鉅大LARGE | 點擊量：781次 | 2023年08月08日
電動汽車動力鋰電池快換更換結(jié)構(gòu)設(shè)計
【摘要】為了解決電動汽車充電時間長、一次充電續(xù)駛里程短的問題，并為以后電池租賃、聚集充電的電動汽車換電模式標準體系推廣打下基礎(chǔ)，本文提出了一種具有通用性和互換性的標準化電池模塊的動力鋰電池快換機構(gòu)。利用鎖止機構(gòu)、滾動導向機構(gòu)、壓緊機構(gòu)，通過機械或人工方式快速實現(xiàn)車載動力鋰電池的拆卸與裝配，更換過程操作簡單，電池固定可靠，已在純電動汽車上成功使用。同時，該快換系統(tǒng)的動力鋰電池模塊設(shè)計標準化，具有通用性和互換性，對完善電動汽車充換電設(shè)施標準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)勢得到了快速發(fā)展，但由于車載動力鋰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間又太長，讓電動汽車的使用和推廣受到嚴重限制，因此，使用在電動汽車上的動力鋰電池快速更換技術(shù)也成為了新能源范疇的研究熱點。
同時，由于目前電動汽車換電設(shè)施建設(shè)正處于示范、試點與推廣階段，相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準正在研究和制定中。隨著一批電池更換站示范工程的建設(shè)和成功運營，電動汽車電池更換系統(tǒng)的規(guī)范化日益急切，市場對具有通用性的標準化快換電池模塊的要求日益分明。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)施標準體系，具有通用性的標準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，由北京理工大學研發(fā)的具有標準化電池模塊的純電動電池快換客車，采用聚集充電與快速更換相結(jié)合的運行機制，為確保世博會電動客車能夠有效地延長運行使用時間、張大運行區(qū)域、新增運行里程、供應高效的運行服務供應了能源保障。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)施標準體系的建設(shè)，供應了一定的參考。其中，電池更換機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，但同時也為換電模式新增了巨大的成本。本文解析一種基于輕型商用車平臺設(shè)計的具有標準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，實現(xiàn)車載動力鋰電池的快速拆卸與安裝。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.電池箱上蓋2.通訊線插座3.電源總線插座4.螺栓鎖止機構(gòu)5.電池箱下蓋6.固定銷鎖止機構(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.壓緊機構(gòu)4.標準化電池模塊5.滾動導向機構(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)置有固定銷鎖止機構(gòu)及螺栓鎖止機構(gòu)，其上部與車體焊接，實現(xiàn)電池箱與車體的連接固定；電池箱上蓋分別設(shè)置了動力鋰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)置有用于方便標準化電池模塊安裝的滾動導向機構(gòu)及限制標準化電池模塊在電池箱體內(nèi)運動的壓緊機構(gòu)，實現(xiàn)標準化電池模塊在電池箱內(nèi)的固定。
2.1快速鎖止機構(gòu)
車載動力鋰電池的在車輛運行過程中，隨車體一起經(jīng)受震動與顛簸，因此，考慮快速更換的同時，鎖緊機構(gòu)必不可少。
圖3快速鎖止機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
在電池框側(cè)壁設(shè)置有固定銷鎖止機構(gòu)和螺栓鎖止機構(gòu)（圖1、圖3所示）。固定銷鎖止機構(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，實現(xiàn)電池箱與車體的連接固定，通過拉伸定位彈簧實現(xiàn)固定銷與鎖止螺栓的插銷配合鎖止，并通過限位彈簧戒備車輛顛簸時電池箱的向上串動。
螺栓銷鎖止機構(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現(xiàn)鎖止功能。
2.2滾動導向機構(gòu)
在電池框下片底面設(shè)置有滾動導向機構(gòu)（圖2所示）。滾動導向機構(gòu)的左右兩側(cè)設(shè)置有限位壁板，實現(xiàn)標準化電池模塊的安裝定位，并通過導向機構(gòu)內(nèi)部的萬向球，減小標準化電池模塊安裝與拆卸時前后移動的阻力，在標準化電池模塊移動時，相互之間為滑動摩擦。
2.3壓緊機構(gòu)
在電池框內(nèi)部有壓緊機構(gòu)（圖2、圖4所示），用于標準化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。壓緊機構(gòu)由固定基座、蝶形導向螺栓、楔形壓緊塊和滑動塊組成。通過蝶形導向螺栓與固定基座的相對位移，帶動楔形壓緊塊的上下運動，擠壓滑動塊沿著固定基座的導軌左左右滑動，從而擠壓標準化電池模塊相對電池箱內(nèi)壁的移動，實現(xiàn)標準化電池模塊的固定。
圖4壓緊機構(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，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標準化電池模塊
圖5標準化電池模塊示意圖
本電池快換系統(tǒng)的動力鋰電池模塊設(shè)計標準化（圖2、圖5所示），具有通用性和互換性，方便安裝與拆除，可實現(xiàn)聚集充電與快速更換的結(jié)合，對完善電動汽車充換電設(shè)施標準體系具有一定的參考意義。
3、快速換電過程的詳盡實行
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在動力鋰電池箱內(nèi)部設(shè)有滾動導向機構(gòu)用于標準化電池模塊的安裝與取出，通過滾動導向機構(gòu)及左右兩側(cè)設(shè)置的限位壁板，實現(xiàn)標準化電池模塊的滑動和安裝定位，并通過壓緊機構(gòu)擠壓標準化電池模塊相對電池箱內(nèi)壁的移動，實現(xiàn)標準化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。
通過固定銷鎖止機構(gòu)及螺栓鎖止機構(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現(xiàn)動力鋰電池箱與車體的連接，并通過固定銷鎖止機構(gòu)的限位彈簧戒備車輛顛簸時電池箱的向上串動，整個電池箱安裝完成。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，即可完成電池包更換。反其道而行，即可完成電池包的拆卸。
整個過程動用的設(shè)備惟有電池箱裝卸車（或者叉車），其他環(huán)節(jié)只用手動即可。
4、結(jié)論
（1）用滾動導向機構(gòu)、壓緊機構(gòu)及鎖止機構(gòu)進行電池箱的固定安裝，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)；
（2）電池快速更換系統(tǒng)只要新增電池的裝卸設(shè)備：裝卸車或者一般的叉車即可，不要很大的資金投入就能實現(xiàn)電池的快速更換；
（3）鎖止機構(gòu)不借助于外部動力源，只需操作者雙手即能實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)成熟，且成本低廉，易于在示范運營車輛中推行；
（4）動力鋰電池模塊設(shè)計標準化，具有通用性和互換性，可實現(xiàn)聚集充電與快速更換的結(jié)合，對完善電動汽車充換電設(shè)施標準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)供應借鑒。（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）
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