CN106828436A - 汽车电池更换***及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车电池更换***及其运行方法。汽车电池更换***包括：用于采集汽车上的标记以发送位置信号的第一位置传感器；行走机构，行走机构与第一位置传感器电连接；抓取机构，抓取机构设置在行走机构上；货叉机构，货叉机构设置在行走机构上；用于检测抓取机构运行到汽车的电池组处的第二位置传感器，第二位置传感器与抓取机构连接。由于采用汽车电池更换***对汽车的电池组进行更换，大大减少了人工成本，降低了工作人员的劳动强度、提高了工作效率。

Description

汽车电池更换***及其运行方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，具体而言，涉及一种汽车电池更换***及其运行方法。

背景技术

随着世界人口不断增长，人民生活水平快速提高，汽车的数量也在疯狂的增长。

如果这些车辆都采用内燃机，那么所需的燃油，将日渐枯竭，排放的尾气也会使大气污染日趋严重。当今环保新能源问题备受关注，电动汽车作为实现交通能源转型的途径之一，已经成为世界各主要国家和汽车制造厂商共同的战略选择，我国也已经把发展电动汽车列入“九五”重点科技产业项目，组织科研机构进行研制开发。

电动汽车的电力来源比较丰富，可是目前能高效、稳定的提供方式仍然是电池。虽然电池的技术也是不断发展创新，不过电池体积、重量和储存量等因素仍然是制约电动汽车续航能力和动力指标的主要因素之一。这样就带来一个对电池能量不断补充的问题。目前提高电池充电的效率还没有太好的办法。

电池更换技术的出现不但适应了人民日常汽车加油的习惯，而且可以避免长时间充电的等待，也省去了提前支付高昂电池成本。

但是，目前电动汽车的电池仍存在体积、质量较大的问题，因而人工方式进行电池更换的作业，仍是一项繁重的体力劳动，而且效率很低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种汽车电池更换***及其运行方法，以解决现有技术中更换汽车的电池存在劳动强度大、工作效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种汽车电池更换***，包括：用于采集汽车上的标记以发送位置信号的第一位置传感器；行走机构，行走机构与第一位置传感器电连接；抓取机构，抓取机构设置在行走机构上；货叉机构，货叉机构设置在行走机构上；用于检测抓取机构运行到汽车的电池组处的第二位置传感器，第二位置传感器与抓取机构连接。

进一步地，汽车电池更换***还包括旋转机构，货叉机构和抓取机构均通过旋转机构设置在行走机构上。

进一步地，行走机构包括：平行且相间隔设置的两条轨道；支撑架，支撑架的两端与两条轨道一一对应滑动连接，旋转机构可转动地设置在支撑架上并带动货叉机构和抓取机构转动。

进一步地，旋转机构包括：回转支撑，货叉机构和抓取机构均设置在回转支撑上；旋转电机，旋转电机设置在支撑架上；旋转齿轮，旋转齿轮套设在旋转电机的输出轴上并驱动回转支撑转动。

进一步地，回转支撑的旋转角度为180度。

进一步地，汽车电池更换***还包括举升机构，货叉机构和抓取机构通过举升机构设置在旋转机构上。

进一步地，举升机构包括：升举架，升举架设置在旋转机构上；滚珠丝杠，滚珠丝杠设置在升举架上，货叉机构和抓取机构可移动地设置在滚珠丝杠上；升举电机，升举电机驱动滚珠丝杠转动。

进一步地，举升机构是两级传动结构。

进一步地，货叉机构是三级伸缩机构。

进一步地，抓取机构包括：推手组件；抓手组件，抓手组件具有夹持部，抓手组件设置在推手组件的前端。

根据本发明的另一方面，提供了一种汽车电池更换***的运行方法，汽车电池更换***是上述的汽车电池更换***，包括：确定汽车的空电池组的位置；抓取机构抓取空电池组并放回充电架；抓取机构从充电架上取出新电池组并放入汽车；抓取机构复位。

进一步地，通过第一位置传感器采集汽车上的标记以确定汽车的空电池组的位置。

进一步地，根据第一位置传感器发送的位置信号，确定行走机构的移动距离；行走机构运行到位后货叉机构和抓取机构向汽车的空电池组伸出；第二位置传感器检测抓取机构运行到位后，抓取机构的抓手组件夹住空电池组；行走机构带动抓取机构将空电池组放回充电架。

进一步地，抓手组件夹住空电池组或新电池组后，货叉机构和抓取机构复位。

进一步地，空电池组放回充电架后，汽车电池更换***的旋转机构带动抓取机构转动180度后，抓取机构的抓手组件夹住新电池组。

进一步地，行走机构带动抓取机构将新电池组放入汽车内。

应用本发明的技术方案，通过第一位置传感器采集汽车上的标记以确定汽车的空电池组的位置；并通过行走机构带动货叉机构和抓取机构运动，以使其靠近空电池组；而后抓取机构和货叉机构伸出，且抓取机构根据第二位置传感器的反馈抓取空电池组，以将空电池组取出；随后，同样通过行走机构、货叉机构和抓取机构的协同作用，将新电池组安装到汽车内，已完成汽车电池的更换。

其中，行走机构主要用于运输货叉机构和抓取机构；抓取机构主要用于抓住电池组；货叉机构主要用于承托抓取机构抓住的电池组；而第一位置传感器和第二位置传感器的作用，是为了确定行走机构和抓取机构的运行量，从而使汽车电池更换***能够顺利完成电池组的更换作业。

由于采用汽车电池更换***对汽车的电池组进行更换，大大减少了人工成本，降低了工作人员的劳动强度、提高了工作效率。

由此可见，随着社会的发展，电动汽车将逐步取代燃油车，本发明中的汽车电池更换***提供了一种高效、省力的方式进行电池更换。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个可选实施方式的汽车电池更换***的应用场景示意图；

图2示出了图1中的汽车电池更换***的行走机构的结构示意图；

图3示出了图1中的汽车电池更换***的旋转机构的结构示意图；

图4示出了图1中的汽车电池更换***的举升机构的结构示意图；

图5示出了图1中的汽车电池更换***的货叉机构的结构示意图；

图6示出了图1中的汽车电池更换***的抓取机构的结构示意图；

图7示出了图1中的充电架的主视图；

图8示出了图7的俯视图；

图9示出了图1中的汽车电池更换***的电气原理图；以及

图10示出了图1中的汽车电池更换***的运行方法流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、行走机构；11、轨道；12、支撑架；20、抓取机构；21、推手组件；22、抓手组件；30、货叉机构；40、旋转机构；41、回转支撑；42、旋转电机；43、旋转齿轮；50、举升机构；51、升举架；52、滚珠丝杠；53、升举电机；60、充电架；70、充电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中更换汽车的电池存在劳动强度大、工作效率低的问题，本发明提供了一种汽车电池更换***及其运行方法。

如图1所示，示出了汽车更换***的应用场景示意图。汽车电池更换***的前后对称放置两组充电架60，一组充电架60上可用于容置空电池组，另一组充电架60上放置有充电完毕的新电池组。汽车电池更换***安装在左右两条车道之间，可分别对两个车道上的车辆进行电池更换，在较小的区域内，提供更大的换装能力。

在图1中，充电机70放置在充电架60的后方。

如图7和图8所示，单个充电架60的容量为38块电池组。

如图1至图6所示，汽车电池更换***包括行走机构10、抓取机构20、货叉机构30、用于采集汽车上的标记以发送位置信号的第一位置传感器、用于检测抓取机构20运行到汽车的电池组处的第二位置传感器，行走机构10与第一位置传感器电连接；抓取机构20设置在行走机构10上；货叉机构30设置在行走机构10上；第二位置传感器与抓取机构20连接。

通过第一位置传感器采集汽车上的标记以确定汽车的空电池组的位置；并通过行走机构10带动货叉机构30和抓取机构20运动，以使其靠近空电池组；而后抓取机构20和货叉机构30伸出，且抓取机构20根据第二位置传感器的反馈抓取空电池组，以将空电池组取出；随后，同样通过行走机构10、货叉机构30和抓取机构20的协同作用，将新电池组安装到汽车内，已完成汽车电池的更换。

其中，行走机构主要用于运输货叉机构30和抓取机构20；抓取机构20主要用于抓住电池组；货叉机构30主要用于承托抓取机构20抓住的电池组；而第一位置传感器和第二位置传感器的作用，是为了确定行走机构10和抓取机构20的运行量，从而使汽车电池更换***能够顺利完成电池组的更换作业。

由于采用汽车电池更换***对汽车的电池组进行更换，大大减少了人工成本，降低了工作人员的劳动强度、提高了工作效率。

由此可见，随着社会的发展，电动汽车将逐步取代燃油车，本发明中的汽车电池更换***提供了一种高效、省力的方式进行电池更换。

可选地，货叉机构30是三级伸缩机构。这样，能够有效增加货叉机构30的有效工作距离，并保证货叉机构30不用时具有占用空间小、易收纳的优点。

如图5所示，货叉机构30包括顺次连接的一级货叉架、二级货叉架和三级货叉架。具体而言，二级货叉架靠一级货叉架上的齿轮齿条传动，三级货叉架靠二级货叉架上的链轮链条传动。可选地，货叉机构30内部采用伺服电机驱动，以保证二级货叉架和三级货叉架能够可靠伸缩，也就是控制货叉前后运动。

如图6所示，抓取机构20包括推手组件21和抓手组件22，抓手组件22具有夹持部，抓手组件22设置在推手组件21的前端。驱动机构带动抓取机构20进行伸缩运动，抓手机构对电池组的箱体进行夹紧。可选地，驱动机构是伺服电机，通过软件控制配合完成取、放电池组的动作。需要说明的是，推手组件21的电机控制推手前后运动；抓手组件22的电机控制抓手夹紧或放松。

如图3所示，汽车电池更换***还包括旋转机构40，货叉机构30和抓取机构20均通过旋转机构40设置在行走机构10上。这样，当旋转机构40运动时，就会带动货叉机构30和抓取机构20一同旋转换向，以使抓取机构20在两侧的充电架60上来回切换，已完成对空电池组的放置以及对取出新电池组。

具体而言，旋转机构40包括回转支撑41、旋转电机42和旋转齿轮43，货叉机构30和抓取机构20均设置在回转支撑41上；旋转电机42设置在支撑架12上；旋转齿轮43套设在旋转电机42的输出轴上并驱动回转支撑41转动。

可选地，旋转电机42是伺服电机。伺服电机带动齿轮，驱动回转支撑41进行旋转，进而带动货叉机构30和抓取机构20整体旋转运动。

优选地，回转支撑41的旋转角度为180度。这样，也就实现了对两侧充电架60上的电池组进行取放的操作。

如图2所示，行走机构10包括支撑架12和平行且相间隔设置的两条轨道11，支撑架12的两端与两条轨道11一一对应滑动连接，旋转机构40可转动地设置在支撑架12上并带动货叉机构30和抓取机构20转动。由于两侧均有轨道11支撑和导向，因而保证了支撑架12的运行稳定性。

可选地，支撑架12在行走伺服电机的驱动作用下运动。这样，能有效确保停车准确性，且实现抓取机构20在图1中的左右运动。

本发明中的汽车电池更换***还包括举升机构50，货叉机构30和抓取机构20通过举升机构50设置在旋转机构40上。通过使用举升机构50，能够增加抓取机构20和货叉机构30在竖直方向的运动自由度，从而提高抓取机构20的运行范围，以提高更换电池组的效率。

如图4所示，举升机构50包括升举架51、滚珠丝杠52和升举电机53，升举架51设置在旋转机构40上；滚珠丝杠52设置在升举架51上，货叉机构30和抓取机构20可移动地设置在滚珠丝杠52上；升举电机53驱动滚珠丝杠52转动。可选地，升举电机53是带制动的伺服电机。也就是说，举升机构50采用滚珠丝杠传动，采用带制动的伺服电机进行驱动，在保证升降运动安全性的同时，确保升降运动的位置精度。升举电机53控制抓取机构上下运动。

可选地，举升机构50是两级传动结构。这样，在机构设备工作时，举升的高度足够的同时，还能减小机构自身的高度，使机构结构更加紧凑。

除了上述的结构部件外，为了保证汽车电池更换***可靠、连续运行，还需要电气***支持。

如图9所示，汽车电池更换***的电气***主要由PLC及其功能模块、6套伺服电机及多种传感器光电、接近开关等等组成。其中，PLC及其功能模块包括：电源、CPU、位置控制模块、高速计数器、通讯模块及输入输出模块等组成。

在图9中，使用者可通过触摸屏进行模式选择，或通过手动操作摇杆进行控制，以使PLC接收信号后，直接通过各伺服电机控制行走机构10、货叉机构30、抓取机构20、举升机构50、旋转机构40动作，以保证完成电池组的更换作业。

为保证***正常稳定工作，***使用多种传感器，有接近开关、光电传感器、超声波传感器、DMP定位传感器。

其中，抓取机构20在取放电池时，采用DMP传感器进行寻址，追踪并检测出目标的偏移量，确保自动对准精度。也就是说，第二位置传感器采用DMP传感器。需要说明的是，在电池组的箱体上安装有DMP传感器的反光板，在抓取机构20上安装DMP传感器，通过计算出反光板的中心点，进而找到电池组的准确位置。

另外，设置超声波传感器，以用于货叉机构30前伸定位及二次降速。

为了更好的描述上述汽车电池更换***的工作过程，故详述其运行方法。

汽车电池更换***的运行方法包括：确定汽车的空电池组的位置；抓取机构20抓取空电池组并放回充电架60；抓取机构20从充电架60上取出新电池组并放入汽车；抓取机构20复位。这样，取放电池完全依赖于汽车电池更换***，大大降低了工作人员的劳动强度，工作人员仅需监控汽车电池更换***是否运转正常即可。

其中，通过第一位置传感器采集汽车上的标记以确定汽车的空电池组的位置。从而使得货叉机构30和抓取机构20能够可靠运行至汽车上的电池组处。

具体而言，根据第一位置传感器发送的位置信号，确定行走机构10的移动距离；行走机构10运行到位后货叉机构30和抓取机构20向汽车的空电池组伸出；第二位置传感器检测抓取机构20运行到位后，抓取机构20的抓手组件22夹住空电池组；行走机构10带动抓取机构20将空电池组放回充电架60。这样，就完成了空电池组的取出作业。

需要说明的是，抓手组件22夹住空电池组或新电池组后，货叉机构30和抓取机构20复位。为了避免运动干涉，最好在抓取机构20抓住电池组后，将货叉机构30和抓取机构20复位，避免行走机构10在运行过程中，二者撞击到障碍物。

具体而言，空电池组放回充电架60后，汽车电池更换***的旋转机构40带动抓取机构20转动180度后，抓取机构20的抓手组件22夹住新电池组。当抓取机构20将空电池组放回充电架60后，通过旋转机构40的动作，可以使抓取机构20转向另一侧的充电架60，以进行拾取新电池组的操作。

最后，行走机构10带动抓取机构20将新电池组放入汽车内。

在图10所示的具体实施例中，首先，先将待更换汽车沿着充电站内地面上的轨道驶入充电位置并打开后备箱盖及机械锁，以解锁；而后，第一位置传感器检测汽车的标记以确定行走机构的运行距离并移动，此过程大约耗时25秒；之后，货叉机构和抓取机构伸出，第二位置传感器检测到位以使抓取机构取出空电池组，此过程大约耗时5秒；后来，货叉机构和抓取机构收回，并将空电池组放回充电架，此过程大约耗时15秒；之后，货叉机构和抓取机构在对侧的充电架处取新电池组，此过程大约耗时15秒；货叉机构和抓取机构将新电池组放入汽车内，并向车内的另一个空电池组处移动，此过程大约耗时25秒；然后重复取出空电池组、放入新电池组的过程；当车内的电池组全部更换完毕后，操作者锁紧机械锁并关上后备箱盖，车辆驶离。

本发明中的汽车电池更换***能够实现与充电架60的对接。减小了电池组由充电架60运行到更换工位的距离。因此，节省了电池运行所需的输送带等输送机构的安装空间，也降低了安装输送带的成本。同时省去的中转换电工位，也为充电架60争取了一部分的存储电池的空间。

此外，本发明中的汽车电池更换***能够有效减少移动距离，提高换电的效率。

本发明中的汽车电池更换***能够在公共领域进行推广和应用，可覆盖办公人群、商业区和公共领域场所，适应大巴车、乘用车等多种领域。本发明中的汽车电池更换***有利于推动节能减排、新能源以及电动公交车等战略性新兴产业的发展。不仅是对电动汽车基础设施技术的提高和推动，形成了新的产品序列和种类，满足了不同的需求，同时也是对电动汽车产业发展的一种促进和推动，产业的规模化发展必然会带动相关企业形成一定的技术提升和市场效益，带动经济的发展和高端人才的聚集。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种汽车电池更换***，其特征在于，包括：

用于采集汽车上的标记以发送位置信号的第一位置传感器；

行走机构(10)，所述行走机构(10)与所述第一位置传感器电连接；

抓取机构(20)，所述抓取机构(20)设置在所述行走机构(10)上；

货叉机构(30)，所述货叉机构(30)设置在所述行走机构(10)上；

用于检测所述抓取机构(20)运行到所述汽车的电池组处的第二位置传感器，所述第二位置传感器与所述抓取机构(20)连接。

2.根据权利要求1所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述汽车电池更换***还包括旋转机构(40)，所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)均通过所述旋转机构(40)设置在所述行走机构(10)上。

3.根据权利要求2所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述行走机构(10)包括：

平行且相间隔设置的两条轨道(11)；

支撑架(12)，所述支撑架(12)的两端与两条所述轨道(11)一一对应滑动连接，所述旋转机构(40)可转动地设置在所述支撑架(12)上并带动所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)转动。

4.根据权利要求3所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述旋转机构(40)包括：

回转支撑(41)，所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)均设置在所述回转支撑(41)上；

旋转电机(42)，所述旋转电机(42)设置在所述支撑架(12)上；

旋转齿轮(43)，所述旋转齿轮(43)套设在所述旋转电机(42)的输出轴上并驱动所述回转支撑(41)转动。

5.根据权利要求4所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述回转支撑(41)的旋转角度为180度。

6.根据权利要求5所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述汽车电池更换***还包括举升机构(50)，所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)通过所述举升机构(50)设置在所述旋转机构(40)上。

7.根据权利要求6所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述举升机构(50)包括：

升举架(51)，所述升举架(51)设置在所述旋转机构(40)上；

滚珠丝杠(52)，所述滚珠丝杠(52)设置在所述升举架(51)上，所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)可移动地设置在所述滚珠丝杠(52)上；

升举电机(53)，所述升举电机(53)驱动所述滚珠丝杠(52)转动。

8.根据权利要求6所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述举升机构(50)是两级传动结构。

9.根据权利要求1所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述货叉机构(30)是三级伸缩机构。

10.根据权利要求1所述的汽车电池更换***，其特征在于，所述抓取机构(20)包括：

推手组件(21)；

抓手组件(22)，所述抓手组件(22)具有夹持部，所述抓手组件(22)设置在所述推手组件(21)的前端。

11.一种汽车电池更换***的运行方法，其特征在于，所述汽车电池更换***是权利要求1至10中任一项所述的汽车电池更换***，包括：

确定汽车的空电池组的位置；

抓取机构(20)抓取所述空电池组并放回充电架；

所述抓取机构(20)从所述充电架上取出新电池组并放入所述汽车；

所述抓取机构(20)复位。

12.根据权利要求11所述的运行方法，其特征在于，通过第一位置传感器采集所述汽车上的标记以确定所述汽车的空电池组的位置。

13.根据权利要求12所述的运行方法，其特征在于，

根据所述第一位置传感器发送的位置信号，确定所述行走机构(10)的移动距离；

所述行走机构(10)运行到位后货叉机构(30)和所述抓取机构(20)向所述汽车的空电池组伸出；

第二位置传感器检测所述抓取机构(20)运行到位后，所述抓取机构(20)的抓手组件(22)夹住所述空电池组；

所述行走机构(10)带动所述抓取机构(20)将所述空电池组放回所述充电架。

14.根据权利要求13所述的运行方法，其特征在于，所述抓手组件(22)夹住所述空电池组或所述新电池组后，所述货叉机构(30)和所述抓取机构(20)复位。

15.根据权利要求13所述的运行方法，其特征在于，所述空电池组放回所述充电架后，所述汽车电池更换***的旋转机构(40)带动所述抓取机构(20)转动180度后，所述抓取机构(20)的抓手组件(22)夹住所述新电池组。

16.根据权利要求15所述的运行方法，其特征在于，所述行走机构(10)带动所述抓取机构(20)将所述新电池组放入所述汽车内。