電動(dòng)汽車電池快換裝置

高佳威　崔晨　顧天琪　史量元

摘 要：本文首先分析電動(dòng)汽車電池快換裝置的整體方案設(shè)計(jì)，并對提出的四種方案進(jìn)行比較，選出最為合適的方案，即方案一。該方案不僅安全，而且簡便。然后對所選的方案一進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)電池倉與快換裝置。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池快換裝置;方案設(shè)計(jì)

中圖分類號：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0090-02

A Quick-change Device for Electric Vehicle

GAO Jiawei CUI Chen GU Tianqi SHI Liangyuan

（Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211100）

Abstract： Firstly， this paper analysed the overall scheme design of battery quick-change device for electric vehicle， and compared the four schemes proposed， and chose the most suitable scheme， namely scheme one. The scheme was not only safe， but also simple. Then the first scheme was calculated. Finally， the battery bin and the quick-change device were designed according to the above analysis.

Keywords： electric vehicle;battery quick change device;scheme design

1 整體方案設(shè)計(jì)及其比較

已知汽車有關(guān)參數(shù)如下：總功率160kW;總扭矩310N·m;最高車速120km/h;車身長4 680mm，寬1 765mm，高1 500mm;前輪距1 525mm，后輪距1 520mm。由國標(biāo)《電工術(shù)語原電池和蓄電池基本信息》（GB/T 2900.41—2008）可選的電動(dòng)汽車電池箱的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為：長1 060mm，寬630mm，高250mm。電池箱的重量為500kg。電池采用整體的方式放置[1]。

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1.1 方案一。把電池倉和電池箱作為整體安裝在中部底板車架上。在車架上安裝一塊No.18的工字鋼做成的電池倉，鋼的長度1 120mm，寬度為800mm，厚度為230mm。在No.18工字鋼上挖一個(gè)槽，槽的長度為1 100mm，槽的寬度為690mm，槽的深度為220mm。利用槽的深度對電池的左右兩邊進(jìn)行限位。如果將電池箱安裝在中部底板車架上，乘客進(jìn)出較為頻繁，容易對電池造成損壞[2]。

1.1.2 方案二。把No.18工字鋼板做成的電池倉和電池箱安裝在后備箱。在第二種方案也是對No.18工字鋼進(jìn)行挖槽，槽的寬度為690mm、長度1 100mm、深度220mm。利用槽的深度對電池的左右兩邊進(jìn)行限位，在No.18工字鋼電池倉邊緣的左右兩邊30mm處設(shè)計(jì)一個(gè)固定定位銷（圓柱臺(tái)），因此，槽的深度可以更好地限制電動(dòng)汽車因顛簸而左右擺動(dòng)，固定定位銷可以更簡便、迅速地限制電池向上移動(dòng)，從而達(dá)到在安裝回去的過程中，電池箱不會(huì)因?yàn)槠囶嶔ざS意移動(dòng)。

1.1.3 方案三。將No.18工字鋼做成的電池倉和電池箱電池安裝在車頭前機(jī)艙處。因?yàn)樵谲囶^前機(jī)艙處比較密集，不便安裝在汽車的車頭處，而且，汽車在發(fā)生碰撞的過程中，正面發(fā)生碰撞的概率僅次于側(cè)面碰撞，達(dá)到28.21%。因此，電池放在車頭處容易引起碰撞而對電池產(chǎn)生擠壓使電池?fù)p壞，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生爆炸。此外，放在汽車的車頭處會(huì)加重車頭部分的質(zhì)量，導(dǎo)致前半部分的重量加重，影響汽車質(zhì)量分布、汽車驅(qū)動(dòng)及整體布置，同時(shí)也容易引起車頭部分的機(jī)械損傷。

1.1.4 方案四。如果將No.18工字鋼做成的電池倉和電動(dòng)汽車的電池箱電池安裝在電動(dòng)汽車的側(cè)面，汽車在行駛過程中很容易發(fā)生碰撞，因?yàn)樵谄嚺鲎仓校瑐?cè)面碰撞占的比率最高，達(dá)到了36.84%。同時(shí)，電動(dòng)汽車的電池安裝在側(cè)面不便于進(jìn)行更換，在換電池的過程中，需要把汽車上的相關(guān)零件取出，延長了更換電池的時(shí)間，極為不便。考慮碰撞后的安全性和快換時(shí)間的長短，電池放在側(cè)面部分的方案不可行。

1.2 方案對比

1.2.1 方案一。把No.18工字鋼電池倉和電池組放在后備箱經(jīng)過將No.18工字鋼進(jìn)行挖槽，可以更有效地減少因?yàn)殡妱?dòng)汽車在不平道路上行駛過程中隨意移動(dòng)，在No.18工字鋼上設(shè)計(jì)一個(gè)固定定位銷，可以有效限制電動(dòng)汽車在顛簸的道路上行駛而導(dǎo)致電池組向前移動(dòng)，從而有效固定電池組。此外，還要在車架上安裝滾筒裝置，在滾筒上設(shè)計(jì)限位的壁板，以便更好地限制快換過程中的位置。在電池箱安裝No.18工字鋼槽完畢后，在最后面用2塊壁板固定電動(dòng)汽車電池箱，防止電動(dòng)汽車電池箱移動(dòng)。此外，把No.18工字鋼安裝在車架的中部地板上更有利于平衡汽車前后的重量載荷，減小因汽車碰撞而造成電池?fù)p壞，且換電池時(shí)可以采用從后備箱拉出的方式進(jìn)行快速更換，既簡便，又安全。

1.2.2 方案二。將No.18工字鋼板塊電池倉和電池箱安裝在中部底板車架上，會(huì)因人為踩踏而對底板下的電池造成擠壓，加速電池的損壞，從而造成電池液泄露，對周圍環(huán)境造成污染。除此之外，如果電池?fù)p壞膨脹，還會(huì)對車的底板造成損壞。

1.2.3 方案三。把電池箱和No.18工字鋼電池倉安裝在車頭處，汽車會(huì)因發(fā)生碰撞而造成電池單體擠壓，電池單體的液體外泄，有一定的危險(xiǎn)性。汽車碰撞中，正面碰撞的概率僅次于側(cè)面碰撞，碰撞易導(dǎo)致電動(dòng)汽車電池?fù)p壞，有一定的危險(xiǎn)性。此外，電池箱本身很笨重，放在車頭處會(huì)加劇其的載荷，造成整輛車的重量分配不均勻。

1.2.4 方案四。汽車在碰撞中，側(cè)面發(fā)生碰撞的概率最大，達(dá)36.84%。因此，把電池箱安裝在側(cè)面會(huì)因汽車發(fā)生碰撞而對電池造成影響，加劇了危險(xiǎn)性。同時(shí)，把電池安裝在側(cè)面，在進(jìn)行快速更換時(shí)，需要把汽車的一些零部件取出，然后再進(jìn)行更換。此方法大大延長了更換的時(shí)間，且更換時(shí)的步驟較多，因此，電池安裝在電動(dòng)汽車的側(cè)面不符合要求。

綜上所述，經(jīng)過對以上四個(gè)方案進(jìn)行論證，決定選擇方案一，其不僅安全，而且簡便。

2 對所選方案進(jìn)行計(jì)算

選擇存放電池的板塊是No.18工字鋼制成，已知材料的許用應(yīng)力[σ]為170MPa，許用切應(yīng)力[τ]為100MPa。

確定最大彎矩和最大剪力，由對稱性可得該板的支撐反作用力為[F1=F2=4 900N]。

已知最大剪力和最大彎矩分別為[Fs]=4.9kN，Mmax=5.39kN·m。可進(jìn)行校核彎曲正應(yīng)力。

校核彎曲正應(yīng)力，對所選的No.18工字鋼進(jìn)行查表可知，No.18工字鋼的有關(guān)截面幾何參數(shù)為Wz=185cm3，d=6.5mm，[Iz：S*Z]=15.4cm。根據(jù)梁的彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件有

[σmax=Mmax÷WZ=5 390÷185×106=29.14×106Pa=29.14MPa<170MPa]? ?（1）

由此可見，鋼梁板的彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度符合要求。

校核鋼板梁的彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度。根據(jù)公式

[Tmax=Fs÷d×Iz：S*Z=4 900÷6.5×10-3×15.4×10-2Pa=48.95×105Pa]? ? ? ?（2）

鋼板的彎曲切應(yīng)力為48.95×105Pa=4.9MPa。而No.18的工字鋼的許用切應(yīng)力為100MPa，因?yàn)殇摪宓膹澢袘?yīng)力為48.95×105Pa=4.9MPa3 電池倉與快換裝置設(shè)計(jì)

3.1 電池倉的設(shè)計(jì)

根據(jù)所選標(biāo)準(zhǔn)電池箱的尺寸，對已經(jīng)選好做成電池倉材料No.18工字鋼進(jìn)行挖槽，在托架板工字鋼上挖槽的深度、寬度、長度分別為220、690mm和1 100mm，然后將標(biāo)準(zhǔn)電池箱放入工字鋼槽做成的電池倉中，最后把電池倉和電池箱當(dāng)作整體安裝在電動(dòng)汽車的車架底部，最后進(jìn)行電池倉的快換設(shè)計(jì)[3]。同時(shí)，在電池倉底部與電池之間安裝彈簧支架，側(cè)面不安裝。

固定框架的上端面一側(cè)采用鉸接軸鉸接設(shè)有上固定蓋板，固定框架的上端面另一側(cè)設(shè)置有鎖緊扣組件，鎖緊扣組件的頂面上固定設(shè)置有防水板，以防止電池遭到液體破壞。

3.2 電動(dòng)汽車的快換裝置

因電池安放于車身中部底架板上，底架板上方有座椅，取出較為麻煩，所以考慮從車身側(cè)面取出，即抽屜式取出，這樣所需的力較小，且更為方便。

在電池倉底部采用滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，能相對于底座滑動(dòng)，這樣在取出時(shí)減少了電池倉與四周的摩擦力，更為快捷。但需要加裝鎖止機(jī)構(gòu)，即在電池滑到剛好可以取出的位置時(shí)，有兩個(gè)突出的卡片可以阻礙滑輪繼續(xù)滾動(dòng)。

3.3 對托架板No.18工字鋼電池倉進(jìn)行設(shè)計(jì)

槽的深度為220mm，長度為1 100mm，寬度為690mm，而電池箱的長為1 060mm，寬為630mm，高為250mm，因此需要對電池箱進(jìn)行固定。在電池倉底部的四個(gè)角上各加裝一個(gè)螺釘進(jìn)行固定。在電池倉左右各安裝兩個(gè)直徑為20mm的圓柱臺(tái)，前后各安裝兩個(gè)直徑為30mm的圓柱臺(tái)，這樣可以防止電池箱的隨意晃動(dòng)。在電池倉的頂部，選擇安裝固定蓋，大小設(shè)計(jì)按照電池箱的實(shí)際尺寸進(jìn)行確定。

參考文獻(xiàn)：

[1]王永廉，馬景槐.工程力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]楊世春.電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3]李琤，安徽，姜能惠，等.一種汽車懸架振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)裝置[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（5）：74-78.