王勝兵 胡健 楊佳賓 王海波 席盈盈 時(shí)光升 董慧芳

摘 要：電動(dòng)自行車(chē)因便捷、節(jié)能和環(huán)保等性能得到廣泛應(yīng)用，但是電動(dòng)自行車(chē)電池仍然存在嚴(yán)重的安全隱患，如電池超期服役使用，人們自行拉插座線(xiàn)排給電池充電，電池充滿(mǎn)電后不能自行斷電等。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)電池的存儲(chǔ)、更換和智能充電，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、智能環(huán)保安全等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：充電安全;儲(chǔ)存;智能充電;自動(dòng)換電池

中圖分類(lèi)號(hào)：TM910.6 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）30-0021-04

Abstract： Electric bicycles have been widely used because of their convenience， energy saving and environmental protection. However， there are still some problems with the use of electric bicycle batteries. For example， the battery is used beyond the service period; the battery is still charged by people by pulling the socket line; after the battery is fully charged， it cannot power off automatically. In response to the above problems， this paper designs an electric bicycle automatic battery change and intelligent charging device to realize the storage， replacement and intelligent charging of the electric bicycle battery. It has the advantages of simple structure， convenient operation， intelligent environmental protection and safety.

Keywords： charging safety; storage; intelligent charging; automatic battery change

電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)經(jīng)過(guò)十余年的快速發(fā)展，已經(jīng)成為我國(guó)重要的民生行業(yè)。電動(dòng)自行車(chē)使用便捷，且能節(jié)能減排，給人們的生活帶來(lái)了極大便利。但電動(dòng)自行車(chē)存在的安全問(wèn)題也不容忽視，目前電動(dòng)自行車(chē)的充電地點(diǎn)大多選擇在地下室或公共充電樁（其中一部分是由居民私自接線(xiàn)進(jìn)行充電，不符合國(guó)家配電標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范）。電動(dòng)自行車(chē)存在充電煩瑣、充電時(shí)間長(zhǎng)和過(guò)度充電等安全問(wèn)題。例如，過(guò)度充電導(dǎo)致電池長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱，造成電池短路、加速線(xiàn)路老化從而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故;不適當(dāng)?shù)某潆姯h(huán)境和方式會(huì)加速電池老化，從而造成不必要的資源浪費(fèi)[1-2]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種“電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置”，用來(lái)解決電動(dòng)自行車(chē)充電難、充電時(shí)間長(zhǎng)和充電可能存在的危險(xiǎn)等問(wèn)題。全面杜絕因電動(dòng)自行車(chē)充電而引發(fā)的安全事故，在確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全的同時(shí)也能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)，包括整體框架、推送結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)、電池組結(jié)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖1所示。

整體框架包括外框防護(hù)罩、總控箱、自動(dòng)卷簾門(mén)和地底基座。地底基座與外框防護(hù)罩形成一個(gè)封閉的空間，上方擋板與地面齊平，且地底基座內(nèi)有環(huán)形導(dǎo)向槽用以固定環(huán)形底板;總控箱通過(guò)螺栓固定在外框防護(hù)罩上。推送結(jié)構(gòu)包括載物推送板、導(dǎo)軌、電控伸縮機(jī)、滑塊。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)包括多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向臺(tái)、“一”字形卡扣、推力球軸承、齒輪、伺服電機(jī)、齒輪軸。多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)底部與地底基座直接通過(guò)螺栓固定;伺服電機(jī)、齒輪軸和“一”字形卡扣組成提取裝置，在伺服電機(jī)、軸承和齒輪軸的作用下“一”字形卡扣可進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)。充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)包括環(huán)形底板、齒輪、充電倉(cāng)體、滑輪、伺服電機(jī)、固定軸、萬(wàn)向輪、充電器[3]、電源接口。環(huán)形底板通過(guò)滑輪和萬(wàn)向輪與地底基座連接在一起，通過(guò)伺服電機(jī)、齒輪和導(dǎo)向環(huán)槽可實(shí)現(xiàn)圓形底板相對(duì)地底基座進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn);單個(gè)充電倉(cāng)體有三個(gè)充電倉(cāng)可滿(mǎn)足三個(gè)電池組的充電、存放，并通過(guò)固定軸、推力球軸承與環(huán)形底板連接，通過(guò)伺服電機(jī)和齒輪的作用可滿(mǎn)足充電倉(cāng)體相對(duì)環(huán)形底板任意角度的旋轉(zhuǎn)。電池組結(jié)構(gòu)包括電池組外殼、電池、電池組電源接口、卡槽。調(diào)溫系統(tǒng)包括電阻加熱器、散熱風(fēng)扇、通風(fēng)管道、溫度傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括PLC[4]、空氣開(kāi)關(guān)[5]、電路板、報(bào)警器、電流電壓傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕。啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕位于外框防護(hù)罩上。

2 電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)工作原理

準(zhǔn)備過(guò)程：按下啟動(dòng)按鈕后PLC控制自動(dòng)卷簾門(mén)開(kāi)啟，電控伸縮桿將載物推送板推出，將電動(dòng)自行車(chē)電池蓋板打開(kāi)后推上載物推送板到對(duì)應(yīng)位置后，按下開(kāi)始按鈕，電控伸縮桿將載物推送板和電動(dòng)自行車(chē)?yán)卦恢茫詣?dòng)卷簾門(mén)關(guān)閉。

換電過(guò)程：PLC控制多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)從初始位置上升至最高點(diǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)使轉(zhuǎn)向臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后控制多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)下降一定高度，使齒輪軸下端的“一”字形卡扣進(jìn)入電動(dòng)自行車(chē)電池組的卡槽中。啟動(dòng)伺服電機(jī)控制齒輪軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使“一”字形卡扣與電池組卡槽鎖止，再控制多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)上升至最高點(diǎn)后啟動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)使轉(zhuǎn)向臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°與電動(dòng)車(chē)平行。PLC控制多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)下降至最低點(diǎn)將虧電電池組放置充電倉(cāng)中后，伺服電機(jī)啟動(dòng)控制齒輪軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°使“一”字形卡扣與電池組卡槽解鎖，多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)再上升至初始位置，充電倉(cāng)開(kāi)始給虧電電池組充電?？刂葡到y(tǒng)判斷當(dāng)前充電倉(cāng)體中是否有滿(mǎn)電電池組，若有則將倉(cāng)體旋轉(zhuǎn)一定角度使?jié)M電電池組位于多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)的對(duì)應(yīng)位置，若沒(méi)有則將旋轉(zhuǎn)環(huán)形底板使其他倉(cāng)體中滿(mǎn)電電池組位置對(duì)應(yīng)該位置。PLC再次控制多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)下降至最低點(diǎn)使“一”字形卡扣進(jìn)入電池組卡槽，然后啟動(dòng)伺服電機(jī)控制齒輪軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使“一”字形卡扣與電池組鎖止。鎖止后多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)上升至最高點(diǎn)，重復(fù)取電池組的逆向流程，直至多級(jí)電控伸縮機(jī)回到原始位置。然后自動(dòng)卷簾門(mén)開(kāi)啟，電控伸縮桿將載物推送板和電動(dòng)自行車(chē)送出，推下電動(dòng)車(chē)時(shí)，PLC接收到壓力傳感器傳來(lái)的信號(hào)，然后控制電控伸縮機(jī)將載物推送板拉回原位置，自動(dòng)卷簾門(mén)關(guān)閉，完成換電過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中如果有任意伺服電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載異常時(shí)，系統(tǒng)將立即執(zhí)行報(bào)警和進(jìn)行斷電保護(hù)[6]。

充電過(guò)程：換下的虧電電池組在充電倉(cāng)中進(jìn)行充電，溫度傳感器開(kāi)始監(jiān)測(cè)充電環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度超出標(biāo)定溫度范圍時(shí)，PLC接收溫度傳感器傳來(lái)的信號(hào)，控制電阻加熱器或散熱風(fēng)扇進(jìn)行工作;當(dāng)溫度回到標(biāo)定溫度范圍時(shí)，PLC停止電阻加熱器或散熱風(fēng)扇工作。當(dāng)充電器中的電流電壓傳感器檢測(cè)到電池組電量充滿(mǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)充電器進(jìn)行斷電，防止發(fā)生過(guò)充現(xiàn)象。

3 電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 推送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推送結(jié)構(gòu)中載物推送板通過(guò)導(dǎo)軌和電控伸縮機(jī)連接在裝置主體中，電控伸縮機(jī)電機(jī)端通過(guò)螺栓固定在外框防護(hù)罩上，另一端通過(guò)滑塊連接在載物推送板上，載物推送板兩側(cè)滑塊與導(dǎo)軌進(jìn)行配合。載物推送板上有限位塊可以使電動(dòng)自行車(chē)放置在正確位置上。如圖2所示。

3.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)部分

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中起升降作用的多級(jí)伺服電控升縮機(jī)底端穿過(guò)環(huán)形底板中心，并通過(guò)螺栓固定在基座上，頂端通過(guò)螺釘與轉(zhuǎn)向座連接。轉(zhuǎn)向臺(tái)由轉(zhuǎn)向座、電機(jī)、齒輪、推力球軸承和防塵罩等組成。轉(zhuǎn)向臺(tái)內(nèi)部轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)螺釘固定，大齒輪通過(guò)鍵連接在轉(zhuǎn)向座的中間軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向臺(tái)繞轉(zhuǎn)向座的中間軸旋轉(zhuǎn);防塵罩通過(guò)螺釘固定在轉(zhuǎn)向臺(tái)上;旋轉(zhuǎn)“一”字形卡扣通過(guò)螺紋連接在齒輪軸上，齒輪軸通過(guò)推力球軸承和防塵罩固定在轉(zhuǎn)向臺(tái)伸出臂上。伺服電機(jī)通過(guò)螺釘固定在轉(zhuǎn)向臺(tái)伸出臂內(nèi)，可以帶動(dòng)齒輪軸旋轉(zhuǎn)使“一”字形卡扣旋轉(zhuǎn)。如圖3、圖4所示。

3.3 充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)和電池組結(jié)構(gòu)部分

在充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)中環(huán)形底板通過(guò)滑輪和萬(wàn)向輪與地底基座的導(dǎo)向槽連接在一起，可實(shí)現(xiàn)圓形底板相對(duì)地底基座進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)。如圖5、圖6所示。單個(gè)充電倉(cāng)體有三個(gè)充電倉(cāng)（充電倉(cāng)底部中心位置有凸出的充電接口，充電接口下方為充電器），可滿(mǎn)足同時(shí)對(duì)三個(gè)電池組的充電、存放功能，且充電倉(cāng)中的溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的溫度監(jiān)測(cè)。充電倉(cāng)體通過(guò)固定軸（固定軸通過(guò)螺釘固定在環(huán)形圓盤(pán)上）和伺服電機(jī)與環(huán)形底板連接，可滿(mǎn)足充電倉(cāng)體相對(duì)環(huán)形底板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)使?jié)M電電池組位于多級(jí)伺服電控伸縮機(jī)的對(duì)應(yīng)位置。如圖7所示。電池組為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有五塊鉛蓄電池，串聯(lián)可以提供60 V的工作電壓，在頂部中心位置有“一”字形卡槽可實(shí)現(xiàn)與卡扣的鎖止與解鎖狀態(tài)。底部中心位置有內(nèi)凹的電池組電源接口，可與充電倉(cāng)的充電接口相連接實(shí)現(xiàn)充電功能。如圖8所示。

3.4 調(diào)溫系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分

在調(diào)溫系統(tǒng)中電阻加熱器固定在地底基座的內(nèi)側(cè)，散熱風(fēng)扇位于地底防護(hù)罩的左內(nèi)側(cè)并通過(guò)通風(fēng)管道連接外部大氣，溫度傳感器位于充電倉(cāng)體內(nèi)和地底基座內(nèi)側(cè)，如圖9所示。

控制系統(tǒng)中報(bào)警器[7]、電路板、PLC位于總控箱中，啟動(dòng)按鈕、開(kāi)始按鈕和急停按鈕依次從上到下安裝在外框防護(hù)罩上，再通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到總控箱中。電流電壓傳感器位于充電倉(cāng)的充電器中。當(dāng)溫度傳感器、電流電壓傳感器監(jiān)測(cè)到充電倉(cāng)中溫度和電壓異常時(shí)或伺服電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)，報(bào)警器啟動(dòng)、PLC立即執(zhí)行斷電保護(hù)命令。紅外傳感器[8]位于自動(dòng)卷簾門(mén)的導(dǎo)軌中，主要作用是檢測(cè)人體信號(hào)，在卷簾門(mén)運(yùn)行過(guò)程中，如果有用戶(hù)進(jìn)入工作區(qū)或因其他操作將身體的某一部分置于工作范圍內(nèi)，若不停止結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，可能會(huì)造成夾傷等其他形式的不必要傷害。

4 結(jié)論

一種電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)換電池和智能充電裝置包括整體框架、推送結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)、電池組結(jié)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。該裝置的工作效率高，將傳統(tǒng)直接充電的方式改為直接換電池，節(jié)省了電動(dòng)自行車(chē)的充電時(shí)間;安全性高，具有強(qiáng)大的安全保護(hù)功能，全面杜絕電動(dòng)自行車(chē)充電安全事故發(fā)生;實(shí)用價(jià)值高，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)行能達(dá)到目的;操作方便，用戶(hù)僅需將電動(dòng)自行車(chē)推上推送板，按壓?jiǎn)?dòng)、開(kāi)始按鈕即可;適用范圍廣，電動(dòng)自行車(chē)的電池組都是統(tǒng)一規(guī)格，所有電動(dòng)自行車(chē)都可以使用;占用空間資源少，整個(gè)裝置除電動(dòng)自行車(chē)推送裝置外，其余工作全在地下完成。

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