电动汽车无人充电桩设计与实现

2020-12-08

魅力中国 2020年26期

关键词：测距超声波电动汽车

（山东爱普电气设备有限公司，山东济南 250101）

一、无人充电桩技术路线

充电服务系统包含了运营管理平台、云端、用户APP、充电桩、电动车辆。从图中可以看出，常规电动车辆的充电方式需要人手持充电枪完成对接工作，而如果要实现无人充电，那么这样的工作就需要机械臂来完成。

二、充电口定位方案

（一）机器视觉技术

机器视觉技术，也叫图像识别技术，是指对图像进行特征提取，对象识别，以期达到人眼识别和目标跟踪的一系列跨学科的综合技术。该技术涵盖了空间几何学、神经网络学、数理统计学、计算机技术、大数据学等学科。机器视觉及其扩展方法现在已经渗透到各个学科各个工程应用领域的方方面面。

（二）基于HSV 模型的图像分割

利用单目视觉测量技术，来确定电动汽车充电口的世界坐标是一种十分直观的方法。在充电桩的适当位置架设摄像头，并利用目标物体与相机成像之间的几何关系，可十分精确的求取目标物的二维坐标。在最初的方案中，考虑到充电口的纹理特征（缝隙）较为明显，使用了模板匹配，机器学习等检测技术。但由于汽车本身纹理线条较为丰富，干扰较大，实验无法达到预期的检测要求，故放弃了检测缝隙来定位充电口的方案。而后考虑利用彩色图像分割技术，来实现对充电口的检测和定位。色彩分割的缺点在于其对光照十分敏感，直接使用RGB 模型进行分割，鲁棒性较差。在多次实验后，使用了对光照强度不敏感的HSV 模型，成功对标定块和充电口目标进行了分割，利用充电口的图像坐标逆向求取其在二维空间中的实际坐标。

（三）传感器测距技术

1.超声波测距

超声波测距，也叫声纳，是通过声波在传播过程中可以穿透比自己波长短的物体而不能穿透比自己波长长进而会反射或者折射的原理来测量到障碍物的距离。人们利用超声波测距时往往采用高于人耳所能听到的频率来传播能量。超声波在测速测距等领域的应用极为常见。常用的超声波传感器频段超过20Khz，传播过程中也会伴随着能量得衰减。将上述超声波原理加以利用，配合传感元件和处理电路就可以设计出不同应用场合的测距传感器。

2.激光测距

将光学反射原理应用于测距十分常见。红外线是应用较多的激光束。激光测距传感器是一种能感知激光束的传感装置，利用传播时间测距原理如图2.4 所示。这种测距方式以其测量范围广，响应时间短而广泛应用于现代科技，国防和工农业领域。

三、常用电动汽车充电方式及设施

（一）慢充方式

以比较小的交流电来完成电池的充电过程，对接单相220V/32A 电源，整个充电过程需要6 到10 小时。通常，市场上几乎全部类型的电动汽车都可以使用该种充电方式进行电源补给，虽然该种方式充电比较耗时，但用户可以利用闲时或夜间等用电低峰时段给车进行充电。

（二）快充方式

也可称为应急充电,可在20 分钟到1 小时内通过较大的直流电流为车载充电机进行充电。为了达到快速充电目的而使用的较大电流，虽然很好的解决了电动汽车快速应急充电的现实要求，但其技术要求高、大电流、高电压的特点对车载充电机及车载电池的性能及寿命都有比较大的影响。但是，因为快速充电方式所采用的充电数据参数在国际上目前并没有统一的标准，所以也存在一些安全隐患及不通用等问题。鉴于此种充电方式对时间要求比较低，所以目前比较多的使用在公共交通场所。

（三）快换方式

以更换车载电池达到为电动汽车提供持续动力的充电方式，更换时间通常只需5 到10 分钟，与燃油汽车进站加油时间相当。快换方式决定了电动汽车在电能耗尽后，只需在短时间内更换电池而不用当时进行充电的优点。但该方式也受电池的很多因素所限制，比如电池型号是否匹配，接口是否通用等。快速换电池的方式常见于专业电动车电池更换站及电池种类较为齐全的充电站。

四、充电桩工作流程

无人充电桩是一套集成手动充电方式与自动充电方式的智能化充电设备，其工作流程可以从车辆类型分为两套流程。这里，我们为无人驾驶车辆设计了完全不需要人参与的充电流程，即身份识别也是自动完成的。而常规车辆的身份识别由车主刷卡完成。所以，利用身份认证方式的不同来自动区分两种类型的车辆，两种充电方式工作流程如下。自动对接充电工作流程：(1)智能识别：首先充电桩感知电子车牌中的账户信息和车型信息。(2)姿态调整：根据获取的车型信息，得知充电口所在车身的具体位置，如有必要调整车身方向，则启动转盘，并由定时器来控制转盘转角。(3)自动对接：当充电口与充电枪处于同一个面时，启动机械臂，进行识别与对接。(4)充电：当充电枪限位开关触发后，即确认连接，开始充电。(5)充电模式：默认充满结束，支持远程结束充电。(6)完成充电：充电完成后，机械臂复位，如果车辆正对充电桩则启动转盘，调整车身方向，直至车辆可以驶离充电区域即可。手动充电工作流程：(1)车主持充电枪完成与充电口的插接。(2)刷卡认证身份：车主在读卡区域刷卡。(3)充电：触摸屏实时显示充电状态，包括电压、电流、已充百分比等信息。(4)完成：车主可自主结束充电，并打印账单。(5)车主拔下充电枪，驶离。