电动汽车换电设备MARK点识别失败的分析解决

陈　力，孙明浩， 崔金兰， 张跃伟， 胡新举， 丁习坤， 王　娟， 司瑞芹， 赵全胜

(1. 国网郑州供电公司，河南 郑州 450006；2.许继电源有限公司，河南 许昌 461000)



电动汽车换电设备MARK点识别失败的分析解决

陈力1，孙明浩1， 崔金兰1， 张跃伟2， 胡新举2， 丁习坤2， 王娟1， 司瑞芹1， 赵全胜1

(1. 国网郑州供电公司，河南 郑州 450006；2.许继电源有限公司，河南 许昌 461000)

摘要：目前国内对于电动公交车“电池更换”模式运用越来越多，其中的关键设备是全自动换电设备。针对许继集团研发的全自动换电设备在实际运营中出现的MARK点识别失败问题，通过对MARK点识别技术原理分析及现场运营数据总结，确认光照强度是造成MARK点识别失败的最根本影响因素，由此提出一种在换电设备摄像头加装红外滤光片并提供红外光源的解决方案。此方案消除了太阳光对MARK点识别的影响，经过运营实践，经此改装的换电设备MARK点识别成功率由70 %提高到100 %。该方案已在笔者所在郑州地区换电站推广应用，大幅提高了换电设备更换电池成功率这一衡量换电站运营效率的重要指标。

关键词：电动汽车；换电设备；MARK点；换电成功率

0引言

随着近几年国家相继出台鼓励新能源汽车发展政策，电动汽车越来越多的走入人们生活，目前在国内新能源汽车示范城市中，如北京、青岛、上海、杭州、南京等地已形成较大规模的充换电设施服务网络。现阶段电动汽车充换电模式有两种，一种是“换电池”模式，另一种则是不必将汽车的电池取出的整车充电模式[1]。

目前，国内关于电动汽车充换电设施的相关文献主要集中于上述两种运营模式优缺点的分析及优化，但随着充电技术、电池技术甚至物联网的发展，未来技术导向不会固化于某一种模式，而是充分发挥各类技术的优势和特点。国家能源局、国家电网公司关于电动汽车发展政策的导向也是随着技术发展而不断调整的[2，3]。目前提出了“快慢(充)互济”，在公交、出租领域保留一定比例换电方式的技术导向。

充换电站在运营过程中，面临诸多问题，如不同充电设施与车辆之间“不兼容”和不同充电服务企业之间不互通；“快充”模式对电池寿命的影响及充电过程汽车发生火灾事故等，均涉及技术发展和规范标准问题；而对于换电模式则存在换电速度仍较慢，换电成功率低，无法实现全自动换电及电池日常维护费用主体界定等一系列经济问题[4]。

郑州供电公司现有充换电站3座，均可实现充、换电功能。其中，最早投入运营的商都路换电站主要为85路公交车提供换电服务。充换电站的换电设备采用了许继集团研发的全自动电池更换设备，这类全自动电池更换设备接受换电操作指令后根据识别定位基准点即MARK点后，自动抽取或存放车辆的电池。换电成功率是衡量换电站运营效率的主要指标之一，换电成功率受车辆停放位置准确度、设备磨合调整、更换设备性能等多重因素影响[5]，其中重要的影响因素为准确识别MARK点。商都路换电站在实际运营中时常出现换电设备MARK点识别失败问题，严重影响了换电站的正常运营。由运维专家、设备研发技术人员组成的专业团队，通过对MARK点识别技术原理分析及运行数据总结，发现光照强度为最重要的影响因素，采取一系列改进措施后成功解决了这一问题，从而大幅提高了换电成功率。

1原因分析

分析总结商都路充换电站运营数据，其换电设备MARK点识别成功率仅为70%。MARK点识别失败的问题主要出现在日照强烈的时刻，初步怀疑太阳光照强度为造成MARK点无法识别的主要因素，为此抓取1周时间内中午时刻MARK点识别失败的3组照片及1组识别成功的照片，通过图像阈值化处理技术进行分析，如图1～2所示。

图1　识别失败的MARK点图像(左)及图像阈值处理图(右)

图2　识别成功的MARK图像(左)及图像阈值处理图(右)

通过比较MARK点识别失败与识别成功的图像阈值处理图可以发现，识别失败的MARK点的立柱边缘线与圆形MARK点区域均连通成为一体。在形状识别算法中，这样的连通域就不会被判定为圆环形，这是造成MARK点识别失败的根本原因。现场运营中也可以得出结论，当光线足够强时，MARK点及其周围区域，经光线反射后整体都会变成白色，这种情况下的阈值处理图MARK点区域容易连通为一体，这也是晴天特别是中午12时至14 时光线最强的时候MARK点识别容易失败的原因；同理光线过弱时也会出现类似的情况，由此可以得知，只有适度的光线强度下，MARK点识别成功率才能提高。

2解决方案

电池更换设备无法识别MARK点的问题，主要受光线尤其是强烈光线的影响，在换电站中换电设备摄像头接收到的光线为太阳光通过换电站车间窗户和行车通道折射的光线，因此初步改进方案有如下两点：

(1)换电站内窗户上加装窗帘，减少换电过程中太阳光线的直射强度，如图3所示。

图3　加装窗帘的车间

(2)在车辆MARK点后部加装涂有黑色亚光油漆的纸板，增加MARK点区域面积，减少立柱棱边对MARK 点圆环形状的影响，如图4所示。

图4　车辆MARK点后加装黑色亚光油漆

通过上述措施，一定程度上减少了换电过程中无法识别MARK点的次数，但是依然没有根本解决该问题。为彻底解决这一问题，试验采用红外滤光技术，以下对该方案进行详述。

2.1　红外滤光技术方案原理

阳光的成分构成为紫外线5%，可见光52%，红外线43%，其中红外线的光谱范围很宽，850 nm的红外光线比例很少。该方案在摄像机镜头上加装850 nm红外滤光片，另外给摄像头提供一个强度适中的850 nm红外光源。由于阳光中850 nm的红外光在车间内极少，因此，通过镜头的光线几乎全部是由红外光源发出的红外光线，消除了太阳光线强度对MARK点识别的影响。

2.2　方案实施

在1台换电设备上拆除原有的补光灯，并在该位置安装2台8 W的850 nm 的红外发光源，如图5所示；在两侧摄像头上各安装一个850 nm 的红外滤光片，如图6所示。

图5　加装红外发光源

图6　摄像头加装红外滤光片

2.3　实施效果试验

换电设备经改进后，分别进行了正常光线、弱光及强光条件下的MARK点识别试验。

(1)正常光线试验：所谓正常光线即非强光也非弱光，试验分别选择在晴天的8:00和18:00进行(5月份)。

(2)弱光试验：关掉换电站工位内的所有灯光，在黑暗中进行试验。

(3)强光试验：选择在晴天的12:00～14:00进行或用两只手强光手电筒模拟阳光试验，如图7所示。

图7　模拟太阳光的强光试验

上述3种试验条件各进行60次MARK点识别试验，结果如表1所示，可见MARK点均识别正确，成功率均达到100%，效果显著。

表1　MARK点识别试验统计

2.4　换电站运营效果检验

方案经现场试验，效果良好后在郑州商都路换电站投入使用。对5月5日～20日的运营数据进行统计，如表2所示。

可见在实际运营中，无论天气阴晴、光照强烈与否，MARK点识别均非常准确，成功率达100%，综合考虑其他原因导致的换电不成功，换电成功率也由原来的不足70%上升到90%以上，表明该套基于红外滤光技术进行的改造方案收效显著。

表2　商都路换电站换电成功率统计

3结论

目前全自动电池更换设备在实际运行中，换电成功率低是各个换电站普通存在的问题，影响因素也是多方面的，文中所述郑州商都路换电站因地理位置、车间设计方位等原因使得太阳光照成为MARK点识别容易失败的主要因素，因此各换电站还应具体问题具体分析，才能提高换电成功率，从而提高换电站的运营效率[6]。另外在充换电站建设、运营方面还应注意以下具体事项：

(1)充换电站的选址、设计等应综合考虑投运后运维单位在技术层面上的需要。

(2)全自动电池更换设备，在技术水平上仍需要加以提高，研发人员需要针对产品在现场应用中遇到的实际问题，逐步改进。

(3)对车辆各种换电要求指数的检查验收应严格把关，防止给不满足换电要求的车辆换电，以免损坏换电设备。

(4)强化运维人员的技能，规范严格的操作流程和异常处置措施，防止人员违反操作流程造成换电设备损伤。

(5)重视与加强电池更换设备的日常维护和周期性维护，及时发现和更换有损伤的部件。

(6)运维单位要注重提高运维水平，逐步积累运维经验，对电池更换设备日常出现的各种问题，及时进行分析与处置，异常与缺陷进行实时动态管理，合理安排设备检修。

参考文献：

[1]周逢权,连湛伟,王晓雷,等.电动汽车充电站运营模式探析[J].电力系统保护与控制，2010,38(21):63-66.

[2]王泽众.电动公交车充换电站相关运营分析[J].科技和产业，2012,12(3):121-122.

[3]张宝群,迟忠君,陈艳霞,等.电动汽车充换电站运营模式分析与研究 [J].中国科技成果，2013,(24):48-51.

[4]李红梅.电动汽车充换电示范站中的有序充放电措施[J]. 中国电力，2013,46(1):30-35.

[5]杨爱民,张晨曦,文福栓,等.微网环境下的电动汽车换电站运营策略[J].华北电力大学学报(自然科学版),2013,40(4):19-26.

[6]康继光,卫继林,程丹明,等.电动汽车充电模式与充换电站建设研究[J].电力需求侧管理,2009,11(5):64-66.

Solution for the Failure of MARK Point Identification of Electric Vehicle Swapping Equipment

Chen Li1, Sun Minghao1, Cui Jinlan1, Zhang Yuewei2, Hu Xinju2, Ding Xikun2, Wang Juan1, Si Ruiqin1, Zhao Quansheng1(1. Zhengzhou Power Supply Company, Zhengzhou 450006, China; 2. Xuji Group Corportation, Xuchang 461000, China)

Abstract：At present, the “battery replacement” model for electric bus was used more and more, and the key equipment is automatic swapping equipment. For the mark point recognition failures appeared in the actual operations of the automatic swapping equipment researched and developed by Xuji Group, by summarizing the mark point recognition technology principle and analyzing and operation data, confirmed that the light intensity is the fundamental factor causing failure to recognize the mark point. Therefore we raised a solution that the infrared filter was installed on the camera of the swapping equipment and infrared light source was provided. This scheme eliminates the influence of the sun light on the recognition of MARK points. After operation, the success rate of the MARK point of the electric swapping equipment is improved from 70% to 100%. The scheme has been applied to the filling station in Zhengzhou, improving the success rate of replacing the battery which is the important operating indicator of the filling station.

Keywords：electric vehicle; swapping equipment; MARK point; success rate of replacing the battery

作者简介：陈力(1979-)，男，工程师，研究方向为电动汽车充换电设施建设及管理，E-mail:cjlan@sohu.com。

收稿日期：2015-09-27。

中图分类号:TP273

文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.005