抽拉式動力電池承載裝置及其控制策略*

□ 陳 剛 □ 陳 標(biāo)

湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院 湖南株洲 412001

1 設(shè)計背景

隨著電動汽車技術(shù)的不斷成熟,電動汽車因環(huán)保優(yōu)勢和電能成本優(yōu)勢逐漸受到廣大消費者的青睞,廣大汽車消費者逐漸從燃油車轉(zhuǎn)向電動汽車。在電動汽車領(lǐng)域,消費者關(guān)注的主要焦點是動力電池的充電時間和充電后的使用時長。

對于動力電池,充電有兩種主要方式。一種方式是通過充電器直接給動力電池充電,缺點是充電時間長,充電有可能產(chǎn)生過熱,導(dǎo)致不安全。另一種方式是使用換電技術(shù),將電量不足的動力電池拆下,換上充滿電量的動力電池,這樣電動汽車的充電時間實際上就是更換動力電池的時間,無需充電等待時間,從而提高效率。在現(xiàn)有的換電技術(shù)中,動力電池大多采用螺栓緊固在汽車底盤上,換電時通過外置升降機(jī)構(gòu)將整個動力電池包托舉換下,再將備用動力電池?fù)Q上。這一更換工藝使緊固動力電池的螺栓需進(jìn)行反復(fù)多次的充分松緊,容易損壞。同時安裝孔的對中操作不方便,拆裝煩瑣,換電過程較費時。由此可見,現(xiàn)有換電技術(shù)存在四方面不足。一是操作不便,需要通過人工方式借助外置設(shè)備進(jìn)行動力電池的更換,費時費力。二是動力電池承載結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間設(shè)計不合理。三是維護(hù)麻煩,故障率高,且使用壽命短。四是無法對動力電池進(jìn)行信息采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,設(shè)計了抽拉式動力電池承載裝置及其控制策略。

2 動力電池承載裝置整體設(shè)計

為了解決操作的便捷性問題,所設(shè)計的動力電池承載裝置采用電機(jī)驅(qū)動,整體結(jié)構(gòu)主要包括以電機(jī)為動力源的雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)、承載導(dǎo)軌,如圖1所示。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)與絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)的絲桿連接,用于驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn),從而通過絲桿螺母傳動嚙合,帶動螺母進(jìn)行往復(fù)直線移動,進(jìn)而帶動承載托盤機(jī)構(gòu)伸出與縮回。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)中的一個齒輪安裝在電機(jī)的輸出軸上,另一個齒輪安裝在絲桿的一端。驅(qū)動電機(jī)、絲桿軸承座、承載導(dǎo)軌底座均安裝在車輛底盤上。

圖1 動力電池承載裝置整體結(jié)構(gòu)

雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)通過設(shè)置雙齒輪,使電機(jī)位于絲桿的一側(cè),承載托盤機(jī)構(gòu)則位于絲桿的另一側(cè)。一方面,雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)三者以依次平鋪的方式進(jìn)行連接,使承載模塊的整體空間設(shè)計更為合理,有效控制和減小承載模塊的整體厚度,便于安裝在車輛底盤上,節(jié)省占用車輛底盤或車輛厚度空間。另一方面,雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,因此能有效降低承載模塊的運(yùn)行故障率,并且在進(jìn)行故障檢查和維護(hù)時也可一目了然,方便省力。

3 承載托盤機(jī)構(gòu)

承載托盤機(jī)構(gòu)用于放置動力電池,橫向剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括用于承載動力電池的承載托盤、與承載托盤連接的托盤耳座、用于將動力電池固定在承載托盤上的鎖緊裝置,托盤耳座與螺母連接。為了確保安放動力電池后的固定鎖緊性能,防止車輛運(yùn)動過程中顛簸帶來的動力電池動態(tài)位移,在承載托盤的外側(cè)設(shè)計有鎖緊裝置,包括浮動夾板和鎖緊部件。浮動夾板通過鎖緊部件可以進(jìn)行位移調(diào)節(jié),確保動力電池放置的方便性和鎖緊的可靠性。為了起到緩沖作用,在承載托盤內(nèi)側(cè)設(shè)計有緩沖內(nèi)襯。

圖2 承載托盤機(jī)構(gòu)橫向剖面結(jié)構(gòu)

4 承載導(dǎo)軌

承載導(dǎo)軌用于支撐承載托盤機(jī)構(gòu)往復(fù)移動。由于汽車動力電池自身質(zhì)量較大,因此在設(shè)計承載導(dǎo)軌時,既需要考慮實現(xiàn)有效承載,又需要考慮往復(fù)移動的省力需要。承載導(dǎo)軌安裝在車輛底盤上,承載托盤機(jī)構(gòu)通過絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)的作用,沿承載導(dǎo)軌移動。

承載導(dǎo)軌橫向剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示,承載導(dǎo)軌縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括固定基座、導(dǎo)軌滑板、若干圓柱滾動體、保持架、側(cè)圍導(dǎo)向板等。在固定基座上設(shè)計有若干曲面凹槽,相同數(shù)量的圓柱滾動體均勻間隔且平行嵌入放置在固定基座的曲面凹槽中。圓柱滾動體在曲面凹槽中相對于曲面凹槽凸出,以便支撐導(dǎo)軌滑板。保持架用于對圓柱滾動體進(jìn)行限位,防止脫離曲面凹槽。導(dǎo)軌滑板嵌套安裝在圓柱滾動體的上方,兩者之間形成滾動副。固定基座安裝在車輛底盤上。

圖3 承載導(dǎo)軌橫向剖面結(jié)構(gòu)

圖4 承載導(dǎo)軌縱向剖面結(jié)構(gòu)

考慮到潤滑的需要,固定基座上位于每個曲面凹槽的軸向?qū)?yīng)兩端分別設(shè)置有儲油槽,儲油槽與曲面凹槽連通。在固定基座上位于每個曲面凹槽徑向的兩側(cè)設(shè)計有楔形油槽,楔形油槽與凹槽連通,從而形成潤滑路徑的連通。

為了保證導(dǎo)軌滑板與圓柱滾動體的有效接觸及穩(wěn)定的相對位置,在導(dǎo)軌滑板的兩側(cè)安裝有側(cè)圍導(dǎo)向板。側(cè)圍導(dǎo)向板上沿自身長度方向間隔設(shè)置有若干個球冠凹槽,球冠凹槽中安裝有球體滾珠,球體滾珠相對球冠凹槽凸出,并與固定基座滾動接觸,以保障側(cè)圍導(dǎo)向板相對固定基座往復(fù)移動的平滑性。固定基座與兩個側(cè)圍導(dǎo)向板分別相對的兩個側(cè)壁上設(shè)置有凸緣。導(dǎo)軌滑板下方設(shè)計為凹槽樣式,面向圓柱滾動體,形成嵌套覆蓋式安裝,保證兩者之間的相對位置和有效接觸。

5 動力電池承載裝置控制策略

隨著動力電池使用頻次的增加,使用性能將逐漸下降,怎樣實時監(jiān)測動力電池的性能狀態(tài),是提升電動汽車整車質(zhì)量的重要一環(huán),也是車輛用戶關(guān)心的焦點。設(shè)計通過構(gòu)建動力電池自動監(jiān)測系統(tǒng),對動力電池的更換和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動監(jiān)測,并分析動力電池的待使用性能,助推換電技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

所設(shè)計的動力電池自動監(jiān)測系統(tǒng)包括基本參數(shù)采集模塊、歷史參數(shù)存儲器、運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測模塊、運(yùn)行參數(shù)存儲器、數(shù)據(jù)計算單元,控制策略如圖5所示?；緟?shù)采集模塊用于采集動力電池的基本參數(shù),基本參數(shù)包括但不限于動力電池的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時間、電池容量、電池質(zhì)量、使用頻次。基本參數(shù)采集模塊將所采集到的基本參數(shù)發(fā)送至歷史參數(shù)存儲器,進(jìn)行記憶存儲。

圖5 動力電池承載裝置控制策略

運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測模塊采集車輛運(yùn)行過程中動力電池的工作運(yùn)行參數(shù),包括動力電池的工作溫度、工作電壓、放電電流、剩余電量等。運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測模塊將所采集到的動力電池工作運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至運(yùn)行參數(shù)存儲器,進(jìn)行記憶存儲。

數(shù)據(jù)計算單元調(diào)用歷史參數(shù)存儲器中的歷史基本參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)存儲器中的工作運(yùn)行參數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)計算規(guī)則分析對應(yīng)動力電池的待使用性能,如動力電池的整體運(yùn)行安全性、使用壽命等。同時,數(shù)據(jù)計算單元將動力電池的待使用性能分析結(jié)果發(fā)送至車輛車載屏幕或車輛智能座艙系統(tǒng),進(jìn)行可視化呈現(xiàn),提醒和幫助駕駛?cè)藛T對動力電池的狀態(tài)進(jìn)行判斷,進(jìn)而確定使用決策。

6 結(jié)束語

抽拉式動力電池承載裝置采用雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)、承載導(dǎo)軌互相配合的組合設(shè)計,控制承載托盤機(jī)構(gòu)移動或停止的方式快捷省力。結(jié)合行程開關(guān)控制,可靠控制承載托盤機(jī)構(gòu)的行程在需要范圍內(nèi)。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)三者以依次平鋪的方式進(jìn)行連接,使承載模塊的整體空間設(shè)計更合理,有效控制和減小承載模塊的整體厚度,節(jié)省占用的車輛底盤或車輛厚度空間。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行故障率低,能有效降低承載模塊整體的運(yùn)行故障率,并且方便故障檢查和維護(hù)。在承載托盤機(jī)構(gòu)上設(shè)置鎖緊裝置,對動力電池進(jìn)行鎖定夾持或者解除夾持,從而使動力電池的更換方便快捷,確保動力電池放置的可靠性和動力電池自身的安全性。采用內(nèi)置滾動體的承載導(dǎo)軌,大大降低承載導(dǎo)軌整體的結(jié)構(gòu)磨損,極大增大承載導(dǎo)軌的承載力,延長使用壽命,確保承載導(dǎo)軌在使用時的滑動穩(wěn)定性。承載導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)小,承載能力強(qiáng),運(yùn)行精度高,工作噪聲小,安裝方便。

同時構(gòu)建動力電池自動監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)計控制策略,對動力電池的更換和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動監(jiān)測,并分析動力電池的待使用性能,確保動力電池更換的信息透明和安全穩(wěn)定。