貝太學 李 鑫 陳繼文 趙 哲 王亞忠
1 山東建築大學機電工程學院 濟南 250101 2 青島齊星車庫有限公司 青島 266300
摘 要：隨著電動汽車的市場大門逐漸打開，電動汽車充電站的建設規模及數量也不斷增加，然而，近年來城市的土地資源緊張問題日益凸顯，在人口密集的中心城區停車環境非常擁擠，為電動汽車開闢出充電停車位更是非常困難。因此，為了能滿足日益增長的電動汽車充電設施建設需求，將立體車庫與充電系統融為一體的立體充電站將成為解決上述問題的有效措施。文中介紹了智能立體車庫的國內外研究現狀、電動汽車的發展及其充電問題，給出了一種立體車庫電動汽車自動充電的實現方案，該系統適合於在智能立體式停車庫中使用，具有較好的市場發展前景。
Abstract: As more and more consumers choose electric vehicles, electric vehicle charging stations are also increasing inscale and number. However, in recent years, the shortage of land resources has become increasingly serious in cities and parking lots in densely populated urban central areas are really crowded. Under such circumstance, finding charging and parking spaces for electric vehicles is extremely hard. Therefore, to meet the growing demand for electric vehicle charging facilities, a high-rise charging station integrating high-rise garage and charging system is proposed, which is sure to be an effective solution to the above problem. After the introduction of recent study on intelligent high-rise garage at home and abroad as well as the development of electric vehicles and charging difficulties, the paper presents a scheme of automatic charging of electric vehicles in high-rise garage. The system is suitable for use in intelligent high-rise garage with good market prospect.
關鍵詞：立體車庫；智能化；電動汽車；充電Keywords: high-rise garage; intelligence; electric vehicle; charging
中圖分類號：TU248.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）05-0121-06
0 引言隨著電動汽車越來越多地出現在市場上，為了能夠使更多的客戶不再為電動汽車的續航裡程擔憂，車企、高校以及科研院所等都為製造出動力好、續航久的電動汽車而不斷付出努力。對於電動汽車本身而言，如果想做到真正普及，很大程度上取決於充電的可靠性和便捷性，所以，電動汽車充電站[1] 的建設規模及數量正在不斷增加。但是，由於近年來城市土地資源緊張問題日益凸顯，能夠在郊區、鄉鎮找到合適的場所修建充電站，已經很不容易，在人數相對比較密集的城市中心，停車問題則更嚴重，考慮為電動汽車專門建立對應的充電停車位就更加困難[2]。因此，在這種情況下，將立體車庫與電動汽車的充電融為一體的智能立體車庫[3] 設計，成為一種合理、有效的解決方案。
1 智能立體車庫的國內外發展現狀汽車是一個國家人民生活水平最具標誌性的日常工具，停車難已經成為各個國家亟待解決的普遍問題。近年來，我國政策上對各類自主品牌的重視和鼓勵，使汽車行業迅猛發展，汽車保有量逐年增加。隨之而來的是停車供求關係的失衡，隨意佔道、隨意停車、城區交通擁堵狀況嚴重，因此，解決停車難的問題刻不容緩。立體車庫是用來存放車輛的機械系統。相對於傳統的停車庫，立體車庫由於佔地空間小、存儲量大、穩定可靠的優點，既緩解了交通壓力又美化了城市環境，是處理停車難的有效方法。隨著技術的進步，立體車庫的設計朝著更加智能化方向發展，有效地保障了人、車安全，具有廣闊的應用前景。
1.1 國外發展現狀停車難是各個國家面臨的共性問題，立體車庫的設計有效緩解了停車難的問題，設計出第一座立體車庫的國家是美國。德國也是開發立體車庫較早的幾個國家之一，技術水平一直處於領先地位[4]。目前全球技術水平很高的車庫企業是德國威爾車庫公司，Sotefin 和Interpark 兩家義大利公司也具有非常出色的車庫產品，如Silopar 系統、Compark 系統、Silomat 系統等。
日本是亞洲生產立體車庫最早的國家，其技術主要來源於歐洲。日本雖然地理面積相對狹小但是善於吸取歐洲國家的成功經驗，較早研發出了自主生產的立體車庫。日本生產的立體車庫主要是升降橫移類車庫[5]，較為知名的企業包括IUK、三菱重工等。
韓國的立體車庫技術略晚於日本，但是因為政府很重視，增長速度很快。臺灣的立體車庫也有幾十年的歷史，垂直循環類立體車庫[6]、雙層式停車設備[7] 在城區中使用較多。
1.2 國內發展狀況我國立體車庫相對於美國、德國、日韓等國家而言，起步較晚，約二十幾年的歷史。為了更好地促進我國立體車庫技術的進步，國家制定了各種政策及措施。我國的立體車庫產業存在的問題：體制不健全，缺乏技術標準，專利產出不足；實力和規模較大的企業少，生產能力不足；科研單位的參與不夠，技術創新能力差；政策不配套，對停車產業發展和管理嚴重滯後等。
2 智能立體車庫的電動汽車充電汽車產業是我國國民經濟的支柱產業，其產業鏈長、關聯度高、就業面廣，在國民經濟和社會發展中起到了重要的作用。汽車產業的迅猛發展，導致了高消耗和高排放，給國家的資源和環境造成了巨大的壓力。2010年9 月，我國頒布了《節能與新能源汽車產業規劃》草案，針對節能減排和培育戰略性新興重點產業進行了總體部署，我國的汽車工業逐漸向發展新能源汽車轉型。電動汽車由於具備高效節能、零排放的特點，已被列為新能源汽車的首選方案，並作為汽車工業進行轉型的重點領域[8]。
2.1 電動汽車根據國家統計局的資料，截至1949 年，我國擁有的民用汽車不足五萬輛。近年來，我國汽車的產量和居民保有量均呈現出較大增長速率。到2016 年年底，我國汽車的產銷量已經突破2 800 萬輛，居民的汽車保有量已達1.94 億輛。
如果我國的汽車產業以目前的年均增長率繼續發展，如此巨大的汽車數量將對能源和環境產生顯著的壓力。據估計，到2030 年時，我國很可能會急需進口石油十億噸為汽車提供燃油。對資源的消耗和生態的汙染，迫使汽車產業和核心動力技術做出重大變革，我國交通能源動力系統的轉型迫在眉睫。
「十一五」的《汽車產業宏觀政策》已經把「節約資源、保護環境、提高車輛安全」作為汽車類產品技術研發的重心，將開發、推廣新能源汽車作為緩解能源供求矛盾的重要戰略措施。
新能源汽車主要是指採用非常規的車用燃料作為動力來源，或採用新型車載動力裝置，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的具有新技術、新結構的汽車。典型新能源汽車包括純電動汽車（Pure ElectricVehicle, PEV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV）、氫發動機汽車以及燃氣汽車、醇類或醚類汽車等。
純電動汽車是指採用高效充電電池作為儲能動力源向電機提供電能，從而使電機驅動車輪前進。因為電能本身可以從水力、風力、光、熱等能源中獲取，所以減少了對石油等傳統資源的消耗；而且不會產生有害氣體排放物，大大降低了對環境的汙染。所以，純電動汽車作為新能源汽車的典型方案，成為汽車工業進行轉型的重點領域。
在國際上，日美兩國依靠出色的研發能力引領電動汽車領域發展。我國儘管起步相對較晚，但在研發上進步很快。麥肯錫公司調研了北美、歐洲、中印等國家的乘用車市場，在報告《中國蓄勢待發——電動汽車的機遇》中指出：「在傳統汽車行業，中國落後世界領先水平幾十年；但是，在電動汽車等新能源領域，卻處於同一起跑線，而且中國具備一定的成本和市場優勢，有潛力和可能在全球的電動汽車市場走在領先行列。」
「十二五」期間，我國明確指出：將會重點部署包括新能源、節能環保、電動汽車等在內的幾大戰略性新興產業；發展新能源汽車——電動汽車是「十二五」規劃中最為重要的幾個任務之一。《電動汽車科技發展「十二五」專項規劃》給出的相關要求是：全面掌握電動汽車核心技術，培育自主研發能力，發揮市場和資源優勢，形成有較強競爭力的電動汽車以及關鍵零部件工業體系；籌劃建設電動汽車充電站等基礎設施，滿足電動汽車產業化發展需求；完善電動汽車相關的標準體系，建立有利於電動汽車發展的環境，實現我國由汽車大國向汽車強國的轉變；到2020年，我國的電動汽車保有量將達到千萬輛以上，屆時全球會有20% 以上的城市用車為電動汽車，中國將成為全球最大的新能源汽車市場。
可以預見，未來的幾年或十幾年，將是我國電動汽車從研發階段過渡到產業化階段的關鍵時期，加快對電動汽車配套設施的研發將是大勢所趨。
2.2 電動汽車充電電動汽車充電是電動汽車使用過程中必不可少的一個環節，已成為了人們廣為關注的焦點。電動汽車充電裝置主要分為車載充電裝置和非車載充電裝置兩大類。車載充電裝置，是指能夠安裝在電動汽車上，可以採用地面交流電和車載電源對電池組進行充電的設備或裝置，由車載充電機、充電發電機組以及能量回收裝置等部分組成。另外，也可以根據電動汽車的蓄電池充電能量轉變方式進行分類，主要分為接觸式和感應式[9] 兩種。常見的充電方法具體可以歸為以下幾類：1）常規充電是指對電動汽車採用恆壓或者恆流的傳統方式充電，充電電流相對較低，約15 A。該充電方式充電器的運行條件和成本不高。家用的電動汽車充電裝置或小型充電站基本上會選用常規充電方式。在家中充電，通常是晚上或者非用電高峰期，這有利於電能的充分利用。小型充電站是給電動汽車充電的一種最普遍的方式，充電機可以安放到街邊、購物場所、小區、停車場等地點。只需將電動汽車停靠在充電指定位置上，連接好充電用電纜即可充電。收費的方式一般為刷卡、投幣或掃描二維碼。
2）快速充電是指以150 ～ 400 A 的大電流短時間內給蓄電池進行充電，安裝成本較高。大型充電站一般會使用這類充電方式，主要針對長途旅行、急需快速補充用電的情況。快速充電方式對蓄電池的使用壽命有很大影響，尤其是普通蓄電池，原則上，不能隨意進行快速充電，短時間內補充大量電能容易造成蓄電池本身過熱。由於該充電方式對功率和電流要求相對較高，因此對電網也有較高的要求，一般應安置在靠近10 kV 變電站的地帶，或者選擇在監測站和服務中心使用。
3）無線充電[10]無限充電是近年來國外的最新研究成果，其原理是將電能轉變為能夠符合技術要求的特殊雷射或微波束，然後在電動汽車的頂部安設專用的接收天線來完成充電。採用無線充電的方式，行駛在道路上的電動汽車能夠憑藉安設在電線桿或各類高層建築上的發射天線，較為快速地補充蓄電池電量。
4）更換電池充電是指蓄電池電量用完後，更換為充滿電的新電池組。蓄電池本身屬於服務站、電池廠商，電動汽車的使用者僅僅是租用，更換下來的蓄電池在服務站、電池廠商等地點進行充電。服務站既可以採用常規充電，也可以快速充電。
但是，更換電池充電也存在一些問題：電池更換系統的成本高，需要相對昂貴的機械設備和大量的蓄電池；存放蓄電池需要空間，修建蓄電池更換站所需的佔地面積大於修建充電站；蓄電池的物理尺寸以及相應的電氣參數需要統一等。
5）移動式充電最理想的充電方式是能夠在路上行駛時進行充電，即移動式充電。電動汽車不需要尋找充電站，駕駛者也不需要考慮停放車輛、耗費時間問題。移動充電系統又可以分為接觸式和感應式兩種。接觸式的移動充電系統，可以在車體底部安設接收裝置，通過與安裝在路面上的充電裝置相接觸，接收裝置可獲得瞬時大電流。當電動汽車行駛到達移動式充電區域，即可進行充電。對於感應式的移動充電系統，接收裝置由感應線圈製成，安裝在路面上的充電裝置可以產生強磁場大電流，實現充電。
由於存在機械損耗和接收裝置的安裝位置等問題，接觸式的移動充電方式並未引起廣泛關注，目前的研究主要集中在感應式的移動充電方式，不需要機械接觸，也不會產生較大的位置誤差。但是，這種充電方式成本較高，目前仍處於試驗階段。
2.3 立體車庫的電動汽車充電問題隨著電動汽車的快速發展，充電方式的種類不斷增加，電動汽車充電站的建設規模及數量也相應增長。土地資源緊張的問題越來越明顯，人口較為密集的中心城區，為電動汽車尋找充電停車位非常困難[11]。將立體車庫與充電系統融為一體的立體充電車庫，是解決上述問題的有效措施。
3 一種立體車庫電動汽車自動充電的實現方案3.1 系統構成該系統主要由立體車庫、地面停車位、小拖車、充電頭、充電頭存取裝置以及埋入式充電樁等組成。小拖車的結構如圖1 所示，小拖車前端設計有充電頭夾持裝置，用於夾持充電頭。
1. 小拖車 2. 充電頭夾持裝置圖1 小拖車
充電頭的結構如圖2 所示，充電頭上設有夾持柄，夾持柄與圖1 中的充電頭夾持裝置配合使用。充電頭上設計了滑輪，滑輪安裝在兩塊擋板之間，電觸點安裝在擋板外側的中間位置，夾持柄的位置設計在擋板的上側。地面停車位上設有埋入式充電頭存取裝置，具體結構如圖3 所示。埋入式充電頭的存取裝置安裝有電機，沿電機側面圓周設計了支撐杆，內部為「凸」字形通道的滑軌安裝在支撐杆上，在滑軌的後端，放置了與滑軌內通道連通的線纜收納盒，線纜收納盒上面設計了帶自鎖裝置的罩蓋。
1. 滑輪 2. 充電頭 3. 夾持柄 4. 凹槽 5. 線纜 6. 擋板 7. 觸電點圖2 充電頭
1. 充電頭存取裝置 2. 電機 3. 支撐杆 4. 罩蓋 5. 收納盒 6. 滑輪圖3 埋入式充電頭存取裝置
在立體車庫的停車位上，設計了埋入式充電樁，具體位置如圖4 所示。埋入式充電樁的具體結構如圖5 所示。埋入式充電頭存取裝置和埋入式充電樁，都能與充電頭進行配合使用。為了實現充電頭的穩定充電，並且方便充電頭的插入與取出，埋入式充電樁上側設有矩形凹槽，在矩形凹槽的側面設有「凸」字形的充電軌道，在充電軌道兩側安裝有導電片。
1. 立體車庫 2. 埋入式充電樁圖4 埋入式充電樁的位置示意圖
1. 矩形凹槽 2. 導電片 3. 埋入式充電樁 4. 充電軌道圖5 埋入式充電樁
為了能夠快速準確地將充電頭從埋入式充電頭存取裝置中取出，並穩固夾持，移動至立體車庫，將其放置到埋入式充電樁中進行充電，充電頭夾持裝置設計了升降機構，在升降機構的下方安裝有旋轉氣缸和T 形機械臂，具體結構如圖6 所示。
3.2 使用流程存車時，車主將電動汽車停放在地面停車位上，然後將線纜從收納盒中取出，插到電動汽車上；當小拖車來到地面停車位，小拖車底部安裝的光電接收傳感器與地面停車位上的光電發射傳感器相配合，調整好位置，將電動汽車頂起；小拖車上的充電頭夾持裝置工作，通過旋轉氣缸的轉動，機械臂將充電頭上的夾持柄夾住，圓形凸起與圓形凹槽相配合使兩者鎖住；小拖車後退，取下充電頭，此時埋入式充電頭存取裝置上的電機旋轉90°，換上備用的充電頭。小拖車行駛至立體車庫的停車位，待電動汽車調整好位置後，放下，充電頭夾持裝置上的升降機構將機械臂下沉，小拖車向前行進，將充電頭送入充電軌道，機械臂放開，小拖車離開，等待下一輛電動汽車的搬運。
1. 機械臂 2. 旋轉氣缸 3. 升降機構 4. 充電頭夾持裝置5. 凸起圖6 充電頭夾持裝置
取車時，小拖車重新回到立體車庫的停車位上，首先找準方位，從埋入式充電樁中取下充電頭，將電動汽車運回地面停車位上；此時埋入式充電頭存取裝置上的電機旋轉至線纜收納盒空閒的位置，將充電頭放回埋入式充電頭存取裝置上；車主取下車上的線纜，放回線纜收納盒中以備下次使用，將車開走，完成整個流程。
4 結束語電動汽車的市場大門已經逐漸打開，為了能夠儘可能讓客戶不再擔心電池續航問題，車企、高校和科研院所等都將精力集中在動力強、續航遠的電動汽車上。為了普及電動汽車，需考慮如何讓充電更加可靠、方便的問題，除了儘可能多地建立充電站，還需要研發合理的充電方式，用創造性的思維去解決充電問題帶來的困擾。
本文基於智能立體車庫電動汽車自動充電的實現，介紹了智能立體車庫的國內外研究現狀、電動汽車的發展及其充電問題，並給出了一種立體車庫電動汽車自動充電的合理設計方案，該系統結構簡單、運行可靠，適合於在智能立體式停車庫中使用，具有較好的市場發展前景。