CN107399302B - 充换电站及换电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车充换电领域，具体涉及一种充换电站及换电方法。本发明旨在解决换电小车存在的灵活性不足、换电效率低以及充换电站存在的适用性差的问题。为此目的，本发明的一种充换电站包括：换电平台，其用于停放待换电车辆；存储部，其包括若干个电池存储单元，且若干个电池存储单元能够通过至少一种组合方式形成存储部；自动换电机器人，自动换电机器人至少能够在换电平台和存储部之间的范围内自由移动。通过设置可自由移动的自动换电机器人，使得自动换电机器人无需导轨即可为待换电的电动汽车更换动力电池，提升了换电机器人的运动灵活性。

Description

充换电站及换电方法

技术领域

本发明涉及汽车充换电领域，具体涉及一种充换电站及换电方法。

背景技术

随着新能源汽车的普及，如何有效地为能量不足的汽车提供快速有效的能量补给成为车主和各大厂商非常关注的问题。以电动汽车为例，当前主流的电能补给方案包括充电方案和电池更换方案。其中电池更换方案是直接用满电的动力电池更换电动汽车上亏电的动力电池。相对于充电方案，电池更换方案由于可以在很短的时间完成动力电池的更换且对动力电池的使用寿命没有明显的影响，因此是电能补给的主要发展方向之一。电池更换方案一般是在充换电站内完成，具体而言，充换电站内配置有充换电架和换电平台，以及在充换电架和换电平台之间的运载满电/亏电的动力电池的换电机器人，如堆垛机/轨道导引车(Rail Guided Vehicle，RGV)。换电机器人通过在充换电架和换电平台之间预先铺设的轨道上往复行驶的方式，完成为停于换电平台上的电动汽车更换动力电池的动作。

公布号为CN106143183A的发明专利申请公开了一种电动汽车小型自动充换电站，其包括换电平台、充电平台、换电系统和控制系统，换电平台、充电平台和换电系统分别与控制系统连接。其中，换电平台包括换电集装箱和容纳在换电集装箱中用于停放车辆的停车底座，充电平台包括充电集装箱和容纳在充电集装箱中用于对动力电池进行充电和存储的充电架，换电系统包括用于对停车底座上停放的车辆的动力电池进行更换的换电小车。其中，充电架包括至少一个电池存储模块以及与电池存储模块相邻设置的起降机模块，电池存储模块包括充电层、存储层、移动层。其中，移动层设置有第一导轨，换电小车能够沿所述第一导轨在水平方向上运动；起降机模块中设置有第二导轨，换电小车能够沿第二导轨在水平方向上运动，并且第二导轨能够在竖直方向上带动换电小车运动；换电平台和充电架之间设置有第三导轨，换电小车沿第三导轨在换电平台与充电架之间移动。也就是说，自动换电站通过换电小车在第一导轨、第二导轨和第三导轨上运动、以及第二导轨带动换电小车上升下降的方式，完成取送电池和为电动汽车自动换电的动作。

不可避免地，上述充换电站存在着一定的问题。首先，由于换电小车只能在铺设的轨道上运动和定位，并且换电小车与动力电池的取送过程需要多次升降，这就导致了换电小车的灵活性不足、充换电站的换电效率低等问题。并且由于上述轨道的设置，使得待换电车辆还必须在换电平台上进行相应的精确定位，这无疑增加了充换电站的设计复杂度。其次，由于充换电站的设计受选址环境和供电容量的影响较大，上述充换电站在设计时需要针对不同的选址环境进行设计，并且充换电站一旦建成后由于充电架不可扩展或扩展难度大，导致增加了设计难度的同时，不能根据实际情况的进行灵活调整，也就是充换电站还存在适用性差的问题。

相应地，本领域需要一种新的充换电站来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决换电小车存在的灵活性不足、换电效率低以及充换电站存在的适用性差的问题，本发明提供了一种充换电站，该充换电站包括换电平台，其用于停放待换电车辆；存储部，其包括若干个电池存储单元，且所述若干个电池存储单元能够通过至少一种组合方式形成所述存储部；自动换电机器人，所述自动换电机器人至少能够在所述换电平台和所述存储部之间的范围内自由移动，并且在所述自动换电机器人处于所述若干个电池存储单元中的任意一个的投影位置的情形下，所述自动换电机器人能够直接从所述电池存储单元上承接动力电池或将动力电池固定于所述电池存储单元。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述电池存储单元以模块化设置，并且所述若干个电池存储单元在同一层内排布。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述充换电站还配置有能够与所述存储部电连接的充电部，所述充电部用于为所述动力电池充电。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述充电部包括充电单元，所述充电单元包括：充电柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于为所述动力电池充电；控制柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于使所述充电柜为所述动力电池充电。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述充电单元还包括水冷柜，所述水冷柜与所述若干个电池存储模块分别连接，用于冷却充电过程中的所述动力电池。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述充电部包括至少一个充电单元，所述充电单元包括：充电模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于为所述动力电池提供电能；控制模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于使所述充电模块为所述动力电池充电。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述充电单元还包括水冷模块，所述水冷模块与至少一个所述电池存储单元连接，用于冷却充电过程的所述动力电池。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述自动换电机器人包括电池装卸部，所述电池装卸部能够直接从所述待换电车辆上将所述动力电池取下或将所述动力电池固定于所述待换电车辆。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述电池装卸部包括：举升平台，其能够与所述待换电车辆或所述电池存储单元对接；加解锁机构，其能够在所述举升平台与所述待换电车辆对接好的情形下，使所述动力电池锁紧/脱开所述待换电车辆。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述电池存储单元配置有夹持机构，所述动力电池能够通过该夹持机构固定于所述电池存储单元。

在上述充换电站的优选技术方案中，所述换电站内还预设有应急位置，所述自动换电机器人能够以自由移动的方式到达该应急位置。

本发明还提供了一种充换电站的换电方法，该方法包括如下步骤：

自动换电机器人到达待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人使亏电的动力电池脱离所述待换电车辆；

所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元；

所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接满电的动力电池；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

在上述换电方法的优选技术方案中，“所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第一设定角度；

所述自动换电机器人移动至所述处于空闲状态的电池存储单元的投影位置；

所述自动换电机器人使所述亏电的电池固定至所述处于空闲状态的电池存储单元。

在上述换电方法的优选技术方案中，“所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接所述满电的动力电池”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述电池存储单元的投影位置；

使所述电池存储单元的夹持机构松开；

所述自动换电机器人承接所述满电的动力电池。

在上述换电方法的优选技术方案中，“所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第二设定角度；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，充换电站包括换电平台、存储部、自动换电机器人。存储部包括若干个电池存储单元，自动换电机器人无需导轨便能够在换电平台和存储部之间自由移动。通过使用无需导轨的自动换电机器人代替依赖于轨道的换电小车的设置方式，可以大大增加自动换电机器人的运动灵活性，减少现有技术中换电平台和充电架之间的第三导轨以及换电平台上精定位装置的设置，从而提高换电效率。

此外，电池存储单元以模块化布置，并且若干个电池存储单元采用同一层内排布的设置方式，使得自动换电机器人在取送动力电池时无需多次升降，即可完成动力电池的取送和更换的动作。这种设置方式相较于现有技术中的换电小车来说，不仅节省了换电小车在多次升降和定位过程中所用的时间，而且还简化了换电站的结构，降低了换电站的设计复杂度——即简化了现有技术中的电池存储模块中的移动层(包括第一导轨)和起降机模块(包括第二导轨)的设置，从而使充换电站可以更高效地完成为待换电车辆更换动力电池的动作，大幅提升换电效率和用户体验。而电池存储单元采用模块化的布置方式，又使得充换电站能够基于不同的应用场景进行任意调整，增加了充换电站的适用性。

方案1、一种充换电站，其特征在于，所述充换电站包括：

换电平台，其用于停放待换电车辆；

存储部，其包括若干个电池存储单元，且所述若干个电池存储单元能够通过至少一种组合方式形成所述存储部；

自动换电机器人，所述自动换电机器人至少能够在所述换电平台和所述存储部之间的范围内自由移动，并且

在所述自动换电机器人处于所述若干个电池存储单元中的任意一个的投影位置的情形下，所述自动换电机器人能够直接从所述电池存储单元上承接动力电池或将动力电池固定于所述电池存储单元。

方案2、根据方案1所述的充换电站，其特征在于，所述电池存储单元以模块化设置，并且所述若干个电池存储单元在同一层内排布。

方案3、根据方案1或2所述的充换电站，其特征在于，所述充换电站还配置有能够与所述存储部电连接的充电部，所述充电部用于为所述动力电池充电。

方案4、根据方案3所述的充换电站，其特征在于，所述充电部包括充电单元，所述充电单元包括：

充电柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于为所述动力电池充电；

控制柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于使所述充电柜为所述动力电池充电。

方案5、根据方案4所述的充换电站，其特征在于，所述充电单元还包括水冷柜，所述水冷柜与所述若干个电池存储模块分别连接，用于冷却充电过程中的所述动力电池。

方案6、根据方案3所述的充换电站，其特征在于，所述充电部包括至少一个充电单元，所述充电单元包括：

充电模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于为所述动力电池提供电能；

控制模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于使所述充电模块为所述动力电池充电。

方案7、根据方案6所述的充换电站，其特征在于，所述充电单元还包括水冷模块，所述水冷模块与至少一个所述电池存储单元连接，用于冷却充电过程的所述动力电池。

方案8、根据方案1或2所述的充换电站，其特征在于，所述自动换电机器人包括电池装卸部，所述电池装卸部能够直接从所述待换电车辆上将所述动力电池取下或将所述动力电池固定于所述待换电车辆。

方案9、根据方案8所述的充换电站，其特征在于，所述电池装卸部包括：

举升平台，其能够与所述待换电车辆或所述电池存储单元对接；

加解锁机构，其能够在所述举升平台与所述待换电车辆对接好的情形下，使所述动力电池锁紧/脱开所述待换电车辆。

方案10、根据方案1或2所述的充换电站，其特征在于，所述电池存储单元配置有夹持机构，所述动力电池能够通过该夹持机构固定于所述电池存储单元。

方案11、根据方案1或2所述的充换电站，其特征在于，所述换电站内还预设有应急位置，所述自动换电机器人能够以自由移动的方式到达该应急位置。

方案12、一种充换电站的换电方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

自动换电机器人到达待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人使亏电的动力电池脱离所述待换电车辆；

所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元；

所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接满电的动力电池；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

方案13、根据方案12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第一设定角度；

所述自动换电机器人移动至所述处于空闲状态的电池存储单元的投影位置；

所述自动换电机器人使所述亏电的电池固定至所述处于空闲状态的电池存储单元。

方案14、根据方案12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接所述满电的动力电池”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述电池存储单元的投影位置；

使所述电池存储单元的夹持机构松开；

所述自动换电机器人承接所述满电的动力电池。

方案15、根据方案12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第二设定角度；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

方案16、根据方案12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，在“自动换电机器人到达待换电车辆的投影位置”的步骤之前，所述步骤还包括：

所述待换电车辆到达换电平台。

附图说明

下面参照附图并结合底部换电的充换电站来描述本发明的充换电站及换电方法。附图中：

图1是本发明的充换电站的结构的示意图；

图2是本发明的自动换电机器人的结构示意图；

图3是本发明的充换电站的仰视示意图；

图4A是本发明的充电部的第一种实施方式的结构示意图；

图4B是本发明的充电部的第二种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的充换电站的换电方法的流程示意图；

图6A是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(一)；

图6B是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(二)；

图6C是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(三)；

图6D是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(四)。

附图标记列表

1、换电平台；2、存储部；21、电池存储单元；211、夹持机构；3、充电部；31、充电单元；311、充电模块；312、控制模块；313、水冷模块；314、充电柜；315、控制柜；316、水冷柜；4、自动换电机器人；41、本体；42、行走部；431、举升平台；432、加解锁机构；44、控制部；5、电动汽车；6、动力电池。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中的换电平台设置于充换电站的一侧，但是这种位置关系非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

首先参照图1，图1是本发明的充换电站的结构的示意图。如图1所示，本发明的充换电站主要包括换电平台1、存储部2、充电部3和自动换电机器人4。换电平台1用于停放待换电的电动汽车5，存储部2包括若干个电池存储单元21，电池存储单元21用于存储满电的动力电池6(以下简称满电电池)或亏电的动力电池6(以下简称亏电电池)，充电部3则用于为电池存储单元21上存储的动力电池6充电。自动换电机器人4则至少能够在换电平台1和存储部2之间的范围内自由移动，如在换电平台1和存储部2之间的地面上做直线运动和原地转动等。在该移动的基础上，自动换电机器人4可以完成为待换电的电动汽车5更换动力电池6的动作。如在自动换电机器人4处于任意一个电池存储单元21的投影位置时，自动换电机器人4可以直接从电池存储单元21上承接满电电池或将亏电电池固定于电池存储单元21上；在自动换电机器人4处于待换电的电动汽车5的投影位置时，自动换电机器人4又可以完成从待换电的电动汽车5上卸下亏电电池或将满电电池固定于电动汽车5上的动作。

首先需要说明的是，本实施例中的满电电池与亏电电池只是用来描述动力电池6的宏观状态，并非用于描述动力电池6的两种特殊的固定状态，即电量处于百分之百的状态和电量为零的状态。本领域技术人员能够想到的是，“满电”和“亏电”的划分依据可以由服务商自由设定，如将剩余电量不小于总电量的百分之九十作为动力电池6的“满电”标准，将剩余电量小于总电量的百分之九十作为动力电池6的“亏电”的标准等。

由上可知，通过在换电平台1和存储部2之间设置可自由移动的自动换电机器人4的方式，使得自动换电机器人4可以在不离地的情况下为待换电的电动汽车5更换动力电池6。换言之，自动换电机器人4的移动和定位无需借助导轨，取送电池的过程也无需多次升降，这种方式相较于背景技术中的换电小车来说，不仅提升了自动换电机器人4的运动灵活性，而且还大幅度简化了换电站的结构，降低充换电站的设计复杂度——即简化了导轨、起降机模块以及换电平台1上精定位机构的设置，从而使充换电站可以更高效地完成为待换电的电动汽车5更换动力电池6的动作，大幅提升用户的换电体验。

下面参照图2和图3进一步描述本发明的充换电站。其中，图2是本发明的自动换电机器人4的结构示意图，图3是本发明的充换电站的仰视示意图。

如图2所示，自动换电机器人4主要包括本体41、行走部42、电池装卸部、定位部(图中未示出)、控制部44等。其中，行走部42可以通过自身的滚动使自动换电机器人4在换电平台1和存储部2之间的地面上移动，如使用麦克纳姆轮，差速轮或者舵轮作为行走部42实现自动换电机器人4在地面上的直线运动和原地转动等。定位部至少可以获得自动换电机器人4的当前位置与待换电的电动汽车5或电池存储单元21的相对位置，如定位部能够获得自动换电机器人4的当前位置与待换电的电动汽车5上的亏电电池或电池存储单元21的满电电池之间的相对位置。控制部44则能够基于该相对位置控制行走部42动作，使自动换电机器人4精准地到达亏电电池或满电电池的投影位置，进而在到达该投影位置下，控制部44控制电池装卸部为待换电的电动汽车5进行动力电池6的更换或从电池存储单元21上承接满电电池。

电池装卸部进一步包括加解锁机构432和举升平台431。其中，举升平台431能够通过举升动作，完成与电池存储单元21或电动汽车5的对接，如到达可以将亏电电池固定于电池存储单元21上的位置，或承接电池存储单元21上满电电池的位置，以及为电动汽车5更换动力电池6的位置等。加解锁机构432则能够在举升平台431到达为电动汽车5更换动力电池6的位置后，使动力电池6锁紧/脱开电动汽车5的车身。优选地，举升平台431可以由剪式举升机构驱动，剪式举升机构可以将举升平台431连同举升平台431上的动力电池6一同举起直至到达为电动汽车5更换动力电池6的位置。

进一步优选地，为便于制造自动换电机器人4，节省自动换电机器人4的制造成本，本发明的自动换电机器人4可以基于现有自动导引车(Automatic Guided Vehicle，AGV)改造而成。如在现有自动导引车的基础上，保留其本体和行走部，增加定位部和电池装卸部，并升级自动导引车的原有控制部的功能，使自动换电机器人的控制部44能够与行走部和定位部形成控制闭环，即前述的“基于该相对位置控制行走部42动作，使自动换电机器人4精准地到达亏电电池或满电电池的投影位置”，从而既节省了制造成本，又可以实现本发明。

进一步优选地，由于自动换电机器人4的移动无需导轨的限制，因此还可以拓展自动换电机器人4在换电安全方面的功能，如自动换电机器人4还可以在行走部42的带动下到达充换电站内预设的应急位置。也就是说，在正常换电流程的位置之外，设置一个在应急情况发生时动力电池6的临时处理位置，用于自动换电机器人4将处于异常状态的动力电池6及时运送至该位置，以便对处于异常状态的动力电池6做出及时处置。如在充换电站的某一较为安全的位置设置一个应急位置，并且该应急位置设置有用于隔离动力电池6的应急沙箱，在系统或服务人员检测到某动力电池6处于异常状态的情形下，自动换电机器人4能够在控制部44或操作人员的控制下将处于异常状态的动力电池6及时运送至该应急沙箱内，以隔离该处于异常状态的电池，避免为充换电站带来不可预知的后果。

如上所述，通过上述充换电站中自动换电机器人4的设置，也就是能够自由移动且定位精准的自动换电机器人4的设置，不但可以大幅度提高自动换电机器人4的运动灵活性，提升换电效率，而且还能够简化换电平台1上精定位机构的设计以及换电平台1和存储部2之间导轨的铺设，实现充换电站的结构优化。并且，由于自动换电机器人4无轨道的设置方式，还能够拓展自动换电机器人4在安全方面的功能，提高充换电站的安全性。

本领域的技术人员能还够理解的是，上述自动换电机器人4的设置形式仅仅用于阐述本发明的原理，并非旨在于限制本发明的保护范围，在不偏离本发明原理的前提下，任何能够自由移动且可精准定位的自动换电机器人4都将落入本发明的保护范围。

如图3所示，换电平台1可以布置在充换电站的一侧，其主要完成导引车辆进入平台，并对车辆进行简单的粗定位和举升功能。如采用V型辊筒等部件完成车辆的粗定位，采用升降电机、卷筒、滑轮和钢丝绳等部件完成换电平台1的举升等，其目的在于可以使自动换电机器人4到达待换电的电动汽车5的投影位置并精确定位后进行底部换电。按照图3所示方位，换电平台1设置于充换电站的最左侧紧邻存储部2的位置，即图中电动汽车5所停的位置。

这样的设置方式优点在于，设置于最左侧的换电平台1可以最大程度的节约空间，从而剩余的空间可以作为整体分配给存储部2。而紧邻存储部2设置的方式又使得自动换电机器人4在换电平台1与存储部2之间的移动距离缩短，也就是可以节省自动换电机器人4在换电过程中的移动时间，提升换电效率。进一步的，由于换电平台1不需要进行精确的定位(因为精定位主要是由自动换电机器人4完成)，因此这种设置方式还大大降低了换电平台1设计的难度、简化了充换电站的整体设计以及停车平台的维护等工作，有助于换电平台1的产品标准化。

当然，换电平台1的布置位置和设置方式并非仅限于此，本领域技术人员可以基于具体应用环境对其作出灵活调整。如换电平台1也可以布置在换电站的中间位置或任意位置，换电平台1可以无需抬升，而是固定于一定高度并带有导引电动汽车5进入平台的斜坡，或者换电平台1设置于地面层，而换电小车可以在地下进行换电工作等。

参照图1和图3，存储部2包括若干个电池存储单元21，若干个电池存储单元21以设定的方式排布。优选地，电池存储单元21采用平面堆放的方式设置，也就是在设置好的情形下，与电池存储单元21对应的动力电池6堆放在同一层，而非背景技术中的立体式叠加堆放。电池存储单元21的下侧设置有夹持机构211(参照图1)，夹持机构211能够以夹紧或松开的方式使动力电池6固定或脱开于电池存储单元21。优选地，一个电池存储单元21可以存放一块电池，并且电池存储单元21以模块化设置。也就是说，电池存储单元21之间可以彼此独立运行、互不干扰，并且根据选址环境和供电容量的不同而任意扩展不对其他电池存储模块产生影响。

进一步优选地，在排布方式上，电池存储单元21之间可以采用最高效率排布(即采用最高空间利用率的方式排布)。下面以图3所示的充换电站包括六个电池存储单元21为例，具体描述最高效率排布的方法。

如图3所示，最高效率排布的方法主要包括如下步骤：

1)获取电池存储单元21的长度L_B和宽度W_B，以及存储部2区域的长度L_S和宽度W_S。

2)分别计算

以及

的结果。其中

为向下取整运算。

3)计算

与

的结果并将结果进行比较。

i)如果

则将电池存储单元21的长度方向与存储部2区域的长度方向以垂直的方式布置，并且在存储部2的长度方向上布置

个电池存储单元21(动力电池6)，在存储部2的宽度方向上布置

个电池存储单元21(动力电池6)。

ii)否则，将电池存储单元21的长度方向与存储部2区域的长度方向以平行的方式设置，并且在存储部2的长度方向上布置

个电池存储单元21，在存储部2的宽度方向上布置

个电池存储单元21。

举例而言，假设图3中：

存储部2区域的长度L_S为5000mm(即竖直方向的长度)；

存储部2区域的宽度W_S为4600mm(即水平方向的长度)；

电池存储单元21的长度L_B为2100mm；

电池存储单元21的宽度W_B为1600mm。则

进而

所以

选择将电池存储单元21的长度方向与存储部2区域的长度方向以垂直的方式布置，即图3所示的布置方式，并且在存储部2的长度方向上布置三个电池存储单元21(三块动力电池6)，在存储部2的宽度方向上布置两个电池存储单元21(两块动力电池6)。

上述设置方式带来的优点是，存储部2模块化的布置方式，使得充换电站的存储部2可以基于应用场景进行任意调整，而存储部2平面堆放的设置方式，又使得自动换电机器人4无需上升下降，只需在地面上移动即可完成取送动力电池6和为电动汽车5换电的动作。也就是说，上述设置方式增加了充换电站的布置灵活性与适用范围，减小了选址环境和供电容量对充换电站的设计和建造的影响，从而简化了充换电站的起降机模块的设置，减少充换电站的建造成本，大大降低了充换电站的设计难度。而通过将电池存储单元21以最高效率排布的方式，又最大程度的利用了自动换电机器人4的运动灵活性，充分利用布置区域的空间，使得在同样选址环境下的空间利用率达到最大。

需要指出的是，上述存储部2的布置方式和电池存储单元21的排布方式只是用来阐述本发明的原理，并非旨在与限制本发明的保护范围，本林与技术人员还能够对上述排布方式做出任何形式的调整，以便本发明能够适应更具体的应用场景。

参照图4A和图4B，其中图4A是本发明的充电部3的第一种实施方式的结构示意图，图4B是本发明的充电部3的第二种实施方式的结构示意图。

如图4A所示，在一种优选的实施方式中，充电部3可以采用分布式的排布方式布置于存储部2的上方，并且与存储部2电连接。在这种设置方式下，充电部3可以包括若干个充电单元31，每个充电单元31又包括充电模块311、控制模块312与水冷模块313，并且充电单元31至少与一个电池存储单元21连接。其中，充电模块311提供电气回路，电气回路主要用于为固定于电池存储单元21的亏电电池充电。水冷模块313提供水冷回路，水冷回路主要用于冷却正在充电的亏电电池，以防动力电池6出现过热等现象。控制模块312主要用于控制充电模块311和水冷模块313的工作，以及控制模块312还可以用于控制夹持机构211的夹紧或松开。优选地，充电单元31的数量可以与电池存储单元21的数量相等，并且每个充电单元31与一个电池存储单元21连接。也就是说，充电单元31也以模块化设置，每个充电单元31对应于一个电池存储模块，并且为对应的电池存储模块提供上述的电气回路、水冷回路以及发出相应的控制指令/信号。

上述分布式排布方式的优点在于，通过设置多个充电单元31的方式，使得每一个电池存储单元21上都配置有独立的充电单元31，从而使充电单元31能够与电池存储单元21组成一个完整的独立模块，进而更加有利于充换电站的模块化管理，也使得存储部2布置更灵活，充换电站的扩展性更好。

当然，电池存储单元21的排布方式并非一成不变，在不偏离本发明原理的前提下，本领域技术人员还能够对其作出调整，以便适应更加具体的应用场景。如电池存储单元21的排布还可以采用图4B所示集中式的排布方式布置于存储部2的上方，且与存储部2电连接。在这种设置方式下，充电部3可以包括一个充电单元31，充电单元31又包括充电柜314、控制柜315与水冷柜316，并且充电单元31的充电柜314、控制柜315与水冷柜316与存储部2中的各个电池存储单元21分别连接。当然，也可以采用集中式和分布式排布相结合的布置方式，如充电部3包括若干个充电单元31，若干个充电单元31中的一部分为与多个电池存储单元21分别连接的集中式布置形式，而其他充电单元31则为与相应的电池存储单元21一一对应地连接的分布式布置形式。

显然，为了实现充换电站的全自动换电，充换电站还需要设置主控单元，并且充换电站的主控单元、自动换电机器人4的控制部44以及充电部3的控制模块312(控制柜315)能够相互通信，以便协作完成连贯的换电动作。如在主控单元的整体控制下，自动换电机器人4能够完成从电池存储单元21取送动力电池6的动作，以及在换电平台1完成更换动力电池6的动作等。

下面结合图5以及图6A至图6D对本发明的充换电站的工作原理作简要说明。其中，图5是本发明的充换电站的换电方法的流程示意图；图6A是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(一)；图6B是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(二)；图6C是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(三)；图6D是本发明的充换电站的一种完整的换电过程的流程示意图(四)。

如图5所示，本发明还提供了一种充换电站的换电方法，该换电方法主要包括以下步骤：

S100、待换电的电动汽车5到达换电平台1。如待换电的电动汽车5通过V型辊筒完成在换电平台1上的粗定位，并利用升降机、卷筒、滑轮和钢丝绳等部件完成换电平台1的举升；

S200、自动换电机器人4到达待换电车辆的投影位置。如自动换电机器人4在控制部44的控制和定位部的不断定位下，通过行走部42的直线运动和原地转动精确到达待换电的电动汽车5上亏电电池的投影位置；

S300、自动换电机器人4使亏电电池脱离待换电车辆。如自动换电机器人4通过举升平台431的举升和加解锁机构432的解锁动作，将亏电电池从电动汽车5上卸下，并承载于举升平台431上；

S400、自动换电机器人4以不离地的方式使亏电电池固定于处于空闲状态的电池存储单元21。如自动换电机器人4在卸下亏电电池后，移动至处于空闲状态的电池存储单元21，并与电池存储单元21进行精定位后，将亏电电池固定于电池存储单元21的夹持机构211上；

S500、自动换电机器人4以不离地的方式从存储有满电电池的电池存储单元21上承接满电电池。如自动换电机器人4移动到装载有满电电池的电池存储单元21的投影位置并对准后，充电部3的控制模块312控制电池存储单元21的夹持机构211松开，满电电池承载于举升平台431上；以及

S600、自动换电机器人4使满电电池固定于待换电的电动汽车5。如自动换电机器人4移动回电动汽车5的底部并精确定位后，通过举升平台431的举升和加解锁机构432的加锁动作将满电电池固定于电动汽车5。

其中，在电池存储单元21的排布方式为上述的i)情形(即动力电池6的长度方向与存储部2区域的长度方向以垂直的方式布置)时，步骤S400又可以进一步包括：

S410、自动换电机器人4在亏电电池的投影位置原地旋转第一设定角度。优选地，第一设定角度可以为90°；

S420、自动换电机器人4移动至处于空闲状态的电池存储单元21的投影位置。如自动换电机器人4通过直线运动和原地转动的方式到达处于空闲状态的电池存储单元21的投影位置；以及

S430、自动换电机器人4将亏电电池固定于处于空闲状态的电池存储单元21。如通过举升平台431的举升和加解锁机构432的加锁动作将亏电电池固定于电池存储单元21。

可以看出，正是由于自动换电机器人4的可自由移动的设置方式，即自动换电机器人4以可直线运动和原地转动的设置方式，使得自动换电机器人4在拆下亏电电池后，可以旋转一定角度后再移动出电动汽车5的底部，这个动作增大了自动换电机器人4在前后两个车轮间的活动范围，从而无需将车辆抬至很高的高度即可使自动换电机器人4从车底移动出并完成换电，降低了车轮对自动换电机器人4移动过程的影响。也就是说，这种设置方式降低了换电难度，提高了换电效率。

同样地，仍然在电池存储单元21的排布方式为上述的i)情形时，步骤S600可以进一步包括：

S610、自动换电机器人4承载满电电池移动至待换电车辆的投影位置；

S620、自动换电机器人4在投影位置旋转第二设定角度，并与亏电电池精确对准。优选地，第二设定角度也可以为90°；以及

S630、自动换电机器人4使满电电池固定于待换电车辆。

这样设置的优点在于，自动换电机器人4除了能够在进入电动汽车5底部时，增大自动换电机器人4在前后车轮之间的活动范围之外，还能够使自动换电机器人4按照旋转90°后从电动汽车5移动至处于空闲状态的电池存储单元21的路线原路返回，也就是对相同的路段进行逆操作，进而可以省去导引路线的设计。当然，第一设定角度和第二设定角度并非只限于上述描述的90°，本领域技术人员还能够对其做出调整，以便自动换电机器人4旋转的角度能够符合具体分应用场景。

参照图6A至图6D，本发明的充换电站的一次完整的换电过程可以包括：待换电的电动汽车5驶入换电平台1并进行粗定位→自动换电机器人4移动至电动汽车5底部并与亏电电池对准(参照图6A)→自动换电机器人4通过举升平台431的举升和加解锁机构432的解锁，卸下亏电电池，并顺时针旋转90°(参照图6B)→自动换电机器人4移动至处于空闲状态的电池存储单元21，将亏电电池固定于电池存储单元21的夹持机构211(参照图6C)→自动换电机器人4移动至装载有满电电池的电池存储单元21，充电部3的控制模块312控制夹持机构211松开，满电电池承载于自动换电机器人4的举升平台431(参照图6D)→自动换电机器人4承载满电电池重新定位置电动汽车5的投影位置，并通过加解锁机构432的加锁将满电电池固定与电动汽车5→电动汽车5驶出充换电站。至此，换电过程结束。

综上所述，上述优选的实施方式中，充换电站主要包括换电平台1、存储部2、充电部3以及自动换电机器人4。换电平台1布置于充换电站的一侧。存储部2包括若干个模块化设置的电池存储单元21，且若干个电池存储单元21之间采用最高效率的排布方式平面堆放。充电部3优选地采用分布式的布置方式与电池存储单元21以一对一的方式进行布置。自动换电机器人4包括本体41、行走部42、电池装卸部、定位部及控制部44，并且自动换电机器人4可以通过不离地的方式完成从电池存储单元21取送电池和为电动汽车5换电的动作。通过自动换电机器人4可以直线运动和原地旋转、以及以不离地的方式完成换电动作的设置方式，使自动换电机器人4相对于依赖于轨道的换电机器人具有运动灵活性高的优点，进而达到精简了充换电站的结构、提高了充换电站的换电效率。通过模块化设置的电池存储单元21以及各个电池存储单元21之间采用最高效率的排布、平面堆放的设置方式，不仅使充换电站的配置灵活性与适用范围大大增加、充换电站的设计难度明显降低，而且还使自动换电机器人4在换电过程中无需升降，从而节省升降机构的设置，减少了成本，且进一步提升了换电效率。此外，在充电部3采用分布式的布置方式的情形下，使得每个充电单元31能够与相应的电池存储单元21组成一个完整的子模块，进而更加有利于充换电站的模块化管理，也使得充换电站的存储部2的布置更灵活、扩展性更好。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种充换电站，其特征在于，所述充换电站包括：

换电平台，其用于停放待换电车辆；

存储部，其包括若干个电池存储单元，且所述若干个电池存储单元能够通过至少一种组合方式形成所述存储部；

自动换电机器人，所述自动换电机器人至少能够在所述换电平台和所述存储部之间的范围内自由移动，并且

在所述自动换电机器人处于所述若干个电池存储单元中的任意一个的投影位置的情形下，所述自动换电机器人能够直接从所述电池存储单元上承接动力电池或将动力电池固定于所述电池存储单元；

其中，所述若干个电池存储单元在同一层内排布；

其中，所述自由移动包括在所述换电平台和所述存储部之间的地面上做直线运动和原地转动；

其中，在排布方式上，所述若干个电池存储单元之间采用最高效率排布，所述最高效率排布按照如下方法设置：

获取所述电池存储单元的长度L_B和宽度W_B，以及所述存储部区域的长度L_S和宽度W_S；

分别计算

以及

的结果，其中

为向下取整运算；

计算

与

的结果并将结果进行比较；

如果

则将所述电池存储单元的长度方向与所述存储部区域的长度方向以垂直的方式布置，并且在所述存储部的长度方向上布置

个所述电池存储单元，在所述存储部的宽度方向上布置

个所述电池存储单元；

否则，将所述电池存储单元的长度方向与所述存储部区域的长度方向以平行的方式设置，并且在所述存储部的长度方向上布置

个所述电池存储单元，在所述存储部的宽度方向上布置

个所述电池存储单元。

2.根据权利要求1所述的充换电站，其特征在于，所述电池存储单元以模块化设置。

3.根据权利要求1或2所述的充换电站，其特征在于，所述充换电站还配置有能够与所述存储部电连接的充电部，所述充电部用于为所述动力电池充电。

4.根据权利要求3所述的充换电站，其特征在于，所述充电部包括充电单元，所述充电单元包括：

充电柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于为所述动力电池充电；

控制柜，其与所述若干个电池存储单元分别连接，用于使所述充电柜为所述动力电池充电。

5.根据权利要求4所述的充换电站，其特征在于，所述充电单元还包括水冷柜，所述水冷柜与所述若干个电池存储模块分别连接，用于冷却充电过程中的所述动力电池。

6.根据权利要求3所述的充换电站，其特征在于，所述充电部包括至少一个充电单元，所述充电单元包括：

充电模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于为所述动力电池提供电能；

控制模块，其与至少一个所述电池存储单元连接，用于使所述充电模块为所述动力电池充电。

7.根据权利要求6所述的充换电站，其特征在于，所述充电单元还包括水冷模块，所述水冷模块与至少一个所述电池存储单元连接，用于冷却充电过程的所述动力电池。

8.根据权利要求1或2所述的充换电站，其特征在于，所述自动换电机器人包括电池装卸部，所述电池装卸部能够直接从所述待换电车辆上将所述动力电池取下或将所述动力电池固定于所述待换电车辆。

9.根据权利要求8所述的充换电站，其特征在于，所述电池装卸部包括：

举升平台，其能够与所述待换电车辆或所述电池存储单元对接；

加解锁机构，其能够在所述举升平台与所述待换电车辆对接好的情形下，使所述动力电池锁紧/脱开所述待换电车辆。

10.根据权利要求1或2所述的充换电站，其特征在于，所述电池存储单元配置有夹持机构，所述动力电池能够通过该夹持机构固定于所述电池存储单元。

11.根据权利要求1或2所述的充换电站，其特征在于，所述换电站内还预设有应急位置，所述自动换电机器人能够以自由移动的方式到达该应急位置。

12.一种如权利要求1至11中任一项所述的充换电站的换电方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

自动换电机器人到达待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人使亏电的动力电池脱离所述待换电车辆；

所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元；

所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接满电的动力电池；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

13.根据权利要求12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人以不离地的方式使所述亏电的动力电池固定至处于空闲状态的电池储存单元”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第一设定角度；

所述自动换电机器人移动至所述处于空闲状态的电池存储单元的投影位置；

所述自动换电机器人使所述亏电的电池固定至所述处于空闲状态的电池存储单元。

14.根据权利要求12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人以不离地的方式从电池存储单元上承接所述满电的动力电池”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述电池存储单元的投影位置；

使所述电池存储单元的夹持机构松开；

所述自动换电机器人承接所述满电的动力电池。

15.根据权利要求12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，“所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆”的步骤进一步包括：

所述自动换电机器人移动至所述待换电车辆的投影位置；

所述自动换电机器人在所述待换电车辆的投影位置旋转第二设定角度；

所述自动换电机器人使所述满电的动力电池固定于所述待换电车辆。

16.根据权利要求12所述的充换电站的换电方法，其特征在于，在“自动换电机器人到达待换电车辆的投影位置”的步骤之前，所述步骤还包括：

所述待换电车辆到达换电平台。

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