深度解讀電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池標準化快換結構設計

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)以其節能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展，但由于車(chē)載動(dòng)力電池的能量密度尚不夠理想，電動(dòng)汽車(chē)單次充電的續駛里程較短，而電池每次充電的時(shí)間又太長(cháng)，讓電動(dòng)汽車(chē)的使用和推廣受到嚴重限制，因此，應用在電動(dòng)汽車(chē)上的動(dòng)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(dòng)汽車(chē)換電設施建設正處于示范、試點(diǎn)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(zhù)一批電池更換站示范工程的建設和成功運營(yíng)，電動(dòng)汽車(chē)電池更換系統的規范化日益迫切，市場(chǎng)對具有通用性的標準化快換電池模塊的要求日益明顯。為了支撐電動(dòng)汽車(chē)電池更換站的規范建設，完善電動(dòng)汽車(chē)充換電設施標準體系，具有通用性的標準化電池模塊快換系統得到了更多的研究。

2010年上海世博會(huì )期間，由北京理工大學(xué)研發(fā)的具有標準化電池模塊的純電動(dòng)電池快換客車(chē)，采用集中充電與快速更換相結合的運行機制，為確保世博會(huì )電動(dòng)客車(chē)能夠有效地延長(cháng)運行應用時(shí)間、擴大運行區域、增加運行里程、提供高效的運行服務(wù)提供了能源保障。上海世博會(huì )期間的電池快速更換模式，也為電動(dòng)汽車(chē)充換電設施標準體系的建設，提供了一定的參考。其中，電池更換機器人的使用雖然使得世博客車(chē)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(chē)平臺設計的具有標準化電池模塊的新型電動(dòng)汽車(chē)電池快速更換結構，在設備投入較少的情況下，實(shí)現車(chē)載動(dòng)力電池的快速拆卸與安裝。

1. 電池箱上蓋 2. 通訊線(xiàn)插座 3.電源總線(xiàn)插座 4. 螺栓鎖止機構 5.電池箱下蓋 6.固定銷(xiāo)鎖止機構

圖1 電池箱外部結構示意圖

1.電池箱下蓋 2.電源總線(xiàn)和通訊線(xiàn)插座 3.壓緊機構 4.標準化電池模塊 5. 滾動(dòng)導向機構

圖2 電池箱內部結構示意圖

2 電池快速的結構實(shí)現

如圖1、圖2所示，電池箱的外壁設置有固定銷(xiāo)鎖止機構及螺栓鎖止機構，其上部與車(chē)體焊接，實(shí)現電池箱與車(chē)體的連接固定;電池箱上蓋分別設置了動(dòng)力電池電源總線(xiàn)插座和電池管理系統通訊線(xiàn)插座;電池箱內部設置有用于方便標準化電池模塊安裝的滾動(dòng)導向機構及限制標準化電池模塊在電池箱體內運動(dòng)的壓緊機構，實(shí)現標準化電池模塊在電池箱內的固定。

2.1 快速鎖止機構

車(chē)載動(dòng)力電池的在車(chē)輛運行過(guò)程中，隨車(chē)體一起經(jīng)受震動(dòng)與顛簸，因此，考慮快速更換的同時(shí)，鎖緊機構必不可少。

圖3 快速鎖止機構結構示意圖

在電池框側壁設置有固定銷(xiāo)鎖止機構和螺栓鎖止機構(圖1、圖3所示)。固定銷(xiāo)鎖止機構由上片、下片、固定銷(xiāo)、限位彈簧、定位彈簧和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車(chē)輛底盤(pán)和電池箱焊接，實(shí)現電池箱與車(chē)體的連接固定，通過(guò)拉伸定位彈簧實(shí)現固定銷(xiāo)與鎖止螺栓的插銷(xiāo)配合鎖止，并通過(guò)限位彈簧防止車(chē)輛顛簸時(shí)電池箱的向上串動(dòng)。

螺栓銷(xiāo)鎖止機構由上片、下片和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車(chē)輛底盤(pán)和電池箱焊接，實(shí)現電池箱與車(chē)體的連接固定，通過(guò)鎖止螺栓和螺母的配合實(shí)現鎖止功能。

2.2 滾動(dòng)導向機構

在電池框下片底面設置有滾動(dòng)導向機構(圖2所示)。滾動(dòng)導向機構的左右兩側設置有限位壁板，實(shí)現標準化電池模塊的安裝定位，并通過(guò)導向機構內部的萬(wàn)向球，減小標準化電池模塊安裝與拆卸時(shí)前后移動(dòng)的阻力，在標準化電池模塊移動(dòng)時(shí)，相互之間為滑動(dòng)摩擦。

2.3 壓緊機構

在電池框內部有壓緊機構(圖2、圖4所示)，用于標準化電池模塊在電池箱內部的固定。壓緊機構由固定基座、蝶形導向螺栓、楔形壓緊塊和滑動(dòng)塊組成。通過(guò)蝶形導向螺栓與固定基座的相對位移，帶動(dòng)楔形壓緊塊的上下運動(dòng)，擠壓滑動(dòng)塊沿著(zhù)固定基座的導軌左左右滑動(dòng)，從而擠壓標準化電池模塊相對電池箱內壁的移動(dòng)，實(shí)現標準化電池模塊的固定。

圖4 壓緊機構結構示意圖

2.4 設置電源總線(xiàn)與電池管理系統通訊線(xiàn)路插座

電池箱上蓋分別設置電源總線(xiàn)插座和電池管理系統通訊線(xiàn)路插座(圖1、圖2所示)。電動(dòng)汽車(chē)上設有與所述插座配合的插頭。在電池箱安裝到位后，將電動(dòng)汽車(chē)上的插頭與電池箱上的電源總線(xiàn)插座、電池管理系統通訊線(xiàn)路插座快速插接即可;同時(shí)，電源線(xiàn)與通訊線(xiàn)分開(kāi)布置，可大大降低動(dòng)力電流對通訊線(xiàn)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

本電池快換系統的動(dòng)力電池模塊設計標準化(圖2、圖5 所示)，具有通用性和互換性，方便安裝與拆除，可實(shí)現集中充電與快速更換的結合，對完善電動(dòng)汽車(chē)充換電設施標準體系具有一定的參考意義。

3 快速換電過(guò)程的具體實(shí)施

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在動(dòng)力電池箱內部設有滾動(dòng)導向機構用于標準化電池模塊的安裝與取出，通過(guò)滾動(dòng)導向機構及左右兩側設置的限位壁板，實(shí)現標準化電池模塊的滑動(dòng)和安裝定位，并通過(guò)壓緊機構擠壓標準化電池模塊相對電池箱內壁的移動(dòng)，實(shí)現標準化電池模塊在電池箱內部的固定。

通過(guò)固定銷(xiāo)鎖止機構及螺栓鎖止機構上片與車(chē)輛底盤(pán)、下片與電池箱側壁的焊接，以及鎖止螺栓與固定銷(xiāo)的插銷(xiāo)配合鎖止、鎖止螺栓與螺母的配合鎖止實(shí)現動(dòng)力電池箱與車(chē)體的連接，并通過(guò)固定銷(xiāo)鎖止機構的限位彈簧防止車(chē)輛顛簸時(shí)電池箱的向上串動(dòng)，整個(gè)電池箱安裝完成。將電動(dòng)汽車(chē)上的電源總線(xiàn)插頭、電池管理系統通訊線(xiàn)插頭與電池箱上蓋的電源總線(xiàn)插座、電池管理系統通訊線(xiàn)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。