立體車庫(kù)內(nèi)校正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與電動(dòng)汽車自動(dòng)充電的實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展，電動(dòng)汽車逐漸得到推廣，然而，如何為電動(dòng)汽車方便快捷地充電成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素。與此同時(shí)，城市土地資源緊張問(wèn)題日益凸顯，立體車庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生。為了更好地將兩者結(jié)合，本文設(shè)計(jì)了一套用于車輛倒車入庫(kù)時(shí)進(jìn)行位置校正的機(jī)械裝置，使車輛停在車庫(kù)允許的范圍內(nèi)，便于充電機(jī)器臂或在固定軌道上行走的充電機(jī)器人給車輛充電，避免了因倒車位置不標(biāo)準(zhǔn)而引起的充電機(jī)器臂不能正確充電的問(wèn)題，保證了電動(dòng)汽車在立體車庫(kù)內(nèi)的自動(dòng)充電，最終實(shí)現(xiàn)車庫(kù)無(wú)人值守、自動(dòng)充電。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;立體車庫(kù);自動(dòng)校正;自動(dòng)充電

中圖分類號(hào)：TH122;U491.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0110-03

1 研究背景

能源的短缺和人們對(duì)生活質(zhì)量的高要求是電動(dòng)汽車發(fā)展的主要原因。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增加，立體車庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生。綜合考慮后會(huì)發(fā)現(xiàn)，如何簡(jiǎn)便快捷地在立體車庫(kù)內(nèi)給電動(dòng)汽車充電成了亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)有的立體車庫(kù)一般是直接依靠位置升降、循環(huán)橫移等來(lái)進(jìn)行車位的整體移動(dòng)的，而車位一般比車寬1m左右。據(jù)考察發(fā)現(xiàn)，在立體車庫(kù)內(nèi)安裝插拔系統(tǒng)，通過(guò)充電機(jī)械臂為電動(dòng)汽車充電是一種良好的將立體車庫(kù)與電動(dòng)汽車相結(jié)合的方式。然而，由于電動(dòng)汽車的充電機(jī)器臂是有固定長(zhǎng)度的，若汽車在車位里偏移量過(guò)大，機(jī)器臂觸碰不到電動(dòng)汽車的充電孔，就不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。而立體車庫(kù)里的車位不論如何移動(dòng)，其前提都是車停進(jìn)去，那就需要倒車入庫(kù)。但是，每個(gè)司機(jī)的技術(shù)水平差異較大，不能保證倒車時(shí)偏移量在允許范圍內(nèi)。從駕駛員在考場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看，科目二考試掛科的人中有一半以上都是因?yàn)榈管嚾霂?kù)失敗，這充分體現(xiàn)了本裝置的重要性。本套裝置安裝在車位上，在司機(jī)倒車過(guò)程中就能校正停車范圍，從而實(shí)現(xiàn)車輛停放正確，這就為倒車入庫(kù)起到了一個(gè)很好的輔助效果。

本文旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)自帶動(dòng)力系統(tǒng)、價(jià)格低廉的車輛停放位置自動(dòng)校正系統(tǒng)，電動(dòng)汽車在倒車入庫(kù)時(shí)進(jìn)行位置校正，使車輛停在車庫(kù)允許的范圍內(nèi)，便于充電機(jī)器臂或充電機(jī)器人（機(jī)器人在固定的軌道上來(lái)回行走）給車輛充電，最終實(shí)現(xiàn)車庫(kù)無(wú)人值守、自動(dòng)充電。

2 電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、前景與制約因素

電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。電動(dòng)汽車主要分為三種：純電動(dòng)汽車（BEV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）和燃料電池汽車（FCEV）。本文主要就前兩種電動(dòng)汽車進(jìn)行分析。

中國(guó)是全球第二大電動(dòng)汽車市場(chǎng)。近年來(lái)，在中國(guó)政府的強(qiáng)力推動(dòng)下，電動(dòng)汽車的產(chǎn)量和銷量均實(shí)現(xiàn)了巨大提升。黨的十八大以來(lái)，以綠色發(fā)展理念為指引，我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)獲得迅猛發(fā)展，資源利用率明顯提高，節(jié)能降耗取得新成效。環(huán)境污染治理全力推進(jìn)，主要污染物排放總量得到控制，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化勢(shì)頭得到初步遏制，城鄉(xiāng)人居環(huán)境質(zhì)量得到穩(wěn)步改善。黨的十九大進(jìn)一步提出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，把堅(jiān)持人與自然和諧共生作為新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國(guó)特色社會(huì)主義基本方略的重要內(nèi)容，把建設(shè)美麗中國(guó)作為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的重大目標(biāo)，要把生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提升到前所未有的戰(zhàn)略高度。

2018年1月11日，中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)召開(kāi)2017年度12月份汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)發(fā)布會(huì)。在新能源汽車部分，12月份銷量為16.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)56.8%;2017年全年累計(jì)銷售77.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)53.3%。其中，新能源乘用車銷售57.8萬(wàn)輛，包括純電動(dòng)46.8萬(wàn)輛，插電式混合動(dòng)力11.1萬(wàn)輛。截至2017年12月，據(jù)測(cè)算，我國(guó)新能源汽車保有量約172.9萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車保有量接近150萬(wàn)輛。近年來(lái)，中國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛，從2013年的1.76萬(wàn)輛到2017年銷量達(dá)到77.7萬(wàn)輛，增長(zhǎng)速度快。2017年9月27日，工信部和財(cái)政部等五部委發(fā)布《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，油耗積分考核將于2018年4月開(kāi)始，新能源汽車積分考核于2019年開(kāi)始，并于2020年結(jié)算。雙積分制的考核時(shí)間相對(duì)晚于此前市場(chǎng)預(yù)期，目前的政策普適性較高，短期內(nèi)對(duì)整車廠商影響較小，但仍從政策面確定了電動(dòng)化的基本方向。目前，新能源汽車滲透率不足3%，滲透率提升空間巨大。筆者認(rèn)為，國(guó)內(nèi)新能源汽車的銷量將在2020年超過(guò)200萬(wàn)輛，未來(lái)銷量的年同比增速將超過(guò)40%，電動(dòng)化趨勢(shì)已經(jīng)確定。

然而，搜索大量文獻(xiàn)后不難發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)，價(jià)格過(guò)高和技術(shù)不成熟仍然是制約混合動(dòng)力電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素，續(xù)航里程不足、配套設(shè)施不完善、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是純電動(dòng)汽車發(fā)展困難的主要因素[1]。

3 校正系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作流程

本立體車庫(kù)內(nèi)車輛停放位置自動(dòng)校正系統(tǒng)主要由車庫(kù)托底、斜側(cè)立輥輪組、安全懸梁、支撐擋板、水平輥輪組、支撐架和防撞導(dǎo)向架等零件構(gòu)成，如圖1所示。

當(dāng)汽車倒入車庫(kù)時(shí)，先倒進(jìn)車庫(kù)托底，然后接觸防撞導(dǎo)向架，由防撞導(dǎo)向架引導(dǎo)車后輪駛上水平輥輪組。若后輪駛?cè)霑r(shí)不在正中間，則倒車后輪必然會(huì)與一側(cè)的斜側(cè)立輥輪組接觸，但由于車輪的重力遠(yuǎn)大于斜側(cè)立輥輪組對(duì)車輪的摩擦力，所以車輪不會(huì)駛上斜側(cè)立輥輪組，而會(huì)由于重力作用滑下水平輥輪組;另一側(cè)的車輪會(huì)隨著這一過(guò)程受水平分力的作用在水平輥輪組上調(diào)整水平位置，當(dāng)后輪走到水平輥輪組盡頭時(shí)這一過(guò)程基本結(jié)束，此時(shí)，后輪也就基本位于車庫(kù)正中間位置;接著，向后行駛后輪與安全懸梁相接觸，安全懸梁阻擋車輛繼續(xù)后移，保證車輛后方有一定的安全距離。

4 校正系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)車輪接觸到斜側(cè)立輥輪組后，兩者之間便會(huì)存在力的作用，由于該作用力存在于三維立體空間內(nèi)，為了便于分析，可以將其分解為水平面和豎直面上的力。斜側(cè)立輥輪組在水平面內(nèi)作用于車輪上的力可以分解為平行于接觸面的摩擦力和垂直于接觸面的支持力。其中，平行于接觸面的摩擦力即水平向前的分力，與電動(dòng)汽車向后倒車的驅(qū)動(dòng)力相互平衡而抵消;垂直于接觸面的支持力即水平向右的分力，克服很小的水平滾輪組的滾動(dòng)摩擦力而推動(dòng)車輛向右平移。斜側(cè)立輥輪組在豎直平面內(nèi)作用于車輪上的力可以分解為平行于接觸面的摩擦力和垂直于接觸面的支持力。其中，平行于接觸面的摩擦力即水平向上的分力，與車輪微微離開(kāi)地面而受到重力相互平衡而抵消;垂直于接觸面的支持力即水平向右的分力，克服很小的水平滾輪組的滾動(dòng)摩擦力而推動(dòng)車輛向右平移。

5 立體車庫(kù)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電的實(shí)現(xiàn)

停車問(wèn)題是城市發(fā)展中出現(xiàn)的靜態(tài)交通問(wèn)題。我國(guó)屬于土地資源緊缺型國(guó)家。目前，中國(guó)的停車場(chǎng)仍以平面停車場(chǎng)為主，該類型的停車場(chǎng)占地面積大，汽車容積率低。隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車數(shù)量不斷增加，這也導(dǎo)致了城市停車難的問(wèn)題更加突出。在這種情況下，大力推廣立體車庫(kù)已成為必然。立體車庫(kù)可以向空中或地下延伸，這能充分節(jié)約土地資源，提高空間利用率，有效緩解城市停車難的問(wèn)題[2]。不僅如此，立體車庫(kù)的建設(shè)成本也大大低于傳統(tǒng)停車場(chǎng)[3]。

在更多客戶為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程擔(dān)憂，土地資源緊張問(wèn)題日益凸顯的情況下，設(shè)計(jì)制造出將立體車庫(kù)與電動(dòng)汽車的充電融為一體的智能立體車庫(kù)，成為更加合理、有效的解決方案[4]?，F(xiàn)如今，立體車庫(kù)中現(xiàn)有充電裝置雖然能通過(guò)充電連接裝置自動(dòng)在XY軸上移動(dòng)，代替人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插拔充電槍，避免了人工插拔充電槍的不安全性，但由于司機(jī)停車位置不夠準(zhǔn)確，有時(shí)偏移量較大導(dǎo)致充電機(jī)器臂長(zhǎng)度不夠，不能接觸到電動(dòng)汽車，從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確完成充電。由此，本文構(gòu)造了一套機(jī)械輔助裝置，幫助車輛在停放時(shí)校正至自動(dòng)充電臂或充電機(jī)器人的可及范圍，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的自動(dòng)充電。

本系統(tǒng)是一套安裝于普通機(jī)械式立體車庫(kù)內(nèi)的裝置，對(duì)立體車庫(kù)內(nèi)車輛停放位置進(jìn)行校正，使電動(dòng)汽車停于充電機(jī)器臂能接觸到的范圍內(nèi)，方便充電機(jī)器臂為電動(dòng)汽車自動(dòng)充電。這樣就可以避免因倒車位置不標(biāo)準(zhǔn)而引起充電機(jī)器臂不能正確充電的問(wèn)題，保證了電動(dòng)汽車在立體車庫(kù)內(nèi)的自動(dòng)充電，同時(shí)也節(jié)約了用車人的等待時(shí)間。該技術(shù)如果成功應(yīng)用，可以為電動(dòng)汽車及立體車庫(kù)的推廣及使用提供必要的保障條件，順應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

總而言之，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的目的是在車輛倒車入庫(kù)時(shí)進(jìn)行位置校正，使車輛停在車庫(kù)允許的范圍內(nèi)，便于充電機(jī)器臂或充電機(jī)器人（機(jī)器人在固定的軌道上來(lái)回行走）給車輛充電，最終實(shí)現(xiàn)車庫(kù)無(wú)人值守、自動(dòng)充電。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套立體車庫(kù)內(nèi)車輛停放位置自動(dòng)校正系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了電動(dòng)汽車車輛停放時(shí)不在允許范圍內(nèi)，充電臂或充電機(jī)器人接觸不到充電口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車停放位置的校正，解決部分司機(jī)由于駕駛技術(shù)引起的位置偏差問(wèn)題。該系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性：理論上，從環(huán)保角度出發(fā)，順應(yīng)時(shí)代潮流，立體車庫(kù)與電動(dòng)汽車相結(jié)合，找到了新的切入點(diǎn)，具有前瞻性;技術(shù)上，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，以力學(xué)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造原理構(gòu)造了一套無(wú)需自帶驅(qū)動(dòng)力，不需要依靠電氣、激光導(dǎo)航、雷達(dá)探測(cè)等技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活實(shí)用的充電系統(tǒng);應(yīng)用上，通過(guò)一套簡(jiǎn)單機(jī)械裝置就能實(shí)現(xiàn)車輛的位置校正，從而實(shí)現(xiàn)車庫(kù)無(wú)人值守自動(dòng)充電;成本上，因?yàn)樵撓到y(tǒng)結(jié)構(gòu)力求精簡(jiǎn)，無(wú)自帶動(dòng)力系統(tǒng)，所以成本低廉，適用范圍廣，具有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]付翠玉.立體車庫(kù)發(fā)展的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（9）：156-157.

[4]貝太學(xué).智能立體車庫(kù)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電的實(shí)現(xiàn)[J].超重運(yùn)輸機(jī)械，2018（5）：121-126.