王胜兵 胡健 杨佳宾 王海波 席盈盈 时光升 董慧芳

摘 要：电动自行车因便捷、节能和环保等性能得到广泛应用，但是电动自行车电池仍然存在严重的安全隐患，如电池超期服役使用，人们自行拉插座线排给电池充电，电池充满电后不能自行断电等。针对上述问题，本文设计了一种电动自行车自动换电池和智能充电装置，可实现电动自行车电池的存储、更换和智能充电，具有结构简单、操作方便、智能环保安全等优点。

关键词：充电安全;储存;智能充电;自动换电池

中图分类号：TM910.6     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0021-04

Abstract： Electric bicycles have been widely used because of their convenience， energy saving and environmental protection. However， there are still some problems with the use of electric bicycle batteries. For example， the battery is used beyond the service period; the battery is still charged by people by pulling the socket line; after the battery is fully charged， it cannot power off automatically. In response to the above problems， this paper designs an electric bicycle automatic battery change and intelligent charging device to realize the storage， replacement and intelligent charging of the electric bicycle battery. It has the advantages of simple structure， convenient operation， intelligent environmental protection and safety.

Keywords： charging safety; storage; intelligent charging; automatic battery change

電动自行车行业经过十余年的快速发展，已经成为我国重要的民生行业。电动自行车使用便捷，且能节能减排，给人们的生活带来了极大便利。但电动自行车存在的安全问题也不容忽视，目前电动自行车的充电地点大多选择在地下室或公共充电桩（其中一部分是由居民私自接线进行充电，不符合国家配电标准和规范）。电动自行车存在充电烦琐、充电时间长和过度充电等安全问题。例如，过度充电导致电池长时间发热，造成电池短路、加速线路老化从而引发火灾、爆炸等安全事故;不适当的充电环境和方式会加速电池老化，从而造成不必要的资源浪费[1-2]。针对上述问题，本文设计了一种“电动自行车自动换电池和智能充电装置”，用来解决电动自行车充电难、充电时间长和充电可能存在的危险等问题。全面杜绝因电动自行车充电而引发的安全事故，在确保人们生命财产安全的同时也能获得良好的经济效益和社会效益。

1 电动自行车自动换电池和智能充电装置结构设计

电动自行车自动换电池和智能充电装置结构，包括整体框架、推送结构、机械臂结构、充电仓结构、电池组结构、调温系统、控制系统，如图1所示。

整体框架包括外框防护罩、总控箱、自动卷帘门和地底基座。地底基座与外框防护罩形成一个封闭的空间，上方挡板与地面齐平，且地底基座内有环形导向槽用以固定环形底板;总控箱通过螺栓固定在外框防护罩上。推送结构包括载物推送板、导轨、电控伸缩机、滑块。机械臂结构包括多级伺服电控伸缩机、转向电机、转向台、“一”字形卡扣、推力球轴承、齿轮、伺服电机、齿轮轴。多级伺服电控伸缩机底部与地底基座直接通过螺栓固定;伺服电机、齿轮轴和“一”字形卡扣组成提取装置，在伺服电机、轴承和齿轮轴的作用下“一”字形卡扣可进行任意角度的旋转。充电仓结构包括环形底板、齿轮、充电仓体、滑轮、伺服电机、固定轴、万向轮、充电器[3]、电源接口。环形底板通过滑轮和万向轮与地底基座连接在一起，通过伺服电机、齿轮和导向环槽可实现圆形底板相对地底基座进行任意角度的旋转;单个充电仓体有三个充电仓可满足三个电池组的充电、存放，并通过固定轴、推力球轴承与环形底板连接，通过伺服电机和齿轮的作用可满足充电仓体相对环形底板任意角度的旋转。电池组结构包括电池组外壳、电池、电池组电源接口、卡槽。调温系统包括电阻加热器、散热风扇、通风管道、温度传感器。控制系统包括PLC[4]、空气开关[5]、电路板、报警器、电流电压传感器、红外传感器、温度传感器、启动按钮、停止按钮、急停按钮。启动按钮、停止按钮和急停按钮位于外框防护罩上。

2 电动自行车自动换电池和智能充电装置结构工作原理

准备过程：按下启动按钮后PLC控制自动卷帘门开启，电控伸缩杆将载物推送板推出，将电动自行车电池盖板打开后推上载物推送板到对应位置后，按下开始按钮，电控伸缩杆将载物推送板和电动自行车拉回原位置，自动卷帘门关闭。

换电过程：PLC控制多级伺服电控伸缩机从初始位置上升至最高点，启动转向电机使转向台逆时针旋转90°后控制多级伺服电控伸缩机下降一定高度，使齿轮轴下端的“一”字形卡扣进入电动自行车电池组的卡槽中。启动伺服电机控制齿轮轴顺时针旋转90°，使“一”字形卡扣与电池组卡槽锁止，再控制多级伺服电控伸缩机上升至最高点后启动转向电机使转向台顺时针旋转90°与电动车平行。PLC控制多级伺服电控伸缩机下降至最低点将亏电电池组放置充电仓中后，伺服电机启动控制齿轮轴逆时针旋转90°使“一”字形卡扣与电池组卡槽解锁，多级伺服电控伸缩机再上升至初始位置，充电仓开始给亏电电池组充电。控制系统判断当前充电仓体中是否有满电电池组，若有则将仓体旋转一定角度使满电电池组位于多级伺服电控伸缩机的对应位置，若没有则将旋转环形底板使其他仓体中满电电池组位置对应该位置。PLC再次控制多级伺服电控伸缩机下降至最低点使“一”字形卡扣进入电池组卡槽，然后启动伺服电机控制齿轮轴顺时针旋转90°，使“一”字形卡扣与电池组锁止。锁止后多级伺服电控伸缩机上升至最高点，重复取电池组的逆向流程，直至多级电控伸缩机回到原始位置。然后自动卷帘门开启，电控伸缩杆将载物推送板和电动自行车送出，推下电动车时，PLC接收到压力传感器传来的信号，然后控制电控伸缩机将载物推送板拉回原位置，自动卷帘门关闭，完成换电过程。在整个过程中如果有任意伺服电机的运行负载异常时，系统将立即执行报警和进行断电保护[6]。

充电过程：换下的亏电电池组在充电仓中进行充电，温度传感器开始监测充电环境温度。当环境温度超出标定温度范围时，PLC接收温度传感器传来的信号，控制电阻加热器或散热风扇进行工作;当温度回到标定温度范围时，PLC停止电阻加热器或散热风扇工作。当充电器中的电流电压传感器检测到电池组电量充满时，会对充电器进行断电，防止发生过充现象。

3 电动自行车自动换电池和智能充电装置部分结构设计

3.1 推送结构设计

推送结构中载物推送板通过导轨和电控伸缩机连接在装置主体中，电控伸缩机电机端通过螺栓固定在外框防护罩上，另一端通过滑块连接在载物推送板上，载物推送板两侧滑块与导轨进行配合。載物推送板上有限位块可以使电动自行车放置在正确位置上。如图2所示。

3.2 机械臂结构部分

在机械臂结构中起升降作用的多级伺服电控升缩机底端穿过环形底板中心，并通过螺栓固定在基座上，顶端通过螺钉与转向座连接。转向台由转向座、电机、齿轮、推力球轴承和防尘罩等组成。转向台内部转向电机通过螺钉固定，大齿轮通过键连接在转向座的中间轴上，转向电机带动齿轮旋转可实现转向台绕转向座的中间轴旋转;防尘罩通过螺钉固定在转向台上;旋转“一”字形卡扣通过螺纹连接在齿轮轴上，齿轮轴通过推力球轴承和防尘罩固定在转向台伸出臂上。伺服电机通过螺钉固定在转向台伸出臂内，可以带动齿轮轴旋转使“一”字形卡扣旋转。如图3、图4所示。

3.3 充电仓结构和电池组结构部分

在充电仓结构中环形底板通过滑轮和万向轮与地底基座的导向槽连接在一起，可实现圆形底板相对地底基座进行任意角度的旋转。如图5、图6所示。单个充电仓体有三个充电仓（充电仓底部中心位置有凸出的充电接口，充电接口下方为充电器），可满足同时对三个电池组的充电、存放功能，且充电仓中的温度传感器可实现对电池组的温度监测。充电仓体通过固定轴（固定轴通过螺钉固定在环形圆盘上）和伺服电机与环形底板连接，可满足充电仓体相对环形底板进行旋转运动，从而实现使满电电池组位于多级伺服电控伸缩机的对应位置。如图7所示。电池组为长方体结构，内部有五块铅蓄电池，串联可以提供60 V的工作电压，在顶部中心位置有“一”字形卡槽可实现与卡扣的锁止与解锁状态。底部中心位置有内凹的电池组电源接口，可与充电仓的充电接口相连接实现充电功能。如图8所示。

3.4 调温系统部分和控制系统部分

在调温系统中电阻加热器固定在地底基座的内侧，散热风扇位于地底防护罩的左内侧并通过通风管道连接外部大气，温度传感器位于充电仓体内和地底基座内侧，如图9所示。

控制系统中报警器[7]、电路板、PLC位于总控箱中，启动按钮、开始按钮和急停按钮依次从上到下安装在外框防护罩上，再通过导线连接到总控箱中。电流电压传感器位于充电仓的充电器中。当温度传感器、电流电压传感器监测到充电仓中温度和电压异常时或伺服电机的运行负载出现异常时，报警器启动、PLC立即执行断电保护命令。红外传感器[8]位于自动卷帘门的导轨中，主要作用是检测人体信号，在卷帘门运行过程中，如果有用户进入工作区或因其他操作将身体的某一部分置于工作范围内，若不停止结构的运行，可能会造成夹伤等其他形式的不必要伤害。

4 结论

一种电动自行车自动换电池和智能充电装置包括整体框架、推送结构、机械臂结构、充电仓结构、电池组结构、调温系统、控制系统。该装置的工作效率高，将传统直接充电的方式改为直接换电池，节省了电动自行车的充电时间;安全性高，具有强大的安全保护功能，全面杜绝电动自行车充电安全事故发生;实用价值高，装置结构简单，仅通过简单的旋转和伸缩运行能达到目的;操作方便，用户仅需将电动自行车推上推送板，按压启动、开始按钮即可;适用范围广，电动自行车的电池组都是统一规格，所有电动自行车都可以使用;占用空间资源少，整个装置除电动自行车推送装置外，其余工作全在地下完成。

参考文献：

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[3] 司福达，司国辉，司国瑞.一种带定时开关及过充电保护的电瓶充电器：CN204131168U[P].2014-09-23.

[4] 刘卓，牛聚粉.一种基于PLC的电动汽车自动换电系统研究[J].机电产品开发与创新，2013（5）：105-106，28.

[5] 陆晓佳，于伟.一种空气开关及空气开关用系统及工作流程：CN105356621B[P].2015-12-22.

[6] 凌军.伺服电机在自动控制方面的应用[J].科技与企业，2013（23）：406.

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[8] 张丽敏，刘雪莲，陈永，等.一种基于红外传感器的自动门控制装置及方法：CN110984771A[P].2019-11-11.