头自动插拔装置连接；
所述充电桩包括桩体1，以及桩体1内的电气模块、计量模块、电源转接端子排和安全防护装置，所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座，所述电气模块与计量模块、电源转接端子排和安全防护装置连接；
所述汽车充电插座识别定位装置包括超声波传感器10、激光测距传感器组（在本实施例中，所述激光测距传感器组包括2个激光测距传感器12）、CCD图像传感器14、图像对位处理器；所述超声波传感器10实时探测电动汽车16泊车信号，并将该泊车信号传递给充电控制器7，当充电控制器7接收到超声波传感器10传来的泊车信号时，充电控制器7控制激光测距传感器组的开启，激光测距传感器12采集电动汽车16泊车姿态，并将该姿态信息传递给充电控制器7；所述CCD图像传感器14将采集的充电插座18所在侧的电动汽车16侧面图像数据传递给图像对位处理器，图像对位处理器将接收的图像信息与预先存储在图像对位处理器中的参考图像进行比较，算出实际汽车充电插座18位置与参考图像的汽车充电插座位置的偏移值，并将该偏移值传送给充电控制器7，充电控制器7根据上述数据控制充电插头自动插拔装置，使充电插头自动插拔装置上的充电插头13与电动汽车16上的充电插座18实现自动插拔；
所述充电插头自动插拔装置包括底座2、升降台6、机械大臂9、机械小臂11，充电插头13通过插头紧固装置固定在机械小臂11前端；所述底座2安设在底座导轨3上，所述底座2通过丝杆4与水平伺服电机连接；底座2通过水平伺服电机和丝杆4在底座导轨3上实现直线移动；所述升降台6通过旋转台5与底座2连接，且所述升降台6通过导柱安设在旋转台5上；所述旋转台5通过转盘安设在底座2上；所述升降台6上设有机械臂支座8，所述机械臂支座8上设有横梁19，超声波传感器10置于横梁19上， 2个激光测距传感器12分别置于横梁19的两侧；所述机械大臂9通过铰链与机械臂支座8的顶端相连，机械大臂9在旋转伺服电机的驱动下绕铰链转动，当不进行充电时，机械大臂9折叠在机械臂支座8的存放槽20内；所述机械大臂9上设有导轨21，所述机械小臂11置于导轨21上，机械小臂11与直线伺服电机连接，充电控制器7控制直接伺服电机，使机械小臂11在导轨21上移动，以实现机械小臂11上的充电插头13与电动汽车16上的充电插座18自动插拔；
所述充电控制器7控制旋转台5的旋转角度，充电控制器7控制升降台6的升降高度，充电控制器7控制底座2的水平移动。
本发明中，充电桩与交流电网相连接，充电桩的设计符合国家相关标准规定，可提供220V和380V的交流电进行慢速充电，也可提供380V的直流电进行快速充电。根据充电桩的充电方式，充电插头13分别采用符合国家标准的七个触头的交流充电插头或九个触头的直流充电插头。充电控制器7是电动汽车自动充电系统的控制中心，与充电桩、充电插头自动插拔装置和汽车充电插座识别定位装置相连接并可双线通信，接收它们的状态信息并发送控制指令。充电桩的信号线与电力线和充电插头自动插拔装置上的插头13相连接，使充电桩通过充电插头13与电动汽车16的充电插座18相连通，执行充电作业。
本发明中，充电控制器7由PLC构成，安装在充电插头自动插拔装置的机械臂支架8的背面。
本发明中，超声波传感器10安装在机械臂支架8上部的横梁19上，通过它对电动汽车16接近泊入车位17进行探测，当探测到汽车泊入时，充电控制器7根据该信号启动激光测距传感器12和CCD图像传感器14，以及充电插头自动插拔装置。激光测距传感器12共有两个，同样安装在机械臂支架8上部的横梁19上，通过两个激光测距传感器12的协同工作，可以对汽车停泊入车位17后相对于车位17正向的倾斜度进行准确测量，充电控制器7根据激光测距传感器12的数据发送控制指令使转动台5在旋转伺服电机的驱动下进行转动，使得机械臂支架8面向汽车侧面的参考面与汽车侧面保持平行。CCD图像传感器14实时采集的图像数据，在图像对位处理器中进行处理，将其与预存的充电插头与充电插座完全对正时的图像进行比对分析，所获得的偏差数据转换为控制指令，由充电控制器7控制底座2在底座导轨3上移动以调节在车身长度方向上的偏差，由充电控制器7控制升降台伺服电机驱动升降台6移动调节在车身高度方向上的偏差，并由充电控制器7控制机械小臂11在机械大臂9上移动调节充电插头13接近并插入充电插座18。
本发明中，底座2通过水平伺服电机驱动丝杠4可以控制底座2沿导底座轨3平移，调节充电插头13与充电插座18间沿车身长度方向的偏差。旋转台5通过电机驱动旋转台5转动调节由于泊车时车辆没有完全停正在车位17中所引起的斜向偏差。升降台6通过导柱和升降伺服电机安装在旋转台5上，可随旋转台转动，通过充电控制器7控制升降伺服电机带动升降台6在高度方向上移动可以调节充电插头13和充电插座18之间在汽车高度方向上的相对偏差。机械臂支架8随升降台6和旋转台5运动。机械大臂在电机的驱动下可绕铰链转动。在没有电动汽车16驶入车位17时，充电插头自动插拔装置处于待机状态时，机械大臂9折叠在机械臂支座8内。而当电动汽车16驶入车位17，充电插头自动插拔装置启动，机械大臂9向汽车方向旋转90°使其呈水平状态。安装在机械大臂9上的机械小臂11则在直线伺服电机的驱动下沿机械大臂9上的导轨21移动，靠近或远离电动汽车16，调节充电插头13和充电插座18间在汽车宽度方向上的距离，在视觉对位系统的协助和充电控制器的动作控制下，使充电插头13自动插入或拔出充电插座18中。
本发明中，电动汽车16停泊入车库17中。根据家庭所使用的电动汽车充电插座所处的车身位置，将电动汽车自动充电系统预先安装在合适的范围内，使得充电插头自动插拔装置的工作范围能够完全覆盖正常停车状态下汽车充电插座的所有可能位置。在电动汽车自动充电系统时，需要进行两项初始化工作。一个是对充电插头和充电插座在完全对位闭合的状态下，通过调节紧固装置固定充电插头在机械小臂上的固定倾角，以确保正确的插入角，使充电插头可以无阻滞的插入和拔出充电插座。二是在充电插头和充电插座在完全对正且保持一定的汽车宽度方向间距的状态下，通过CCD图像传感器记录充电插头对正的参考图像，为视觉对位系统在工作状态下进行充电插头位置的判断提供参考基准。
图4是充电插座与充电插头的相对位置参量说明图。电动汽车停泊入车位时，汽车的车身中轴线L1与底座导轨的平行中线L3之间不一定平行，而是存在一个夹角β，同时，充电插头13和汽车上的充电插座18之间也存在三个方向上的位置差异，分别是汽车长度方向的位置差S1，汽车宽度方向的位置差S2和汽车高度方向的位置差S3。汽车的车身中轴线L1与底座导轨的平行中线L3之间的偏角差异β可通过驱动旋转台来调节旋转台的角度进行补偿，调节值为β。充电插头和充电插座之间在长度方向的位置差S1，可通过调节底座在底座导轨上的位置进行补偿，在导轨上的调节量为S4=c=a/cosβ；宽度方向上的位置差S2，可调节机械小臂的伸展量进行补偿，调节值为S2；高度方向上的位置差S3，可调节升降台的高度进行补偿，调节值为S3。
当电动汽车16驶入车库被超声波传感器探测到后，在充电控制器的指令下启动两个激光测距传感器和CCD图像传感器。通过两个激光测距传感器所测得的与车身间的距离可获得汽车车身中轴线L1与底座导轨的平行中线L3之间的夹角β，充电控制器驱动与旋转台连接的电机，使其转动β角度，并通过激光测距传感器确认L1和L3处于平行状态。再通过视觉对位系统所获得的实时图像与系统安装时预存的参考图像进行比对分析，获得充电插头和充电插座的三个相对位移量S1，S2和S3，则分别控制底座在导轨上移动S4=c=a/cosβ的位移量，升降台移动S3的位移量，机械小臂伸展S2的位移量，并在视觉对位系统的调节下，使得充电插头插入充电插座之中。充电控制器在获得充电插头就位以及充电准备工作就绪的状态信号后，启动充电桩进行充电。在充电过程中，充电控制器对充电状态进行实时监测，一旦发现充电电压或电流等异常，则立即切断与充电桩的连接，紧急关闭充电。而在正常充电结束后，则首先断开与充电桩的连接，然后控制机械小臂收缩使充电插头脱离充电插座，并控制旋转台、升降台以及底座的移动，使充电插头自动插拔装置回归初始位置并处于待机状态，为下一次充电作业做好准备。