基于重型卡车换电站的智能起重机设计和应用

方线伟 袁秀峰 林文舵 丁明波

法兰泰克重工股份有限公司 苏州 215211

0 引言

随着新能源技术的不断发展，电动汽车电池的续航能力和充电方式都有所改善，人们对其的关注度及购买意愿与日俱增。在一些相对封闭的港口、矿山、水泥泵站、汽车运输等行业，重型电动卡车（以下简称重卡）的使用也越来越多，一方面由于我国为了实现“30&60 双碳”排放目标，政府对换电项目的大力支持；另一方面，重型电动卡车可以大大降低客户后期的使用成本和维护成本，节约能源资源，重卡换电技术主要受到电池的续航能力和换电方式、换电站的选址等因素的影响。

目前市场上有多家重卡换电站厂家，每家换电站企业都有自己的优势和独特的换电方式。换电方式可分为卡车顶部换电、卡车单侧换电、卡车双侧换电等，每种方式都有其优缺点。普通顶部换电方式对司机的操作停靠水平要求较高，对换电机器人的自动化水平要求偏低，成本相对偏低；单侧换电方式对卡车司机的停靠位置要求不是太高，主要采用类似机械手的机器人进行自动识别和定位重卡位置，对控制系统的自动化程度依赖较大；双侧换电方式类似于单侧换电，设有2 套换电机器人和电池充电管理系统，可实现机器人取空电量的电池和放充满电量的电池同步进行，不会出现等待卡车上空电量的电池吊放到空仓位后再提供满电量的电池到卡车上的情况，这种方案可缩短换电时间，但却增加了2 套吊装设备，整个换电站的成本相对增加一倍。

本文以某重卡换电项目为例，结合欧式桥式起重机低净空的特点，采用欧式智能起重机实现自动单侧换电方式，每个重卡的换电时间基本在3～5 min 完成，换电时间比加满一箱油的时间大大缩短，有效提高了整个重卡的换电效率。本文介绍了重卡换电用智能起重机的电控系统组成、自动操作流程、卡车电池定位识别方法和换电管理流程等。

1 重卡换电站控制系统结构设计

重卡换电站的机械部分主要由电池充换电仓、地面电池底托、取放电池用的机器设备等组成；电气部分主要由地面站控管理系统、智能起重机控制系统、通信控制系统、远程监控运维系统等组成。换电仓根据不同的工况需求，配置的电池仓位也不同，一般采用3+1、5+1、7+1 等模式。本文主要介绍重卡换电站的智能起重机设备的设计与应用，其他部分只做简单介绍。

智能起重机采用X轴、Y轴、Z轴的三轴运动机构定位+吊具机构实现电池的抓取、搬运及卸载等动作。起重机控制系统采用PLC+伺服电动机驱动以实现位置精准控制，控制系统放置于起重机上，减少了通讯线缆的长度，避免了因伺服通讯线缆过长而造成的信号干扰，提高了智能起重机的稳定性。

1.1 机械结构组成

该换电站由1 个换电通道和垂直于换电通道的集装箱组成，集装箱内集成了4 个电池充电仓，采用3+1 模式，内含1 个周转工位和3 个电池工位。集装箱外部采用4 个标准300 kW 独立充电桩为集装箱内的3 个电池进行充电，同时还可对外来车辆进行直接充电，重卡整体换电站的地面布置如图1所示。集装箱内主要集成了智能起重机、电池底座、集装箱内饰结构、通风散热系统、监控室空调、地面站控系统、照明系统、安全监控系统、消防设施等部分。

图1 重卡换电站地面布置图

智能起重机是整个换电站中的核心搬运装置，是实现自动搬运的基础设备，表1 给出了智能起重机各个机构的运行速度和定位精度要求等参数。

表1 起重机各个机构的基本运行参数

1.2 智能起重机的控制框图

智能起重机的控制系统主要包含起重机的三坐标定位系统、起重机电控及驱动系统、地面站控系统、移门扫描系统等部分，每个部分的工作要求和目标都围绕着实现电池吊装时的准确性和快速性进行设计。智能起重机与地面站控系统采用稳定的有线控制实现，保障了信号不会因其他干扰而出现故障，同时也保障了信息通讯的实时性，智能起重机的控制框图如图2所示。

图2 智能起重机控制系统框图

1.3 智能起重机电控系统方案设计

智能起重机采用伺服驱动控制系统实现系统的快速启动和定位，伺服电动机自带有编码器，控制系统采用速度闭环控制，提高了系统的控制精度。然而智能起重机的吨位小、自重轻，在运行过程中易出现车轮打滑或跳动等现象，不能完全利用伺服电动机编码器实现系统的准确定位，外部需要增加检测传感器方可实现位置控制，故采用速度闭环控制和位置闭环控制双重控制方式以保障系统定位的稳定性、快速性和准确性。常用的外部检测传感器有激光测距仪、条码测距仪、绝对值编码器和格雷母线等，为了便于现场安装和调试的顺利进行，本系统大车采用激光测距仪定位、小车采用绝对值编码器加齿轮齿条控制、起升采用绝对值编码器控制方式，有效提高了设备的整体控制精度。

伺服控制器系统和三坐标控制系统采用通讯方式与PLC 系统进行通讯和控制，保障了智能起重机控制系统的快速响应，减少了其他电子元器件的干扰。

1.4 地面站控系统方案设计

地面站控系统承载着整个换电站的控制和运行，上端与智能起重机控制系统进行对接，下端与地面充电管理系统、远程运维中心进行对接，是整个换电站的核心控制部分。本文主要介绍与智能起重机设计和控制相关的部分，地面站控系统采用PLC 和工控机进行调度控制，智能起重机通过工控机实现自动运行、通过触摸屏（HMI）实现手动或半自动运行。

地面移门控制系统主要涉及到重卡电动汽车停靠位置和车载电池位置的定位，同样采用伺服控制+编码器实现速度闭环。为了更准确地识别车载电池的停放角度，在移门系统上增加激光测距仪，检测车载电池的偏移量，根据偏移量的数值适当调整智能起重机的小车位置和吊具的旋转角度，使起吊车载电池时能够更准确。

2 重卡换电站流程控制系统设计

重卡换电站的换电流程主要由电池出入库和电池移库等流程组成。针对每个流程，系统优化选择一条最优路径实现电池移动的最短路径，从而提高了设计的运行效率。整个换电系统有自动、半自动、手动等3 种运行模式，自动模式为正常生产时期使用，其他可操作范围为控制柜按钮、急停按钮以及触摸屏上的显示信息等；半自动、手动模式只是针对调试、维修、故障排除时使用，包括每个执行机构的单步以及连步动作执行。在自动运行模式下，若手动运行模式失效，而急停按钮不管是何种模式，均应能及时确保安全断电，以保障动作机构及时停止运动。

2.1 全自动模式下的控制流程

1）电池出入库流程

当重卡电动汽车开到位置后，司机通过RFID 系统进行扫码确认，并对汽车电池进行解锁操作，待车辆信息和系统信息匹配完成后，换电系统移门自动打开，扫描重卡电动汽车上面电池的摆放状态，系统确认重卡电动汽车上电池的坐标位置，智能起重机自动运行到电池位置进行取电池操作，然后取走空电池放进充电仓内，系统推荐满电池进行更换，直至完成电池的更换。换电流程如图3所示。

图3 电池出入库流程图

2）电池移库流程

为了提高换电的效率，可以临时将充满电的电池移到距离移门较近的地方，并将空位置预留给后续需要充电的电池。一方面可以保障换电的效率，另一方面也对电池的充电寿命进行监控，能够最大限度地利用电池的充放电过程。电池的移库基本上是在设备空闲时间，根据系统电池充放电数据指导智能起重机自动运行完成。

2.2 智能起重机智能监控画面设计

为了实现智能起重机的远程全自动和半自动进行操作，地面站控系统根据换电过程和数据监控的需要设计了1 套完整的系统操作流程，可实现远程操作接口对接和就地操作控制，操作流程界面如图4所示。通过界面可以监控汽车的车辆信息、电池的坐标信息、智能起重机的当前位置信息和状态信息等，这些信息既可本地监控，也可通过无线传输到远程运维系统，实时监控和分析当前该站的运行情况和维保信息。

图4 站控系统操作流程

1）重卡电动汽车电池定位设计

在重卡换电站集装箱移门上安装激光测距仪，移门安装带有绝对值编码器的伺服电动机，通过移门的移动带动移门上的激光测距仪移动，可实时监测移动距离重卡汽车上的电池距离，取移门打开时的位置数据、中间位置数据和移门到位后的位置数据（见图5），通过计算出重卡汽车电池的坐标位置，指导智能起重机进行电池抓取位置的判断，能够快速找到最合适的吊装位，不需要驾驶员反复调整车辆的位置，节省了停车时间，进而提升了换电效率。

图5 重卡汽车电池位置示意图

①预先设定电池的中心基准位置坐标A（a，b），选取移门中心和电池的中心在同一条直线，此时记录下激光的距离B，移门的位移为C。

②接收到换电指令后，在预设的第一位置记录移门第1 次行走距离X1和激光距离Y1（第1 位置是电池上边缘的任意位置）。

③在预设的第2 位置记录移门第2 次行走距离X2和激光距离Y2（第2 位置是电池下边缘的任意位置），并获取卡车电池的宽度D。

④基于移门第1 次行走距离X1、激光距离Y1、移门第2 次行走距离X2和激光侧出距离Y2，计算电池的偏差角度α、左右中心偏差距离M和前后中心偏差距离N。

⑤基于偏差角度α、左右中心偏差距离M和前后中心偏差距离N，与系统内设定的阈值对比，确定电池的吊装策略。

结合重卡汽车电池的位置，计算出相应的数值，得出电池的偏差角度α、电池的左右偏差距离M和前后中心偏差距离N分别为

电池吊装策略主要是通过判断偏差角度α是否超过了系统内预设的第1 阈值，左右偏差M是否超过了系统内预设的第2 阈值，前后偏差N是否超过了系统内预设的第3 阈值；若这3 个条件中有任意1 个未满足，则需要驾驶员调整车辆，重新进行打开移门进行扫描确认信息；若这3 个条件都满足，系统则根据前后偏差和左右偏差，通过机器人自带旋转机构调整机器人的姿态，匹配卡车最终停止位置，准确地识别卡车电池的位置。

2）防摇摆控制设计

由于重卡汽车的电池自重为3.5 t，智能起重机的载荷采用5 t 设计。起重机本身的跨度小、小车自重和吊装质量相对较轻，特别是在大车机构快速运行和高定位精度过程中，系统对智能起重机的稳定性要求较高。智能起重机在设计过程中，增加了导锥式机械防遥装置，以保障运行时机械装置的稳定性，并在自动控制系统中增加电气开环防摇摆控制程序，路径规划过程中对速度和加速度增加了S 曲线控制，根据目标位置的距离采用不同的控制策略和速度曲线，可在运行过程中提前进行变速控制，实现智能起重机在运行中快速定位，保障电池定位时的稳定性、快速性和准确性，提高整个换电过程中的效率。

3 展望与总结

随着新能源汽车在各行业的不断普及，电动重卡汽车在特定行业得到了充分的利用。通过重卡换电站的数量增加，有效地解决了电池能量不足的问题，重卡换电站作为独立的、可移动的设备，系统相对独立，实现自动化的可行性强，换电系统的可复制性强，在很多矿场和封闭厂区内推广性强。重卡换电站配备智能化起重机，实现了重卡换电全流程的自动控制，有效提高了重卡换电的效率和电池质量的管理，减少了客户和厂家的运维服务成本，提高了设备的生产效率和安全性，为客户实现绿色节能目标创造价值。通过长期监测系统的运行数据，重卡换电智能起重机已实现了自动定位±3 mm 的目标，该起重机的配置和调试经验，可以借鉴到其他行业起重机进行应用，增加一些人工智能技术，实现更为复杂的功能，为客户节省大量的人力和物力成本。