電動汽車無人充電樁設計與實現

（山東愛普電氣設備有限公司，山東 濟南 250101）

一、無人充電樁技術路線

充電服務系統包含了運營管理平臺、云端、用戶APP、充電樁、電動車輛。從圖中可以看出，常規電動車輛的充電方式需要人手持充電槍完成對接工作，而如果要實現無人充電，那么這樣的工作就需要機械臂來完成。

二、充電口定位方案

（一）機器視覺技術

機器視覺技術，也叫圖像識別技術，是指對圖像進行特征提取，對象識別，以期達到人眼識別和目標跟蹤的一系列跨學科的綜合技術。該技術涵蓋了空間幾何學、神經網絡學、數理統計學、計算機技術、大數據學等學科。機器視覺及其擴展方法現在已經滲透到各個學科各個工程應用領域的方方面面。

（二）基于HSV 模型的圖像分割

利用單目視覺測量技術，來確定電動汽車充電口的世界坐標是一種十分直觀的方法。在充電樁的適當位置架設攝像頭，并利用目標物體與相機成像之間的幾何關系，可十分精確的求取目標物的二維坐標。在最初的方案中，考慮到充電口的紋理特征（縫隙）較為明顯，使用了模板匹配，機器學習等檢測技術。但由于汽車本身紋理線條較為豐富，干擾較大，實驗無法達到預期的檢測要求，故放棄了檢測縫隙來定位充電口的方案。而后考慮利用彩色圖像分割技術，來實現對充電口的檢測和定位。色彩分割的缺點在于其對光照十分敏感，直接使用RGB 模型進行分割，魯棒性較差。在多次實驗后，使用了對光照強度不敏感的HSV 模型，成功對標定塊和充電口目標進行了分割，利用充電口的圖像坐標逆向求取其在二維空間中的實際坐標。

（三）傳感器測距技術

1.超聲波測距

超聲波測距，也叫聲納，是通過聲波在傳播過程中可以穿透比自己波長短的物體而不能穿透比自己波長長進而會反射或者折射的原理來測量到障礙物的距離。人們利用超聲波測距時往往采用高于人耳所能聽到的頻率來傳播能量。超聲波在測速測距等領域的應用極為常見。常用的超聲波傳感器頻段超過20Khz，傳播過程中也會伴隨著能量得衰減。將上述超聲波原理加以利用，配合傳感元件和處理電路就可以設計出不同應用場合的測距傳感器。

2.激光測距

將光學反射原理應用于測距十分常見。紅外線是應用較多的激光束。激光測距傳感器是一種能感知激光束的傳感裝置，利用傳播時間測距原理如圖2.4 所示。這種測距方式以其測量范圍廣，響應時間短而廣泛應用于現代科技，國防和工農業領域。

三、常用電動汽車充電方式及設施

（一）慢充方式

以比較小的交流電來完成電池的充電過程，對接單相220V/32A 電源，整個充電過程需要6 到10 小時。通常，市場上幾乎全部類型的電動汽車都可以使用該種充電方式進行電源補給，雖然該種方式充電比較耗時，但用戶可以利用閑時或夜間等用電低峰時段給車進行充電。

（二）快充方式

也可稱為應急充電,可在20 分鐘到1 小時內通過較大的直流電流為車載充電機進行充電。為了達到快速充電目的而使用的較大電流，雖然很好的解決了電動汽車快速應急充電的現實要求，但其技術要求高、大電流、高電壓的特點對車載充電機及車載電池的性能及壽命都有比較大的影響。但是，因為快速充電方式所采用的充電數據參數在國際上目前并沒有統一的標準，所以也存在一些安全隱患及不通用等問題。鑒于此種充電方式對時間要求比較低，所以目前比較多的使用在公共交通場所。

（三）快換方式

以更換車載電池達到為電動汽車提供持續動力的充電方式，更換時間通常只需5 到10 分鐘，與燃油汽車進站加油時間相當。快換方式決定了電動汽車在電能耗盡后，只需在短時間內更換電池而不用當時進行充電的優點。但該方式也受電池的很多因素所限制，比如電池型號是否匹配，接口是否通用等。快速換電池的方式常見于專業電動車電池更換站及電池種類較為齊全的充電站。

四、充電樁工作流程

無人充電樁是一套集成手動充電方式與自動充電方式的智能化充電設備，其工作流程可以從車輛類型分為兩套流程。這里，我們為無人駕駛車輛設計了完全不需要人參與的充電流程，即身份識別也是自動完成的。而常規車輛的身份識別由車主刷卡完成。所以，利用身份認證方式的不同來自動區分兩種類型的車輛，兩種充電方式工作流程如下。自動對接充電工作流程：(1)智能識別：首先充電樁感知電子車牌中的賬戶信息和車型信息。(2)姿態調整：根據獲取的車型信息，得知充電口所在車身的具體位置，如有必要調整車身方向，則啟動轉盤，并由定時器來控制轉盤轉角。(3)自動對接：當充電口與充電槍處于同一個面時，啟動機械臂，進行識別與對接。(4)充電：當充電槍限位開關觸發后，即確認連接，開始充電。(5)充電模式：默認充滿結束，支持遠程結束充電。(6)完成充電：充電完成后，機械臂復位，如果車輛正對充電樁則啟動轉盤，調整車身方向，直至車輛可以駛離充電區域即可。手動充電工作流程：(1)車主持充電槍完成與充電口的插接。(2)刷卡認證身份：車主在讀卡區域刷卡。(3)充電：觸摸屏實時顯示充電狀態，包括電壓、電流、已充百分比等信息。(4)完成：車主可自主結束充電，并打印賬單。(5)車主拔下充電槍，駛離。

結語

自動對接充電方式在一定程度上解決了現在市面上不同廠家充電操作流程不同，用戶閱讀和支付難的問題；為無人駕駛車輛的充電問題提供解決方案；提高了充電服務的智能化。