手動換電設(shè)備夾具結(jié)構(gòu)分析

李艷芳

摘 要：目前，當(dāng)電動汽車行駛一定里程，汽車內(nèi)動力電池電量降低，進(jìn)行電量補(bǔ)充分主要為充電和換電兩大類模式。相比較于充電模式，換電模式是直接采取對車內(nèi)電池進(jìn)行快速更換，能夠使電動汽車在相對較短的時(shí)間內(nèi)得到電量補(bǔ)充。手動換電設(shè)備作為自動換電設(shè)備的重要備份，在電池的日常保養(yǎng)維護(hù)以及電池箱起火等緊急情況下發(fā)揮著不可替代的作用。手動換電設(shè)備夾具（后文簡稱夾具）作為在換電過程中承載固定電池箱的主要部件，研究其在特定工況下的應(yīng)力和位移分布并優(yōu)化剛度和強(qiáng)度薄弱部位十分重要。

關(guān)鍵詞：手動換電設(shè)備;夾具結(jié)構(gòu)

前言

電池不支持快充成為制約快速發(fā)展的瓶頸，在繁忙的網(wǎng)絡(luò)中迅速的換電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)油然而生，這就需要相應(yīng)的快速、自動、可靠的換電設(shè)備。由于土地資源在城市發(fā)展中日益緊張，因此一步式換電設(shè)備因占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊，目前已經(jīng)成為主要的換電模式。國內(nèi)外針對電動汽車電池快速更換技術(shù)的研究主要集中在快換電池箱箱體、鎖止機(jī)構(gòu)和連接器上，對換電設(shè)備的結(jié)構(gòu)仿真分析還較少。

一、手動換電設(shè)備

1.早期。兩步式電池更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1 組、有軌巷道堆垛機(jī)1 臺、機(jī)械手2臺、擺渡穿梭車2 臺及控制柜系統(tǒng)1 套。更換過程：有軌巷道堆垛機(jī)、機(jī)械手和擺渡穿梭車配合共同完成。其中，有軌巷道堆垛機(jī)和機(jī)械手各在電池架的一側(cè)，穿梭車在電池架下方。有軌巷道堆垛機(jī)負(fù)責(zé)從電池架上取放電池，機(jī)械手負(fù)責(zé)從車上取放電池，而擺渡穿梭車位于電池架的下方，作為在兩者之間傳遞電池的通道。三種設(shè)備互相配合，流水線操作，完成大巴車電池的更換。取放電池能力方面，堆垛機(jī)、機(jī)械手每次最多取放1 箱電池，穿梭車上有2 個(gè)電池位，用于堆垛機(jī)和機(jī)械手電池的交換。堆垛機(jī)、機(jī)械手都具有升降、沿軌道行走和取放電池三個(gè)方向動作，穿梭車只有沿軌道行走一個(gè)方向動作。

2.中期。一步式自旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1 組、自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人1套。更換過程：自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人可獨(dú)立完成整個(gè)換電過程。自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人可依次從電池架上和車上取電池，每次最多可以取4箱，取完后，除底座外，整體在水平方向旋轉(zhuǎn)180°，然后依次把電池存入電池架上或裝入電動大巴車內(nèi)。取放電池能力方面，自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人每次最多可以同時(shí)取放4 箱電池，而且車上取下后，還可以繼續(xù)從電池架上取，也就是說，換電機(jī)器人上最多可以同時(shí)有8箱電池。自旋轉(zhuǎn)機(jī)器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和水平方向旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向動作。

3.終期。一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1 組、內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人1套。更換過程：內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人獨(dú)立完成整個(gè)換電過程。內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人有兩個(gè)取放電池格位，每個(gè)格位都可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)器人憑借這兩個(gè)格位的取放電池和旋轉(zhuǎn)，使電池得以從電池架和車輛之間更換。取放電池能力方面，內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人每次最多可以取放2 箱電池，即每次在車輛側(cè)或者電池架側(cè)，最多可以完成2箱電池的更換。內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和電池格位水平方向旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向動作。

二、手動換電設(shè)備夾具結(jié)構(gòu)

1.行走單元采用四輪結(jié)構(gòu)，兩輪驅(qū)動形式，由車架、驅(qū)動輪、隨動輪、控制柜、供電系統(tǒng)及驅(qū)動電機(jī)等組成。其中車架是行走單元主體，骨架的作用。車架采用型材焊接框架，電機(jī)減速機(jī)選擇，主要是選擇減速機(jī)的減速比，減速機(jī)輸出扭矩，輸出轉(zhuǎn)數(shù)，以及電機(jī)扭矩和功率的確定，車架采用型材焊接，兩側(cè)行走輪安裝面固定，舉升安裝面施加壓力以及自重，然后進(jìn)行分析。一步式換電設(shè)備整體完全組裝完成后，插入式圓柱形吊耳插入側(cè)面的4 個(gè)孔，利用吊帶進(jìn)行吊裝，分析車體的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)過分析車架的強(qiáng)度和剛度，行走單元車架完全滿足正常使用狀態(tài)的要求，也完全滿足設(shè)備在吊裝時(shí)的要求，能夠保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

2.夾具前處理。一個(gè)高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元模型，與多種軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。將簡化后的幾何模型以格式導(dǎo)入后，抽取各個(gè)部件的中面，并進(jìn)一步進(jìn)行幾何清理，對各個(gè)部件進(jìn)行必要的切分以改善模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。切分完成后，進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，得到四邊形單元和單元節(jié)點(diǎn)，夾具的不同零部件之間的網(wǎng)格是不連續(xù)的，因此需要模擬焊接、膠接或者螺栓連接等連接方式。提供了兩種解決不同類型單元自由度不連續(xù)問題的方法，即節(jié)點(diǎn)耦合法與接觸裝配法。在此次分析中，使用節(jié)點(diǎn)耦合法來模擬部件之間的焊接，即在焊接位置使用單元將兩個(gè)部件的單元節(jié)點(diǎn)耦合起來。

3.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。夾具的最大變形出現(xiàn)在夾具兩側(cè)的中部，最大變形量這反映出夾具在方向上的剛度相對較差。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鎖止機(jī)構(gòu)盒處，此外中間梁加強(qiáng)筋、框架縱梁的應(yīng)力也較大，但均未超出材料的屈服極限，因此滿足設(shè)計(jì)要求。夾具前模態(tài)的振型主要表現(xiàn)為夾具臺面的局部振動與夾具整體框架繞軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)。這再一次反映了夾具整體框架在方向上的剛度相對較差，同時(shí)，夾具臺面中部的剛度也不理想，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)這兩處的剛度。由最大變形出現(xiàn)的部位以及后來的模態(tài)分析夾具在方向上的剛度相對較差，因此，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)增加框架橫梁的數(shù)量或壁厚，以提高整體剛度。

4.一步式自旋轉(zhuǎn)方案中，自旋轉(zhuǎn)、行走和升降各需要伺服電機(jī)系統(tǒng)，取放電池需要伺服電機(jī)系統(tǒng)。一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案中，行走和升降各需要1 套伺服電機(jī)系統(tǒng)，取放電池和內(nèi)旋轉(zhuǎn)各需要2 套伺服電機(jī)系統(tǒng)，總計(jì)需要伺服電機(jī)系統(tǒng)。僅從電機(jī)系統(tǒng)看，一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案造價(jià)最低，加之其結(jié)構(gòu)最簡單，所需的傳感器也最少，控制邏輯相對簡單，軟件和主控制器成本也更低。

結(jié)束語

由模態(tài)分析可以看出，夾具臺面中部的局部剛度較差，因此，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)布置一些加強(qiáng)筋，以提高臺面中部的局部剛度。換電站一半選址位于城市交通樞紐附件或中心區(qū)域，因此換電設(shè)備的占地面積對換電站的選址及整體方案布置至關(guān)重要。另外，在土地成本日益高漲的今天，如果能減少換電設(shè)備的占地面積，能夠大大提高項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性。

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