電動汽車動力電池框快速升降裝置的設計研究*

車建華，袁道發，陳忠海，柳俊宇，羅學鵬

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電動汽車動力電池框快速升降裝置的設計研究*

車建華1，袁道發2*，陳忠海1，柳俊宇1，羅學鵬1

（1.康迪電動汽車（海南）有限公司，海南 海口 570100；2.海南大學 機電工程學院，海南 海口 570228）

論述了電動汽車整車充電模式和換電模式的特點，然后對市場上已有的動力電池更換模式進行歸納總結。文章為保證換電安全，解決更換過程耗時過長等問題，設計出一種新型動力電池框升降裝置。不僅降低了電動汽車的底盤高度，還減少了動力電池的更換時間。

電動汽車；換電模式；動力電池框；升降裝置

引言

電動汽車由于效率高、節能性好、噪聲低、無尾氣排放等優越性能得到了世界多數國家的認可[1]。目前，中國新能源汽車的市場規模、產量，以及電動化、智能化、輕量化的發展速度，均實現了國際領先[2]。但能源補充的效率問題是限制電動汽車推廣的一個重要因素。

電動汽車充電方式有整車充電式和換電式兩種，整車充電式可以分為整車慢速充電和整車快速充電，慢速充電需要4～8h，快充雖可高效充電，但是電池的使用壽命會受到明顯影響，此外快速充電對電網的運行穩定性有著不可忽視的影響。在快速充電時充電電流較大，充電機包含許多電力電子設備，負荷和諧波污染成為快速充電對電網運行穩定性影響的主要方面。同時，由于電池容量大，電動汽車數量增多，電網與電動汽車的交互技術也在不斷發展[3,4]，例如基于換電模式的V2G技術，在動力電池更換站中存儲有大量電池，將這些電池連接到電網，可以作為電網和可再生資源的緩沖，起到削峰填谷的作用[5,6]。

換電模式可以分為集中充電式和充換電式[7]。集中充電式是國家電網在2011年提出的新型換電模式，它是指在集散站集中儲存大量電池，統一分配，集中充電，并在配電站內為電動汽車提供電池更換服務。在這種工作模式中至少有2種類型的工作站，其中集中充電站可以對電池進行大規模充電，而配電站沒有充電功能，僅作為用戶可以獲得更換電池服務的場所。與采用充換電模式的電池更換站相比，該模式具有以下優點[8]：1）配電站不具備充電功能，沒有接入電網的問題，并且選址靈活。2）集中充電站可集中控制充電功率，有利于建立電網友好的充電方案，充電在時空隨機性方面具有優越性。充換電模式則以換電站為載體，這種電池換電站同時具備電池更換及電池充電功能，站內包括充電系統、供電系統、監控系統、電池更換系統、電池維護與檢測管理系統等部分[9]。根據所服務車型不同，換電站可以分為三類：乘用車電池更換站、商用車電池更換站和綜合型電池更換站。與集中充電模式相比，充換電模式的主要優點是無需考慮電池配送問題，電池充滿電即可用來滿足電動汽車換電需求[10]。

本文針對目前動力電池更換模式存在的能源補充效率和安全問題，設計了一種新型動力電池框快速升降裝置。此機構不僅可降低電動汽車的底盤高度還可減少動力電池安裝時間。

1 動力電池更換模式

目前的換電模式中的電池更換過程需要優化結構設計和提高安全性。電池容量的增加使得在更換不流暢時，連接的地方容易出現火花，產生危險[11]。此外，更換機構效率偏低，更換過程費時費力。鑒于目前的“換電”技術并不成熟，存在安全性和可靠性等方面的問題，業界對電動汽車動力電池的裝換機構設計需要進一步優化以滿足需求。

目前市場上動力電池更換模式分為3種：手動、半自動、以及全自動。手動更換模式特點是整個電池更換過程完全依靠專業技術人員的手動操作來完成。例如文獻[12]中設計的基于汽車本身的電池箱內的動力電池快速安裝機構，雖然這種機構原理簡單，但安全性差，更換速度慢，商業化推廣比較困難。

全自動更換模式可歸結為3種：多軸機器人旋轉換電、圓周軌道換電、快換手旋轉換電[13]。全自動更換模式的特點是動力電池快換裝置大多數獨立于電動汽車外，靠機器人或機械臂操作將電池箱內的動力電池取出，然后安裝上新的電池。安川首鋼機器人有限公司發明了一種應用于動力電池更換的電動汽車機器人自動換電裝置，并已經應用于部分城市的環衛車型中[14]；這種模式雖然節省了人力，但是更換過程中需要多次定位，消耗時間較長，并且機器人和機械臂購置和使用成本比較高。

相對而言，半自動更換模式的設備結構簡單，運行更可靠。市場上有一部分半自動更換模式是電動汽車的兩個動力電池對稱的設置在底盤兩側，在需要更換動力電池的時候，動力電池兩側的安裝框架旋轉，從而可以安裝和拆卸動力電池，但是這一類的裝置節省的時間有限，并且會造成電動汽車的底盤增高。

2 新型動力電池框升降裝置的設計

2.1 總體結構

本文設計了一種基于半自動更換模式的動力電池框快速升降裝置。此裝置由上框架和下框架兩大部分組成。上框架設有直線電機傳動裝置，主要負責驅動電池框的升降（如圖1所示）；下框架用來安裝與插接件插合的兩個動力電池（如圖2所示），其中的彈性座、插接口、定位凸塊等結構起到插接和導向的作用。

此升降機構能夠很好的解決電池在電池箱這種狹小空間的升降，此外下框架中的快速插接機構可以高效穩定的保持電池觸點的貼合與分離，導向機構還可以引導電池安裝時的電池姿態的調整，配合小型叉車便可以很快將換動力電池更換，這種設計不僅可以降低電動汽車的底盤高度還減少了動力電池安裝時間。

2.2 升降裝置上框架

圖1 上框架結構示意圖

1.上框架；2.下框架；3.第一固定板；4.第二固定板；5.折板；6.直線電機；7.轉軸；8.腰形孔；9.動力電池

升降裝置上框架設計如圖1所示。框架1的兩側分別固定有兩對向下延伸的第一固定板3和第二固定板4，4塊固定板作承載用。為了使電池框能夠在狹小空間內快速并穩定升降， 4塊固定板上分別設置4個對稱的直線電機。兩個相鄰固定板之間的“L”形折板5作為傳動元件與直線電機6相連，直線電機的驅動軸軸線與“L”形折板的轉動軸7垂直。“L”形折板的另一端與滑塊相連。工作時，4個直線電機驅動軸同步向外伸展，推動“L”形折板繞轉軸旋轉，進而驅使滑塊在下框架上的腰形孔8內運動，使上下框架產生相對運動。

2.3 升降裝置下框架

電池更換過程中既要避免電池與下框架發生碰撞，又要保證插接時電池與下框架的觸點牢靠穩定。因此下框架按功能可以分為插接和導向兩大部分。

如圖2所示，插接部分主要有：定位筒3，微調板4、導向擋板5、彈性座6和插接口7。在安裝動力電池時，只需要將動力電池上設有插頭的一端插入下框架即可，當出現歪斜的時候，由于動力電池插頭處定位桿的端部呈錐形，故錐尖在一定范圍內均可插入定位筒。定位筒下面的彈性座具有一定彈性，不僅可以略微形變避免定位筒損壞，還可以緩沖動力電池對微調板的沖擊力，這樣就能快速地將插頭插入接口，同時微調彈簧也可以進行形變，起到一定導向作用。同時在電動汽車運動時，微調彈簧還可以緩沖起動和制動時的加速度。

導向部分主要有：限位擋板8、導向擋板5、滑輪9、定位凸塊10。此設計可以實現在光線昏暗的環境下安裝電池。安裝時，只要初步將動力電池上滑槽的位置對準下框架上定位凸塊的位置，并通過定位凸塊上的導向傾角導向，能將原先偏離安裝位置的動力電池導回正確的安裝方向，從而實現快速安裝。

圖2 下框架結構示意圖

1.上框架；2.下框架；3.定位筒；4.微調板；5.導向擋板；6.彈性座；7.插接口；8.限位擋板；9.滑輪；10.定位凸塊

2.4 工作流程設計

在電動汽車的動力電池更換的過程中，直線電機工作，推動與直線電機的驅動軸鉸接的“L”形折板繞著轉軸旋轉。如圖1所示，與直線電機的驅動軸鉸接的折板的一端被向上旋轉推動，而另一端則向下旋轉，并推動滑塊在腰形孔內滑動，為了補償折板旋轉在橫向上的位置差從而使動力電池和下框架下降。框架上設置4個直線電機同時驅動下框架上下運動，4個對稱電機可以使下框架受力均勻，不易形變。同理當更換完電池的時候，只要控制直線電機反向運動，即可歸位。當動力電池上升的時候，限位塊底部的導向傾角，會對動力電池進行導向，逐漸向下框架內側推動，從而使動力電池與下框架上的插接件緊密插合。當上升完成后，限位塊又自動將動力電池橫向固定限位，從而減少人工固定的步驟，進一步加快動力電池的更換速度，這樣就能在電動汽車的底部狹小的空間內實現框架的升降。通過在上框架上設置橫向工作的直線電機，在整體安裝和工作時，均不會影響電動汽車的底盤高度，從而降低電動汽車的底盤高度，提高電動汽車整體的行駛性能。

動力電池更換試驗表明：動力電池框的下降時間和上升時間均為8s，動力電池的抽出時間和推入時間分別為18s和10s，此外加上工作人員操作叉車進行新、舊電池人工更換的時間，整個更換過程用時一般不超過3分鐘，有較強的市場競爭力和應用前景。

3 結束語

本文闡述了充電與換電模式的利弊，基于換電模式設計了一款新型動力電池框升降機構。為保證換電時的平穩快速，一方面，設計了采用直線電機驅動的上框架，使電池能夠在狹小空間內快速升降；另一方面下框架起到良好的插接與導向作用，保證了換電過程中的安全和平穩。而且整個更換過程耗時較短。

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Study on the Design and Research of Fast lifting device for Electric vehicle Power Battery frame*

Che Jianhua1, Yuan Daofa2*, Chen Zhonghai1, Liu Junyu1, Luo Xuepeng1

( 1.Conti electric vehicle (Hainan) Co., Ltd., Hainan Haikou 570100; 2. Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Hainan Haikou 570228 )

This paper discusses the characteristics of charging mode and switching mode of electric vehicles, and then summarizes the existing replacement modes of power batteries in the market. In order to ensure the safety of electricity and solve the problems such as excessive time-consuming in the process of replacement. A new type of power battery frame lifting device is designed in this paper, which not only reduces the chassis height of the electric vehicle, but also short the loading and changing time of the power battery.

Electric Vehicle; The Battery-swapping Mode; Power Battery Frame; Lifting Device

U469.72+2

A

1671-7988(2019)08-07-03

U469.72+2

A

1671-7988(2019)08-07-03

車建華（1964-），男，高級工程師，總工程師，本科，就職于康迪電動汽車（海南）有限公司。研究方向：新能源汽車技術。

海南省重點科技計劃項目（ZDKJ2017010）。

通訊作者：袁道發（1997-），男，本科，就讀于海南大學機電工程學院車輛工程專業。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.002