基于重型卡車(chē)換電站的智能起重機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

方線偉 袁秀峰 林文舵 丁明波

法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

0 引言

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)電池的續(xù)航能力和充電方式都有所改善，人們對(duì)其的關(guān)注度及購(gòu)買(mǎi)意愿與日俱增。在一些相對(duì)封閉的港口、礦山、水泥泵站、汽車(chē)運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，重型電動(dòng)卡車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)重卡）的使用也越來(lái)越多，一方面由于我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)“30&60 雙碳”排放目標(biāo)，政府對(duì)換電項(xiàng)目的大力支持；另一方面，重型電動(dòng)卡車(chē)可以大大降低客戶(hù)后期的使用成本和維護(hù)成本，節(jié)約能源資源，重卡換電技術(shù)主要受到電池的續(xù)航能力和換電方式、換電站的選址等因素的影響。

目前市場(chǎng)上有多家重卡換電站廠家，每家換電站企業(yè)都有自己的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特的換電方式。換電方式可分為卡車(chē)頂部換電、卡車(chē)單側(cè)換電、卡車(chē)雙側(cè)換電等，每種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。普通頂部換電方式對(duì)司機(jī)的操作?？克揭筝^高，對(duì)換電機(jī)器人的自動(dòng)化水平要求偏低，成本相對(duì)偏低；單側(cè)換電方式對(duì)卡車(chē)司機(jī)的?？课恢靡蟛皇翘撸饕捎妙?lèi)似機(jī)械手的機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和定位重卡位置，對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度依賴(lài)較大；雙側(cè)換電方式類(lèi)似于單側(cè)換電，設(shè)有2 套換電機(jī)器人和電池充電管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人取空電量的電池和放充滿(mǎn)電量的電池同步進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)等待卡車(chē)上空電量的電池吊放到空倉(cāng)位后再提供滿(mǎn)電量的電池到卡車(chē)上的情況，這種方案可縮短換電時(shí)間，但卻增加了2 套吊裝設(shè)備，整個(gè)換電站的成本相對(duì)增加一倍。

本文以某重卡換電項(xiàng)目為例，結(jié)合歐式橋式起重機(jī)低凈空的特點(diǎn)，采用歐式智能起重機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)單側(cè)換電方式，每個(gè)重卡的換電時(shí)間基本在3～5 min 完成，換電時(shí)間比加滿(mǎn)一箱油的時(shí)間大大縮短，有效提高了整個(gè)重卡的換電效率。本文介紹了重卡換電用智能起重機(jī)的電控系統(tǒng)組成、自動(dòng)操作流程、卡車(chē)電池定位識(shí)別方法和換電管理流程等。

1 重卡換電站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重卡換電站的機(jī)械部分主要由電池充換電倉(cāng)、地面電池底托、取放電池用的機(jī)器設(shè)備等組成；電氣部分主要由地面站控管理系統(tǒng)、智能起重機(jī)控制系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)等組成。換電倉(cāng)根據(jù)不同的工況需求，配置的電池倉(cāng)位也不同，一般采用3+1、5+1、7+1 等模式。本文主要介紹重卡換電站的智能起重機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，其他部分只做簡(jiǎn)單介紹。

智能起重機(jī)采用X軸、Y軸、Z軸的三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定位+吊具機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池的抓取、搬運(yùn)及卸載等動(dòng)作。起重機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC+伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)位置精準(zhǔn)控制，控制系統(tǒng)放置于起重機(jī)上，減少了通訊線纜的長(zhǎng)度，避免了因伺服通訊線纜過(guò)長(zhǎng)而造成的信號(hào)干擾，提高了智能起重機(jī)的穩(wěn)定性。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

該換電站由1 個(gè)換電通道和垂直于換電通道的集裝箱組成，集裝箱內(nèi)集成了4 個(gè)電池充電倉(cāng)，采用3+1 模式，內(nèi)含1 個(gè)周轉(zhuǎn)工位和3 個(gè)電池工位。集裝箱外部采用4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)300 kW 獨(dú)立充電樁為集裝箱內(nèi)的3 個(gè)電池進(jìn)行充電，同時(shí)還可對(duì)外來(lái)車(chē)輛進(jìn)行直接充電，重卡整體換電站的地面布置如圖1所示。集裝箱內(nèi)主要集成了智能起重機(jī)、電池底座、集裝箱內(nèi)飾結(jié)構(gòu)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)、監(jiān)控室空調(diào)、地面站控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)施等部分。

圖1 重卡換電站地面布置圖

智能起重機(jī)是整個(gè)換電站中的核心搬運(yùn)裝置，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)的基礎(chǔ)設(shè)備，表1 給出了智能起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和定位精度要求等參數(shù)。

表1 起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)行參數(shù)

1.2 智能起重機(jī)的控制框圖

智能起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要包含起重機(jī)的三坐標(biāo)定位系統(tǒng)、起重機(jī)電控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、地面站控系統(tǒng)、移門(mén)掃描系統(tǒng)等部分，每個(gè)部分的工作要求和目標(biāo)都圍繞著實(shí)現(xiàn)電池吊裝時(shí)的準(zhǔn)確性和快速性進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能起重機(jī)與地面站控系統(tǒng)采用穩(wěn)定的有線控制實(shí)現(xiàn)，保障了信號(hào)不會(huì)因其他干擾而出現(xiàn)故障，同時(shí)也保障了信息通訊的實(shí)時(shí)性，智能起重機(jī)的控制框圖如圖2所示。

圖2 智能起重機(jī)控制系統(tǒng)框圖

1.3 智能起重機(jī)電控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能起重機(jī)采用伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)和定位，伺服電動(dòng)機(jī)自帶有編碼器，控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。然而智能起重機(jī)的噸位小、自重輕，在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)車(chē)輪打滑或跳動(dòng)等現(xiàn)象，不能完全利用伺服電動(dòng)機(jī)編碼器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，外部需要增加檢測(cè)傳感器方可實(shí)現(xiàn)位置控制，故采用速度閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制雙重控制方式以保障系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。常用的外部檢測(cè)傳感器有激光測(cè)距儀、條碼測(cè)距儀、絕對(duì)值編碼器和格雷母線等，為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試的順利進(jìn)行，本系統(tǒng)大車(chē)采用激光測(cè)距儀定位、小車(chē)采用絕對(duì)值編碼器加齒輪齒條控制、起升采用絕對(duì)值編碼器控制方式，有效提高了設(shè)備的整體控制精度。

伺服控制器系統(tǒng)和三坐標(biāo)控制系統(tǒng)采用通訊方式與PLC 系統(tǒng)進(jìn)行通訊和控制，保障了智能起重機(jī)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)，減少了其他電子元器件的干擾。

1.4 地面站控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

地面站控系統(tǒng)承載著整個(gè)換電站的控制和運(yùn)行，上端與智能起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，下端與地面充電管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程運(yùn)維中心進(jìn)行對(duì)接，是整個(gè)換電站的核心控制部分。本文主要介紹與智能起重機(jī)設(shè)計(jì)和控制相關(guān)的部分，地面站控系統(tǒng)采用PLC 和工控機(jī)進(jìn)行調(diào)度控制，智能起重機(jī)通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、通過(guò)觸摸屏（HMI）實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行。

地面移門(mén)控制系統(tǒng)主要涉及到重卡電動(dòng)汽車(chē)停靠位置和車(chē)載電池位置的定位，同樣采用伺服控制+編碼器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。為了更準(zhǔn)確地識(shí)別車(chē)載電池的停放角度，在移門(mén)系統(tǒng)上增加激光測(cè)距儀，檢測(cè)車(chē)載電池的偏移量，根據(jù)偏移量的數(shù)值適當(dāng)調(diào)整智能起重機(jī)的小車(chē)位置和吊具的旋轉(zhuǎn)角度，使起吊車(chē)載電池時(shí)能夠更準(zhǔn)確。

2 重卡換電站流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重卡換電站的換電流程主要由電池出入庫(kù)和電池移庫(kù)等流程組成。針對(duì)每個(gè)流程，系統(tǒng)優(yōu)化選擇一條最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)電池移動(dòng)的最短路徑，從而提高了設(shè)計(jì)的運(yùn)行效率。整個(gè)換電系統(tǒng)有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)等3 種運(yùn)行模式，自動(dòng)模式為正常生產(chǎn)時(shí)期使用，其他可操作范圍為控制柜按鈕、急停按鈕以及觸摸屏上的顯示信息等；半自動(dòng)、手動(dòng)模式只是針對(duì)調(diào)試、維修、故障排除時(shí)使用，包括每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單步以及連步動(dòng)作執(zhí)行。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，若手動(dòng)運(yùn)行模式失效，而急停按鈕不管是何種模式，均應(yīng)能及時(shí)確保安全斷電，以保障動(dòng)作機(jī)構(gòu)及時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

2.1 全自動(dòng)模式下的控制流程

1）電池出入庫(kù)流程

當(dāng)重卡電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)到位置后，司機(jī)通過(guò)RFID 系統(tǒng)進(jìn)行掃碼確認(rèn)，并對(duì)汽車(chē)電池進(jìn)行解鎖操作，待車(chē)輛信息和系統(tǒng)信息匹配完成后，換電系統(tǒng)移門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，掃描重卡電動(dòng)汽車(chē)上面電池的擺放狀態(tài)，系統(tǒng)確認(rèn)重卡電動(dòng)汽車(chē)上電池的坐標(biāo)位置，智能起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行到電池位置進(jìn)行取電池操作，然后取走空電池放進(jìn)充電倉(cāng)內(nèi)，系統(tǒng)推薦滿(mǎn)電池進(jìn)行更換，直至完成電池的更換。換電流程如圖3所示。

圖3 電池出入庫(kù)流程圖

2）電池移庫(kù)流程

為了提高換電的效率，可以臨時(shí)將充滿(mǎn)電的電池移到距離移門(mén)較近的地方，并將空位置預(yù)留給后續(xù)需要充電的電池。一方面可以保障換電的效率，另一方面也對(duì)電池的充電壽命進(jìn)行監(jiān)控，能夠最大限度地利用電池的充放電過(guò)程。電池的移庫(kù)基本上是在設(shè)備空閑時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)電池充放電數(shù)據(jù)指導(dǎo)智能起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行完成。

2.2 智能起重機(jī)智能監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能起重機(jī)的遠(yuǎn)程全自動(dòng)和半自動(dòng)進(jìn)行操作，地面站控系統(tǒng)根據(jù)換電過(guò)程和數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要設(shè)計(jì)了1 套完整的系統(tǒng)操作流程，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作接口對(duì)接和就地操作控制，操作流程界面如圖4所示。通過(guò)界面可以監(jiān)控汽車(chē)的車(chē)輛信息、電池的坐標(biāo)信息、智能起重機(jī)的當(dāng)前位置信息和狀態(tài)信息等，這些信息既可本地監(jiān)控，也可通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析當(dāng)前該站的運(yùn)行情況和維保信息。

圖4 站控系統(tǒng)操作流程

1）重卡電動(dòng)汽車(chē)電池定位設(shè)計(jì)

在重卡換電站集裝箱移門(mén)上安裝激光測(cè)距儀，移門(mén)安裝帶有絕對(duì)值編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)，通過(guò)移門(mén)的移動(dòng)帶動(dòng)移門(mén)上的激光測(cè)距儀移動(dòng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)距離重卡汽車(chē)上的電池距離，取移門(mén)打開(kāi)時(shí)的位置數(shù)據(jù)、中間位置數(shù)據(jù)和移門(mén)到位后的位置數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5），通過(guò)計(jì)算出重卡汽車(chē)電池的坐標(biāo)位置，指導(dǎo)智能起重機(jī)進(jìn)行電池抓取位置的判斷，能夠快速找到最合適的吊裝位，不需要駕駛員反復(fù)調(diào)整車(chē)輛的位置，節(jié)省了停車(chē)時(shí)間，進(jìn)而提升了換電效率。

圖5 重卡汽車(chē)電池位置示意圖

①預(yù)先設(shè)定電池的中心基準(zhǔn)位置坐標(biāo)A（a，b），選取移門(mén)中心和電池的中心在同一條直線，此時(shí)記錄下激光的距離B，移門(mén)的位移為C。

②接收到換電指令后，在預(yù)設(shè)的第一位置記錄移門(mén)第1 次行走距離X1和激光距離Y1（第1 位置是電池上邊緣的任意位置）。

③在預(yù)設(shè)的第2 位置記錄移門(mén)第2 次行走距離X2和激光距離Y2（第2 位置是電池下邊緣的任意位置），并獲取卡車(chē)電池的寬度D。

④基于移門(mén)第1 次行走距離X1、激光距離Y1、移門(mén)第2 次行走距離X2和激光側(cè)出距離Y2，計(jì)算電池的偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N。

⑤基于偏差角度α、左右中心偏差距離M和前后中心偏差距離N，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的閾值對(duì)比，確定電池的吊裝策略。

結(jié)合重卡汽車(chē)電池的位置，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值，得出電池的偏差角度α、電池的左右偏差距離M和前后中心偏差距離N分別為

電池吊裝策略主要是通過(guò)判斷偏差角度α是否超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第1 閾值，左右偏差M是否超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第2 閾值，前后偏差N是否超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的第3 閾值；若這3 個(gè)條件中有任意1 個(gè)未滿(mǎn)足，則需要駕駛員調(diào)整車(chē)輛，重新進(jìn)行打開(kāi)移門(mén)進(jìn)行掃描確認(rèn)信息；若這3 個(gè)條件都滿(mǎn)足，系統(tǒng)則根據(jù)前后偏差和左右偏差，通過(guò)機(jī)器人自帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，匹配卡車(chē)最終停止位置，準(zhǔn)確地識(shí)別卡車(chē)電池的位置。

2）防搖擺控制設(shè)計(jì)

由于重卡汽車(chē)的電池自重為3.5 t，智能起重機(jī)的載荷采用5 t 設(shè)計(jì)。起重機(jī)本身的跨度小、小車(chē)自重和吊裝質(zhì)量相對(duì)較輕，特別是在大車(chē)機(jī)構(gòu)快速運(yùn)行和高定位精度過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)智能起重機(jī)的穩(wěn)定性要求較高。智能起重機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，增加了導(dǎo)錐式機(jī)械防遙裝置，以保障運(yùn)行時(shí)機(jī)械裝置的穩(wěn)定性，并在自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加電氣開(kāi)環(huán)防搖擺控制程序，路徑規(guī)劃過(guò)程中對(duì)速度和加速度增加了S 曲線控制，根據(jù)目標(biāo)位置的距離采用不同的控制策略和速度曲線，可在運(yùn)行過(guò)程中提前進(jìn)行變速控制，實(shí)現(xiàn)智能起重機(jī)在運(yùn)行中快速定位，保障電池定位時(shí)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，提高整個(gè)換電過(guò)程中的效率。

3 展望與總結(jié)

隨著新能源汽車(chē)在各行業(yè)的不斷普及，電動(dòng)重卡汽車(chē)在特定行業(yè)得到了充分的利用。通過(guò)重卡換電站的數(shù)量增加，有效地解決了電池能量不足的問(wèn)題，重卡換電站作為獨(dú)立的、可移動(dòng)的設(shè)備，系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的可行性強(qiáng)，換電系統(tǒng)的可復(fù)制性強(qiáng)，在很多礦場(chǎng)和封閉廠區(qū)內(nèi)推廣性強(qiáng)。重卡換電站配備智能化起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)了重卡換電全流程的自動(dòng)控制，有效提高了重卡換電的效率和電池質(zhì)量的管理，減少了客戶(hù)和廠家的運(yùn)維服務(wù)成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率和安全性，為客戶(hù)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能目標(biāo)創(chuàng)造價(jià)值。通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，重卡換電智能起重機(jī)已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位±3 mm 的目標(biāo)，該起重機(jī)的配置和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，可以借鑒到其他行業(yè)起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，增加一些人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，為客戶(hù)節(jié)省大量的人力和物力成本。