電動汽車充換電集成技術研究

謝君 楊紹允 章躍鵬

（杭州易和網絡有限公司 浙江杭州 310012）

1 簡述

隨著環境污染、能源浪費等問題日益嚴重，國家及地方政府正大力推廣新能源汽車行業的發展。而充電站等基礎設施嚴重匱乏，已成為當前制約我國新能源汽車產業發展的關鍵原因之一。

現有充電站建設模式局限性主要表現在：停車用地矛盾突出、充電服務點缺乏，無法快捷完成充換電服務。針對當前城市停車難及電動汽車充電難的社會問題，提出將充換電站和公共停車場建設相結合，集智能自動泊車、電動車泊車慢充、電動汽車電池快速換電、智能充換停一體管理平臺等功能于一體的充換電集成技術。其核心技術主要包括：全自動無人泊車技術，一體式電池倉，自適應換電機器人技術，車庫充換電管理平臺。

2 核心技術

2.1 全自動無人泊車技術

該技術以全自動多層立體停車庫為實施載體，采用國內一流車庫廠家的平面移動類庫型。車庫采用多層設計，可同時容納200-300輛汽車。車庫底層采用架空設計，設有電動汽車全自動換電站，可提供自助電池快換服務。2層及以上每個車位均設有均衡充電設備，可隨時為停靠的電動車提供慢充電服務。

車庫底層設有3-4個車輛出入口，車輛駛入后，系統以自動化程序進行控制，借由升降機及橫移臺車搭載車輛實現停取，升降機及橫移臺車可分開各自動作，和以往之機械式停車場比較，運轉時間可縮短3倍左右。車庫采用全自動化管理，無人值守，可實現入庫光電感應，車輛自動引導，自動收費管理，消防監控，遠程監控等多項智能化功能。

2.2 一體式電池倉

車庫底層的全自動換電站是整個智能車庫的核心部分。每個換電站主要由一體式電池倉（包含交流充電設備和電池架設備，以及消防設備和空調設備等輔助設備）、自適應換電機器人以及其他輔助設備組成。每個電池倉包括10組均衡充電機，倉內溫濕度控制系統、消防控制系統、實時報警系統統一聯動運行。

電池倉是指用以存放一定數量充電機，具有環境控制、通信監控和必要的防護等級，給對應的電池進行充電的集成裝置。現有產品通常分為充電機倉和電池倉，中間由專用電纜連接，缺點是功能單一，占地面積較大，布置不靈活。

而一體式電池倉與以往設計不同，將充電機，電池統裝于一個倉內，可以自由組合為不同電池容量的電池倉組，能同時為10-20個標準電池安全、自動充滿電。同時與自適應換電機器人配合，用戶可完成自助換電。倉內智能化的溫濕度控制系統、消防控制系統、實時報警系統等統一聯動運行，確保電池倉的安全可靠工作。系統可通過主動監控獲取電池和充電模塊的相關信息。

2.3 自適應換電機器人技術

目前市面上使用最多的乘用車傳統換電機器人多采用機械臂結合視覺控制算法來完成電池的存取更換。此種方案的缺點較多：機器人位置空間大且承載有限，車身高度變化導致定位不夠精準等。針對上述問題，提出新型自適應換電技術。

全新開發的全自動自適應換電機器人，可以自動尋找和定位電池位置，無需人工干預實現全過程自動換電。換電機器人通過對電動車進行底盤的兩級定位調節，將車輛橫向、縱向中心線和高度調到預訂位置，以實現自動換電。將精細定位技術用于電動汽車的二級精確定位，由一套液壓升降機構和定位組合夾具完成，對汽車的底盤中心進行多自由度毫米級精確定位，克服了以往汽車輪胎充氣量不同而造成汽車高度方向難以準確定位的技術難題。同時利用換電機器人在直線式雙軌道上的來回運行，完成電池在電池倉與電動車之間的電池存取。自適應換電機器人示意圖見圖1所示。

機器人可通過讀取車主卡片以識別車型及車牌信息，同時自動調節軌道間的軌矩及車輛預設高度，以實現換電裝置的自動適配。同時通過自動控制系統與一體式電池倉相配合，完成電池的取放動作。該技術可自適應于多種電動汽車車型，預計換電時間不超過3分鐘。

圖1 自適應換電技術示意圖

2.4 車庫充換電管理平臺

將充換電及停取車等功能進行統一整合，設計搭建完善的智能充換停一體管理平臺，平臺主要功能包括充換電監控系統、車庫收費管理系統、車輛識別系統、分時租賃管理系統、安防系統等。

平臺采用開放式分層分布結構，由站控層、間隔層以及網絡設備構成。站控層提供集中充電站內運行各系統的人機界面，實現相關信息的收集和實時顯示、設備的遠方控制、以及數據的存儲、查詢和統計等，并可與中心監控系統及電動汽車運營管理中心通信，上傳充換電設施的相關工作狀態信息，接收和處理監控中心及電動汽車運營管理中心發出的指令。間隔層采集設備運行狀態及運行數據，上傳至站控層，并接收和執行站控層的控制命令。系統從設備終端收集充換電站、充電樁、車輛和電池的實時信息,在監控系統進行綜合的演示。同時,結合GIS系統信息,提供對終端設備地理位置的可視化展示。

其中對充電機的監控主要包括監視充電機的狀態和電池狀態。充電機狀態信息包括輸入輸出電壓、電流、電量、功率因數、充電時間、當前充電模式、充電機故障狀態等；電池狀態信息包括電池基本信息、電池單體電壓、電池單體溫度、電池故障狀態、電池管理系統設置信息等。

3 結語

目前利用該技術的項目已處于實施階段，并作為杭州市發展新能源產業的樣板工程。項目落地約700m2，共計約200個停車位，所有停車位均設快充服務，車庫底層設一個自動快換電站，可同時為周邊地區400輛私人電動汽車提供充換電服務。項目正式建成后，將是杭州第一座集新能源電動汽車智能均衡充換電、租賃及車輛立體停放的集成綜合體。為倡導城市綠色環保出行理念、破解城市停車難問題提供了有效的解決辦法

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