新穎集裝箱式電動汽車電池充電、換電服務站成套裝備

（北自所制造業(yè)自動化工程研究中心（常州）有限公司，常州 213023）

0 引言

新能源電動汽車電池充電、換電裝備，是新能源電動汽車大規(guī)模推廣應用的重要前提和基礎[1～3]，由于目前新能源電動汽車受制于續(xù)航能力及電池性能兩大瓶頸，該瓶頸在短期內恐難以有較大突破，因此，應在電動汽車電池的電能補給方式上作為突破點，以能為電動汽車提供安全充電、快速換電的服務裝備，來彌補上述瓶頸的不足[4,5]。鑒于上述原因，針對電動汽車電池充電、快速換電的智能服務站項目，經我們研發(fā)團隊綜合市場研究和技術開發(fā)，一種新穎的集裝箱式電動汽車充電、快速換電的成套裝備已向市場隆重推出，深受市場歡迎。由于其整體精巧，且自動化程度高，運行成本低，功能多且安裝方便，特別適用在城市快速布點、投運，使得對電動汽車電池充電、換電池提供服務變得經濟和便捷，為電動汽車市場化發(fā)展創(chuàng)造良好的條件[6,7]。

1 電動汽車充電、快速換電的自動化裝備系統(tǒng)簡介

電動汽車電池充電、換電智能服務站項目，在研發(fā)過程中，我們結合了某大型電動汽車制造商對某型新能源電動汽車的鋰電池充電、換電的功能需求，進行了全新的系統(tǒng)設計；總體構成：主要由特制集裝箱箱體、立體庫（含各充電單元倉）、堆垛機、托盤定位機構、電池出入庫輸送線、安全及消防設施、充電裝備、系統(tǒng)管理等組成；需要換電的汽車只要進入智能服務站的換電區(qū)域，由人工或助力機械手，把車內電池放入專用托盤內，經自動掃描識別后，該電池組托盤就由出入庫輸送線、再定位系統(tǒng)、堆垛機自動將電池組托盤放入倉儲管理系統(tǒng)設定的充電倉內，由管理系統(tǒng)及充電裝置自動對該電池組進行充電并管理；而充滿電的電池組，通過一鍵輸入，系統(tǒng)將充滿電的電池從庫中自動調出至換電工位，由人工或助力機械手將電池裝入車內。完成一輛車的換電全過程約3分鐘左右。

根據(jù)該型電動汽車電池型號及規(guī)格，經過精密集成布置，在該充電、換電智能服務站內，設置了58個充電倉位，可滿足58輛電動汽車的電池能源補充（該型車一輛車共8個電池，設為一組，放置于一個托盤內，每個托盤占一個倉位）。

圖1 汽車電池、托盤示意圖

2 系統(tǒng)裝備及實現(xiàn)功能描述

主要圍繞以下方面功能展開設計。

2.1 特制集裝箱式結構

傳統(tǒng)固定式廠房結構的充電站點，由于受城市規(guī)劃、建設周期、環(huán)評、安全等等諸多環(huán)節(jié)因素的制約，達不到快速布點投放要求，為此，該智能服務站將充電、換電、控制等系統(tǒng)，高度集成在一個特制的集裝箱內，如圖2所示。

圖2 電動汽車電能補給充電、換電智能服務站外觀圖及內部分布模型

本集裝箱系統(tǒng)的結構采用特制的專用柜式集裝箱，尺寸規(guī)格：外輪廓尺寸長×寬×高=15米×3米×3米，以滿足用戶對系統(tǒng)裝備的運輸、安裝調試等快速布點的要求，實現(xiàn)功能要求如下：

1）箱橋結構，整體性強，穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)承載及堆垛機運行精度要求（包括電池托盤的出入專用通道及軌道、各倉位等的精度及保持的要求），箱體壁隔層部分采用保溫阻燃材料拼裝合成；

2）在特制的集裝箱體內，分隔成：控制室、充電倉庫、電池出入輸送三個區(qū)域，各區(qū)域進行保溫阻燃隔斷；

3）滿足對集裝箱體的安裝水平的調整要求，整體結構具有足夠的剛度和強度，在內部動載過程中，確保系統(tǒng)精度的保持；

4）參考戶外電氣設施的防護要求，箱體設有呼吸口，便于箱內外的換氣，應急窗等，對這些設施采取了必要的防護措施，以防雨水塵粒浸入，可避免因戶外環(huán)境影響使得箱體銹蝕及密封失效而造成的電氣設備故障發(fā)生，確保系統(tǒng)設備的安全、可靠運行；

5）在特制的集裝箱體內，布局配置有電池充電倉、控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、安防與消防應急系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、制冷空調和通風散熱風道及送風口系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)等部分，進行系統(tǒng)科學的布置，抗干擾能力強，確保系統(tǒng)安全運行及內外通訊暢通；

6）在特制的集裝箱體兩縱向外側，設置了各充電倉單元對外的安全應急彈射門，以便在電池充電過程中，一旦出現(xiàn)爆燃，應急系統(tǒng)可啟動彈射系統(tǒng)，將爆燃電池組及時彈出箱體外；

7）在箱體兩端設置了日常維護防盜安全門，頂部設置攝像系統(tǒng)，并可實現(xiàn)圖像追溯；

8）成套裝置安裝后，凈占地面積不足100m2，包含動力輸送線、兩輛換電汽車的停車位。

該特制的集裝箱作為智能服務站的主體部分，全系統(tǒng)的設備均集中分布在其內部，其箱橋結構、承載能力及系統(tǒng)變形等，需要進行受力分析，為保證堆垛機在內部的運行精度及內部裝備空間位置的穩(wěn)定。

集裝箱式箱體靜力分析：

Solidworks SimulationXpress為Solidworks的應力分析工具，其根據(jù)有限元法，使用線性靜態(tài)分析來計算應力。

箱體主要承受堆垛機及貨架、貨物（電池）的壓力，堆垛機在箱體中間位置往復行走，其兩側各布置一排貨架，具體如圖3所示。

圖3 箱體內部布置圖

每個單元倉重量核準為300kg，58個單元總重為17400kg，堆垛機總重為1500kg，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，利用SimulationXpress進行應力分析，為便于分析，對箱體的模型進行了簡化，如圖4所示。

圖4 簡化的分析模型

根據(jù)SimulationXpress指示，完成定義材料屬性、添加夾具、添加外部載荷、分析模型、查看結果。分析結果表明，最大變形量發(fā)生在中部，最大變形量值為0.3223mm，等效應力1.55×107N/m2小于屈服力1.85×108N/m2，最低安全系數(shù)FOS為11.9大于1（FOS在1的時候正好是材料出現(xiàn)屈服的時候，一般產品要求大于1.5）。

以上數(shù)據(jù)表明，所設計的集裝箱式箱體可滿足功能要求，保證系統(tǒng)承載后的穩(wěn)定性要求。

圖5 SimulationXpress 分析結果

2.2 立體庫（充電倉）

作為一個能達到快速投放運行的智能服務站，從服務距離半徑及密度、運行成本等綜合考慮，一個站要能滿足50～60輛電動汽車的充電、換電服務需求，為此在一個智能服務站內，配置了一個小型立體倉庫，庫區(qū)內的充電架，共20列，每列3個電池充電倉位，左排10列、右排10列，分左右兩行排列，組成一個小型立體倉庫，其中托盤再定位裝置占用2個倉位，共計58個充電倉位。

1）在每個充電倉位，周邊均由阻燃材料封閉，電池進出門采用金屬卷簾遮擋，形成一個獨立的電池充電、存放單元。

2）在每個充電倉位單元內，設置一個電池組托盤的充電插座，當托盤進入充電倉單元時，通過自定位機構，對電池托盤進行精確定位，確保充電插座副能精準插入，連接良好。

3）在每個充電倉位單元內，配備有安全、消防系統(tǒng)及部件設施，包括托盤應急自動彈射裝置、煙霧及火焰?zhèn)鞲衅鳌缁鸾禍卦O施等。

4）在每個充電倉位單元內，配備電氣配線及通訊布線及相應保護設施。

圖6 充電倉位結構及分布現(xiàn)場照片

2.3 電池托盤進倉前的自動定位裝置

在系統(tǒng)自動運行時，電池組托盤進出倉工作是十分頻繁的，電池組托盤在箱外動力輸送與箱內倉位配送系統(tǒng)轉接時的定位必須準確，滿足系統(tǒng)完成自動化運行要求，于是在入倉前的再定位顯得更為重要。我們在設計時，采用了電動頂升的再定位機構，對輸送線從箱體外送到的托盤進行頂升-再定位，達到了占用空間小且定位精準高的要求。

2.4 電池組托盤應急自動彈出裝置

電池組托盤應急自動彈出裝置，是該智能服務站成套裝備中采用的安全措施之一，它分布在每個充電倉的底部，一旦安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某充電倉的安全報警值達到彈射級別的設置，該彈射裝置將利用系統(tǒng)自帶的高壓氮氣作為動力，自行啟動彈出機構、充電插座副的拔出機構等，將該報警倉內的電池組托盤快速彈出箱體外，以保障服務站的整體安全。

圖7 分布在各充電倉位中的彈出裝置圖

電池彈出執(zhí)行機構工作原理如下。

執(zhí)行動作過程：

1）當某充電倉位發(fā)生電池爆燃報警時，氮氣滅火系統(tǒng)自動啟動，向該充電工位進行氮氣隔氧降溫保護，同時向釋放裝置中的雙作用執(zhí)行氣缸供氣；

2）雙作用執(zhí)行氣缸在氮氣作用下動作，同時將插座副脫離電池托盤連接器插頭；之后緊接著打開安全鎖扣（大約0.5秒）；

3）儲能彈出機構脫離安全鎖扣后，帶動電池托盤沿固定滑道，由儲能彈簧將電池托盤彈出集裝箱；保護相鄰倉位電池安全（大約1.0秒）；

電池彈出機構總執(zhí)行時間：接受到彈出信號到把故障托盤全部彈出時間小于2.0秒。

拉伸彈簧計算分析：

拉伸彈簧作為彈射單元的重要零件，要求其彈性勢能可以將電池托盤瞬間彈射出集裝箱外，為此，我們進行了計算分析。表1為所設計的拉伸彈簧的參數(shù)，通過計算來校核能否滿足要求。

表1 拉伸彈簧參數(shù)

彈簧的拉伸量H為：

單根彈簧的彈性勢能為：

四根彈簧的彈性勢能為：

彈射過程中，摩擦力做的功為：

其中，F(xiàn)為滑動摩擦力，S為彈射距離。

由W=En，所以：

計算出的彈射距離大于要求的彈射距離，滿足彈射功能要求。

2.5 電池出入倉動力輸送線

電池托盤出入倉動力輸送線，是連接該智能服務站外部的換電工位與站內立庫前段的電池托盤輸送系統(tǒng)，在自動運行過程中，它可以根據(jù)系統(tǒng)指令，自動完成對空電池（欠電電池）、滿電（充滿電的電池）出入庫的輸送和轉運、空托盤的停止等待等，與堆垛機、再定位裝置一起完成電池組托盤的出入庫工作。

圖8 電池組托盤出入庫輸送線現(xiàn)場照片

2.6 電池托盤出入倉配送堆垛機

電池托盤出入倉配送堆垛機，是完成電池組托盤出入充電倉的自動化輸送設備，在自動運行時，按程序設定要求，實現(xiàn)對每個電池組托盤從立庫中的充電倉里取出、輸送轉運，完成電池組托盤的出倉功能，反之同樣能自動完成空電池組托盤的入庫、入倉功能。

圖9 托盤搬運堆垛機

由于該堆垛機在系統(tǒng)中的使用十分頻繁，對電池組托盤出入庫過程中的定位要求較高，無論是水平行走，還是垂直升降及貨叉的伸縮運動，其三坐標的運動精度是系統(tǒng)能可靠、安全運行的關鍵之一，因此我們采用了全伺服控制驅動，實現(xiàn)實時通訊及信息交互，達到了電池組托盤的精準輸送和定位，充電插座副能夠精準連接；出倉時能夠順利拔出，另外，對運行時的噪聲、平穩(wěn)性、全行程運動精度等，進行了針對性的專業(yè)設計，達到了理想的使用效果。

2.7 消防及安全保障

該智能服務站成套裝備中的消防及安全保障設施，是確保系統(tǒng)安全運行的關鍵，我們考慮到該型電動汽車所采用的電池特性及電池組在使用過程中受物理力等外部多種影響因素，電池在充電過程中，由于過充或其它不明原因出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象也偶有發(fā)生，因此，對電池在充電倉內充電時的安全保護就顯得十分必要，于是，通過對該型電池的解剖及爆燃試驗，了解該種電池的爆燃特性，出于安全需要，根據(jù)電池在充電發(fā)生時異常故障的不同階段、等級，采用不同的安全消防措施，在充電裝置中的電氣保護系統(tǒng)基礎上，在各個充電倉單元內，增加了感煙、火焰探測傳感器。將電池的故障分成二級，設溫度超值報警為第一級、有起煙情況或明火時為第二級，安全管理系統(tǒng)將自動根據(jù)異常故障級別，實施相應的安全消防措施，確保該智能服務站的安全運行。

主要采取措施：

在站內安裝有與安全管理聯(lián)動安全檢測傳感器、氮氣噴口、壓力氣管路、緊急彈射執(zhí)行機構、電控和氣控回路、高壓氮氣瓶組、七氟丙烷滅火劑等分級安全消防設施。具體分布如圖10所示。

圖10 各充電倉位消防傳感器布置

當安全管理檢測系統(tǒng)實時檢測到某個充電倉內電池的內部溫度達到設定值，且無火焰、無感煙信號時，啟動一級保護程序：自動停止充電并切斷該充電組電源，自行啟動噴氮系統(tǒng)，對該倉位內充氮，延時5min后，溫度下降至低于某設定值后，發(fā)令由堆垛機自動將該倉內電池取出；當正充電電池的溫度大于設定值時，有火焰或感煙信號中任意一個，啟動二級保護程序：自動停止充電并切斷該充電組電源，啟動自動充氮裝置，對該充電倉充氮保護，同時啟動充電托盤彈射裝置，將該充電倉內的電池組托盤迅速彈出箱體，及時將火源移除，達到系統(tǒng)的安全保障要求。

另外在該智能服務站內，按照通用消防管理要求，使消防及安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，當感煙和感溫報警器同時報警時，站內控制器發(fā)出火災聲光報警和聯(lián)動信號，系統(tǒng)自動釋放七氟丙烷滅火劑，對整個集裝箱內進行消防滅火；換電站內還附設噴水淹沒滅火裝置，當站內火勢過大，在七氟丙烷滅火劑釋放后還不能撲滅站內火勢且火勢還有加大可能時，電站外附設的消防水快速接口與附近消火栓連接，將消火栓的水直接從頂部注入換電站內部進行滅火。

2.8 自動控制系統(tǒng)

該智能服務站的控制系統(tǒng)，是以充電管理系統(tǒng)為核心、自動化立體倉庫的倉儲管理為基礎、消防安全管理系統(tǒng)為輔助，構成了安全高效、智能的電動汽車電池充、換電控制系統(tǒng)。其中立體庫的倉儲管理系統(tǒng)/監(jiān)控（WMS/WCS）系統(tǒng)、堆垛機、輸送線等組成；充電管理系統(tǒng)由能源管理系統(tǒng)（EMS）、控制單元、充電機、電池管理系統(tǒng)（BMS）組成；安全消防系統(tǒng)由消防測控、滅火氣體（氮氣、七氟丙烷）、溫度感應、煙霧感應和火焰感應組成。系統(tǒng)結構圖如圖11所示。

各子系統(tǒng)功能說明：

1）倉庫監(jiān)控和管理系統(tǒng)WCS/WMS軟件

WCS軟件主要對電池托盤的出入庫進行管理和控制，對堆垛機和輸送線的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

圖11 系統(tǒng)結構圖

WMS主要功能是管理托盤與電池組綁定信息、電池存儲位置、跟蹤每塊電池物流去向信息，管理電池出入庫作業(yè)，同時與EMS系統(tǒng)實時交互倉位電池的物流信息和充電狀態(tài)信息。

2）堆垛機控制系統(tǒng)

堆垛機接收WCS/WMS系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)對各相應充電倉位托盤的自動出庫入庫等操作。

3）輸送線

是連接該服務站外部的換電工位與站內立庫前段的電池托盤輸送系統(tǒng)，在自動運行狀態(tài)，它可以根據(jù)倉儲管理系統(tǒng)指令及執(zhí)行系統(tǒng)，自動完成對空電池（欠電電池）、滿電池（充滿電的電池）出入庫的輸送和轉運、空托盤的停止、等待等。

4）消防、安全管理系統(tǒng)

主要功能：滿足自動對異常倉位進行噴氮氣、降溫、報警，通知系統(tǒng)將異常充電托盤自動出庫、自動緊急彈射出庫、七氟丙烷消防噴淋等消防安全控制。

5）能源管理系統(tǒng)EMS

主要功能有通過電池充電管理、倉位電池及電池包數(shù)據(jù)管理、與消防系統(tǒng)通信監(jiān)控各倉位消防狀態(tài)信息，接收消防系統(tǒng)每個倉位的火焰、煙霧感應信號，發(fā)送每塊電池的實時溫度，同時與WMS系統(tǒng)進行倉儲信息和電池充電狀態(tài)交互。

EMS系統(tǒng)具有最高的管控權限，通過以太網方式與倉庫管理系統(tǒng)進行通訊，監(jiān)控每個倉位的信息；通過CAN總線與消防系統(tǒng)通訊，實時監(jiān)控每塊電池的充電狀態(tài)信息，并進行診斷和控制，實時監(jiān)控每個充電倉位的消防安全診斷信息。

各系統(tǒng)間信息交互方式：

1）WCS/WMS與EMS信息交互；

2）實現(xiàn)EMS與消防安全管理系統(tǒng)信息交互；

3）WCS/WMS與堆垛機信息交互。

系統(tǒng)控制實現(xiàn)了各分子系統(tǒng)控制軟件的相互通訊和協(xié)調，在智能服務站的汽車換電工位，僅設置了電池的出入庫操作按鈕，實現(xiàn)一鍵操作，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)了電動汽車充電、快速換電的智能化運行目標。

3 結論

由于該電動汽車電池充電、換電智能服務站產品，具有自動化程度高、安全性和維護性強、運行成本低、經濟性好，可實現(xiàn)在城市的快速投放運行，是滿足電動汽車能源補給的一種換電模式所必須的現(xiàn)代化裝備；可以設想，隨著電動汽車市場的大規(guī)模發(fā)展，將會越來越多的在電動汽車能源補給服務行業(yè)中得到廣泛應用。

對于該產品，我公司已申報了“集裝箱式充電站”和“集裝箱式充電站的充電倉”的發(fā)明專利及實用新型專利。

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