引言

隨著環境的變化，綠色能源的開發成為動力發展的主旋律。電動車輛使用電動機作為原動機，具有零排放、噪聲小、舒適干凈、易于操縱和維護的特點，受到世界各國的極大關注。電池作為電動車輛最為核心的部件，需要經常進行充電或者更換電池，以保證電動車的續航能力。電動汽車單次充電的續駛里程較短，而電池每次充電的時間又太長，讓電動汽車的使用和推廣受到嚴重限制，因此，應用在電動汽車上的動力電池快速更換技術成為了新能電動汽車領域應用具備實際價值可行性方案之一。同時，由于目前電動汽車換電設施建設仍然處于示范、試點與推廣階段，相關的國家標準和行業標準缺失，在快速換電中的許多技術難關沒有得到徹底克服。尤其是對電動汽車中的電池(如圖1所示)進行定位是一項關鍵技術。本文主要介紹一種在對電動汽車換電過程中可快速進行電池定位的方法。

（a）電動汽車右側電池箱排布

（b）電動汽車左側電池箱排布

圖1 電動汽車電池分布

1 常用電池定位方法簡介

在快速換電中，電池的更換完全依靠換電機器人來完成。要保證換電的成功率，換電機器人在進行動作前，首先要計算出承載電池貨叉的伸出長度和旋轉角度。但是由于電動汽車停車方位的隨機性，這些數據都需要在換電過程中實時測量，以確保取放電池的準確性。

計算電池偏轉角度最常采用的是兩點測距法（如圖2所示）：在換電程序中設定兩個固定位置，換電機器人在這兩個固定位置分別測得換電機器人與電池之間的距離l₁、l₂，然后根據兩個測量點之間的距離s，計算出電池的偏轉角度。

圖2 兩點測距

而在進行取電池時通常采用的作法是：首先根據測量設備在機器人的安裝位置使機器人動作，調整貨叉方向，采集到電池與貨叉的相對位移，然后修正貨叉取電池位置，執行機器人取電池動作，并保存取電池坐標以供放電池時使用。

采用上述方法計算電池的偏轉角度和電池的取放位置，需要使用兩套測量設備或者采用一套測量設備機器人移動兩次的方法完成測量，具有成本高、檢測時間較長的缺點。為了改善上述缺點，下面提出了一種使用單套測量設備機器人移動一次完成電池定位的方法。

2 旋轉測距法

2. 1 基本原理

2. 1. 1 電池角度測量

在理想狀態下(如圖3)，測距儀安裝于換電機器人貨叉上，其測量起點正好位于貨叉的中心位置。電動汽車按照正確指引停車后電池平面AB平行于換電機器人運行軌道(垂直于貨叉取放電池的方向)。測距儀沿貨叉方向(OA)測得電池平面AB至貨叉旋轉中心的距離為L。當貨叉旋轉某一確定角度α后，此時測距儀測得從貨叉旋轉中心到電池平面AB沿貨叉方向的距離為l，此時有：

當換電汽車與換電機器人運行軌道存在夾角θ時，此時測距儀測量得到的電池平面AB沿貨叉方向的長度為l’，并滿足以下關系：

進而可以求出電池平面與換電機器人運行軌道之間的夾角θ：

最后適當調整貨叉方向，以便順利取放電池。

圖3 理想情況下電池角度測量圖

2. 1. 2 電池與貨叉距離計算

一些大型商用電動汽車為了滿足更長的續航能力，經常采用多塊電池驅動，各電池之間的位置相對固定，使用側面換電技術，通過測量單塊電池的方位即可確定其它電池的方位，此時若要對其它電池進行更換，可以使用前面的測量數據和計算出的角度進行確定。

如圖4。設在O點測距儀沿與軌道垂直方向測得到電池的距離為L，通過計算得到的電池方位角為θ，則O點(貨叉旋轉中心)到電池的實際距離為：

設取放電池位置到測量點在軌道方向的距離為s，則當貨叉移動到O’處時，電池到貨叉旋轉中心(O’)的實際距離為：

據此就可以得到取放電池時貨叉伸出的長度。

圖4 電池與貨叉距離示意圖

2. 2 算法優化

在電池方位實際測量過程中，由于機械結構的原因測距儀不可能嚴格安裝在貨叉的旋轉中心，其安裝位置距貨叉的旋轉中心有一定的距離，但其測量方向與貨叉伸出的方向基本保持一致。

設貨叉位于原點位置時，測距儀與貨叉回轉中心的距離為R，當貨叉垂直于換電機器人運行軌道時測距儀和回轉中心的連線與軌道之間的夾角為β(如圖5)。在進行定位測量時，先使貨叉方向與機器人運行軌道垂直，這時測距儀的測量的距離為L，然后使貨叉在固定位置旋轉一定的角度α。如果電動汽車正好停車在理想的換電位置，則電池平面與機器人運行軌道平行，測距儀測量結果為l，滿足式（7）。

若電池平面與機器人運行軌道平面不平行,式(7)不成立。此時測距儀測量所得數據為l’ ，設車體與理想停車位的夾角為θ。則有以下關系：

進而可以求出電池平面與換電機器人運行軌道之間的夾角θ：

此時若當前位置調整貨叉正對電池，則測距儀的測量結果應該與下式計算結果接近：

在換電機器人移動后，若要再次正確地取放電池，只須貨叉回歸原點，并按照θ值調整好方向，利用L’可計算出電池平面到測距儀原點的距離l’：

即

由此就可以確定貨叉在取放電池時伸出的長度。

圖 5 實際運行過程中測量方法

3 算法應用

在某換電試驗中，采用兩點測距法更換單塊電池共需18步，若采用旋轉測距定位法只需16步，取消了在兩個參照位測距的動作，采用實時計算值代替。在上述計算公式中的R值和α值不能通過實際測量得到，必須通過多次試驗獲取平均值。對算法的驗證是穿插在其它工作中進行的，不可能進行大量的試驗，因此僅對步11和步12進行了改進，將式(11)中的L’用步7的測量數據代替，完成單塊電池的更換，整個過程較采用兩點測距法運行時間減少了8~10秒。

表 1 兩種換電定位方法的工藝比較

在我單位承擔的南京商用車換電站建設中，每輛電動汽車包含九箱電池,分別分布在電動汽車的左右兩側。按照本文介紹的算法,在對電池進行方位測量過程中,每箱電池運行時間減少8-10s,九箱電池一共減少72s-90s,大大提高了電動汽車的換電效率,實現了快速換電。

4 結束語

如何對電動汽車電池進行快速定位是換電領域一項關鍵技術。本文采用旋轉測距定位的方法測量電池的方位,相較兩點測距法在運行效率上有了大大提高。通過大量實驗證明該定位方法簡單、有效、可靠，同時降低了換電設備的運行時間。