基于液壓同步控制的新能源汽車換電機(jī)器人定位精度優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：U467 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.022

Abstract：lssues suchaslongresponse time，large synchronous eror，system nonlinearityand parametertime-varying inthe hydraulicsynchonouscontrolsystemrestrictthepositioingccuracyofthebateryswappingobotAgaistthisbckgrond，tis paperwillexploretheoptiizationstrategyforthepostioingaccuracyofthebateryswappingrobtimprovethecomprehensive performanceoftesystem.Itprovidestheoreticalandtechnicalsupportforthehighprecisioncontroloftebateryswappingrobotfor new energy vehicles.

Key words： Battery swapping robot; Hydraulic synchronous control; Positioning accuracy optimization

0 引信

換電機(jī)器人作為換電系統(tǒng)的核心執(zhí)行單元，其定位精度和電池更換的成功率與安全性密切關(guān)聯(lián)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因高功率密度、快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用；但閥控延遲、多缸耦合干擾、系統(tǒng)非線性等問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)器人定位誤差，嚴(yán)重制約了換電效率與可靠性。因此，開展基于液壓同步控制的換電機(jī)器人定位精度優(yōu)化研究，突破技術(shù)瓶頸，對(duì)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、提升能源利用效率具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略價(jià)值。

1新能源汽車換電機(jī)器人的概念定義

新能源汽車以充電與換電作為2大主要補(bǔ)能方式。其中，充電模式憑借其廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為眾多用戶提供基本的補(bǔ)能選項(xiàng)，但充電時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足部分對(duì)補(bǔ)能效率有急切需求的場(chǎng)景。而換電模式作為充電模式的補(bǔ)充，能在更短的時(shí)間內(nèi)完成電池更換，縮短車輛等待時(shí)間；對(duì)于運(yùn)營(yíng)車輛以及長(zhǎng)途出行的用戶而言，換電模式更利于提升其出行效率。

當(dāng)前，換電模式已經(jīng)在行業(yè)引起廣泛關(guān)注，眾多企業(yè)參與布局。以蔚來(lái)為例，截至2025年4月，蔚來(lái)在全國(guó)建設(shè)的換電站數(shù)量在3100座左右，構(gòu)建起相對(duì)龐大的換電網(wǎng)絡(luò)；依靠持續(xù)優(yōu)化換電站布局，蔚來(lái)為用戶提供了便捷的換電服務(wù)；還積極探索換電技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，如在318川藏線等旅游線路上布局換電站，滿足用戶在特殊場(chǎng)景下的補(bǔ)能需求，為新能源汽車的長(zhǎng)途旅行提供保障*。（*注：案例引自《三分鐘換電，蔚來(lái)3000+ 座換電站開啟綠色出行新時(shí)代》／懂車帝/2025-04-01）

換電站運(yùn)作時(shí)，換電機(jī)器人是換電系統(tǒng)的核心執(zhí)行單元；在電池倉(cāng)抓取環(huán)節(jié)，主要使用換電機(jī)器人識(shí)別并抓取電池倉(cāng)。換電機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)由多個(gè)關(guān)鍵部分組成，其中液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源，為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力。液壓系統(tǒng)具有高功率密度特點(diǎn)，能在較小的體積和重量下輸出較大功率，滿足換電機(jī)器人在搬運(yùn)重載電池包時(shí)的動(dòng)力需求，而且液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的快速啟停和精確控制，提高換電效率和定位精度。對(duì)于電池包質(zhì)量 ?500kg 的重載電池包，換電機(jī)器人需要高功率密度的液壓系統(tǒng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，確保在搬運(yùn)過(guò)程中穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2基于液壓同步控制的換電機(jī)器人定位面臨的挑戰(zhàn)

2.1設(shè)備運(yùn)作的同步誤差

換電過(guò)程中，換電機(jī)器人是在多個(gè)液壓油缸協(xié)同下工作，如機(jī)械臂的多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的抓取和安裝。但多缸耦合干擾會(huì)導(dǎo)致同步誤差的產(chǎn)生，因?yàn)楦鱾€(gè)油缸的負(fù)載、摩擦阻力、液壓油流量等因素存在差異，且差異性會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸累積，讓各個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)速度和位置出現(xiàn)偏差，影響機(jī)器人的同步性能；所以，同步誤差應(yīng)控制在 ?0.3mm ，以保證多執(zhí)行器協(xié)同工作的一致性[1]

2.2液壓系統(tǒng)特性的適應(yīng)性

液壓系統(tǒng)的非線性因素和參數(shù)時(shí)變性，對(duì)換電機(jī)器人的定位精度有著復(fù)雜影響。液壓系統(tǒng)的非線性因素主要表現(xiàn)為閥□流量－壓力特性，其關(guān)系式如下：

式中， O 為流量， K_v 為流量系數(shù)， ΔP 為閥口前后的壓力差。公式（1）表明，流量與壓力差的平方根成正比，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)壓力發(fā)生變化時(shí)，閥口流量的變化并非線性，這會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，進(jìn)而影響機(jī)器人的定位精度。如在換電機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)時(shí)，因?yàn)殚y口流量－壓力的非線性特性，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨之產(chǎn)生波動(dòng)，使機(jī)器人難以精確地到達(dá)預(yù)定位置。

另外，液壓系統(tǒng)的油液并非完全不可壓縮，在受到壓力變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的壓縮和膨脹；液壓系統(tǒng)在傳遞壓力和運(yùn)動(dòng)時(shí)也會(huì)存在時(shí)滯。當(dāng)控制信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，油液的彈性以及液壓系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)滯后于控制信號(hào)，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不能及時(shí)跟隨控制指令，從而產(chǎn)生定位誤差。特別是在機(jī)器人進(jìn)行高速、高精度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)滯的影響更大，導(dǎo)致機(jī)器人的實(shí)際位置與目標(biāo)位置產(chǎn)生較大偏差[2。

2.3多物理場(chǎng)的耦合約束

在機(jī)械－液壓耦合方面，機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，而液壓系統(tǒng)的壓力和流量又受到機(jī)械負(fù)載的影響。以換電機(jī)器人的機(jī)械臂為例，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)需要液壓油缸提供驅(qū)動(dòng)力，油缸的活塞面積、運(yùn)動(dòng)速度等機(jī)械參數(shù)決定了所需的液壓油流量和壓力；而液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)、流量不穩(wěn)定等問(wèn)題，又會(huì)反過(guò)來(lái)影響機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性[3。在設(shè)計(jì)和分析換電機(jī)器人時(shí)，需要綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的相互作用，通過(guò)合理的參數(shù)匹配和控制策略，實(shí)現(xiàn)兩者工作協(xié)同，提高機(jī)器人的定位精度。

3基于液壓同步控制的定位精度優(yōu)化策略

3.1液壓同步控制系統(tǒng)建模

閥控非對(duì)稱缸動(dòng)力學(xué)方程是描述液壓同步控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵方程，可以借助其來(lái)減少同步誤差，描述如下：

在上述方程式中， a₁ 和 O₂ 分別表示進(jìn)入和流出液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的流量。 C_d 為流量系數(shù)，取值 0.6～0.8 ，反映閥口的流量特性，受閥口形狀、表面粗糙度等因素的影響。 A₁"和 A₂"分別是活塞面積和桿腔面積， A₁"通常為""為 0.8×10^-3m²"。Ps是供油壓力， P₁"和 P₂"分別是無(wú)桿腔和有桿腔的壓力，壓力的變化直接影響液壓缸的輸出力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。ρ 為油液密度，一般取值為 870kg/m³"，油液密度的變化會(huì)對(duì)流量和壓力的計(jì)算產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的性能。 F 表示液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力。 B 為粘性阻尼系數(shù)，用于描述系統(tǒng)中由于摩擦和粘性阻力導(dǎo)致的能量損耗。 M 是活塞、油液及負(fù)載折算到活塞上的等效質(zhì)量。""和分別是活塞的速度和加速度[4]。通過(guò)公式（2）的描述和分析，可以建立系統(tǒng)模型，為后續(xù)的控制策略設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

為提高響應(yīng)時(shí)間，在既定時(shí)間內(nèi)完成同步工作，還要使用多個(gè)執(zhí)行器耦合模型來(lái)描述狀態(tài)空間，全面、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)中多個(gè)執(zhí)行器之間的相互作用和動(dòng)態(tài)特性，表達(dá)為：

式中，""狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)向量，包含系統(tǒng)中各個(gè)執(zhí)行器的位置、速度、加速度等狀態(tài)信息的變化率，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。 χ 是狀態(tài)變量向量，涵蓋多執(zhí)行器系統(tǒng)中各執(zhí)行器的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，如活塞位移、速度等，這些狀態(tài)變量描述系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)。 U 為輸入控制向量，包含對(duì)各執(zhí)行器的控制信號(hào)，如閥的開度控制信號(hào)等，通過(guò)調(diào)整輸入控制向量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制。 d 表示外部干擾向量，包括負(fù)載波動(dòng)、振動(dòng)等外界因素對(duì)系統(tǒng)的干擾，干擾會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需在控制策略中加以考慮和抑制。交叉耦合項(xiàng)矩陣A的非對(duì)角元素體現(xiàn)了各執(zhí)行器之間的相互關(guān)聯(lián)。在換電機(jī)器人中，當(dāng)多個(gè)液壓油缸協(xié)同工作時(shí)，油缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化會(huì)通過(guò)交叉耦合項(xiàng)影響其他油缸的運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮交叉耦合項(xiàng)的作用，采取相應(yīng)的控制策略來(lái)減小其負(fù)面影響，提高系統(tǒng)的同步精度和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)交叉耦合項(xiàng)的分析和補(bǔ)償，可以使各執(zhí)行器之間的運(yùn)動(dòng)更加協(xié)調(diào)，確保換電機(jī)器人能準(zhǔn)確、及時(shí)地完成換電任務(wù)。

3.2定位誤差補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

為解決摩擦力等影響液壓系統(tǒng)定位精度的因素，可以基于LuGre模型的摩擦補(bǔ)償方法減小摩擦力對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高定位精度。其補(bǔ)償方程式如下：

式中， F_f 表示摩擦力，它是系統(tǒng)中阻礙執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的力，準(zhǔn)確計(jì)算和補(bǔ)償摩擦力對(duì)于提高系統(tǒng)的定位精度至關(guān)重要。σ₀ 、 σ_↑ 和 σ₂ 是模型參數(shù)， σ₀ 通常取值為1.2e5，它反映靜摩擦力的大小，決定系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下克服摩擦力所需的力；σ_↑ 取值為85，用于描述摩擦力的變化率，影響著摩擦力隨速度變化的特性； σ₂ 取值為0.015，與粘性摩擦力相關(guān)，體現(xiàn)摩擦力與速度的線性關(guān)系。 z 是表征接觸表面微凸體變形的狀態(tài)變量， v 是運(yùn)動(dòng)速度， g（v） 是與速度相關(guān)的函數(shù)，用于描述摩擦力的非線性特性， g（v） 函數(shù)能準(zhǔn)確地描述這種非線性特性。

為主動(dòng)抑制液壓特性帶來(lái)的偏差影響，要建立各執(zhí)行器之間的緊密聯(lián)系和協(xié)同控制，提高多執(zhí)行器系統(tǒng)的性能，確保換電機(jī)器人在工作過(guò)程中各部分運(yùn)動(dòng)的一致性。為此，要以主執(zhí)行器作為參考基準(zhǔn)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被其他從執(zhí)行器所跟蹤。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主從執(zhí)行器之間的位置、速度等參數(shù)差異，形成誤差信號(hào)[5。誤差信號(hào)反映各執(zhí)行器之間運(yùn)動(dòng)的不一致程度，是進(jìn)行修正控制的關(guān)鍵依據(jù)，誤差代價(jià)函數(shù)用于量化誤差的大小，其表達(dá)式為：

式中， I 表示同步誤差代價(jià)函數(shù)的值，它綜合反映系統(tǒng)中所有執(zhí)行器的同步誤差情況， I 的值越小，說(shuō)明系統(tǒng)的同步性能越好。 Π_n 是執(zhí)行器的數(shù)量，在換電機(jī)器人中， n 代表多個(gè)液壓油缸或機(jī)械臂關(guān)節(jié)等執(zhí)行器。 e_i 是第i個(gè)執(zhí)行器的同步誤差，它是實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與期望同步狀態(tài)之間的偏差，通過(guò)計(jì)算每個(gè)執(zhí)行器的誤差，可以準(zhǔn)確地了解各執(zhí)行器的工作情況。 α_i 是權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)整不同執(zhí)行器誤差在代價(jià)函數(shù)中的相對(duì)重要性，根據(jù)實(shí)際需求，可以為不同的執(zhí)行器分配不同的權(quán)重，以突出對(duì)關(guān)鍵執(zhí)行器的同步控制。 表示所有執(zhí)行器同步誤差的平均值，其將每個(gè)執(zhí)行器的誤差與平均值進(jìn)行比較，衡量每個(gè)執(zhí)行器對(duì)整體同步性能的影響。

上述措施的原理是通過(guò)不斷調(diào)整從執(zhí)行器的控制輸入，使同步誤差代價(jià)函數(shù) I 最小化。當(dāng)檢測(cè)到誤差時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)誤差的大小和方向，對(duì)從執(zhí)行器的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，如改變液壓閥的開度或電機(jī)的轉(zhuǎn)速等，使從執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)盡接近主執(zhí)行器，從而減小誤差，提高對(duì)液壓系統(tǒng)特性的適應(yīng)性。

3.3利用粒子群算法控制參數(shù)優(yōu)化

系統(tǒng)需滿足單次換電總時(shí)長(zhǎng) ?3min ，其中鎖止階段時(shí)長(zhǎng) 、解鎖階段時(shí)長(zhǎng) t₂?10s ，且電機(jī)在鎖止與解鎖階段的轉(zhuǎn)速 n₁，n₂ 需確保油泵排量 a₁、a₂ 維持在 650～750mL/ min 范圍內(nèi)。油泵排量由公式 O=5V 決定，其中 V=0.28mL/r 該數(shù)據(jù)為單個(gè)柱塞的單轉(zhuǎn)排量，5個(gè)柱塞協(xié)同工作。鎖止階段需完成 V₁=175mL/r 油量輸送，解鎖階段需完成 V₂=100mL/r 對(duì)應(yīng)時(shí)間計(jì)算公式為：

由此可推導(dǎo)轉(zhuǎn)速范圍為 n₁∈[500 ，535.71]r/min（對(duì)應(yīng) Q₁∈[700，750] ） n₂∈1464.29 ，535.71] r/min （對(duì)應(yīng)O₂∈[650，750]）

優(yōu)化目標(biāo)為最小化總換電時(shí)間 t₁+t₂ 并抑制噪聲。由于電機(jī)噪聲與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，引入噪聲懲罰項(xiàng) （n₁+n₂） ，通過(guò)權(quán)重系數(shù) 平衡時(shí)間與噪聲優(yōu)先級(jí)。目標(biāo)函數(shù)由 所得， 需根據(jù)實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)調(diào)整，初步建議取 λ=0.1 。

采用Python的pyswarms庫(kù)實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。設(shè)定粒子群規(guī)模為50，迭代次數(shù)100次，慣性權(quán)重 W=0.9 、個(gè)體與社會(huì)加速常數(shù) c₁=0.5，c₂=0.3 變量 n₁，n₂ 的搜索空間限定于上述轉(zhuǎn)速范圍。目標(biāo)函數(shù)中，通過(guò)約束處理，排除排量超限的無(wú)效解，確保 ，750]。

算法收斂后，最優(yōu)解通常趨近于轉(zhuǎn)速上限以縮短時(shí)間。如當(dāng) n₁=535.71 r/min、 n₂=535.71 r/min時(shí)， t₁=10.5s / t₂=6 S，總時(shí)間 16.5s ，排量 O₁=750 mL/min、 O₂=750 mL/min，滿足所有硬性約束。若需降低噪聲，可增大 以限制轉(zhuǎn)速，但需接受換電時(shí)間的小幅增加。

4結(jié)語(yǔ)

本文圍繞新能源汽車換電機(jī)器人定位精度優(yōu)化問(wèn)題，系統(tǒng)研究液壓同步控制系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與優(yōu)化策略。通過(guò)構(gòu)建液壓同步控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，深入分析響應(yīng)時(shí)間、同步誤差、系統(tǒng)非線性等影響定位精度的核心因素；提出基于LuGre模型的摩擦補(bǔ)償、主從執(zhí)行器協(xié)同控制算法以及粒子群優(yōu)化算法，以解決液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、多缸協(xié)同誤差大、參數(shù)時(shí)變適應(yīng)性差等問(wèn)題。該研究成果為換電機(jī)器人的高精度控制提供了理論依據(jù)與技術(shù)方案，也為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的應(yīng)用提供了借鑒。

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