一種底盤式換電機器人及其換電方法與流程

本發明屬于電動汽車更換電池領域，涉及一種底盤式換電機器人及其換電方法。

背景技術：

環境污染和石油資源不足是目前汽車行業發展的瓶頸。在此背景下，新能源純電動汽車應運而生。所謂純電動汽車是指以車載電源為動力，用電池驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。雖然純電動汽車使用的是清潔能源，但由于目前電池技術的局限性，使得純電動汽車的續航能力有限，因此，需要純電動汽車及時地充電或換電池。

對于充電方式，主要有快速充電和充電樁兩種。快速充電技術可以在短時間內充滿電池電量，但嚴重損害了電池的壽命；而對于充電樁技術，由于電動汽車及電池標準不統一，需要設計專車充電樁，嚴重降低了充電樁的使用效率。

對于換電方式，即建立一個包括換電機器人、堆垛機、充電架、充電機等設備的換電站，將電動汽車用完的電池通過換電機器人取出并放入充電架進行充電，并將充滿電的電池放入電動汽車內，滿足電動汽車的續航要求。

目前，電動汽車為了使續航能力能達到300公里之上，通常電池的重量要大于300公斤，現有的換電技術大多難以滿足需求，尤其是在電池位于底盤部位的電動汽車在進行換電操作時，電池更換十分困難。

技術實現要素：

為了解決現有的換電技術中底盤電池更換困難的技術問題，本發明提供一種底盤式換電機器人及其換電方法。

本發明的技術解決方案是：一種底盤式換電機器人，其特殊之處在于：包括駐車臺、控制柜和換電裝置；所述控制柜分別與駐車臺和換電裝置相連；

所述駐車臺包括相對設置的前輪基座和后輪基座，所述前輪基座的兩端各通過一個過渡臺與后輪基座的兩端相連；前輪基座、后輪基座和兩個過渡臺共同圍成一個換電腔；

所述換電裝置位于換電腔下方的軌道上，所述軌道的延伸方向垂直于電動汽車的行進方向；

所述換電裝置包括可在軌道上自由滑動的電池取放機構；所述電池取放機構包括位于底部的基座和位于頂部的電池升降平臺，所述電池升降平臺上安裝有電池解鎖組件。

上述電池取放機構還包括位于基座中部的電池升降電機和兩個位于基座兩端的電池升降機構；

所述電池升降電機與一個減速機的輸入端相連，減速機的兩個輸出端各連接一個水平設置的滾珠絲杠；

所述電池升降機構包括兩個交叉連接為剪刀形狀的一級主動桿、一級從動桿和兩個交叉連接為剪刀形狀的二級主動桿、二級從動桿；所述一級主動桿的底端與滾珠絲杠上的絲杠螺母鉸接，一級主動桿的頂端與二級主動桿的底端鉸接；所述一級從動桿的底端與所述基座鉸接，一級從動桿的頂端與二級從動桿的底端鉸接，二級從動桿的頂端與所述電池升降平臺鉸接。

上述電池解鎖組件包括對稱設置于所述電池升降平臺兩側的兩個解鎖機構；

所述解鎖機構包括解鎖升降電機、解鎖頭安裝板和兩個解鎖頭；所述解鎖升降電機的輸出端與一個減速機的輸入端相連，減速機的輸出端連接一個豎直設置的滾珠絲杠，所述滾珠絲杠固定于電池升降平臺上；所述解鎖頭安裝板的中部與滾珠絲杠上的絲杠螺母固定連接，兩個解鎖頭分別安裝于解鎖頭安裝板的兩端。

上述前輪基座和后輪基座上各設置有兩個與過渡臺相對應的導向槽；每個導向槽與過渡臺的連接處均安裝有一個滾輪組件，滾輪組件的滾動方向垂直于電動汽車的行進方向；

在前輪基座上，兩個滾輪組件分別對應電動汽車的兩個前輪；兩個滾輪組件之間安裝對中機構；兩個滾輪組件的下方安裝車身升降機構；

在后輪基座上，兩個滾輪組件分別對應電動汽車的兩個后輪；兩個滾輪組件之間安裝對中機構；

兩個過渡臺的外側各安裝一個車身升降機構。

上述對中機構包括對中電機、一入雙出減速機和兩個滾珠絲杠組件；所述對中電機與一入雙出減速機的輸入端相連，一入雙出減速機的兩個輸出端分別通過一個聯軸器與一個滾珠絲杠組件相連；滾珠絲杠組件包括安裝在絲杠基座上的滾珠絲杠，滾珠絲杠上安裝有一個絲杠滑塊，絲杠滑塊的滑動方向垂直于電動汽車的行進方向；絲杠滑塊上安裝有腳輪，絲杠滑塊的頂部安裝有推桿。

上述車身升降機構包括基板以及安裝在基板上的車身升降電機、一入雙出減速機、兩個滾珠絲杠組件和兩個剪刀式升降組件；所述車身升降電機與一入雙出減速機的輸入端相連，一入雙出減速機的兩個輸出端分別通過一個聯軸器與一個滾珠絲杠組件相連；滾珠絲杠組件包括安裝在絲杠基座上的滾珠絲杠，滾珠絲杠上安裝有一個絲杠滑塊，絲杠滑塊的滑動方向垂直于電動汽車的行進方向；絲杠滑塊上安裝有腳輪；所述剪刀式升降組件包括車身升降平臺以及交叉連接為剪刀形狀的主動桿和從動桿；從動桿一端與基板鉸接，從動桿的另一端與車身升降平臺一端鉸接；主動桿一端設置一個與車身升降平臺底部相接觸的滾輪，主動桿的另一端與絲杠滑塊鉸接；

在前輪基座上，兩個車身升降平臺的上部分別安裝滾輪組件；

在過渡臺外側，兩個車身升降平臺的上部安裝一個水平設置的車身托板。

上述換電裝置還包括可在軌道上自由滑動的托盤機構；所述托盤機構包括位于底部的托盤基座和位于頂部的托盤升降平臺；所述托盤升降平臺的大小與駐車臺上換電腔的大小相吻合；

所述托盤基座的中部設置有托盤升降電機，托盤基座的兩端各設置一個托盤升降機構；

所述托盤升降電機與一個減速機的輸入端相連，減速機的兩個輸出端各連接一個水平設置的滾珠絲杠；

所述托盤升降機構包括兩個交叉連接為剪刀形狀的主動桿和從動桿；主動桿的底端與滾珠絲杠上的絲杠螺母鉸接，主動桿的頂端設置一個與托盤升降平臺底部相接觸的滾輪；從動桿的底端與托盤基座鉸接，從動桿的頂端與托盤升降平臺鉸接。

在電動汽車行進方向上，所述駐車臺的前方和后方各設置一個行車斜坡，所述行車斜坡與水平面的夾角為5-7.5°。

本發明還提供一種基于底盤式換電機器人的換電方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)電動汽車駛入駐車臺，駐車臺調整電動汽車的姿態，完成電動汽車定位；

2)托盤升降平臺下降后，托盤機構沿軌道移動至駐車臺一側；

3)電池取放機構沿軌道移動至換電腔下方，電池升降平臺舉升至電動汽車底盤；

4)電池解鎖組件進行電池解鎖；

5)電池升降平臺下降后，載有虧電電池的電池取放機構沿軌道移動至駐車臺的另一側；

6)將電池取放機構上的虧電電池更換為滿電電池；

7)載有滿電電池的電池取放機構沿軌道移動至換電腔下方，電池升降平臺上升后將滿電電池舉升入電動汽車底盤的電池倉內；

8)電池解鎖組件進行電池鎖止；

9)電池升降平臺下降后，電池取放機構沿軌道移動至初始位置；

10)托盤機構沿軌道移動至換電腔下方，托盤升降平臺舉升至初始位置；

11)電動汽車駛出駐車臺，完成電池更換。

較佳的，步驟1)具體包括以下步驟：

1.1)前輪頂升：啟動前輪基座的車身升降機構，將前輪基座的滾輪組件舉升至前后兩個楔塊之間；

1.2)電動汽車入位：電動汽車由后輪基座駛入，電動汽車的前輪依次駛過后輪基座的導向槽、滾輪組件和過渡臺后，停在前輪基座的滾輪組件上，此時電動汽車的后輪停在后輪基座的滾輪組件上；

1.3)前輪對中定位：啟動前輪基座的對中機構，使電動汽車前輪在滾輪組件上橫向滾動，完成前輪的左右居中定位；

后輪對中定位：啟動后輪基座的對中機構，使電動汽車后輪在滾輪組件上橫向滾動，完成后輪的左右居中定位；

1.4)前輪下降：啟動前輪基座的車身升降機構，使前輪基座的滾輪組件下降，電動汽車前輪下落至兩個楔塊之間；

1.5)車身頂升：啟動兩個過渡臺外側的車身升降機構，將車身頂升至預設高度，完成電動汽車定位。

本發明的有益效果在于：本發明可以實現底盤式電動汽車的全自動換電功能，相比傳統的底盤換電機構，本底盤換電機器人的優勢在于：無需大量土建作業；無需視覺定位；無需人工操作；換電成功率達到99％；電動汽車純機械定位，定位精度高，電池更換操作性能穩定可靠。

附圖說明

圖1為本發明底盤式換電機器人的較佳實施例結構示意圖。

圖2為本發明駐車臺的較佳實施例結構示意圖。

圖3為本發明換電裝置的較佳實施例結構示意圖。

圖4為本發明托盤機構的較佳實施例結構示意圖(壓縮狀態)。

圖5為本發明托盤機構的較佳實施例結構示意圖(伸展狀態)。

圖6為本發明電池取放機構的較佳實施例結構示意圖(壓縮狀態)。

圖7為本發明電池取放機構的較佳實施例結構示意圖(伸展狀態)。

圖8為本發明電池解鎖組件的較佳實施例結構示意圖。

圖9為本發明前輪基座的較佳實施例結構示意圖。

圖10為本發明對中機構的較佳實施例結構示意圖(壓縮狀態)。

圖11為圖10的A向視圖。

圖12為本發明對中機構的較佳實施例結構示意圖(伸展狀態)。

圖13為本發明前輪升降機構的較佳實施例結構示意圖(壓縮狀態)。

圖14為本發明前輪升降機構的較佳實施例結構示意圖(伸展狀態)。

具體實施方式

參見圖1，本發明提供一種底盤式換電機器人，其較佳實施例的系統構成包括駐車臺100、控制柜400和換電裝置300；控制柜400分別與駐車臺100和換電裝置300相連。較佳的，在電動汽車行進方向上，駐車臺100的前方和后方各設置一個方便電動汽車駛入和駛出的行車斜坡200，行車斜坡200主要由不同規格的矩形鋼和鋼板焊接而成。行車斜坡200與水平面的夾角為5-7.5°，符合電動汽車的爬坡要求。

參見圖2，本實施例中駐車臺包括相對設置的前輪基座110和后輪基座120，前輪基座110的兩端分別通過左過渡臺180和右過渡臺190與后輪基座120的兩端相連。前輪基座110、后輪基座120和兩個過渡臺共同圍成一個換電腔。駐車臺的功能是對待換電車輛進行姿態調整和定位。

參見圖3，換電裝置300位于換電腔下方的軌道310上，軌道310的延伸方向垂直于電動汽車的行進方向。換電裝置300包括可在軌道310上自由滑動的電池取放機構330和托盤機構320。電池取放機構330用于對電池進行更換和移動，托盤機構320用于在換電前或者換電后對換電腔的開口進行填補，以免電動汽車在駛入或者駛出駐車臺時出現危險事故。

參見圖4和圖5，托盤機構320包括位于底部的托盤基座321和位于頂部的托盤升降平臺322，托盤升降平臺322的大小與駐車臺上換電腔的大小相吻合。托盤基座321的中部設置有托盤升降電機323，托盤基座321的兩端各設置一個托盤升降機構。托盤升降電機323與一個減速機324的輸入端相連，減速機324的兩個輸出端各連接一個水平設置的滾珠絲杠325。托盤升降機構包括兩個交叉連接為剪刀形狀的主動桿326和從動桿327。主動桿326的底端與滾珠絲杠325上的絲杠螺母鉸接，主動桿326的頂端設置一個與托盤升降平臺322底部相接觸的滾輪，從動桿327的底端與托盤基座321鉸接，從動桿327的頂端與托盤升降平臺322鉸接。

托盤機構320的工作原理為：托盤升降電機323帶動減速機324轉動，進而驅動兩端的滾珠絲杠325轉動。滾珠絲杠325的旋轉運動轉化為絲杠螺母的平移運動，絲杠螺母向外或者向內滑動，致使托盤升降機構做剪切運動，帶動頂部的托盤升降平臺322降低或者升高。

參見圖6和圖7，本實施例中的電池取放機構330包括位于底部的基座331和位于頂部的電池升降平臺332，電池升降平臺332上安裝有電池解鎖組件333。基座331的中部設置有電池升降電機334，基座331的兩端各設置一個電池升降機構。電池升降電機331與一個減速機的輸入端相連，減速機的兩個輸出端各連接一個水平設置的滾珠絲杠335。

電池升降機構包括兩個交叉連接為剪刀形狀的一級主動桿336、一級從動桿337和兩個交叉連接為剪刀形狀的二級主動桿338、二級從動桿339；一級主動桿336的底端與滾珠絲杠335上的絲杠螺母鉸接，一級主動桿336的頂端與二級主動桿338的底端鉸接；一級從動桿337的底端與基座331鉸接，一級從動桿337的頂端與二級從動桿339的底端鉸接，二級從動桿339的頂端與電池升降平臺332鉸接。電池升降機構的工作原理與托盤升降機構原理相同，只是將單級剪切結構替換為雙級剪切機構，以增加高度調節范圍，適應不同車型和電池型號的高度尺寸變化。

參見圖8，本實施例中的電池解鎖組件333包括對稱設置于電池升降平臺332兩側的兩個解鎖機構；該解鎖機構包括解鎖升降電機3331、解鎖頭安裝板3332和兩個解鎖頭3333。解鎖升降電機3331的輸出端與一個減速機的輸入端相連，減速機的輸出端連接一個豎直設置的滾珠絲杠3334，滾珠絲杠3334固定于電池升降平臺332上。解鎖頭安裝板3332的中部與滾珠絲杠3334上的絲杠螺母固定連接，兩個解鎖頭3333分別安裝于解鎖頭安裝板3332的兩端。解鎖頭安裝板3332可以設置為V字型平板或者一字型平板，當解鎖頭安裝板3332為V字型平板時，其轉折點處與絲杠螺母固定連接。解鎖機構的工作原理為：解鎖升降電機3331帶動減速機轉動，進而驅動滾珠絲杠3334轉動，絲杠螺母向上或者向下滑動，致使解鎖頭安裝板3332做升降運動，從而改變位于兩端的解鎖頭3333的高度以適應電池的位置，為電池解鎖或鎖止做準備。

參見圖9，前輪基座110是電動汽車前輪的主要承載架體，也是前輪對中機構130、前輪升降機構150的安裝基座。由前輪機架111、前輪基板112和導向槽113組成。其中前輪機架111和導向槽113由不同規格的矩形鋼和鋼板焊接而成，導向槽113起到電動汽車駛出時的導向作用。前輪基板112上設置有供前輪對中機構130、前輪升降機構150進行安裝的缺口，在導向槽113與缺口之間以及缺口與過渡臺之間均安裝有楔塊114，電動汽車的前輪需要駛入兩個楔塊114之間，進行前后定位。后輪基座120與前輪基座110相對設置，其結構基本相同。

參見圖10至圖12，前輪對中機構130由對中電機131、減速機132、聯軸器133和兩個滾珠絲杠組件構成。對中電機131與減速機132的輸入端相連，減速機132的兩個輸出端分別通過一個聯軸器133與一個滾珠絲杠組件相連。滾珠絲杠組件包括安裝在絲杠基座135上的滾珠絲杠134，滾珠絲杠134上安裝有一個絲杠滑塊136，絲杠滑塊136的滑動方向垂直于電動汽車的行進方向。絲杠滑塊136上安裝有腳輪137，絲杠滑塊136的頂部安裝有推桿138，推桿138上還安裝有滾輪139。

其工作原理為：對中電機131帶動減速機132轉動，驅動滾珠絲杠134轉動，進而帶動絲杠滑塊136水平移動，腳輪137支撐絲杠滑塊移動，致使推桿138推動滾輪139滾動，電動汽車的前輪在滾輪組件上橫向移動，完成電動汽車左右對中的功能。

參見圖13和圖14，前輪升降機構150包括前輪升降基板151以及安裝在前輪升降基板151上的前輪升降電機152、減速機153、聯軸器154、兩個滾珠絲杠組件和兩個剪刀式升降組件。前輪升降電機152與減速機153的輸入端相連，減速機153的兩個輸出端分別通過一個聯軸器154與一個滾珠絲杠組件相連。滾珠絲杠組件的結構與前輪對中機構130中的滾珠絲杠組件結構相似。剪刀式升降組件包括前輪升降平臺155以及交叉連接為剪刀形狀的主動桿156和從動桿157。從動桿157一端與基板151鉸接，從動桿157的另一端與升降平臺155一端鉸接。主動桿156一端設置一個與前輪升降平臺155底部相接觸的滾輪，主動桿156的另一端與滾珠絲杠組件的絲杠滑塊鉸接。在前輪升降機構150中，兩個升降平臺155的上部分別安裝滾輪組件158，供前輪對中機構130進行左右對中時使用。

其工作原理為：前輪升降電機152帶動減速機153轉動，驅動滾珠絲杠轉動，絲杠滑塊向外或者向內滑動，致使主動桿156轉動，主動桿156與從動桿157繞其連接點進行剪切運動，帶動升降平臺155平穩升高或下降，完成電動汽車前輪的升高或降低。

左車身升降機構160以及右車身升降機構170的結構均與前輪升降機構150相似，不同的是，在左車身升降機構160和右車身升降機構170中，兩個升降平臺的上部安裝一個水平設置的車身托板，用于支撐電動汽車底盤，完成左、右車身的升高或降低。

基于本發明提供的底盤式換電機器人的換電方法主要包括以下步驟：

1)電動汽車駛入駐車臺，駐車臺調整電動汽車的姿態，完成電動汽車定位；

2)托盤升降平臺下降后，托盤機構沿軌道移動至駐車臺一側；

3)電池取放機構沿軌道移動至換電腔下方，電池升降平臺舉升至電動汽車底盤；

4)電池解鎖組件進行電池解鎖；

5)電池升降平臺下降后，載有虧電電池的電池取放機構沿軌道移動至駐車臺的另一側；

6)將電池取放機構上的虧電電池更換為滿電電池；

7)載有滿電電池的電池取放機構沿軌道移動至換電腔下方，電池升降平臺上升后將滿電電池舉升入電動汽車底盤的電池倉內；

8)電池解鎖組件進行電池鎖止；

9)電池升降平臺下降后，電池取放機構沿軌道移動至初始位置；

10)托盤機構沿軌道移動至換電腔下方，托盤升降平臺舉升至初始位置；

11)電動汽車駛出駐車臺，完成電池更換。

關于步驟1)中進行電動汽車定位的具體步驟如下：

1.1)前輪頂升：啟動前輪基座的車身升降機構，將前輪基座的滾輪組件舉升至前后兩個楔塊之間；

1.2)電動汽車入位：電動汽車由后輪基座駛入，電動汽車的前輪依次駛過后輪基座的導向槽、滾輪組件和過渡臺后，停在前輪基座的滾輪組件上，此時電動汽車的后輪停在后輪基座的滾輪組件上；

1.3)前輪對中定位：啟動前輪基座的對中機構，使電動汽車前輪在滾輪組件上橫向滾動，完成前輪的左右居中定位；

后輪對中定位：啟動后輪基座的對中機構，使電動汽車后輪在滾輪組件上橫向滾動，完成后輪的左右居中定位；

1.4)前輪下降：啟動前輪基座的升降機構，使前輪基座的滾輪組件下降，電動汽車前輪下落至兩個楔塊之間；

1.5)車身頂升：啟動兩個過渡臺外側的升降機構，將車身頂升至預設高度，完成電動汽車定位。