电池更换方法和换电站与流程

1.本发明涉及电池更换技术领域，尤其涉及一种电池更换方法和换电站。


背景技术：

2.近几年来，随着石油资源的紧张和电池技术的发展，新能源汽车发展迅速，依靠蓄电池作为驱动能源的电动车辆，行驶中无有害气体排放污染，噪音小，能够实现零排放与低噪声，是解决能源和环境问题的重要手段。电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势。
3.作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础，电动汽车充换电技术的发展和电动汽车充换电设施建设引起了各方广泛关注。电动汽车的电池箱，可位于汽车的底部，也可位于汽车的侧面。通过电池箱为汽车提供动力。与之配套的电动汽车充换电设施已投入使用，将逐步形成充电桩、充电站、换电站、配送站等设施相结合的电动汽车充换电系统。将电池箱设置成可分离式，方便进行更换，但是电池箱一般重量大，搬运困难，并且电池箱需要充电站提供充电设备进行存储和充电，以便电动汽车更换电池箱。
4.目前，市场上换电站多为行车顶吊式，rgv侧抓式换电，对需要换电的车辆停车位置的适应性差，换电步骤多，换电时间长。


技术实现要素：

5.本发明提供一种电池更换方法、换电设备和换电站，用以解决现有技术中的换电设备对车辆停放位置适应性差、换电步骤多以及换电时间长的缺陷，实现根据车辆停放位置主动调节电池抓取位置且快速换电的效果。
6.本发明提供一种电池更换方法，包括：
7.建立坐标系；
8.根据所述坐标系，获取目标备用电池的第一位置坐标和待换电池的第二位置坐标；
9.确定所述第一位置坐标与所述第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹的交点的第三位置坐标；
10.控制所述换电设备移动至所述第三位置坐标处；
11.控制所述换电设备抓取所述目标备用电池和所述待换电池，并进行位置调换。
12.根据本发明提供的电池更换方法，所述根据所述坐标系，获取目标备用电池的第一位置坐标和待换电池的第二位置坐标之前，还包括：
13.分别检测待换电池的电量和每个备用电池的电量；
14.确定所述备用电池的电量高于所述待换电池的电量的备用电池作为目标备用电池。
15.根据本发明提供的电池更换方法，所述控制所述换电设备抓取所述目标备用电池
和所述待换电池，包括：
16.控制所述换电设备的第一抓取机构抓取所述第一位置坐标对应的目标备用电池；
17.控制所述换电设备的第二抓取机构抓取所述第二位置坐标对应的待换电池；
18.控制所述换电设备的旋转臂转动，所述旋转臂带动所述第一抓取机构和所述第二抓取机构转动，以实现所述目标备用电池与所述待换电池的位置调换。
19.根据本发明提供的电池更换方法，所述控制所述换电设备的第一抓取机构抓取所述第一位置坐标对应的目标备用电池，包括：
20.根据所述第三位置坐标和所述第一位置坐标，确定所述换电设备的旋转臂的旋转角度和所述第一抓取机构的第一位移信息；
21.根据所述旋转角度和所述第一位移信息，控制所述第一抓取机构抓取所述目标备用电池；
22.对应的，所述控制所述换电设备的第二抓取机构抓取所述第二位置坐标对应的待换电池，包括：
23.根据所述第三位置坐标和所述第二位置坐标，确定所述换电设备的旋转臂的旋转角度和所述第二抓取机构的第二位移信息；
24.根据所述旋转角度和所述第二位移信息，控制所述第二抓取机构抓取所述待换电池。
25.根据本发明提供的电池更换方法，所述旋转臂带动所述第一抓取机构和所述第二抓取机构转动之后，还包括：
26.根据所述第二位移信息，控制所述第一抓取机构将所述目标备用电池放置于所述第二位置坐标的对应位置；
27.根据所述第一位移信息，控制所述第二抓取机构将所述待换电池放置于所述第一位置坐标的对应位置。
28.本发明还提供了一种换电站，包括控制终端、电池充电系统、待换电池放置系统和换电设备；
29.所述控制终端用于控制所述换电设备按照如权利要求1～5任一项所述的电池更换方法对所述电池充电系统中的目标备用电池和所述待换电池放置系统中的待换电池进行位置调换。
30.根据本发明提供的换电站，所述换电设备包括：
31.行走架，所述行走架与所述控制终端通信连接，且所述行走架用于行走至所述第三位置坐标处；
32.旋转臂，所述旋转臂水平设置在所述行走架的顶端，且所述旋转臂的中部与所述行走架之间设置有第一旋转驱动机构，所述第一旋转驱动机构与所述控制终端通信连接，且用于驱动所述旋转臂沿竖直轴线旋转；
33.第一抓取机构和第二抓取机构，所述第一抓取机构和所述第二抓取机构分别用于抓取所述目标备用电池和所述待换电池，所述第一抓取机构和所述第二抓取机构均设置在所述旋转臂上，且分别位于所述行走架的两侧，所述第一抓取机构和第二抓取机构均能够沿所述旋转臂的延伸方向平移、绕竖直轴线旋转和沿竖直方向伸缩。
34.根据本发明提供的换电站，所述第一抓取机构和所述第二抓取机构均包括：
35.行走车，所述行走车与所述旋转臂之间设置有第一直线驱动机构和第二旋转驱动机构，所述第一直线驱动机构和所述第二旋转驱动机构均与所述控制终端通信连接，所述第一直线驱动机构用于驱动所述行走车沿所述旋转臂的延伸方向移动，所述第二旋转驱动机构用于驱动所述行走车沿竖直轴线旋转；
36.抓手，所述抓手与所述行走车之间设置有第二直线驱动机构，所述第二直线驱动机构与所述控制终端通信连接，所述第二直线驱动机构用于驱动所述抓手沿竖直方向移动。
37.根据本发明提供的换电站，所述行走架的底部设置有轨道轮和直线导轨，所述行走架通过轨道轮在所述直线导轨上行走。
38.根据本发明提供的换电站，所述待换电池放置系统包括至少一个与所述电池充电系统对应的停车位。
39.本发明提供的电池更换方法，根据建立的坐标系获取目标备用电池的第一位置坐标和待换电池的第二位置坐标，待换电车辆的电池箱的中心位置坐标即为第二位置坐标，确定第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹的交点处的第三位置坐标，控制换电设备移动到第三位置坐标处，控制换电设备同时抓取目标备用电池和待换电池，并将目标备用电池和待换电池位置调换，完成换电动作。本发明公开的电池更换方法，可获取待换电池的第二位置坐标，对电动车辆停放位置要求较低，适应性强，并且目标备用电池和待换电池同时抓取，并进行位置调换，减少了换电步骤，进而加快换电速度。
40.本发明提供的换电站，包括控制终端、电池充电系统、待换电池放置系统和换电设备，由于控制终端可用于控制换电设备按照上述的电池更换方法对电池充电系统中的目标备用电池和待换电池放置系统中的待换电池进行位置调换，因此可取得如上所述的有益效果。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之一；
43.图2是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之二；
44.图3是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之三；
45.图4是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之四；
46.图5是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之五；
47.图6是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之六；
48.图7是本发明提供的换电站各部件的旋转角度以及点位位置图；
49.图8是本发明提供的换电站一种电池更换情况的结构示意图；
50.图9是本发明提供的换电站另一种电池更换情况的结构示意图；
51.图10是本发明提供的设置有一个停车位的换电站的俯视图；
52.图11是本发明提供的设置有多个停车位的换电站的俯视图；
53.附图标记：
54.1：行走架；
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2：旋转臂；
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3：目标备用电池；
55.4：待换电池；
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5：行走车；
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6：抓手；
56.7：直线导轨；
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8：停车位；
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9：电池仓位。
具体实施方式
57.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
58.下面结合图1至图7描述本发明的电池更换方法。
59.图1是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之一。
60.如图1所示，本发明实施例提供的一种电池更换方法，包括以下步骤：
61.101、建立坐标系。
62.确定坐标系的零点位置，并确定x轴和y轴方向，x轴和y轴可以与地面平行设置，且可以将y轴建立在换电设备的移动轨迹上，换电设备的移动轨迹的其中一端为零点位置，x轴与y轴垂直。
63.102、根据坐标系，获取目标备用电池的第一位置坐标和待换电池的第二位置坐标。
64.获取目标备用电池的第一位置坐标，第一位置坐标可以为(x1，y1)，获取待换电池的第二位置坐标，第二位置坐标可以为(x2，y2)。
65.103、确定出第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹的交点处的第三位置坐标。
66.第三位置坐标可以为(x3，y3)，由于y轴与换电设备的移动轨迹重合，因此，第三位置坐标为(0，y3)，根据公式(x3‑
x1)/(x2‑
x1)＝(y3‑
y1)/(y2‑
y1)，并将第三位置坐标(0，y3)带入，即可得到第三位置坐标。
67.104、控制换电设备移动到第三位置坐标处。
68.控制换电设备沿移动轨迹运动到第三位置坐标位置，等待换电。
69.105、控制换电设备抓取备用电池和待换电池，并进行位置调换。
70.控制换电设备同时抓取与第一位置坐标对应的目标备用电池和与第二位置坐标对应的待换电池，抓取后控制换电设备将目标备用电池和待换电池进行位置调换，完成换电。
71.本发明提供的电池更换方法，可自动获取目标备用电池的第一位置坐标，当待换电的电动汽车停放到位后，可自动获取待换电池的第二位置坐标，通过控制换电设备可直接对目标备用电池和待换电池同时抓取并进行位置调换，调换后，将目标备用电池放置到第二位置坐标处，将待换电池放置到第一位置坐标处，完成调换。本发明提供的电池更换方法，可在车辆停放到位后再获取第二位置坐标，对车辆停放位置要求较低，适应性较强，而且对目标备用电池和待换电池同时抓取，位置调换后同时放置，减少了换电步骤，提高了换电速度。
72.图2是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之二。
73.如图2所示，在本发明的一个实施例中，在执行根据坐标系，获取目标备用电池的第一位置坐标和待换电池的第二位置坐标之前，还可以包括以下步骤：
74.201、分别检测待换电池和每个备用电池的电量。
75.202、确定所述备用电池的电量高于所述待换电池的电量的备用电池作为目标备用电池。
76.根据检测出的待换电池和每个备用电池的电量，将每个备用电池的电量分别与待换电池的电量进行比对，当检测到某一备用电池的电量大于待换电池的电量时，将该备用电池确定为目标备用电池。在优选的实施例中，将备用电池的电量超过待换电池的电量最多的备用电池确定为目标备用电池。
77.图3是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之三。
78.参看图3，在本发明的一个实施例中，控制换电设备抓取目标备用电池和待换电池这一步骤，包括：
79.301、控制换电设备的第一抓取机构抓取与第一位置坐标对应的目标备用电池；
80.控制换电设备的第二抓取机构抓取第二位置坐标对应的待换电池。
81.302、控制换电设备的旋转臂转动，旋转臂带动第一抓取机构和第二抓取机构转动，以实现所述目标备用电池与所述待换电池的位置调换。
82.对于步骤301，两个动作同时进行，可加快电池抓取速度。
83.图4是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之四，图5是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之五。
84.参看图4，在本发明的一个实施例中，对于控制换电设备的第一抓取机构抓取第一位置坐标对应的目标备用电池，包括以下步骤：
85.401、根据第三位置坐标和第一位置坐标，确定换电设备的旋转臂的旋转角度和第一抓取机构的第一位移信息。
86.第三位置坐标为(0，y3)，第一位置坐标为(x1，y1)，根据α＝arctan[(y1‑
y3)/x1]，可得到旋转臂的旋转角度为α，根据可得到第一抓取机构沿旋转臂的长度方向距离第三位置坐标的距离a，该距离a即为第一位移信息。
[0087]
402、根据旋转角度和第一位移信息，控制第一抓取机构抓取目标备用电池。
[0088]
根据第一位移信息，控制第一抓取机构移动到距离第三位置坐标距离为a的位置，在该位置对目标备用电池进行抓取。
[0089]
上述的步骤401和步骤402中，在旋转臂带动第一抓取机构进行转动时，第一抓取机构相对于自身的竖直轴线的旋转角度为零，相对于旋转臂为转动状态，当旋转臂转过角度α时，第一抓取机构相对于旋转臂旋转角度α。
[0090]
对应的，参看图5，控制所述换电设备的第二抓取机构抓取第二位置坐标对应的待换电池，包括以下步骤：
[0091]
403、根据第三位置坐标和第二位置坐标，确定换电设备的旋转臂的旋转角度和第二抓取机构的第二位移信息。
[0092]
第三位置坐标为(0，y3)，第二位置坐标为(x2，y2)，根据β＝arctan[(y2‑
y3)/x2]，可
得到旋转臂的旋转角度为β，根据可得到第二抓取机构沿旋转臂的长度方向距离第三位置坐标的距离b，该距离b即为第二位移信息。
[0093]
404、根据旋转角度和第二位移信息，控制第二抓取机构抓取待换电池。
[0094]
根据第一位移信息，控制第一抓取机构移动到距离第三位置坐标距离为b的位置，在该位置对目标备用电池进行抓取。
[0095]
上述的步骤403和步骤404中，在旋转臂带动第二抓取机构进行转动时，第二抓取机构相对于自身的竖直轴线的旋转角度为零，相对于旋转臂为转动状态，当旋转臂转过角度β时，第二抓取机构相对于旋转臂旋转角度β。
[0096]
由于旋转臂为一体结构，因此上述的α＝β。
[0097]
图6是本发明提供的电池更换方法的流程示意图之六。
[0098]
参看图6，在本发明的一个实施例中，旋转臂带动第一抓取机构和第二抓取机构转动之后，还包括以下步骤：
[0099]
501、根据第二位移信息，控制第一抓取机构将目标备用电池放置于第二位置坐标的对应位置；
[0100]
502、根据第一位移信息，控制第二抓取机构将待换电池放置于第一位置坐标的对应位置。
[0101]
当第一抓取机构抓取目标备用电池以及第二抓取机构抓取待换电池后，需要控制换电设备的旋转臂绕竖直轴线旋转180度。
[0102]
旋转180度后，在控制第一抓取机构将目标备用电池放置于第二位置坐标的对应位置，以及控制第二抓取机构将待换电池放置与第一位置坐标的对应位置时，会出现以下情况：
[0103]
第一，在旋转臂进行180度旋转前，第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹垂直，且第一位置坐标与第二位置坐标关于第三位置坐标对称，旋转臂旋转180度后，第一抓取机构即与第二位置坐标对应，第二抓取机构即与第一位置坐标对应，无需对第一抓取机构和第二抓取机构进行调整。
[0104]
第二，在旋转臂进行180度旋转前，第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹垂直，且第一位置坐标与第二位置坐标关于第三位置坐标不对称，在旋转臂旋转180度后，将第一抓取机构距离第三位置坐标的距离由a调整为b，将第二抓取机构距离第三位置坐标的距离由b调整为a即可。
[0105]
第三，在旋转臂进行180度旋转前，第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹为非垂直状态，且第一位置坐标与第二位置坐标关于第三位置坐标对称，此时第一抓取机构与第二抓取机构关于第三位置坐标对称，又由于第一抓取机构和第二抓取机构关于自身轴线的旋转角度为零，因此，将旋转臂旋转180度后，第一抓取机构即与第二位置坐标对应，第二抓取机构即与第一位置坐标对应，无需对第一抓取机构和第二抓取机构进行调整。
[0106]
第四，在旋转臂进行180度旋转前，第一位置坐标与第二位置坐标的连线与换电设备的移动轨迹为非垂直状态，且第一位置坐标与第二位置坐标关于第三位置坐标不对称，由于第一抓取机构和第二抓取机构关于自身轴线的旋转角度为零，因此，将旋转臂旋转180度后，需将第一抓取机构距离第三位置坐标的距离由a调整为b，将第二抓取机构距离第三
位置坐标的距离由b调整为a。
[0107]
下面对本发明提供的换电设备进行描述，下文描述的换电设备与上文描述的电池更换方法可相互对应参照。
[0108]
参看图8～图11，本发明提供的换电站，包括控制终端、电池充电系统、待换电池放置系统和换电设备，其中，控制终端用于控制换电设备按照上述的电池更换方法对电池充电系统中的目标备用电池3和待换电池放置系统中的待换电池4进行位置调换。
[0109]
由于该换电站中的控制终端能够控制换电设备按照上述的电池更换方法对电池充电系统中的目标备用电池3和待换电池放置系统中的待换电池4进行位置调换，因此，同样具有上述的电池更换方法所取得的有益效果。
[0110]
在本发明的一个实施例中，上述的换电设备包括行走架1、旋转臂2、第一抓取机构和第二抓取机构。行走架1用于带动旋转臂2、第一抓取机构和第二抓取机构沿预定移动轨迹移动，旋转臂2可沿竖直轴线旋转，带动第一抓取机构和第二抓取机构进行旋转，第一抓取机构和第二抓取机构用于抓取和放置目标备用电池3和待换电池4。
[0111]
行走架1能够在控制终端的控制下移动至第三位置坐标处，行走架1可以为竖直的棱柱结构。
[0112]
旋转臂2可以为水平的棱柱结构，旋转臂2设置在行走架1的顶部，旋转臂2的中心位置与行走架1的顶端之间设置有第一旋转驱动机构，第一旋转驱动机构可以为电机，该电机与控制终端通信连接，在控制终端的控制下，带动旋转臂2沿竖直轴线进行旋转。
[0113]
第一抓取机构和第二抓取机构分别位于旋转臂2位于行走架1的两侧，且第一抓取机构和第二抓取机构可位于旋转臂2的下方，第一抓取机构和第二抓取机构可沿旋转臂2的延伸方向进行直线移动，可以绕竖直轴线进行旋转，还可沿竖直方向进行伸缩。第一抓取机构和第二抓取机构结构相同，以第一抓取机构为例，第一抓取机构可根据第一位置坐标沿旋转臂2的延伸方向进行平移，可根据旋转臂2的旋转角度沿自身竖直轴线进行旋转，以保证第一抓取机构沿自身竖直轴线的旋转角度为零，还可根据第一抓取机构与目标备用电池3之间的高度差进行上下伸缩，下放时用于抓取目标备用电池3，抓取后上升。
[0114]
在本发明的一个实施例中，上述的第一抓取机构和第二抓取机构结构相同，以第一抓取机构为例，第一抓取机构包括行走车5和抓手6。
[0115]
行走车5与旋转臂2之间设置有第一直线驱动机构和第二旋转驱动机构。第一直线驱动机构用于驱动行走车5沿旋转臂2的延伸方向做直线移动，第一直线驱动机构可以为由电机驱动的丝杠螺母机构。第二旋转驱动机构用于驱动行走车5与旋转臂2发生相对转动，第二旋转驱动机构可以为由电机驱动的减速齿轮机构。
[0116]
抓手6用于抓取目标备用电池3和待换电池4，抓手6可以为机械手，在抓手6和行走车5之间还可以设置有第二直线驱动机构，第二直线驱动机构用于驱动抓手6沿竖直方向上下移动。第二直线驱动机构也可以为电动伸缩杆或者伸缩气缸等。
[0117]
上述的用于驱动的电机、电动伸缩杆或伸缩气缸等均与控制终端通信连接。
[0118]
为使行走架1沿预定轨迹移动，在本发明的一个实施例中，在行走架1的底部设置有轨道轮和直线导轨7，行走架1通过轨道轮在直线导轨7上行走。直线导轨7可以平行的设置两条，位于两条直线导轨7中间的直线即为行走架1的移动轨迹。
[0119]
在本发明的一个实施例中，上述的待换电池4放置系统包括至少一个与电池充电
系统对应的停车位8。
[0120]
电池充电系统可以包括沿与行走架1的移动轨迹平行的方向设置的多个电池仓位9，例如可以为7个电池仓位9。
[0121]
停车位8可以包括一个，该停车位8的中心点可以与第四个电池仓位9的中心点关于行走架1的移动轨迹对称。在进行电池更换时，待换电池4的车辆始终停在该停车位8处，当待换电车辆停放到位后，待换电池4的中心点与该停车位8的中心点重合。
[0122]
当目标备用电池3位于第四电池仓位9时，该换电站进行电池更换的过程参照旋转臂2旋转180度后，在控制第一抓取机构将目标备用电池3放置于第二位置坐标的对应位置，以及控制第二抓取机构将待换电池4放置与第一位置坐标的对应位置时，对应的第一和第二种情况。
[0123]
当目标备用电池3位于除第四电池仓位9以外的其他电池仓位9时，该换电站进行电池更换的过程参照旋转臂2旋转180度后，在控制第一抓取机构将目标备用电池3放置于第二位置坐标的对应位置，以及控制第二抓取机构将待换电池4放置与第一位置坐标的对应位置时，对应的第三和第四种情况。
[0124]
停车位8的数量可以与电池仓位9的数量相同，例如同样为7个，7个停车位8的中心点的连线与7个电池仓位9的中心点的连线关于行走架1的移动轨迹对称。待换电车辆根据目标备用电池3的位置停放到对应的停车位8。当待换电池4车辆停放到位后，待换电池4的中心点与该停车位8的中心点重合，且待换电池4的中心点与目标备用电池3的中心点关于行走架1的移动轨迹对称。此时该换电站进行电池更换的过程参照旋转臂2旋转180度后，在控制第一抓取机构将目标备用电池3放置于第二位置坐标的对应位置，以及控制第二抓取机构将待换电池4放置与第一位置坐标的对应位置时，对应的第一和第二种情况。
[0125]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。