本文提供了一種AGV電池自動充換系統，將AGV小車電池集中存儲充電并利用換電車實現電池的取放替換，從而使AGV小車不再執行充電作業，只執行周期更短的換電池操作，提高AGV的工作效率。

隨著工業自動化水平提升以及現代化工業生產規模不斷擴大，AGV小車已經成為物流生產系統中不可或缺的一部分。現有技術中的AGV小車多是采用電池作為能量來源，并且AGV小車在電池電量不足的情況下需要去充電站進行充電操作，但一方面AGV小車每次充電時間較長（約2小時），效率有待提高，另一方面需要在生產現場配置許多充電工位，這會額外占用生產空間。

本系統的目的在于提供一種AGV電池自動充換系統，將AGV小車電池集中存儲充電并利用換電車實現電池的取放替換，從而使AGV小車不再執行充電作業，只執行周期更短的換電池操作，提高AGV的工作效率。

一、自動充換電控制系統構成

如圖1，自動充換電控制系統由充電柜、換電小車、控制系統等三部分組成。

1. 充電柜

充電柜是電池的儲存和充電系統，包含柜體、充電座、信號采集模塊和控制模塊等部分。充電貨位中包含快插充電座、導向輥道和煙溫感探頭等。快插充電座以及導向輥道配合換電車能迅速實現電池和充電機的準確可靠連接。煙溫感探頭可以對充電狀態進行監測，一旦發現高溫或者煙霧狀態會立即斷開充電機并觸發煙溫感報警提示。當換電車將待充電電池放入充電柜內時，自動啟動充電機為電池充電。電池充滿時，信息采集模塊會將電池電量、滿電狀態、電池組壽命等信息結合電池編碼存入數據庫中，并優先計算出最優的電池進行更換。

2. 電控制系統

圖2所示控制系統包含PLC、觸摸屏、管理計算機和服務器等，是整個換電系統的大腦。PLC控制換電車的換電動作，而管理計算機對貨架上的電池編號、電壓電流、電池容量、電池組壽命統計等信息進行記錄和管理，實時跟蹤每塊電池的使用情況來選擇最優的電池進行更換。

3. 換電車

換電車是執行機構（如圖3），包含行走機構、升降機構、貨叉機構和定位系統等四部分。換電車負責把待充電電池放入充電柜，并把充滿電的電池送入AGV小車。

X軸方向的行走系統包含四個對稱設計的行走輪，可以在電機的驅動下在軌道上沿X方向移動，在端頭設置了緩沖系統，提高了安全性。

Y軸方向的舉升系統包含舉升電機、滾珠絲杠、滑臺和拖鏈。

Z軸方向的鉤取系統由貨叉電機、鉤取系統、上電氣缸和解鎖氣缸組成。其中貨叉電機和鉤取系統實現電池在AGV和充電架上的鉤取動作。解鎖氣缸能將電池上的鎖扣打開。上電氣缸可以在AGV完成換電后執行AGV重新上電的動作。

二、換電流程

系統采用精定位模塊來修正AGV停靠過程中產生的與換電車之間的停靠偏差。具體方法為：

針對不同類型AGV停靠過程中產生的行走方向和升降方向的停靠偏差，系統引入了采用基于視覺原理的二次定位方式來消除偏差。

針對不同類型AGV停靠過程中產生的和換電車之間的偏差，采用檢測AGV車體的傳感器結合編碼器定位的方法來確定AGV車體的準確位置。

如圖4，當AGV提出換電申請后，換電站首先判斷當前系統內是否有可用的充電貨位和系統是否有報警。在沒有報警并且有可用充電位置時，控制系統向換電車發出指令，開始換電操作。

步驟1：換電車取AGV小車上的待充電電池。

換電車將控制系統下達的指令進行分解得出需要執行的目標地址，然后驅動行走電機11和提升電機2運行到AGV小車停靠位置。當換電車的層和列都對準時，啟動定位精定位相機4開始精定位。當標簽位于精定位相機4通過區域范圍內時，精定位結束。換電車的控制貨叉電機12進行Z方向的取貨動作，AGV監測開關動作后，解鎖氣缸14縮回打開電池鎖，貨叉電機12拉動電池回到原點位置，取AGV電池動作結束。

步驟2：將待充電電池放入充電架內進行充電。

控制系統根據庫存情況計算出當前可用的空閑充電機，然后驅動行走電機11和提升電機2運行到空閑充電機位置。當換電車的層和列都對準時，換電車控制貨叉電機12進行Z方向的放貨動作，當貨叉電機推動電池到達伸到位后，解鎖氣缸14伸出閉合電池鎖，然后貨叉電機12回到原點位置，放AGV待充電電池動作結束。

步驟3：從充電柜取出最優的電池。

管理計算機對貨架上的電池編號、電壓電流、電池容量、電池組壽命統計等信息進行記錄和管理，實時跟蹤每塊電池的使用情況來選擇最優的電池進行更換。換電車將控制系統下達的指令進行分解得出需要執行的目標地址，然后驅動行走電機11和提升電機2運行到目標位置。當換電車的層和列都對準時，換電車控制貨叉電機12進行Z方向的取貨動作，當貨叉電機推動電池3mm后，解鎖氣缸14縮回打開電池鎖，貨叉電機12拉動電池回到原點位置，取AGV電池動作結束。

步驟4：放最優的電池到換電車。

換電車將控制系統下達的指令進行分解得出需要執行的目標地址，然后驅動行走電機11和提升電機2運行到AGV小車停靠位置。當自動換電車在層和列方向都對準時，啟動定位精定位相機4開始精定位。當標簽位于精定位相機4通過區域范圍內時，精定位結束。換電車的控制貨叉電機12進行Z方向的放貨動作，AGV監測開關動作后，解鎖氣缸14伸出關閉電池鎖，貨叉電機12拉動電池回到中間位置，上電氣缸13伸出按動AGV車體上電按鈕，貨叉電機12拉動電池回到原點位置，給AGV換電流程結束。

換電車執行單次的動作流程，如圖5。

三、換電系統帶來的效果

1.采用精定位模塊，將不同車型的多輛AGV在行進方向、升降方向和平行方向的停靠精度要求由原來的4mm提高到10cm，這使得該系統可以兼容多種AGV車型，提高了系統的適用性。

2.該系統設置了自動充電架，實現了電池的密集存儲和自動充電。

3.換電過程中不需要設置單獨的緩存工位，節省了空間并提高了換電效率。

4.采用通訊模塊將電池編號、電壓電流、電池容量、電池組壽命統計等信息采集到管理計算機的電池電源管理系統，實時跟蹤每塊電池的使用情況來選擇最優的電池進行更換。

5.建立了電池報廢機制，當電池使用壽命達到上限閾值時，對應電池將強制報廢并提示維護者進行報廢更換操作。

6.在充電柜內增加了充電過程中高溫和煙霧的監測系統，一旦發現高溫或者煙霧狀態會立即斷開充電機并觸發煙溫感報警提示。