智能立体车库电动汽车自动充电的实现

贝太学 李 鑫 陈继文 赵 哲 王亚忠1 山东建筑大学机电工程学院 济南 250101 2 青岛齐星车库有限公司 青岛 266300摘 要：随着电动汽车的市场大门逐渐打开，电动汽车充电站的建设规模及数量也不断增加，然而，近年来城市的土地资源紧张问题日益凸显，在人口密集的中心城区停车环境非常拥挤，为电动汽车开辟出充电停车位更是非常困难。因此，为了能满足日益增长的电动汽车充电设施建设需求，将立体车库与充电系统融为一体的立体充电站将成为解决上述问题的有效措施。文中介绍了智能立体车库的国内外研究现状、电动汽车的发展及其充电问题，给出了一种立体车库电动汽车自动充电的实现方案，该系统适合于在智能立体式停车库中使用，具有较好的市场发展前景。Abstract: As more and more consumers choose electric vehicles, electric vehicle charging stations are also increasing inscale and number. However, in recent years, the shortage of land resources has become increasingly serious in cities and parking lots in densely populated urban central areas are really crowded. Under such circumstance, finding charging and parking spaces for electric vehicles is extremely hard. Therefore, to meet the growing demand for electric vehicle charging facilities, a high-rise charging station integrating high-rise garage and charging system is proposed, which is sure to be an effective solution to the above problem. After the introduction of recent study on intelligent high-rise garage at home and abroad as well as the development of electric vehicles and charging difficulties, the paper presents a scheme of automatic charging of electric vehicles in high-rise garage. The system is suitable for use in intelligent high-rise garage with good market prospect.关键词：立体车库；智能化；电动汽车；充电Keywords: high-rise garage; intelligence; electric vehicle; charging中图分类号：TU248.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）05-0121-060 引言随着电动汽车越来越多地出现在市场上，为了能够使更多的客户不再为电动汽车的续航里程担忧，车企、高校以及科研院所等都为制造出动力好、续航久的电动汽车而不断付出努力。对于电动汽车本身而言，如果想做到真正普及，很大程度上取决于充电的可靠性和便捷性，所以，电动汽车充电站[1] 的建设规模及数量正在不断增加。但是，由于近年来城市土地资源紧张问题日益凸显，能够在郊区、乡镇找到合适的场所修建充电站，已经很不容易，在人数相对比较密集的城市中心，停车问题则更严重，考虑为电动汽车专门建立对应的充电停车位就更加困难[2]。因此，在这种情况下，将立体车库与电动汽车的充电融为一体的智能立体车库[3] 设计，成为一种合理、有效的解决方案。1 智能立体车库的国内外发展现状汽车是一个国家人民生活水平最具标志性的日常工具，停车难已经成为各个国家亟待解决的普遍问题。近年来，我国政策上对各类自主品牌的重视和鼓励，使汽车行业迅猛发展，汽车保有量逐年增加。随之而来的是停车供求关系的失衡，随意占道、随意停车、城区交通拥堵状况严重，因此，解决停车难的问题刻不容缓。立体车库是用来存放车辆的机械系统。相对于传统的停车库，立体车库由于占地空间小、存储量大、稳定可靠的优点，既缓解了交通压力又美化了城市环境，是处理停车难的有效方法。随着技术的进步，立体车库的设计朝着更加智能化方向发展，有效地保障了人、车安全，具有广阔的应用前景。1.1 国外发展现状停车难是各个国家面临的共性问题，立体车库的设计有效缓解了停车难的问题，设计出第一座立体车库的国家是美国。德国也是开发立体车库较早的几个国家之一，技术水平一直处于领先地位[4]。目前全球技术水平很高的车库企业是德国威尔车库公司，Sotefin 和Interpark 两家意大利公司也具有非常出色的车库产品，如Silopar 系统、Compark 系统、Silomat 系统等。日本是亚洲生产立体车库最早的国家，其技术主要来源于欧洲。日本虽然地理面积相对狭小但是善于吸取欧洲国家的成功经验，较早研发出了自主生产的立体车库。日本生产的立体车库主要是升降横移类车库[5]，较为知名的企业包括IUK、三菱重工等。韩国的立体车库技术略晚于日本，但是因为政府很重视，增长速度很快。台湾的立体车库也有几十年的历史，垂直循环类立体车库[6]、双层式停车设备[7] 在城区中使用较多。1.2 国内发展状况我国立体车库相对于美国、德国、日韩等国家而言，起步较晚，约二十几年的历史。为了更好地促进我国立体车库技术的进步，国家制定了各种政策及措施。我国的立体车库产业存在的问题：体制不健全，缺乏技术标准，专利产出不足；实力和规模较大的企业少，生产能力不足；科研单位的参与不够，技术创新能力差；政策不配套，对停车产业发展和管理严重滞后等。2 智能立体车库的电动汽车充电汽车产业是我国国民经济的支柱产业，其产业链长、关联度高、就业面广，在国民经济和社会发展中起到了重要的作用。汽车产业的迅猛发展，导致了高消耗和高排放，给国家的资源和环境造成了巨大的压力。2010年9 月，我国颁布了《节能与新能源汽车产业规划》草案，针对节能减排和培育战略性新兴重点产业进行了总体部署，我国的汽车工业逐渐向发展新能源汽车转型。电动汽车由于具备高效节能、零排放的特点，已被列为新能源汽车的首选方案，并作为汽车工业进行转型的重点领域[8]。2.1 电动汽车根据国家统计局的资料，截至1949 年，我国拥有的民用汽车不足五万辆。近年来，我国汽车的产量和居民保有量均呈现出较大增长速率。到2016 年年底，我国汽车的产销量已经突破2 800 万辆，居民的汽车保有量已达1.94 亿辆。如果我国的汽车产业以目前的年均增长率继续发展，如此巨大的汽车数量将对能源和环境产生显著的压力。据估计，到2030 年时，我国很可能会急需进口石油十亿吨为汽车提供燃油。对资源的消耗和生态的污染，迫使汽车产业和核心动力技术做出重大变革，我国交通能源动力系统的转型迫在眉睫。“十一五”的《汽车产业宏观政策》已经把“节约资源、保护环境、提高车辆安全”作为汽车类产品技术研发的重心，将开发、推广新能源汽车作为缓解能源供求矛盾的重要战略措施。新能源汽车主要是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，或采用新型车载动力装置，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的具有新技术、新结构的汽车。典型新能源汽车包括纯电动汽车（Pure ElectricVehicle, PEV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV）、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇类或醚类汽车等。纯电动汽车是指采用高效充电电池作为储能动力源向电机提供电能，从而使电机驱动车轮前进。因为电能本身可以从水力、风力、光、热等能源中获取，所以减少了对石油等传统资源的消耗；而且不会产生有害气体排放物，大大降低了对环境的污染。所以，纯电动汽车作为新能源汽车的典型方案，成为汽车工业进行转型的重点领域。在国际上，日美两国依靠出色的研发能力引领电动汽车领域发展。我国尽管起步相对较晚，但在研发上进步很快。麦肯锡公司调研了北美、欧洲、中印等国家的乘用车市场，在报告《中国蓄势待发——电动汽车的机遇》中指出：“在传统汽车行业，中国落后世界领先水平几十年；但是，在电动汽车等新能源领域，却处于同一起跑线，而且中国具备一定的成本和市场优势，有潜力和可能在全球的电动汽车市场走在领先行列。”“十二五”期间，我国明确指出：将会重点部署包括新能源、节能环保、电动汽车等在内的几大战略性新兴产业；发展新能源汽车——电动汽车是“十二五”规划中最为重要的几个任务之一。《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》给出的相关要求是：全面掌握电动汽车核心技术，培育自主研发能力，发挥市场和资源优势，形成有较强竞争力的电动汽车以及关键零部件工业体系；筹划建设电动汽车充电站等基础设施，满足电动汽车产业化发展需求；完善电动汽车相关的标准体系，建立有利于电动汽车发展的环境，实现我国由汽车大国向汽车强国的转变；到2020年，我国的电动汽车保有量将达到千万辆以上，届时全球会有20% 以上的城市用车为电动汽车，中国将成为全球最大的新能源汽车市场。可以预见，未来的几年或十几年，将是我国电动汽车从研发阶段过渡到产业化阶段的关键时期，加快对电动汽车配套设施的研发将是大势所趋。2.2 电动汽车充电电动汽车充电是电动汽车使用过程中必不可少的一个环节，已成为了人们广为关注的焦点。电动汽车充电装置主要分为车载充电装置和非车载充电装置两大类。车载充电装置，是指能够安装在电动汽车上，可以采用地面交流电和车载电源对电池组进行充电的设备或装置，由车载充电机、充电发电机组以及能量回收装置等部分组成。另外，也可以根据电动汽车的蓄电池充电能量转变方式进行分类，主要分为接触式和感应式[9] 两种。常见的充电方法具体可以归为以下几类：1）常规充电是指对电动汽车采用恒压或者恒流的传统方式充电，充电电流相对较低，约15 A。该充电方式充电器的运行条件和成本不高。家用的电动汽车充电装置或小型充电站基本上会选用常规充电方式。在家中充电，通常是晚上或者非用电高峰期，这有利于电能的充分利用。小型充电站是给电动汽车充电的一种最普遍的方式，充电机可以安放到街边、购物场所、小区、停车场等地点。只需将电动汽车停靠在充电指定位置上，连接好充电用电缆即可充电。收费的方式一般为刷卡、投币或扫描二维码。2）快速充电是指以150 ～ 400 A 的大电流短时间内给蓄电池进行充电，安装成本较高。大型充电站一般会使用这类充电方式，主要针对长途旅行、急需快速补充用电的情况。快速充电方式对蓄电池的使用寿命有很大影响，尤其是普通蓄电池，原则上，不能随意进行快速充电，短时间内补充大量电能容易造成蓄电池本身过热。由于该充电方式对功率和电流要求相对较高，因此对电网也有较高的要求，一般应安置在靠近10 kV 变电站的地带，或者选择在监测站和服务中心使用。3）无线充电[10]无限充电是近年来国外的最新研究成果，其原理是将电能转变为能够符合技术要求的特殊激光或微波束，然后在电动汽车的顶部安设专用的接收天线来完成充电。采用无线充电的方式，行驶在道路上的电动汽车能够凭借安设在电线杆或各类高层建筑上的发射天线，较为快速地补充蓄电池电量。4）更换电池充电是指蓄电池电量用完后，更换为充满电的新电池组。蓄电池本身属于服务站、电池厂商，电动汽车的使用者仅仅是租用，更换下来的蓄电池在服务站、电池厂商等地点进行充电。服务站既可以采用常规充电，也可以快速充电。但是，更换电池充电也存在一些问题：电池更换系统的成本高，需要相对昂贵的机械设备和大量的蓄电池；存放蓄电池需要空间，修建蓄电池更换站所需的占地面积大于修建充电站；蓄电池的物理尺寸以及相应的电气参数需要统一等。5）移动式充电最理想的充电方式是能够在路上行驶时进行充电，即移动式充电。电动汽车不需要寻找充电站，驾驶者也不需要考虑停放车辆、耗费时间问题。移动充电系统又可以分为接触式和感应式两种。接触式的移动充电系统，可以在车体底部安设接收装置，通过与安装在路面上的充电装置相接触，接收装置可获得瞬时大电流。当电动汽车行驶到达移动式充电区域，即可进行充电。对于感应式的移动充电系统，接收装置由感应线圈制成，安装在路面上的充电装置可以产生强磁场大电流，实现充电。由于存在机械损耗和接收装置的安装位置等问题，接触式的移动充电方式并未引起广泛关注，目前的研究主要集中在感应式的移动充电方式，不需要机械接触，也不会产生较大的位置误差。但是，这种充电方式成本较高，目前仍处于试验阶段。2.3 立体车库的电动汽车充电问题随着电动汽车的快速发展，充电方式的种类不断增加，电动汽车充电站的建设规模及数量也相应增长。土地资源紧张的问题越来越明显，人口较为密集的中心城区，为电动汽车寻找充电停车位非常困难[11]。将立体车库与充电系统融为一体的立体充电车库，是解决上述问题的有效措施。3 一种立体车库电动汽车自动充电的实现方案3.1 系统构成该系统主要由立体车库、地面停车位、小拖车、充电头、充电头存取装置以及埋入式充电桩等组成。小拖车的结构如图1 所示，小拖车前端设计有充电头夹持装置，用于夹持充电头。1. 小拖车 2. 充电头夹持装置图1 小拖车充电头的结构如图2 所示，充电头上设有夹持柄，夹持柄与图1 中的充电头夹持装置配合使用。充电头上设计了滑轮，滑轮安装在两块挡板之间，电触点安装在挡板外侧的中间位置，夹持柄的位置设计在挡板的上侧。地面停车位上设有埋入式充电头存取装置，具体结构如图3 所示。埋入式充电头的存取装置安装有电机，沿电机侧面圆周设计了支撑杆，内部为“凸”字形通道的滑轨安装在支撑杆上，在滑轨的后端，放置了与滑轨内通道连通的线缆收纳盒，线缆收纳盒上面设计了带自锁装置的罩盖。1. 滑轮 2. 充电头 3. 夹持柄 4. 凹槽 5. 线缆 6. 挡板 7. 触电点图2 充电头1. 充电头存取装置 2. 电机 3. 支撑杆 4. 罩盖 5. 收纳盒 6. 滑轮图3 埋入式充电头存取装置在立体车库的停车位上，设计了埋入式充电桩，具体位置如图4 所示。埋入式充电桩的具体结构如图5 所示。埋入式充电头存取装置和埋入式充电桩，都能与充电头进行配合使用。为了实现充电头的稳定充电，并且方便充电头的插入与取出，埋入式充电桩上侧设有矩形凹槽，在矩形凹槽的侧面设有“凸”字形的充电轨道，在充电轨道两侧安装有导电片。1. 立体车库 2. 埋入式充电桩图4 埋入式充电桩的位置示意图1. 矩形凹槽 2. 导电片 3. 埋入式充电桩 4. 充电轨道图5 埋入式充电桩为了能够快速准确地将充电头从埋入式充电头存取装置中取出，并稳固夹持，移动至立体车库，将其放置到埋入式充电桩中进行充电，充电头夹持装置设计了升降机构，在升降机构的下方安装有旋转气缸和T 形机械臂，具体结构如图6 所示。3.2 使用流程存车时，车主将电动汽车停放在地面停车位上，然后将线缆从收纳盒中取出，插到电动汽车上；当小拖车来到地面停车位，小拖车底部安装的光电接收传感器与地面停车位上的光电发射传感器相配合，调整好位置，将电动汽车顶起；小拖车上的充电头夹持装置工作，通过旋转气缸的转动，机械臂将充电头上的夹持柄夹住，圆形凸起与圆形凹槽相配合使两者锁住；小拖车后退，取下充电头，此时埋入式充电头存取装置上的电机旋转90°，换上备用的充电头。小拖车行驶至立体车库的停车位，待电动汽车调整好位置后，放下，充电头夹持装置上的升降机构将机械臂下沉，小拖车向前行进，将充电头送入充电轨道，机械臂放开，小拖车离开，等待下一辆电动汽车的搬运。1. 机械臂 2. 旋转气缸 3. 升降机构 4. 充电头夹持装置5. 凸起图6 充电头夹持装置取车时，小拖车重新回到立体车库的停车位上，首先找准方位，从埋入式充电桩中取下充电头，将电动汽车运回地面停车位上；此时埋入式充电头存取装置上的电机旋转至线缆收纳盒空闲的位置，将充电头放回埋入式充电头存取装置上；车主取下车上的线缆，放回线缆收纳盒中以备下次使用，将车开走，完成整个流程。4 结束语电动汽车的市场大门已经逐渐打开，为了能够尽可能让客户不再担心电池续航问题，车企、高校和科研院所等都将精力集中在动力强、续航远的电动汽车上。为了普及电动汽车，需考虑如何让充电更加可靠、方便的问题，除了尽可能多地建立充电站，还需要研发合理的充电方式，用创造性的思维去解决充电问题带来的困扰。本文基于智能立体车库电动汽车自动充电的实现，介绍了智能立体车库的国内外研究现状、电动汽车的发展及其充电问题，并给出了一种立体车库电动汽车自动充电的合理设计方案，该系统结构简单、运行可靠，适合于在智能立体式停车库中使用，具有较好的市场发展前景。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章新能源汽车行业价值分析 看这篇就够了电动汽车续航必须突破1000km！然而真的需要吗？消费者需要的是电动汽车还是智能汽车？上海一辆特斯拉Model 3疑似起火自燃 并于开入地库后不久“爆炸”公交纯电、中重卡换电、重卡氢燃料，2021百人会论道新能源商用车

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