電動汽車動力電池快換更換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】為了解決電動汽車充電時(shí)間長、一次充電續(xù)駛里程短的問題，并為以后電池租賃、集中充電的電動汽車“換電模式”標(biāo)準(zhǔn)體系推廣打下基礎(chǔ)，本文提出了一種具有通用性和互換性的標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的動力電池快換機(jī)構(gòu)。利用鎖止機(jī)構(gòu)、滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械或人工方式快速實(shí)現(xiàn)車載動力電池的拆卸與裝配，更換過程操作簡單，電池固定可靠，已在純電動汽車上成功應(yīng)用。同時(shí)，該快換系統(tǒng)的動力電池模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，具有通用性和互換性，對完善電動汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系具有一定的參考意義。 　　1 引言 　　電動汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展，但由于車載動力電池的能量密度尚不夠理想，電動汽車單次充電的續(xù)駛里程較短，而電池每次充電的時(shí)間又太長，讓電動汽車的使用和推廣受到嚴(yán)重限制，因此，應(yīng)用在電動汽車上的動力電池快速更換技術(shù)也成為了新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 　　同時(shí)，由于目前電動汽車換電設(shè)施建設(shè)正處于示范、試點(diǎn)與推廣階段，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在研究和制定中。隨著一批電池更換站示范工程的建設(shè)和成功運(yùn)營，電動汽車電池更換系統(tǒng)的規(guī)范化日益迫切，市場對具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化快換電池模塊的要求日益明顯。為了支撐電動汽車電池更換站的規(guī)范建設(shè)，完善電動汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系，具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊快換系統(tǒng)得到了更多的研究。 　　2010年上海世博會期間，由北京理工大學(xué)研發(fā)的具有標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的純電動電池快換客車，采用集中充電與快速更換相結(jié)合的運(yùn)行機(jī)制，為確保世博會電動客車能夠有效地延長運(yùn)行應(yīng)用時(shí)間、擴(kuò)大運(yùn)行區(qū)域、增加運(yùn)行里程、提供高效的運(yùn)行服務(wù)提供了能源保障。上海世博會期間的電池快速更換模式，也為電動汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，提供了一定的參考。其中，電池更換機(jī)器人的使用雖然使得世博客車電池更換效率得到了大幅度提高，但同時(shí)也為“換電”模式增加了巨大的成本。本文介紹一種基于輕型商用車平臺設(shè)計(jì)的具有標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的新型電動汽車電池快速更換結(jié)構(gòu)，在設(shè)備投入較少的情況下，實(shí)現(xiàn)車載動力電池的快速拆卸與安裝。 1. 電池箱上蓋 2. 通訊線插座 3.電源總線插座 4. 螺栓鎖止機(jī)構(gòu) 5.電池箱下蓋 6.固定銷鎖止機(jī)構(gòu) 圖1 電池箱外部結(jié)構(gòu)示意圖 1.電池箱下蓋 2.電源總線和通訊線插座 3.壓緊機(jī)構(gòu) 4.標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊 5. 滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 圖2 電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 　　2 電池快速的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 　　如圖1、圖2所示，電池箱的外壁設(shè)置有固定銷鎖止機(jī)構(gòu)及螺栓鎖止機(jī)構(gòu)，其上部與車體焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定；電池箱上蓋分別設(shè)置了動力電池電源總線插座和電池管理系統(tǒng)通訊線插座；電池箱內(nèi)部設(shè)置有用于方便標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊安裝的滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及限制標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱體內(nèi)運(yùn)動的壓緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)的固定。 　　2.1 快速鎖止機(jī)構(gòu) 　　車載動力電池的在車輛運(yùn)行過程中，隨車體一起經(jīng)受震動與顛簸，因此，考慮快速更換的同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)必不可少。 圖3 快速鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 　　在電池框側(cè)壁設(shè)置有固定銷鎖止機(jī)構(gòu)和螺栓鎖止機(jī)構(gòu)（圖1、圖3所示）。固定銷鎖止機(jī)構(gòu)由上片、下片、固定銷、限位彈簧、定位彈簧和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車輛底盤和電池箱焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定，通過拉伸定位彈簧實(shí)現(xiàn)固定銷與鎖止螺栓的插銷配合鎖止，并通過限位彈簧防止車輛顛簸時(shí)電池箱的向上串動。 　　螺栓銷鎖止機(jī)構(gòu)由上片、下片和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車輛底盤和電池箱焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定，通過鎖止螺栓和螺母的配合實(shí)現(xiàn)鎖止功能。 　　2.2 滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 　　在電池框下片底面設(shè)置有滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（圖2所示）。滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)設(shè)置有限位壁板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝定位，并通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部的萬向球，減小標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊安裝與拆卸時(shí)前后移動的阻力，在標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊移動時(shí)，相互之間為滑動摩擦。 　　2.3 壓緊機(jī)構(gòu) 　　在電池框內(nèi)部有壓緊機(jī)構(gòu)（圖2、圖4所示），用于標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。壓緊機(jī)構(gòu)由固定基座、蝶形導(dǎo)向螺栓、楔形壓緊塊和滑動塊組成。通過蝶形導(dǎo)向螺栓與固定基座的相對位移，帶動楔形壓緊塊的上下運(yùn)動，擠壓滑動塊沿著固定基座的導(dǎo)軌左左右滑動，從而擠壓標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊相對電池箱內(nèi)壁的移動，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的固定。 圖4 壓緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 　　2.4 設(shè)置電源總線與電池管理系統(tǒng)通訊線路插座 　　電池箱上蓋分別設(shè)置電源總線插座和電池管理系統(tǒng)通訊線路插座（圖1、圖2所示）。電動汽車上設(shè)有與所述插座配合的插頭。在電池箱安裝到位后，將電動汽車上的插頭與電池箱上的電源總線插座、電池管理系統(tǒng)通訊線路插座快速插接即可；同時(shí)，電源線與通訊線分開布置，可大大降低動力電流對通訊線路的干擾。 　　2.5 標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊 圖5 標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊示意圖 　　本電池快換系統(tǒng)的動力電池模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化（圖2、圖5 所示），具有通用性和互換性，方便安裝與拆除，可實(shí)現(xiàn)集中充電與快速更換的結(jié)合，對完善電動汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系具有一定的參考意義。 　　3 快速換電過程的具體實(shí)施 　　如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在動力電池箱內(nèi)部設(shè)有滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用于標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝與取出，通過滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及左右兩側(cè)設(shè)置的限位壁板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的滑動和安裝定位，并通過壓緊機(jī)構(gòu)擠壓標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊相對電池箱內(nèi)壁的移動，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。 　　通過固定銷鎖止機(jī)構(gòu)及螺栓鎖止機(jī)構(gòu)上片與車輛底盤、下片與電池箱側(cè)壁的焊接，以及鎖止螺栓與固定銷的插銷配合鎖止、鎖止螺栓與螺母的配合鎖止實(shí)現(xiàn)動力電池箱與車體的連接，并通過固定銷鎖止機(jī)構(gòu)的限位彈簧防止車輛顛簸時(shí)電池箱的向上串動，整個(gè)電池箱安裝完成。將電動汽車上的電源總線插頭、電池管理系統(tǒng)通訊線插頭與電池箱上蓋的電源總線插座、電池管理系統(tǒng)通訊線插座快速插接，即可完成電池組更換。反其道而行，即可完成電池組的拆卸。 　　整個(gè)過程動用的設(shè)備只有電池箱裝卸車（或者叉車），其他環(huán)節(jié)只用手動即可。 　　4 結(jié)論 　?。?） 用滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)及鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行電池箱的固定安裝，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)； 　?。?） 電池快速更換系統(tǒng)只需要增加電池的裝卸設(shè)備：裝卸車或者普通的叉車即可，不需要很大的資金投入就能實(shí)現(xiàn)電池的快速更換； 　?。?） 鎖止機(jī)構(gòu)不借助于外部動力源，只需操作者雙手即能實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)成熟，且成本低廉，易于在示范運(yùn)營車輛中推行； 　?。?） 動力電池模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，具有通用性和互換性，可實(shí)現(xiàn)集中充電與快速更換的結(jié)合，對完善電動汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系具有一定的參考意義，也為同類車型的相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒。（王 瑤　李 博　陳艷艷　劉 建　李 偉　河南　鄭州　鄭州日產(chǎn)汽車有限公司 450016）