大功率全自動充電輔助裝置設計與仿真

龍 羿，侯興哲，曹川川，魏長明，胡曉銳，朱 彬

（1.國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123；2.重慶文理學院，重慶 402160）

隨著電動汽車和充電設施的長足發展，電動汽車充電慢的問題日趨嚴峻，大功率充電技術的需求日益明確[1]。國內外學者紛紛開展充電電流、電壓及功率提升技術研究[2]。2010 年，國網重慶市電力公司率先在全國開展電動公交大功率充電技術研究與示范[3]，實現車載動力電池6C（750 V、600 A）雙槍充電。2015年8 月，國網浙江省電力公司寧波供電公司采用“鈦酸鋰快充電池+超級電容”組合模式構建現代雙源無軌快充模式，提出集電弓新方式，突破傳統雙槍充電技術的限制，其充電參數為500 V、120 A。2018 年2 月，特來電新能源有限公司研發出智能柔性充電弓，最大充電功率可達450 kW[4]。但是，由于接口尺寸、形狀等限制，雙槍與充電弓僅適用于電動公交等體積較大車型。針對乘用電動汽車，2019 年1 月許繼集團研發出大功率液冷充電槍，解決了大電流發熱而限制單槍電流難以提升問題，將輸出功率提升至360 kW，最大電流可達500 A、支持最大電壓可達1 000 V，大功率充電技術得到突破式進步。

電纜重量隨電流增加而劇增，增加了用戶人工插拔槍的難度，降低用戶體驗感。為此，國內外學者紛紛開展自動充電方面研究，但研究成果較少。美國特斯拉公司研發了蛇形自動充電機器人，可自動尋找特斯拉電動汽車充電口并完成與接口對接充電，整個過程無人工參與，但對停車的位置有一定要求，如果停車位置不合適則無法自行充電，且僅限于特斯拉電動汽車[5]。德國的大眾公司推出了E-smart Connect 快速充電系統完成電動汽車的自動充電過程[5]，采用全新電纜布線方式，結合輕量化機器人完成自動充電，但系統結構龐大[5]。國內享奕自動化科技（上海）有限公司研發了固定式交流自動充電機器人和單槍功率為60～90 kW 的快充式自動充電機器人。

現有自動充電機器人的充電電纜較細，其電流相對較小，無法兼容大功率液冷充電槍的大電流需求。若采用標準機器人實現對大功率充電電纜牽引控制，則其體積過于龐大，建設成本較高，占地面積較大，無法應用于實際。因此，亟須研究大功率全自動充電輔助裝置，可兼容大功率充電槍，解決因電流大、電纜粗所帶來的力矩大、重量大而難以實現自動牽引控制問題，為乘用車大功率自動充電的實現提供可能[6]。

本文在介紹大功率全自動充電輔助裝置設計需求的基礎上，設計了基于關節球軸承與直線軸承的混合結構、平行式電動缸與柔性軟軸互補方式的6 自由度機械結構，分析其機械參數，并利用ADAMS 動力學軟件開展了機械本體仿真，分析電動推缸、充電槍夾頭等主要部位的受力情況，驗證大功率全自動充電輔助裝置設計的合理性，為樣機試制奠定了堅實的理論與技術基礎，打破了因大電流充電電纜韌性差與質量重而導致單槍自動插拔動作難實現的限制，助力充電服務體系的智能化與便捷化發展[5]。

1 大功率全自動充電輔助裝置設計需求

為了明確設計方向，本節介紹了大功率自動充電輔助裝置設計需求，明確服務對象，闡述設計依據，提出電氣參數和功能需求。

1.1 服務對象

大功率充電對象按車型種類可分為電動客車和電動乘用車[7]。目前，電動客車的大功率充電主要以充電弓、雙槍充電形式為主[8]。電動乘用車由于其體型限制，仍以單槍充電形式為主。本裝置目的在于輔助實現大功率單槍的自動充電，因此服務對象以電動乘用車為主。

1.2 設計依據

大功率充電接口的企業標準尚未正式發布，國標尚未形成，優先參考GB/T 20234.3-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置 第3 部分[9]：直流充電接口》作為在大功率全自動充電輔助裝置設計過程中的主要依據，同時兼顧已設計出的大功率充電接口、充電槍的實測數據。

1.3 電氣參數

隨著大功率充電研究的不斷深入，2017 年3 月國際電工委員會TC69MT5-6 工作組在荷蘭代爾夫特召開的電動汽車大功率充電國際標準會議中明確了350 kW、1 000 V、350 A 的大功率充電方式定義[6]。因此，參考大功率液冷充電槍的電纜規格，即可滿足最高輸出功率360 kW、最大電流500 A、最大電壓1 000 V 的充電電氣參數需求[10]，同時還可兼容交流等其他小電流自動充電需求。因此，可將大功率全自動充電服務裝置與交流、傳統直流、大功率液冷直流等不同充電槍相結合，以自適應不同充電需求。

1.4 功能需求

1.4.1 圖像識別

圖像識別是大功率全自動充電輔助裝置感知層的基本功能。通過圖像識別技術，識別車牌號以實現車主身份鑒權，定位充電接口位置，為自動充電動作的完成提供基礎，采用“雙定位+微波測距”多融合技術，實現高精度快速定位，由于篇幅有限，具體內容本文不贅述。

1.4.2 自動插拔

為了實現自動插拔功能，自動機械臂的運動參數要求具體包括：①末端速度≤5 m/min；②粗定位精度2 cm；③機械臂重復定位精度±0.1 mm（有校準）等。

2 大功率全自動充電輔助裝置設計方案

直線軸承與關節球軸承一般分別單獨使用。直線軸承與圓柱軸配合用于直線行程，只有一個來回直線運動的自由度，憑借鋼球以最小的摩擦阻力滾動，具有摩擦阻力小，且比較穩定，不隨軸承速度而變化，靈敏度和精度高的特點[11]。關節球軸承可實現一定角度的旋轉運動，憑借其球形滑動，接觸面大、傾斜角大，且大多數關節軸承零件采用了特殊的工藝處理方法，具有較大載荷能力與抗沖擊能力，以及抗腐性、耐磨損、自調心、潤滑好或自潤滑防污物等特點，廣泛用于速度較低的擺動、傾斜和旋轉運動[12]。

由于線纜存在來回直線移動伸縮和隨充電槍旋轉一定角度的態勢，且重量較大，單一軸承無法同時滿足其動作要求，因此根據大功率全自動充電輔助裝置設計需求，本文設計了基于關節球軸承與直線軸承的混合結構、平行式電動缸與柔性軟軸互補方式的6 自由度機械結構以解決大功率適應性問題，具體結構組成和工作原理如下。

2.1 結構組成

整個裝置共6 個自由度，由X 軸線性模組、Y 軸線性模組、Z 軸線性模組、C 軸、A 軸、B 軸、伺服電缸、直線軸承和球軸承組合成的復合軸承、充電樁卷線盤等部件構成。

X 軸線性模組、Y 軸線性模組、Z 軸線性模組分別負責左右、前后、上下直線方向移動，由對應方向的移動伺服電機和移動機構構成，其中移動機構包括工作臺和直線導軌。Y 軸線性模組還包括肋板支架，用于固定Z 軸線性模組。Z 軸線性模組也有肋板支架，但是用于固定C 軸和伺服電缸。

C 軸、A 軸、B 軸旋轉模組分別繞Z 軸、X 軸、Y軸旋轉，包括旋轉運動伺服電機、減速機、旋轉機構[13]。其中，旋轉機構包括與伺服電缸連接的支架。B 軸旋轉模組所包括的支架上固定有紫外線光源、充電口識別視覺系統、直流充電槍及固定支架。

伺服電缸包括伺服電機、移動機構，移動機構包括絲桿和直線導軌；充電槍夾頭由充電槍機械手、柔性軟軸、微波雷達、充電槍和精定位視覺攝像頭組成；控制系統包括監控攝像頭、視覺攝像頭、嵌入式控制器、雷達、充電樁、伺服驅動器。直線軸承和球軸承組合成的復合軸承實現線纜跟隨大功率充電槍的前后上下移動，易于大功率充電槍的自動插拔動作實現。

具體機械機構圖如圖1 所示。

圖1 自動充電設備機械結構圖

2.2 工作原理

當車輛駛入標準停車位至合理范圍時，通過攝像頭獲取車牌號信息以自動驗證充電車主身份。驗證通過后，提示用戶打開充電蓋，若用戶不設置充電時間，則默認充滿為止，然后進入自動充電階段。啟動自動充電后，根據車牌號攝像頭的自動粗定位結果，初步定位充電接口位置。在充電槍靠近充電接口時，開啟輔助裝置機械臂上攝像頭精定位與微波測距，實時微調充電槍態勢，借助軟軸的自適應能力完成自動插槍工作，并開啟正常充電流程。充電完畢后，終端界面顯示二維碼，用戶支付后輔助裝置通過機械臂控制充電槍自動拔出，并回到初始階段，從而完成自動充電過程閉環。

3 大功率全自動充電輔助裝置參數設計

為了解決電流大、電纜粗所帶來的力矩大、重量大而難以實現自動牽引控制問題，對大功率全自動充電輔助裝置參數進行設計。本裝置采用6 自由度聯動方式，由于篇幅限制，此處僅以Z 軸選型參數設計為例進行介紹。值得一提的是，經液冷大功率充電槍實測插拔槍力矩，其值約196 N·m（20 kg），因此，選用工作負載為25 kg 的電缸。同時，為了提升充電插口的對接自適應能力，采用直徑為32 mm 的軟軸設計，在滿足自動充電插拔動作力度要求的同時，可實現系統機械重復精度為3 mm，保證自動充電插拔動作的順利完成。

3.1 速度曲線加速時間的計算

為了保證裝置的快速響應，定位響應時間t 一般不超過1 s。但是，為了避免動作過快而影響插拔動作，本文設定定位時間為1 s。根據定位時間和加減速時間比可知，加減速時間比A 為20%，因此根據式（1）可計算得到加速時間為0.2 s。

3.2 軸向負載的計算

不妨設外力FA為0 N，滑動部分質量m 為60 kg，g 取9.8 m/s2，摩擦系數μ為0.1。由于分析Z 軸，故重力與軸向夾角a 為90°。結合十字分解法，采用式（2）可計算得到軸向負載F 為587.999 78 N·m。

3.3 確定電機轉速

根據式（3）和式（4）可計算功率P、線速度V，結合絲桿導程PR的近似條件，可推導出式（6）。其中，絲桿導程PR為0.005 m，線速度V 為5 m/min，軸向負載F 由式（2）計算得到，因此電機轉速NM為1 000 r/min。

3.4 相關慣量的計算

3.4.1 直線運動平臺與負載慣量的計算

根據所述滑動部分質量m、導程PN，由式（7）可知，直線運動平臺與負載慣量JL為3.8×10-5kg·m2[14]。

3.4.2 滾珠絲杠慣量的計算

3.4.3 確定連軸器慣量

根據連軸器直徑DC為0.032 m，結合所述滑動部分質量m，利用式（9）可知連軸器慣量JC為2.56× 10-6kg·m2。

3.4.4 總負荷慣量的計算

根據式（7）～（9）計算得到的直線運動平臺與負載慣量JL、滾珠絲杠慣量JR、連軸器慣量JC，利用式（10）可得總負荷慣量JZ為1.212×10-4kg·m2。

3.5 相關轉矩的計算

3.5.1 負載轉矩的計算

根據式（2）可知，外加軸向載荷F 含導軌摩擦力，其中切削力為0 N，結合所述導程PN，以及機械效率η 取值為90%，利用式（11）可知負載轉矩TL為0.519 9 N·m。

3.5.2 啟動轉矩的計算

驅動電機以松下MDMA152P1V 為例，根據說明書提供的參數，可知電機使用最大回轉數 Nm為4 500 r/min，電機慣量Jm為8.04×10-7kg·m2。根據定位時間乘上加減速時間比等于0.2，不妨設啟動時間t1為0.2 s。結合所述負載慣量JL，利用式（12）可計算得到啟動轉矩TS為6.389×10-2N·m。啟動轉矩TS大于負載轉矩TL，滿足電機驅動要求。

3.5.3 必須轉矩的計算

電機的必須轉矩TM需大于工作機械所需要的轉矩。因此，不妨引入安全系數S 為1.5，根據式（13）可得必須轉矩TM為1.696 845 N·m。

4 大功率全自動充電輔助裝置仿真研究

4.1 模型建立

為了檢測設計的機械結構是否有干涉，采用ADAMS 動力學軟件開展了1∶1 比例的輔助裝置本體仿真（如圖2 所示），可直觀地分析各軸的動作及受力情況。

圖2 基于ADAMS 的輔助裝置仿真模型

4.2 仿真過程與分析

為了驗證自動充電重復插拔對輔助裝置各關節的剪切力、扭矩、位移、速度、加速度等情況，從而找出薄弱環節，為機械設計優化提供依據，采用ADAMS 動力學軟件對機械本體進行動力學受力分析[15]。假設充電槍正確插入充電口時，受到充電口的反作用力（摩擦力）為200 N，則主要部分具體受力情況如下。

（1）電動推缸左端受力情況。

圖3 左側扭矩分析

圖3 (a)是為了驗證當充電槍插入充電口后，充電口對充電槍的反作用力不會影響電缸左側支點的仿真受力圖。由圖3(b)可知，當充電槍剛插入充電口時，扭矩呈指數形式變小，但隨著充電槍慢慢插入充電口，扭矩逐漸恢復初始值。扭矩值的減小范圍為3237.95～3 237.35 N·mm，其浮動空間為0.6 N·mm，而增加范圍 為 3237.35～3 238.05 N·mm，其浮動空間為-0.7N·mm。因此，波動范圍均較小，對電動推缸左端受力影響不大。

（2）電動推缸右端受力情況。

由于其不對稱，因此需要對右端進行受力分析。為了驗證當充電槍插入充電口后，充電口對充電槍的反作用力不會造成電缸右側支點扭曲變形，對電動推缸右端受力情況進行仿真。從圖4 可以看出，當充電槍慢慢插入充電口，扭矩會逐步變小，其范圍為21 500～ 15 000 N·mm，浮動空間為6 500 N·mm，符合充電槍在不同角度實際插拔時的受力情況。

圖4 右側扭矩受力曲線

（3）充電槍夾頭受力情況。

圖5～9 為當充電槍插入充電口后，充電口對充電槍的反作用力，此力對充電夾頭的位移、速度的影響為：隨著充電槍插入充電口的距離越來越多，充電夾頭的位移、速度越來越低；同時分析了X 軸方向的受力，隨著充電槍的插入位移增加，速度降低，加速度略有波動，原因為插入過程中的摩擦力導致。

圖5 充電槍夾頭位移

圖6 充電槍夾頭速度

圖7 充電槍槍頭X 方向位移

圖8 充電槍槍頭X 方向速度

圖9 充電槍槍頭X 方向加速度

（4）X 軸齒輪受力情況。

如圖10 所示，模擬仿真計算當充電槍插入充電口后，充電口對充電槍的反作用力對X 軸齒輪的受力，以驗證設計的齒輪是否滿足最大載荷要求，從圖可知，X 軸齒輪不承受力。

圖10 X 軸齒輪部位受力曲線

（5）C 軸承受力情況。

在充電槍插入充電口后，充電口對充電槍產生了一定的反作用力，C 軸的旋轉扭矩曲線如圖11 所示，隨著充電槍慢慢插入充電口，扭矩逐步在增大，達到最大值4 905 N·mm 后開始保持恒定，低于極限值4 910 N·mm，因此滿足最大負荷要求。

圖11 C 軸扭矩受力曲線

（6）A 軸受力情況。

如圖12 所示，A 軸旋轉扭矩隨著充電槍慢慢插入充電口，逐步減小至3 514.343 N·mm 后保持恒定。

圖12 A 軸扭矩受力曲線

4 結語

本文在大功率全自動充電輔助裝置設計需求的基礎上，設計了基于關節球軸承與直線軸承的混合結構、平行式電動缸與柔性軟軸互補方式的6 自由度機械結構，分析其機械參數，并利用ADAMS 動力學軟件開展了機械本體仿真，分析電動推缸、充電槍夾頭等主要部位的受力情況，驗證了大功率全自動充電輔助裝置設計的合理性，并得到以下結論：

（1）該裝置的機械本體仿真結果與理論設計相符，滿足大功率全自動充電輔助裝置設計要求，可有效解決因大電流充電電纜韌性差與質量重而導致單槍自動插拔動作難實現的難題，促進充電設施智能化發展。

（2）該裝置結合手機APP 的自動預約和輔助裝置車牌自動識別、自動充電優勢，助力實現各個充電點的網絡互聯互通。

（3）該裝置采用“雙定位+微波測距”多融合技術，實現高速、高精、快速定位。

（4）該裝置采用模塊化設計，易于維修維護、占地面積小、力矩大、自動化程度高、升級空間大。