一種適用于電動乘用車底盤換電的電池鎖止機構(gòu)

王同斌， 戚暉， 趙金龍

（山東電力集團(tuán)電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002）

1 引 言

隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，為緩解石油資源短缺局面，降低汽車燃油對環(huán)境的污染，新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向之一。在實際應(yīng)用中，由于受到當(dāng)前電池能量密度的限制，電動汽車的續(xù)航里程一般在100～200km 之間。能否為電動汽車快速提供能量補給，直接影響到電動汽車的推廣應(yīng)用。通常情況下，對電池慢速充電需要幾個小時才能完成，快速充電會對電池的壽命產(chǎn)生影響，所以對電動車換電系統(tǒng)的研究非常有意義，對于底盤換電的乘用車，需要用鎖止機構(gòu)將滿電池牢固固定在車輛上，并能在需要換電時快速解鎖，鎖止機構(gòu)的性能尤為重要。

目前，電動乘用車動力電池大都采用螺栓連接方式安裝在車輛底盤之上，不利于動力電池的快速更換。設(shè)計合理的動力電池鎖止機構(gòu)，成為實現(xiàn)動力電池快速更換的關(guān)鍵因素之一。

2 設(shè)計思路

（1）設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，電池拆裝方便，易于生產(chǎn)加工且使用可靠性高的電動乘用車底盤電池鎖止機構(gòu)。

主要有以下幾方面考慮：①安全性好，電池重力豎直作用于車架大梁上，穩(wěn)定可靠；②體積較小，節(jié)省安裝空間，避免與車輛懸掛減震等部件干涉；③操作性能好，齒輪傳動使用條件要求較低；④結(jié)構(gòu)簡單，故障率低；⑤易于加工，便于維護(hù)。

（2）鎖止機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于滿足設(shè)備體積小、精度高、使用壽命長、承重能力強、傳動比大和溫度環(huán)境適合能力強等具體要求。電機運行于特定的功率范圍內(nèi)，達(dá)到所需的輸出轉(zhuǎn)矩。采用三角形固定方式的直流電機作為動力輸出機構(gòu)，直流電機、傳動齒輪、掛鉤安裝于安裝板上。采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器，減速器的輸出軸端安裝小齒輪，小齒輪與固定在安裝板上的大齒輪嚙合，通過軸傳遞動力到掛鉤上，從而實現(xiàn)機構(gòu)的鎖止和解鎖功能。電池箱鎖止機構(gòu)的機械設(shè)計圖及與電池的裝配圖如圖1、圖2 所示。

圖1 電池箱鎖止機構(gòu)設(shè)計圖

圖2 鎖止機構(gòu)與車輛底盤懸掛裝置裝配圖

3 工作原理

圖3 所示的電動乘用車底盤電池鎖止機構(gòu)主要由機械部分和電氣部分組成。機械部分包括機架，掛鉤齒輪與掛鉤安裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸安裝在機架上，在轉(zhuǎn)軸的軸端設(shè)有至少一個軸向限位器；在機架上還安裝電機，電機與電機減速器連接，電機減速器輸出端與電機齒輪連接，電機齒輪與掛鉤齒輪嚙合。

電氣部分包括安裝在掛鉤齒輪下部的位置傳感器，它通過狀態(tài)采集板與控制板連接，控制板與電機驅(qū)動模塊、電源連接，驅(qū)動電機運動；同時控制板還分別與輸入電路和顯示電路以及車輛總控臺和后臺監(jiān)控設(shè)備通信。

機架由機架橫板、機架豎板以及轉(zhuǎn)軸安裝座組成，機架豎板與轉(zhuǎn)軸安裝座均固連在機架橫板上；轉(zhuǎn)軸安裝在轉(zhuǎn)軸座中，電機和位置傳感器均安裝在機架豎板上。電機減速器為蝸輪蝸桿減速器。轉(zhuǎn)軸通過平鍵與掛鉤齒輪和掛鉤連接。軸向限位器為彈性擋圈?？刂瓢逋ㄟ^無線通訊模塊與后臺監(jiān)控設(shè)備連接。控制板通過CAN 通信模塊與車輛中控臺連接。

本設(shè)計采用了獨立的電氣控制部分，通過位置傳感器檢測鎖止機構(gòu)的狀態(tài)，并能夠根據(jù)車輛中控臺以及后臺監(jiān)控設(shè)備的命令在需要時進(jìn)行解鎖或鎖止；由于采用齒輪嚙合傳動通過掛鉤鎖止的方式，其穩(wěn)定性好，同時也減少了整個鎖止機構(gòu)的體積，易于安裝維護(hù)。

圖3 電池鎖止機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4 具體實施方式

電池鎖止機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3，圖3（a）為圖3 的俯視圖；圖3（b）為圖3 的側(cè)視圖。圖3（a）、圖3（b）為本設(shè)計的機械部分：電機308 的轉(zhuǎn)動通過電機減速器307 減速后傳動到電機齒輪303，電機齒輪303 與掛鉤齒輪304 嚙合，實現(xiàn)掛鉤齒輪304 轉(zhuǎn)動，掛鉤齒輪304 與轉(zhuǎn)軸302 為平鍵連接，轉(zhuǎn)軸302 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸302 與掛鉤311 之間為平鍵連接，實現(xiàn)掛鉤311 轉(zhuǎn)動。

機架為各部件提供安裝支撐，由機架橫板309、機架豎板310 及轉(zhuǎn)軸安裝座312 三部分組成，機架豎板310與轉(zhuǎn)軸安裝座312 均焊接在機架橫板309 上；在掛鉤齒輪304 下部設(shè)有位置傳感器301，位置傳感器301 安裝在機架豎板310 上并與鎖止機構(gòu)控制板連接，鎖止機構(gòu)控制板安裝在車輛后排座椅下。電機308 通過電機安裝螺栓306 安裝在機架豎板310 上。

轉(zhuǎn)軸302 兩端穿過轉(zhuǎn)軸安裝座312 上的軸孔，軸端有若干彈性擋圈305 軸向限位；

圖4

圖5401.車架大梁 402.電池鎖止機構(gòu) 403.電池掛鼻

鎖止機構(gòu)與車體及電池連接如圖4 所示，鎖止機構(gòu)402 通過其上結(jié)構(gòu)機架橫板309 與車架大梁401 通過螺栓連接，鎖止機構(gòu)402 上的掛鉤311 與電池掛鼻403 鉤住或打開，實現(xiàn)底盤電池的鎖止與解鎖。

圖5 為電子鎖組合裝置與電池懸掛組合裝置裝配圖，共使用四套，對稱布置，安裝于車架大梁正下方。

當(dāng)安裝電池時，電池送到位后，控制板發(fā)出鎖止信號，電機308 轉(zhuǎn)動，通過電機減速器307 減速后傳動到電機齒輪303，電機齒輪303 與掛鉤齒輪304 嚙合，實現(xiàn)掛鉤齒輪轉(zhuǎn)動304，掛鉤齒輪304 帶動轉(zhuǎn)軸302 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸302 帶動掛鉤311 轉(zhuǎn)動，掛鉤311 與電池掛鼻403 鉤住，位置傳感器301 判斷是否鎖止到位，當(dāng)鎖止到位后，位置傳感器301 發(fā)出信號給控制板，控制板控制電機308 停止旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鎖止。

卸電池時，電池由卸電池裝置托舉到位后，控制板發(fā)出解鎖信號，電機308 反向轉(zhuǎn)動，通過電機減速器307 減速后傳動到電機齒輪303，電機齒輪303 與掛鉤齒輪304嚙合，實現(xiàn)掛鉤齒輪反向轉(zhuǎn)動304，掛鉤齒輪304 帶動轉(zhuǎn)軸302 反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸302 帶動掛鉤311 反向轉(zhuǎn)動，掛鉤311 與電池掛鼻403 脫鉤，位置傳感器301 判斷是否解鎖到位，當(dāng)解鎖到位后，位置傳感器301 發(fā)出信號給控制板，控制板控制電機308 停止旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)解鎖。

5 使用效果

通過試運行表明

（1）電動乘用車在行駛過程中電池能夠被牢固可靠地固定在車輛底盤上；（2）電動乘用車在換電模式下，鎖止機構(gòu)可實現(xiàn)快速解鎖，實現(xiàn)電池與車體分離；（3）利用該設(shè)計可實現(xiàn)電池鎖止及解鎖的自動化，可大大提高工作效率，促進(jìn)電動汽車的推廣應(yīng)用。該設(shè)計的應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。