新颖集装箱式电动汽车电池充电、换电服务站成套装备

（北自所制造业自动化工程研究中心（常州）有限公司，常州 213023）

0 引言

新能源电动汽车电池充电、换电装备，是新能源电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础[1～3]，由于目前新能源电动汽车受制于续航能力及电池性能两大瓶颈，该瓶颈在短期内恐难以有较大突破，因此，应在电动汽车电池的电能补给方式上作为突破点，以能为电动汽车提供安全充电、快速换电的服务装备，来弥补上述瓶颈的不足[4,5]。鉴于上述原因，针对电动汽车电池充电、快速换电的智能服务站项目，经我们研发团队综合市场研究和技术开发，一种新颖的集装箱式电动汽车充电、快速换电的成套装备已向市场隆重推出，深受市场欢迎。由于其整体精巧，且自动化程度高，运行成本低，功能多且安装方便，特别适用在城市快速布点、投运，使得对电动汽车电池充电、换电池提供服务变得经济和便捷，为电动汽车市场化发展创造良好的条件[6,7]。

1 电动汽车充电、快速换电的自动化装备系统简介

电动汽车电池充电、换电智能服务站项目，在研发过程中，我们结合了某大型电动汽车制造商对某型新能源电动汽车的锂电池充电、换电的功能需求，进行了全新的系统设计；总体构成：主要由特制集装箱箱体、立体库（含各充电单元仓）、堆垛机、托盘定位机构、电池出入库输送线、安全及消防设施、充电装备、系统管理等组成；需要换电的汽车只要进入智能服务站的换电区域，由人工或助力机械手，把车内电池放入专用托盘内，经自动扫描识别后，该电池组托盘就由出入库输送线、再定位系统、堆垛机自动将电池组托盘放入仓储管理系统设定的充电仓内，由管理系统及充电装置自动对该电池组进行充电并管理；而充满电的电池组，通过一键输入，系统将充满电的电池从库中自动调出至换电工位，由人工或助力机械手将电池装入车内。完成一辆车的换电全过程约3分钟左右。

根据该型电动汽车电池型号及规格，经过精密集成布置，在该充电、换电智能服务站内，设置了58个充电仓位，可满足58辆电动汽车的电池能源补充（该型车一辆车共8个电池，设为一组，放置于一个托盘内，每个托盘占一个仓位）。

图1 汽车电池、托盘示意图

2 系统装备及实现功能描述

主要围绕以下方面功能展开设计。

2.1 特制集装箱式结构

传统固定式厂房结构的充电站点，由于受城市规划、建设周期、环评、安全等等诸多环节因素的制约，达不到快速布点投放要求，为此，该智能服务站将充电、换电、控制等系统，高度集成在一个特制的集装箱内，如图2所示。

图2 电动汽车电能补给充电、换电智能服务站外观图及内部分布模型

本集装箱系统的结构采用特制的专用柜式集装箱，尺寸规格：外轮廓尺寸长×宽×高=15米×3米×3米，以满足用户对系统装备的运输、安装调试等快速布点的要求，实现功能要求如下：

1）箱桥结构，整体性强，稳定可靠，满足系统承载及堆垛机运行精度要求（包括电池托盘的出入专用通道及轨道、各仓位等的精度及保持的要求），箱体壁隔层部分采用保温阻燃材料拼装合成；

2）在特制的集装箱体内，分隔成：控制室、充电仓库、电池出入输送三个区域，各区域进行保温阻燃隔断；

3）满足对集装箱体的安装水平的调整要求，整体结构具有足够的刚度和强度，在内部动载过程中，确保系统精度的保持；

4）参考户外电气设施的防护要求，箱体设有呼吸口，便于箱内外的换气，应急窗等，对这些设施采取了必要的防护措施，以防雨水尘粒浸入，可避免因户外环境影响使得箱体锈蚀及密封失效而造成的电气设备故障发生，确保系统设备的安全、可靠运行；

5）在特制的集装箱体内，布局配置有电池充电仓、控制系统、充电系统、配电系统、安防与消防应急系统、照明系统、制冷空调和通风散热风道及送风口系统、通讯监控系统等部分，进行系统科学的布置，抗干扰能力强，确保系统安全运行及内外通讯畅通；

6）在特制的集装箱体两纵向外侧，设置了各充电仓单元对外的安全应急弹射门，以便在电池充电过程中，一旦出现爆燃，应急系统可启动弹射系统，将爆燃电池组及时弹出箱体外；

7）在箱体两端设置了日常维护防盗安全门，顶部设置摄像系统，并可实现图像追溯；

8）成套装置安装后，净占地面积不足100m2，包含动力输送线、两辆换电汽车的停车位。

该特制的集装箱作为智能服务站的主体部分，全系统的设备均集中分布在其内部，其箱桥结构、承载能力及系统变形等，需要进行受力分析，为保证堆垛机在内部的运行精度及内部装备空间位置的稳定。

集装箱式箱体静力分析：

Solidworks SimulationXpress为Solidworks的应力分析工具，其根据有限元法，使用线性静态分析来计算应力。

箱体主要承受堆垛机及货架、货物（电池）的压力，堆垛机在箱体中间位置往复行走，其两侧各布置一排货架，具体如图3所示。

图3 箱体内部布置图

每个单元仓重量核准为300kg，58个单元总重为17400kg，堆垛机总重为1500kg，根据以上数据，利用SimulationXpress进行应力分析，为便于分析，对箱体的模型进行了简化，如图4所示。

图4 简化的分析模型

根据SimulationXpress指示，完成定义材料属性、添加夹具、添加外部载荷、分析模型、查看结果。分析结果表明，最大变形量发生在中部，最大变形量值为0.3223mm，等效应力1.55×107N/m2小于屈服力1.85×108N/m2，最低安全系数FOS为11.9大于1（FOS在1的时候正好是材料出现屈服的时候，一般产品要求大于1.5）。

以上数据表明，所设计的集装箱式箱体可满足功能要求，保证系统承载后的稳定性要求。

图5 SimulationXpress 分析结果

2.2 立体库（充电仓）

作为一个能达到快速投放运行的智能服务站，从服务距离半径及密度、运行成本等综合考虑，一个站要能满足50～60辆电动汽车的充电、换电服务需求，为此在一个智能服务站内，配置了一个小型立体仓库，库区内的充电架，共20列，每列3个电池充电仓位，左排10列、右排10列，分左右两行排列，组成一个小型立体仓库，其中托盘再定位装置占用2个仓位，共计58个充电仓位。

1）在每个充电仓位，周边均由阻燃材料封闭，电池进出门采用金属卷帘遮挡，形成一个独立的电池充电、存放单元。

2）在每个充电仓位单元内，设置一个电池组托盘的充电插座，当托盘进入充电仓单元时，通过自定位机构，对电池托盘进行精确定位，确保充电插座副能精准插入，连接良好。

3）在每个充电仓位单元内，配备有安全、消防系统及部件设施，包括托盘应急自动弹射装置、烟雾及火焰传感器、灭火降温设施等。

4）在每个充电仓位单元内，配备电气配线及通讯布线及相应保护设施。

图6 充电仓位结构及分布现场照片

2.3 电池托盘进仓前的自动定位装置

在系统自动运行时，电池组托盘进出仓工作是十分频繁的，电池组托盘在箱外动力输送与箱内仓位配送系统转接时的定位必须准确，满足系统完成自动化运行要求，于是在入仓前的再定位显得更为重要。我们在设计时，采用了电动顶升的再定位机构，对输送线从箱体外送到的托盘进行顶升-再定位，达到了占用空间小且定位精准高的要求。

2.4 电池组托盘应急自动弹出装置

电池组托盘应急自动弹出装置，是该智能服务站成套装备中采用的安全措施之一，它分布在每个充电仓的底部，一旦安全监测系统发现某充电仓的安全报警值达到弹射级别的设置，该弹射装置将利用系统自带的高压氮气作为动力，自行启动弹出机构、充电插座副的拔出机构等，将该报警仓内的电池组托盘快速弹出箱体外，以保障服务站的整体安全。

图7 分布在各充电仓位中的弹出装置图

电池弹出执行机构工作原理如下。

执行动作过程：

1）当某充电仓位发生电池爆燃报警时，氮气灭火系统自动启动，向该充电工位进行氮气隔氧降温保护，同时向释放装置中的双作用执行气缸供气；

2）双作用执行气缸在氮气作用下动作，同时将插座副脱离电池托盘连接器插头；之后紧接着打开安全锁扣（大约0.5秒）；

3）储能弹出机构脱离安全锁扣后，带动电池托盘沿固定滑道，由储能弹簧将电池托盘弹出集装箱；保护相邻仓位电池安全（大约1.0秒）；

电池弹出机构总执行时间：接受到弹出信号到把故障托盘全部弹出时间小于2.0秒。

拉伸弹簧计算分析：

拉伸弹簧作为弹射单元的重要零件，要求其弹性势能可以将电池托盘瞬间弹射出集装箱外，为此，我们进行了计算分析。表1为所设计的拉伸弹簧的参数，通过计算来校核能否满足要求。

表1 拉伸弹簧参数

弹簧的拉伸量H为：

单根弹簧的弹性势能为：

四根弹簧的弹性势能为：

弹射过程中，摩擦力做的功为：

其中，F为滑动摩擦力，S为弹射距离。

由W=En，所以：

计算出的弹射距离大于要求的弹射距离，满足弹射功能要求。

2.5 电池出入仓动力输送线

电池托盘出入仓动力输送线，是连接该智能服务站外部的换电工位与站内立库前段的电池托盘输送系统，在自动运行过程中，它可以根据系统指令，自动完成对空电池（欠电电池）、满电（充满电的电池）出入库的输送和转运、空托盘的停止等待等，与堆垛机、再定位装置一起完成电池组托盘的出入库工作。

图8 电池组托盘出入库输送线现场照片

2.6 电池托盘出入仓配送堆垛机

电池托盘出入仓配送堆垛机，是完成电池组托盘出入充电仓的自动化输送设备，在自动运行时，按程序设定要求，实现对每个电池组托盘从立库中的充电仓里取出、输送转运，完成电池组托盘的出仓功能，反之同样能自动完成空电池组托盘的入库、入仓功能。

图9 托盘搬运堆垛机

由于该堆垛机在系统中的使用十分频繁，对电池组托盘出入库过程中的定位要求较高，无论是水平行走，还是垂直升降及货叉的伸缩运动，其三坐标的运动精度是系统能可靠、安全运行的关键之一，因此我们采用了全伺服控制驱动，实现实时通讯及信息交互，达到了电池组托盘的精准输送和定位，充电插座副能够精准连接；出仓时能够顺利拔出，另外，对运行时的噪声、平稳性、全行程运动精度等，进行了针对性的专业设计，达到了理想的使用效果。

2.7 消防及安全保障

该智能服务站成套装备中的消防及安全保障设施，是确保系统安全运行的关键，我们考虑到该型电动汽车所采用的电池特性及电池组在使用过程中受物理力等外部多种影响因素，电池在充电过程中，由于过充或其它不明原因出现爆燃现象也偶有发生，因此，对电池在充电仓内充电时的安全保护就显得十分必要，于是，通过对该型电池的解剖及爆燃试验，了解该种电池的爆燃特性，出于安全需要，根据电池在充电发生时异常故障的不同阶段、等级，采用不同的安全消防措施，在充电装置中的电气保护系统基础上，在各个充电仓单元内，增加了感烟、火焰探测传感器。将电池的故障分成二级，设温度超值报警为第一级、有起烟情况或明火时为第二级，安全管理系统将自动根据异常故障级别，实施相应的安全消防措施，确保该智能服务站的安全运行。

主要采取措施：

在站内安装有与安全管理联动安全检测传感器、氮气喷口、压力气管路、紧急弹射执行机构、电控和气控回路、高压氮气瓶组、七氟丙烷灭火剂等分级安全消防设施。具体分布如图10所示。

图10 各充电仓位消防传感器布置

当安全管理检测系统实时检测到某个充电仓内电池的内部温度达到设定值，且无火焰、无感烟信号时，启动一级保护程序：自动停止充电并切断该充电组电源，自行启动喷氮系统，对该仓位内充氮，延时5min后，温度下降至低于某设定值后，发令由堆垛机自动将该仓内电池取出；当正充电电池的温度大于设定值时，有火焰或感烟信号中任意一个，启动二级保护程序：自动停止充电并切断该充电组电源，启动自动充氮装置，对该充电仓充氮保护，同时启动充电托盘弹射装置，将该充电仓内的电池组托盘迅速弹出箱体，及时将火源移除，达到系统的安全保障要求。

另外在该智能服务站内，按照通用消防管理要求，使消防及安全管理系统实现联动，当感烟和感温报警器同时报警时，站内控制器发出火灾声光报警和联动信号，系统自动释放七氟丙烷灭火剂，对整个集装箱内进行消防灭火；换电站内还附设喷水淹没灭火装置，当站内火势过大，在七氟丙烷灭火剂释放后还不能扑灭站内火势且火势还有加大可能时，电站外附设的消防水快速接口与附近消火栓连接，将消火栓的水直接从顶部注入换电站内部进行灭火。

2.8 自动控制系统

该智能服务站的控制系统，是以充电管理系统为核心、自动化立体仓库的仓储管理为基础、消防安全管理系统为辅助，构成了安全高效、智能的电动汽车电池充、换电控制系统。其中立体库的仓储管理系统/监控（WMS/WCS）系统、堆垛机、输送线等组成；充电管理系统由能源管理系统（EMS）、控制单元、充电机、电池管理系统（BMS）组成；安全消防系统由消防测控、灭火气体（氮气、七氟丙烷）、温度感应、烟雾感应和火焰感应组成。系统结构图如图11所示。

各子系统功能说明：

1）仓库监控和管理系统WCS/WMS软件

WCS软件主要对电池托盘的出入库进行管理和控制，对堆垛机和输送线的运行状态进行实时监控。

图11 系统结构图

WMS主要功能是管理托盘与电池组绑定信息、电池存储位置、跟踪每块电池物流去向信息，管理电池出入库作业，同时与EMS系统实时交互仓位电池的物流信息和充电状态信息。

2）堆垛机控制系统

堆垛机接收WCS/WMS系统的指令，实现对各相应充电仓位托盘的自动出库入库等操作。

3）输送线

是连接该服务站外部的换电工位与站内立库前段的电池托盘输送系统，在自动运行状态，它可以根据仓储管理系统指令及执行系统，自动完成对空电池（欠电电池）、满电池（充满电的电池）出入库的输送和转运、空托盘的停止、等待等。

4）消防、安全管理系统

主要功能：满足自动对异常仓位进行喷氮气、降温、报警，通知系统将异常充电托盘自动出库、自动紧急弹射出库、七氟丙烷消防喷淋等消防安全控制。

5）能源管理系统EMS

主要功能有通过电池充电管理、仓位电池及电池包数据管理、与消防系统通信监控各仓位消防状态信息，接收消防系统每个仓位的火焰、烟雾感应信号，发送每块电池的实时温度，同时与WMS系统进行仓储信息和电池充电状态交互。

EMS系统具有最高的管控权限，通过以太网方式与仓库管理系统进行通讯，监控每个仓位的信息；通过CAN总线与消防系统通讯，实时监控每块电池的充电状态信息，并进行诊断和控制，实时监控每个充电仓位的消防安全诊断信息。

各系统间信息交互方式：

1）WCS/WMS与EMS信息交互；

2）实现EMS与消防安全管理系统信息交互；

3）WCS/WMS与堆垛机信息交互。

系统控制实现了各分子系统控制软件的相互通讯和协调，在智能服务站的汽车换电工位，仅设置了电池的出入库操作按钮，实现一键操作，系统进入全自动运行状态，从而实现了电动汽车充电、快速换电的智能化运行目标。

3 结论

由于该电动汽车电池充电、换电智能服务站产品，具有自动化程度高、安全性和维护性强、运行成本低、经济性好，可实现在城市的快速投放运行，是满足电动汽车能源补给的一种换电模式所必须的现代化装备；可以设想，随着电动汽车市场的大规模发展，将会越来越多的在电动汽车能源补给服务行业中得到广泛应用。

对于该产品，我公司已申报了“集装箱式充电站”和“集装箱式充电站的充电仓”的发明专利及实用新型专利。

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