方線偉 袁秀峰 林文舵 丁明波

法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

0 引言

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電動汽車電池的續(xù)航能力和充電方式都有所改善，人們對其的關(guān)注度及購買意愿與日俱增。在一些相對封閉的港口、礦山、水泥泵站、汽車運輸?shù)刃袠I(yè)，重型電動卡車（以下簡稱重卡）的使用也越來越多，一方面由于我國為了實現(xiàn)“30&60 雙碳”排放目標(biāo)，政府對換電項目的大力支持；另一方面，重型電動卡車可以大大降低客戶后期的使用成本和維護成本，節(jié)約能源資源，重卡換電技術(shù)主要受到電池的續(xù)航能力和換電方式、換電站的選址等因素的影響。

目前市場上有多家重卡換電站廠家，每家換電站企業(yè)都有自己的優(yōu)勢和獨特的換電方式。換電方式可分為卡車頂部換電、卡車單側(cè)換電、卡車雙側(cè)換電等，每種方式都有其優(yōu)缺點。普通頂部換電方式對司機的操作停靠水平要求較高，對換電機器人的自動化水平要求偏低，成本相對偏低；單側(cè)換電方式對卡車司機的?？课恢靡蟛皇翘?，主要采用類似機械手的機器人進行自動識別和定位重卡位置，對控制系統(tǒng)的自動化程度依賴較大；雙側(cè)換電方式類似于單側(cè)換電，設(shè)有2 套換電機器人和電池充電管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)機器人取空電量的電池和放充滿電量的電池同步進行，不會出現(xiàn)等待卡車上空電量的電池吊放到空倉位后再提供滿電量的電池到卡車上的情況，這種方案可縮短換電時間，但卻增加了2 套吊裝設(shè)備，整個換電站的成本相對增加一倍。

本文以某重卡換電項目為例，結(jié)合歐式橋式起重機低凈空的特點，采用歐式智能起重機實現(xiàn)自動單側(cè)換電方式，每個重卡的換電時間基本在3～5 min 完成，換電時間比加滿一箱油的時間大大縮短，有效提高了整個重卡的換電效率。本文介紹了重卡換電用智能起重機的電控系統(tǒng)組成、自動操作流程、卡車電池定位識別方法和換電管理流程等。

1 重卡換電站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

重卡換電站的機械部分主要由電池充換電倉、地面電池底托、取放電池用的機器設(shè)備等組成；電氣部分主要由地面站控管理系統(tǒng)、智能起重機控制系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控運維系統(tǒng)等組成。換電倉根據(jù)不同的工況需求，配置的電池倉位也不同，一般采用3+1、5+1、7+1 等模式。本文主要介紹重卡換電站的智能起重機設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用，其他部分只做簡單介紹。

智能起重機采用X軸、Y軸、Z軸的三軸運動機構(gòu)定位+吊具機構(gòu)實現(xiàn)電池的抓取、搬運及卸載等動作。起重機控制系統(tǒng)采用PLC+伺服電動機驅(qū)動以實現(xiàn)位置精準(zhǔn)控制，控制系統(tǒng)放置于起重機上，減少了通訊線纜的長度，避免了因伺服通訊線纜過長而造成的信號干擾，提高了智能起重機的穩(wěn)定性。

1.1 機械結(jié)構(gòu)組成

該換電站由1 個換電通道和垂直于換電通道的集裝箱組成，集裝箱內(nèi)集成了4 個電池充電倉，采用3+1 模式，內(nèi)含1 個周轉(zhuǎn)工位和3 個電池工位。集裝箱外部采用4 個標(biāo)準(zhǔn)300 kW 獨立充電樁為集裝箱內(nèi)的3 個電池進行充電，同時還可對外來車輛進行直接充電，重卡整體換電站的地面布置如圖1所示。集裝箱內(nèi)主要集成了智能起重機、電池底座、集裝箱內(nèi)飾結(jié)構(gòu)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)、監(jiān)控室空調(diào)、地面站控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)施等部分。

圖1 重卡換電站地面布置圖

智能起重機是整個換電站中的核心搬運裝置，是實現(xiàn)自動搬運的基礎(chǔ)設(shè)備，表1 給出了智能起重機各個機構(gòu)的運行速度和定位精度要求等參數(shù)。

表1 起重機各個機構(gòu)的基本運行參數(shù)

1.2 智能起重機的控制框圖

智能起重機的控制系統(tǒng)主要包含起重機的三坐標(biāo)定位系統(tǒng)、起重機電控及驅(qū)動系統(tǒng)、地面站控系統(tǒng)、移門掃描系統(tǒng)等部分，每個部分的工作要求和目標(biāo)都圍繞著實現(xiàn)電池吊裝時的準(zhǔn)確性和快速性進行設(shè)計。智能起重機與地面站控系統(tǒng)采用穩(wěn)定的有線控制實現(xiàn)，保障了信號不會因其他干擾而出現(xiàn)故障，同時也保障了信息通訊的實時性，智能起重機的控制框圖如圖2所示。

圖2 智能起重機控制系統(tǒng)框圖

1.3 智能起重機電控系統(tǒng)方案設(shè)計

智能起重機采用伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動和定位，伺服電動機自帶有編碼器，控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。然而智能起重機的噸位小、自重輕，在運行過程中易出現(xiàn)車輪打滑或跳動等現(xiàn)象，不能完全利用伺服電動機編碼器實現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，外部需要增加檢測傳感器方可實現(xiàn)位置控制，故采用速度閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制雙重控制方式以保障系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。常用的外部檢測傳感器有激光測距儀、條碼測距儀、絕對值編碼器和格雷母線等，為了便于現(xiàn)場安裝和調(diào)試的順利進行，本系統(tǒng)大車采用激光測距儀定位、小車采用絕對值編碼器加齒輪齒條控制、起升采用絕對值編碼器控制方式，有效提高了設(shè)備的整體控制精度。

伺服控制器系統(tǒng)和三坐標(biāo)控制系統(tǒng)采用通訊方式與PLC 系統(tǒng)進行通訊和控制，保障了智能起重機控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)，減少了其他電子元器件的干擾。

1.4 地面站控系統(tǒng)方案設(shè)計

地面站控系統(tǒng)承載著整個換電站的控制和運行，上端與智能起重機控制系統(tǒng)進行對接，下端與地面充電管理系統(tǒng)、遠程運維中心進行對接，是整個換電站的核心控制部分。本文主要介紹與智能起重機設(shè)計和控制相關(guān)的部分，地面站控系統(tǒng)采用PLC 和工控機進行調(diào)度控制，智能起重機通過工控機實現(xiàn)自動運行、通過觸摸屏（HMI）實現(xiàn)手動或半自動運行。

地面移門控制系統(tǒng)主要涉及到重卡電動汽車停靠位置和車載電池位置的定位，同樣采用伺服控制+編碼器實現(xiàn)速度閉環(huán)。為了更準(zhǔn)確地識別車載電池的停放角度，在移門系統(tǒng)上增加激光測距儀，檢測車載電池的偏移量，根據(jù)偏移量的數(shù)值適當(dāng)調(diào)整智能起重機的小車位置和吊具的旋轉(zhuǎn)角度，使起吊車載電池時能夠更準(zhǔn)確。

2 重卡換電站流程控制系統(tǒng)設(shè)計

重卡換電站的換電流程主要由電池出入庫和電池移庫等流程組成。針對每個流程，系統(tǒng)優(yōu)化選擇一條最優(yōu)路徑實現(xiàn)電池移動的最短路徑，從而提高了設(shè)計的運行效率。整個換電系統(tǒng)有自動、半自動、手動等3 種運行模式，自動模式為正常生產(chǎn)時期使用，其他可操作范圍為控制柜按鈕、急停按鈕以及觸摸屏上的顯示信息等；半自動、手動模式只是針對調(diào)試、維修、故障排除時使用，包括每個執(zhí)行機構(gòu)的單步以及連步動作執(zhí)行。在自動運行模式下，若手動運行模式失效，而急停按鈕不管是何種模式，均應(yīng)能及時確保安全斷電，以保障動作機構(gòu)及時停止運動。

2.1 全自動模式下的控制流程

1）電池出入庫流程

當(dāng)重卡電動汽車開到位置后，司機通過RFID 系統(tǒng)進行掃碼確認，并對汽車電池進行解鎖操作，待車輛信息和系統(tǒng)信息匹配完成后，換電系統(tǒng)移門自動打開，掃描重卡電動汽車上面電池的擺放狀態(tài)，系統(tǒng)確認重卡電動汽車上電池的坐標(biāo)位置，智能起重機自動運行到電池位置進行取電池操作，然后取走空電池放進充電倉內(nèi)，系統(tǒng)推薦滿電池進行更換，直至完成電池的更換。換電流程如圖3所示。

圖3 電池出入庫流程圖

2）電池移庫流程

為了提高換電的效率，可以臨時將充滿電的電池移到距離移門較近的地方，并將空位置預(yù)留給后續(xù)需要充電的電池。一方面可以保障換電的效率，另一方面也對電池的充電壽命進行監(jiān)控，能夠最大限度地利用電池的充放電過程。電池的移庫基本上是在設(shè)備空閑時間，根據(jù)系統(tǒng)電池充放電數(shù)據(jù)指導(dǎo)智能起重機自動運行完成。

2.2 智能起重機智能監(jiān)控畫面設(shè)計

為了實現(xiàn)智能起重機的遠程全自動和半自動進行操作，地面站控系統(tǒng)根據(jù)換電過程和數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要設(shè)計了1 套完整的系統(tǒng)操作流程，可實現(xiàn)遠程操作接口對接和就地操作控制，操作流程界面如圖4所示。通過界面可以監(jiān)控汽車的車輛信息、電池的坐標(biāo)信息、智能起重機的當(dāng)前位置信息和狀態(tài)信息等，這些信息既可本地監(jiān)控，也可通過無線傳輸?shù)竭h程運維系統(tǒng)，實時監(jiān)控和分析當(dāng)前該站的運行情況和維保信息。

圖4 站控系統(tǒng)操作流程

1）重卡電動汽車電池定位設(shè)計

在重卡換電站集裝箱移門上安裝激光測距儀，移門安裝帶有絕對值編碼器的伺服電動機，通過移門的移動帶動移門上的激光測距儀移動，可實時監(jiān)測移動距離重卡汽車上的電池距離，取移門打開時的位置數(shù)據(jù)、中間位置數(shù)據(jù)和移門到位后的位置數(shù)據(jù)（見圖5），通過計算出重卡汽車電池的坐標(biāo)位置，指導(dǎo)智能起重機進行電池抓取位置的判斷，能夠快速找到最合適的吊裝位，不需要駕駛員反復(fù)調(diào)整車輛的位置，節(jié)省了停車時間，進而提升了換電效率。

圖5 重卡汽車電池位置示意圖

①預(yù)先設(shè)定電池的中心基準(zhǔn)位置坐標(biāo)A（a，b），選取移門中心和電池的中心在同一條直線，此時記錄下激光的距離B，移門的位移為C。

②接收到換電指令后，在預(yù)設(shè)的第一位置記錄移門第1 次行走距離X1和激光距離Y1（第1 位置是電池上邊緣的任意位置）。

③在預(yù)設(shè)的第2 位置記錄移門第2 次行走距離X2和激光距離Y2（第2 位置是電池下邊緣的任意位置），并獲取卡車電池的寬度D。

④基于移門第1 次行走距離X1、激光距離Y1、移門第2 次行走距離X2和激光側(cè)出距離Y2，計算電池的偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N。

⑤基于偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的閾值對比，確定電池的吊裝策略。

結(jié)合重卡汽車電池的位置，計算出相應(yīng)的數(shù)值，得出電池的偏差角度α、電池的左右偏差距離M和前后中心偏差距離N分別為

電池吊裝策略主要是通過判斷偏差角度α是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第1 閾值，左右偏差M是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第2 閾值，前后偏差N是否超過了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第3 閾值；若這3 個條件中有任意1 個未滿足，則需要駕駛員調(diào)整車輛，重新進行打開移門進行掃描確認信息；若這3 個條件都滿足，系統(tǒng)則根據(jù)前后偏差和左右偏差，通過機器人自帶旋轉(zhuǎn)機構(gòu)調(diào)整機器人的姿態(tài)，匹配卡車最終停止位置，準(zhǔn)確地識別卡車電池的位置。

2）防搖擺控制設(shè)計

由于重卡汽車的電池自重為3.5 t，智能起重機的載荷采用5 t 設(shè)計。起重機本身的跨度小、小車自重和吊裝質(zhì)量相對較輕，特別是在大車機構(gòu)快速運行和高定位精度過程中，系統(tǒng)對智能起重機的穩(wěn)定性要求較高。智能起重機在設(shè)計過程中，增加了導(dǎo)錐式機械防遙裝置，以保障運行時機械裝置的穩(wěn)定性，并在自動控制系統(tǒng)中增加電氣開環(huán)防搖擺控制程序，路徑規(guī)劃過程中對速度和加速度增加了S 曲線控制，根據(jù)目標(biāo)位置的距離采用不同的控制策略和速度曲線，可在運行過程中提前進行變速控制，實現(xiàn)智能起重機在運行中快速定位，保障電池定位時的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，提高整個換電過程中的效率。

3 展望與總結(jié)

隨著新能源汽車在各行業(yè)的不斷普及，電動重卡汽車在特定行業(yè)得到了充分的利用。通過重卡換電站的數(shù)量增加，有效地解決了電池能量不足的問題，重卡換電站作為獨立的、可移動的設(shè)備，系統(tǒng)相對獨立，實現(xiàn)自動化的可行性強，換電系統(tǒng)的可復(fù)制性強，在很多礦場和封閉廠區(qū)內(nèi)推廣性強。重卡換電站配備智能化起重機，實現(xiàn)了重卡換電全流程的自動控制，有效提高了重卡換電的效率和電池質(zhì)量的管理，減少了客戶和廠家的運維服務(wù)成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率和安全性，為客戶實現(xiàn)綠色節(jié)能目標(biāo)創(chuàng)造價值。通過長期監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，重卡換電智能起重機已實現(xiàn)了自動定位±3 mm 的目標(biāo)，該起重機的配置和調(diào)試經(jīng)驗，可以借鑒到其他行業(yè)起重機進行應(yīng)用，增加一些人工智能技術(shù)，實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，為客戶節(jié)省大量的人力和物力成本。