兼容多种AGV车型的自动换电系统

本文提供了一种AGV电池自动充换系统，将AGV小车电池集中存储充电并利用换电车实现电池的取放替换，从而使AGV小车不再执行充电作业，只执行周期更短的换电池操作，提高AGV的工作效率。

随着工业自动化水平提升以及现代化工业生产规模不断扩大，AGV小车已经成为物流生产系统中不可或缺的一部分。现有技术中的AGV小车多是采用电池作为能量来源，并且AGV小车在电池电量不足的情况下需要去充电站进行充电操作，但一方面AGV小车每次充电时间较长（约2小时），效率有待提高，另一方面需要在生产现场配置许多充电工位，这会额外占用生产空间。

本系统的目的在于提供一种AGV电池自动充换系统，将AGV小车电池集中存储充电并利用换电车实现电池的取放替换，从而使AGV小车不再执行充电作业，只执行周期更短的换电池操作，提高AGV的工作效率。

一、自动充换电控制系统构成

如图1，自动充换电控制系统由充电柜、换电小车、控制系统等三部分组成。

1. 充电柜

充电柜是电池的储存和充电系统，包含柜体、充电座、信号采集模块和控制模块等部分。充电货位中包含快插充电座、导向辊道和烟温感探头等。快插充电座以及导向辊道配合换电车能迅速实现电池和充电机的准确可靠连接。烟温感探头可以对充电状态进行监测，一旦发现高温或者烟雾状态会立即断开充电机并触发烟温感报警提示。当换电车将待充电电池放入充电柜内时，自动启动充电机为电池充电。电池充满时，信息采集模块会将电池电量、满电状态、电池组寿命等信息结合电池编码存入数据库中，并优先计算出最优的电池进行更换。

2. 电控制系统

图2所示控制系统包含PLC、触摸屏、管理计算机和服务器等，是整个换电系统的大脑。PLC控制换电车的换电动作，而管理计算机对货架上的电池编号、电压电流、电池容量、电池组寿命统计等信息进行记录和管理，实时跟踪每块电池的使用情况来选择最优的电池进行更换。

3. 换电车

换电车是执行机构（如图3），包含行走机构、升降机构、货叉机构和定位系统等四部分。换电车负责把待充电电池放入充电柜，并把充满电的电池送入AGV小车。

X轴方向的行走系统包含四个对称设计的行走轮，可以在电机的驱动下在轨道上沿X方向移动，在端头设置了缓冲系统，提高了安全性。

Y轴方向的举升系统包含举升电机、滚珠丝杠、滑台和拖链。

Z轴方向的钩取系统由货叉电机、钩取系统、上电气缸和解锁气缸组成。其中货叉电机和钩取系统实现电池在AGV和充电架上的钩取动作。解锁气缸能将电池上的锁扣打开。上电气缸可以在AGV完成换电后执行AGV重新上电的动作。

二、换电流程

系统采用精定位模块来修正AGV停靠过程中产生的与换电车之间的停靠偏差。具体方法为：

针对不同类型AGV停靠过程中产生的行走方向和升降方向的停靠偏差，系统引入了采用基于视觉原理的二次定位方式来消除偏差。

针对不同类型AGV停靠过程中产生的和换电车之间的偏差，采用检测AGV车体的传感器结合编码器定位的方法来确定AGV车体的准确位置。

如图4，当AGV提出换电申请后，换电站首先判断当前系统内是否有可用的充电货位和系统是否有报警。在没有报警并且有可用充电位置时，控制系统向换电车发出指令，开始换电操作。

步骤1：换电车取AGV小车上的待充电电池。

换电车将控制系统下达的指令进行分解得出需要执行的目标地址，然后驱动行走电机11和提升电机2运行到AGV小车停靠位置。当换电车的层和列都对准时，启动定位精定位相机4开始精定位。当标签位于精定位相机4通过区域范围内时，精定位结束。换电车的控制货叉电机12进行Z方向的取货动作，AGV监测开关动作后，解锁气缸14缩回打开电池锁，货叉电机12拉动电池回到原点位置，取AGV电池动作结束。

步骤2：将待充电电池放入充电架内进行充电。

控制系统根据库存情况计算出当前可用的空闲充电机，然后驱动行走电机11和提升电机2运行到空闲充电机位置。当换电车的层和列都对准时，换电车控制货叉电机12进行Z方向的放货动作，当货叉电机推动电池到达伸到位后，解锁气缸14伸出闭合电池锁，然后货叉电机12回到原点位置，放AGV待充电电池动作结束。

步骤3：从充电柜取出最优的电池。

管理计算机对货架上的电池编号、电压电流、电池容量、电池组寿命统计等信息进行记录和管理，实时跟踪每块电池的使用情况来选择最优的电池进行更换。换电车将控制系统下达的指令进行分解得出需要执行的目标地址，然后驱动行走电机11和提升电机2运行到目标位置。当换电车的层和列都对准时，换电车控制货叉电机12进行Z方向的取货动作，当货叉电机推动电池3mm后，解锁气缸14缩回打开电池锁，货叉电机12拉动电池回到原点位置，取AGV电池动作结束。

步骤4：放最优的电池到换电车。

换电车将控制系统下达的指令进行分解得出需要执行的目标地址，然后驱动行走电机11和提升电机2运行到AGV小车停靠位置。当自动换电车在层和列方向都对准时，启动定位精定位相机4开始精定位。当标签位于精定位相机4通过区域范围内时，精定位结束。换电车的控制货叉电机12进行Z方向的放货动作，AGV监测开关动作后，解锁气缸14伸出关闭电池锁，货叉电机12拉动电池回到中间位置，上电气缸13伸出按动AGV车体上电按钮，货叉电机12拉动电池回到原点位置，给AGV换电流程结束。

换电车执行单次的动作流程，如图5。

三、换电系统带来的效果

1.采用精定位模块，将不同车型的多辆AGV在行进方向、升降方向和平行方向的停靠精度要求由原来的4mm提高到10cm，这使得该系统可以兼容多种AGV车型，提高了系统的适用性。

2.该系统设置了自动充电架，实现了电池的密集存储和自动充电。

3.换电过程中不需要设置单独的缓存工位，节省了空间并提高了换电效率。

4.采用通讯模块将电池编号、电压电流、电池容量、电池组寿命统计等信息采集到管理计算机的电池电源管理系统，实时跟踪每块电池的使用情况来选择最优的电池进行更换。

5.建立了电池报废机制，当电池使用寿命达到上限阈值时，对应电池将强制报废并提示维护者进行报废更换操作。

6.在充电柜内增加了充电过程中高温和烟雾的监测系统，一旦发现高温或者烟雾状态会立即断开充电机并触发烟温感报警提示。