一種適用于電動(dòng)乘用車(chē)底盤(pán)換電的電池鎖止機(jī)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(chē)燃油對(duì)環(huán)境的污染，新能源汽車(chē)已成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的方向之一。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到當(dāng)前電池能量密度的限制，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程一般在100～200km 之間。能否為電動(dòng)汽車(chē)快速提供能量補(bǔ)給，直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用。通常情況下，對(duì)電池慢速充電需要幾個(gè)小時(shí)才能完成，快速充電會(huì)對(duì)電池的壽命產(chǎn)生影響，所以對(duì)電動(dòng)車(chē)換電系統(tǒng)的研究非常有意義，對(duì)于底盤(pán)換電的乘用車(chē)，需要用鎖止機(jī)構(gòu)將滿電池牢固固定在車(chē)輛上，并能在需要換電時(shí)快速解鎖，鎖止機(jī)構(gòu)的性能尤為重要。

目前，電動(dòng)乘用車(chē)動(dòng)力電池大都采用螺栓連接方式安裝在車(chē)輛底盤(pán)之上，不利于動(dòng)力電池的快速更換。設(shè)計(jì)合理的動(dòng)力電池鎖止機(jī)構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池快速更換的關(guān)鍵因素之一。

2 設(shè)計(jì)思路

（1）設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電池拆裝方便，易于生產(chǎn)加工且使用可靠性高的電動(dòng)乘用車(chē)底盤(pán)電池鎖止機(jī)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(chē)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(chē)輛懸掛減震等部件干涉；③操作性能好，齒輪傳動(dòng)使用條件要求較低；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低；⑤易于加工，便于維護(hù)。

（2）鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于滿足設(shè)備體積小、精度高、使用壽命長(zhǎng)、承重能力強(qiáng)、傳動(dòng)比大和溫度環(huán)境適合能力強(qiáng)等具體要求。電機(jī)運(yùn)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(jī)作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，直流電機(jī)、傳動(dòng)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(guò)軸傳遞動(dòng)力到掛鉤上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的鎖止和解鎖功能。電池箱鎖止機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)圖及與電池的裝配圖如圖1、圖2 所示。

圖1 電池箱鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 鎖止機(jī)構(gòu)與車(chē)輛底盤(pán)懸掛裝置裝配圖

3 工作原理

圖3 所示的電動(dòng)乘用車(chē)底盤(pán)電池鎖止機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械部分和電氣部分組成。機(jī)械部分包括機(jī)架，掛鉤齒輪與掛鉤安裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸安裝在機(jī)架上，在轉(zhuǎn)軸的軸端設(shè)有至少一個(gè)軸向限位器；在機(jī)架上還安裝電機(jī)，電機(jī)與電機(jī)減速器連接，電機(jī)減速器輸出端與電機(jī)齒輪連接，電機(jī)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(guò)狀態(tài)采集板與控制板連接，控制板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制板還分別與輸入電路和顯示電路以及車(chē)輛總控臺(tái)和后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備通信。

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

本設(shè)計(jì)采用了獨(dú)立的電氣控制部分，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)鎖止機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，并能夠根據(jù)車(chē)輛中控臺(tái)以及后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的命令在需要時(shí)進(jìn)行解鎖或鎖止；由于采用齒輪嚙合傳動(dòng)通過(guò)掛鉤鎖止的方式，其穩(wěn)定性好，同時(shí)也減少了整個(gè)鎖止機(jī)構(gòu)的體積，易于安裝維護(hù)。

圖3 電池鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4 具體實(shí)施方式

電池鎖止機(jī)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(jì)的機(jī)械部分：電機(jī)308 的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)減速器307 減速后傳動(dòng)到電機(jī)齒輪303，電機(jī)齒輪303 與掛鉤齒輪304 嚙合，實(shí)現(xiàn)掛鉤齒輪304 轉(zhuǎn)動(dòng)，掛鉤齒輪304 與轉(zhuǎn)軸302 為平鍵連接，轉(zhuǎn)軸302 轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸302 與掛鉤311 之間為平鍵連接，實(shí)現(xiàn)掛鉤311 轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)架為各部件提供安裝支撐，由機(jī)架橫板309、機(jī)架豎板310 及轉(zhuǎn)軸安裝座312 三部分組成，機(jī)架豎板310與轉(zhuǎn)軸安裝座312 均焊接在機(jī)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(jī)架豎板310 上并與鎖止機(jī)構(gòu)控制板連接，鎖止機(jī)構(gòu)控制板安裝在車(chē)輛后排座椅下。電機(jī)308 通過(guò)電機(jī)安裝螺栓306 安裝在機(jī)架豎板310 上。

轉(zhuǎn)軸302 兩端穿過(guò)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(chē)架大梁 402.電池鎖止機(jī)構(gòu) 403.電池掛鼻

鎖止機(jī)構(gòu)與車(chē)體及電池連接如圖4 所示，鎖止機(jī)構(gòu)402 通過(guò)其上結(jié)構(gòu)機(jī)架橫板309 與車(chē)架大梁401 通過(guò)螺栓連接，鎖止機(jī)構(gòu)402 上的掛鉤311 與電池掛鼻403 鉤住或打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)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(duì)稱布置，安裝于車(chē)架大梁正下方。

當(dāng)安裝電池時(shí)，電池送到位后，控制板發(fā)出鎖止信號(hào)，電機(jī)308 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)減速器307 減速后傳動(dòng)到電機(jī)齒輪303，電機(jī)齒輪303 與掛鉤齒輪304 嚙合，實(shí)現(xiàn)掛鉤齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)304，掛鉤齒輪304 帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸302 轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸302 帶動(dòng)掛鉤311 轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)給控制板，控制板控制電機(jī)308 停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鎖止。

卸電池時(shí)，電池由卸電池裝置托舉到位后，控制板發(fā)出解鎖信號(hào)，電機(jī)308 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)減速器307 減速后傳動(dòng)到電機(jī)齒輪303，電機(jī)齒輪303 與掛鉤齒輪304嚙合，實(shí)現(xiàn)掛鉤齒輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)304，掛鉤齒輪304 帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸302 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸302 帶動(dòng)掛鉤311 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)給控制板，控制板控制電機(jī)308 停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)解鎖。

5 使用效果

通過(guò)試運(yùn)行表明

（1）電動(dòng)乘用車(chē)在行駛過(guò)程中電池能夠被牢固可靠地固定在車(chē)輛底盤(pán)上；（2）電動(dòng)乘用車(chē)在換電模式下，鎖止機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速解鎖，實(shí)現(xiàn)電池與車(chē)體分離；（3）利用該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電池鎖止及解鎖的自動(dòng)化，可大大提高工作效率，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。