一種電動自行車自動換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

王勝兵 胡健 楊佳賓 王海波 席盈盈 時光升 董慧芳

摘 要：電動自行車因便捷、節(jié)能和環(huán)保等性能得到廣泛應(yīng)用，但是電動自行車電池仍然存在嚴(yán)重的安全隱患，如電池超期服役使用，人們自行拉插座線排給電池充電，電池充滿電后不能自行斷電等。針對上述問題，本文設(shè)計了一種電動自行車自動換電池和智能充電裝置，可實現(xiàn)電動自行車電池的存儲、更換和智能充電，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、智能環(huán)保安全等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：充電安全;儲存;智能充電;自動換電池

中圖分類號：TM910.6 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0021-04

Abstract： Electric bicycles have been widely used because of their convenience， energy saving and environmental protection. However， there are still some problems with the use of electric bicycle batteries. For example， the battery is used beyond the service period; the battery is still charged by people by pulling the socket line; after the battery is fully charged， it cannot power off automatically. In response to the above problems， this paper designs an electric bicycle automatic battery change and intelligent charging device to realize the storage， replacement and intelligent charging of the electric bicycle battery. It has the advantages of simple structure， convenient operation， intelligent environmental protection and safety.

Keywords： charging safety; storage; intelligent charging; automatic battery change

電動自行車行業(yè)經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，已經(jīng)成為我國重要的民生行業(yè)。電動自行車使用便捷，且能節(jié)能減排，給人們的生活帶來了極大便利。但電動自行車存在的安全問題也不容忽視，目前電動自行車的充電地點(diǎn)大多選擇在地下室或公共充電樁（其中一部分是由居民私自接線進(jìn)行充電，不符合國家配電標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范）。電動自行車存在充電煩瑣、充電時間長和過度充電等安全問題。例如，過度充電導(dǎo)致電池長時間發(fā)熱，造成電池短路、加速線路老化從而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故;不適當(dāng)?shù)某潆姯h(huán)境和方式會加速電池老化，從而造成不必要的資源浪費(fèi)[1-2]。針對上述問題，本文設(shè)計了一種“電動自行車自動換電池和智能充電裝置”，用來解決電動自行車充電難、充電時間長和充電可能存在的危險等問題。全面杜絕因電動自行車充電而引發(fā)的安全事故，在確保人們生命財產(chǎn)安全的同時也能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 電動自行車自動換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動自行車自動換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)，包括整體框架、推送結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、充電倉結(jié)構(gòu)、電池組結(jié)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖1所示。

整體框架包括外框防護(hù)罩、總控箱、自動卷簾門和地底基座。地底基座與外框防護(hù)罩形成一個封閉的空間，上方擋板與地面齊平，且地底基座內(nèi)有環(huán)形導(dǎo)向槽用以固定環(huán)形底板;總控箱通過螺栓固定在外框防護(hù)罩上。推送結(jié)構(gòu)包括載物推送板、導(dǎo)軌、電控伸縮機(jī)、滑塊。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)包括多級伺服電控伸縮機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向臺、“一”字形卡扣、推力球軸承、齒輪、伺服電機(jī)、齒輪軸。多級伺服電控伸縮機(jī)底部與地底基座直接通過螺栓固定;伺服電機(jī)、齒輪軸和“一”字形卡扣組成提取裝置，在伺服電機(jī)、軸承和齒輪軸的作用下“一”字形卡扣可進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)。充電倉結(jié)構(gòu)包括環(huán)形底板、齒輪、充電倉體、滑輪、伺服電機(jī)、固定軸、萬向輪、充電器[3]、電源接口。環(huán)形底板通過滑輪和萬向輪與地底基座連接在一起，通過伺服電機(jī)、齒輪和導(dǎo)向環(huán)槽可實現(xiàn)圓形底板相對地底基座進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn);單個充電倉體有三個充電倉可滿足三個電池組的充電、存放，并通過固定軸、推力球軸承與環(huán)形底板連接，通過伺服電機(jī)和齒輪的作用可滿足充電倉體相對環(huán)形底板任意角度的旋轉(zhuǎn)。電池組結(jié)構(gòu)包括電池組外殼、電池、電池組電源接口、卡槽。調(diào)溫系統(tǒng)包括電阻加熱器、散熱風(fēng)扇、通風(fēng)管道、溫度傳感器。控制系統(tǒng)包括PLC[4]、空氣開關(guān)[5]、電路板、報警器、電流電壓傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕。啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕位于外框防護(hù)罩上。

2 電動自行車自動換電池和智能充電裝置結(jié)構(gòu)工作原理

準(zhǔn)備過程：按下啟動按鈕后PLC控制自動卷簾門開啟，電控伸縮桿將載物推送板推出，將電動自行車電池蓋板打開后推上載物推送板到對應(yīng)位置后，按下開始按鈕，電控伸縮桿將載物推送板和電動自行車?yán)卦恢?，自動卷簾門關(guān)閉。

換電過程：PLC控制多級伺服電控伸縮機(jī)從初始位置上升至最高點(diǎn)，啟動轉(zhuǎn)向電機(jī)使轉(zhuǎn)向臺逆時針旋轉(zhuǎn)90°后控制多級伺服電控伸縮機(jī)下降一定高度，使齒輪軸下端的“一”字形卡扣進(jìn)入電動自行車電池組的卡槽中。啟動伺服電機(jī)控制齒輪軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，使“一”字形卡扣與電池組卡槽鎖止，再控制多級伺服電控伸縮機(jī)上升至最高點(diǎn)后啟動轉(zhuǎn)向電機(jī)使轉(zhuǎn)向臺順時針旋轉(zhuǎn)90°與電動車平行。PLC控制多級伺服電控伸縮機(jī)下降至最低點(diǎn)將虧電電池組放置充電倉中后，伺服電機(jī)啟動控制齒輪軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°使“一”字形卡扣與電池組卡槽解鎖，多級伺服電控伸縮機(jī)再上升至初始位置，充電倉開始給虧電電池組充電?？刂葡到y(tǒng)判斷當(dāng)前充電倉體中是否有滿電電池組，若有則將倉體旋轉(zhuǎn)一定角度使?jié)M電電池組位于多級伺服電控伸縮機(jī)的對應(yīng)位置，若沒有則將旋轉(zhuǎn)環(huán)形底板使其他倉體中滿電電池組位置對應(yīng)該位置。PLC再次控制多級伺服電控伸縮機(jī)下降至最低點(diǎn)使“一”字形卡扣進(jìn)入電池組卡槽，然后啟動伺服電機(jī)控制齒輪軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，使“一”字形卡扣與電池組鎖止。鎖止后多級伺服電控伸縮機(jī)上升至最高點(diǎn)，重復(fù)取電池組的逆向流程，直至多級電控伸縮機(jī)回到原始位置。然后自動卷簾門開啟，電控伸縮桿將載物推送板和電動自行車送出，推下電動車時，PLC接收到壓力傳感器傳來的信號，然后控制電控伸縮機(jī)將載物推送板拉回原位置，自動卷簾門關(guān)閉，完成換電過程。在整個過程中如果有任意伺服電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載異常時，系統(tǒng)將立即執(zhí)行報警和進(jìn)行斷電保護(hù)[6]。

充電過程：換下的虧電電池組在充電倉中進(jìn)行充電，溫度傳感器開始監(jiān)測充電環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度超出標(biāo)定溫度范圍時，PLC接收溫度傳感器傳來的信號，控制電阻加熱器或散熱風(fēng)扇進(jìn)行工作;當(dāng)溫度回到標(biāo)定溫度范圍時，PLC停止電阻加熱器或散熱風(fēng)扇工作。當(dāng)充電器中的電流電壓傳感器檢測到電池組電量充滿時，會對充電器進(jìn)行斷電，防止發(fā)生過充現(xiàn)象。

3 電動自行車自動換電池和智能充電裝置部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 推送結(jié)構(gòu)設(shè)計

推送結(jié)構(gòu)中載物推送板通過導(dǎo)軌和電控伸縮機(jī)連接在裝置主體中，電控伸縮機(jī)電機(jī)端通過螺栓固定在外框防護(hù)罩上，另一端通過滑塊連接在載物推送板上，載物推送板兩側(cè)滑塊與導(dǎo)軌進(jìn)行配合。載物推送板上有限位塊可以使電動自行車放置在正確位置上。如圖2所示。

3.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)部分

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中起升降作用的多級伺服電控升縮機(jī)底端穿過環(huán)形底板中心，并通過螺栓固定在基座上，頂端通過螺釘與轉(zhuǎn)向座連接。轉(zhuǎn)向臺由轉(zhuǎn)向座、電機(jī)、齒輪、推力球軸承和防塵罩等組成。轉(zhuǎn)向臺內(nèi)部轉(zhuǎn)向電機(jī)通過螺釘固定，大齒輪通過鍵連接在轉(zhuǎn)向座的中間軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向臺繞轉(zhuǎn)向座的中間軸旋轉(zhuǎn);防塵罩通過螺釘固定在轉(zhuǎn)向臺上;旋轉(zhuǎn)“一”字形卡扣通過螺紋連接在齒輪軸上，齒輪軸通過推力球軸承和防塵罩固定在轉(zhuǎn)向臺伸出臂上。伺服電機(jī)通過螺釘固定在轉(zhuǎn)向臺伸出臂內(nèi)，可以帶動齒輪軸旋轉(zhuǎn)使“一”字形卡扣旋轉(zhuǎn)。如圖3、圖4所示。

3.3 充電倉結(jié)構(gòu)和電池組結(jié)構(gòu)部分

在充電倉結(jié)構(gòu)中環(huán)形底板通過滑輪和萬向輪與地底基座的導(dǎo)向槽連接在一起，可實現(xiàn)圓形底板相對地底基座進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)。如圖5、圖6所示。單個充電倉體有三個充電倉（充電倉底部中心位置有凸出的充電接口，充電接口下方為充電器），可滿足同時對三個電池組的充電、存放功能，且充電倉中的溫度傳感器可實現(xiàn)對電池組的溫度監(jiān)測。充電倉體通過固定軸（固定軸通過螺釘固定在環(huán)形圓盤上）和伺服電機(jī)與環(huán)形底板連接，可滿足充電倉體相對環(huán)形底板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實現(xiàn)使?jié)M電電池組位于多級伺服電控伸縮機(jī)的對應(yīng)位置。如圖7所示。電池組為長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有五塊鉛蓄電池，串聯(lián)可以提供60 V的工作電壓，在頂部中心位置有“一”字形卡槽可實現(xiàn)與卡扣的鎖止與解鎖狀態(tài)。底部中心位置有內(nèi)凹的電池組電源接口，可與充電倉的充電接口相連接實現(xiàn)充電功能。如圖8所示。

3.4 調(diào)溫系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分

在調(diào)溫系統(tǒng)中電阻加熱器固定在地底基座的內(nèi)側(cè)，散熱風(fēng)扇位于地底防護(hù)罩的左內(nèi)側(cè)并通過通風(fēng)管道連接外部大氣，溫度傳感器位于充電倉體內(nèi)和地底基座內(nèi)側(cè)，如圖9所示。

控制系統(tǒng)中報警器[7]、電路板、PLC位于總控箱中，啟動按鈕、開始按鈕和急停按鈕依次從上到下安裝在外框防護(hù)罩上，再通過導(dǎo)線連接到總控箱中。電流電壓傳感器位于充電倉的充電器中。當(dāng)溫度傳感器、電流電壓傳感器監(jiān)測到充電倉中溫度和電壓異常時或伺服電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載出現(xiàn)異常時，報警器啟動、PLC立即執(zhí)行斷電保護(hù)命令。紅外傳感器[8]位于自動卷簾門的導(dǎo)軌中，主要作用是檢測人體信號，在卷簾門運(yùn)行過程中，如果有用戶進(jìn)入工作區(qū)或因其他操作將身體的某一部分置于工作范圍內(nèi)，若不停止結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，可能會造成夾傷等其他形式的不必要傷害。

4 結(jié)論

一種電動自行車自動換電池和智能充電裝置包括整體框架、推送結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、充電倉結(jié)構(gòu)、電池組結(jié)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。該裝置的工作效率高，將傳統(tǒng)直接充電的方式改為直接換電池，節(jié)省了電動自行車的充電時間;安全性高，具有強(qiáng)大的安全保護(hù)功能，全面杜絕電動自行車充電安全事故發(fā)生;實用價值高，裝置結(jié)構(gòu)簡單，僅通過簡單的旋轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)行能達(dá)到目的;操作方便，用戶僅需將電動自行車推上推送板，按壓啟動、開始按鈕即可;適用范圍廣，電動自行車的電池組都是統(tǒng)一規(guī)格，所有電動自行車都可以使用;占用空間資源少，整個裝置除電動自行車推送裝置外，其余工作全在地下完成。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張齊東，黃學(xué)良，陳中，等.電動汽車電池更換站集群充電控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（12）：447-453.

[2] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 486—2010電動汽車電池更換站技術(shù)導(dǎo)則[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3] 司福達(dá)，司國輝，司國瑞.一種帶定時開關(guān)及過充電保護(hù)的電瓶充電器：CN204131168U[P].2014-09-23.

[4] 劉卓，牛聚粉.一種基于PLC的電動汽車自動換電系統(tǒng)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（5）：105-106，28.

[5] 陸曉佳，于偉.一種空氣開關(guān)及空氣開關(guān)用系統(tǒng)及工作流程：CN105356621B[P].2015-12-22.

[6] 凌軍.伺服電機(jī)在自動控制方面的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2013（23）：406.

[7] 夏煥雄，孫樹文，姚益武，等.多傳感器概率綜合的火災(zāi)報警器設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制， 2011，19（2）：370-372.

[8] 張麗敏，劉雪蓮，陳永，等.一種基于紅外傳感器的自動門控制裝置及方法：CN110984771A[P].2019-11-11.