手動換電設備夾具結(jié)構(gòu)分析

李艷芳

摘 要：目前，當電動汽車行駛一定里程，汽車內(nèi)動力電池電量降低，進行電量補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)電池進行快速更換，能夠使電動汽車在相對較短的時間內(nèi)得到電量補充。手動換電設備作為自動換電設備的重要備份，在電池的日常保養(yǎng)維護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力和位移分布并優(yōu)化剛度和強度薄弱部位十分重要。

關(guān)鍵詞：手動換電設備;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)絡中迅速的換電系統(tǒng)網(wǎng)絡油然而生，這就需要相應的快速、自動、可靠的換電設備。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、鎖止機構(gòu)和連接器上，對換電設備的結(jié)構(gòu)仿真分析還較少。

一、手動換電設備

1.早期。兩步式電池更換系統(tǒng)電池更換設備在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1 組、有軌巷道堆垛機1 臺、機械手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、機械手和擺渡穿梭車配合共同完成。其中，有軌巷道堆垛機和機械手各在電池架的一側(cè)，穿梭車在電池架下方。有軌巷道堆垛機負責從電池架上取放電池，機械手負責從車上取放電池，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、機械手每次最多取放1 箱電池，穿梭車上有2 個電池位，用于堆垛機和機械手電池的交換。堆垛機、機械手都具有升降、沿軌道行走和取放電池三個方向動作，穿梭車只有沿軌道行走一個方向動作。

2.中期。一步式自旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)電池更換設備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1 組、自旋轉(zhuǎn)換電機器人1套。更換過程：自旋轉(zhuǎn)換電機器人可獨立完成整個換電過程。自旋轉(zhuǎn)換電機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)換電機器人每次最多可以同時取放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，換電機器人上最多可以同時有8箱電池。自旋轉(zhuǎn)機器人具有升降、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)電池更換設備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1 組、內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機器人1套。更換過程：內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機器人獨立完成整個換電過程。內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機器人有兩個取放電池格位，每個格位都可以獨立旋轉(zhuǎn)。內(nèi)旋轉(zhuǎn)機器人憑借這兩個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)四個方向動作。

二、手動換電設備夾具結(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，電機減速機選擇，主要是選擇減速機的減速比，減速機輸出扭矩，輸出轉(zhuǎn)數(shù)，以及電機扭矩和功率的確定，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，然后進行分析。一步式換電設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 個孔，利用吊帶進行吊裝，分析車體的強度和剛度。經(jīng)過分析車架的強度和剛度，行走單元車架完全滿足正常使用狀態(tài)的要求，也完全滿足設備在吊裝時的要求，能夠保證設備安全、穩(wěn)定、可靠的運行。

2.夾具前處理。一個高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復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入后，抽取各個部件的中面，并進一步進行幾何清理，對各個部件進行必要的切分以改善模型的拓撲結(jié)構(gòu)。切分完成后，進行分塊網(wǎng)格劃分，得到四邊形單元和單元節(jié)點，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)點耦合法與接觸裝配法。在此次分析中，使用節(jié)點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部件的單元節(jié)點耦合起來。

3.結(jié)構(gòu)強度分析。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。最大應力出現(xiàn)在鎖止機構(gòu)盒處，此外中間梁加強筋、框架縱梁的應力也較大，但均未超出材料的屈服極限，因此滿足設計要求。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，夾具臺面中部的剛度也不理想，設計時應注意加強這兩處的剛度。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)化設計中可以適當增加框架橫梁的數(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系統(tǒng)，取放電池需要伺服電機系統(tǒng)。一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案中，行走和升降各需要1 套伺服電機系統(tǒng)，取放電池和內(nèi)旋轉(zhuǎn)各需要2 套伺服電機系統(tǒng)，總計需要伺服電機系統(tǒng)。僅從電機系統(tǒng)看，一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案造價最低，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)化設計中可以適當布置一些加強筋，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，如果能減少換電設備的占地面積，能夠大大提高項目整體經(jīng)濟性。

參考文獻

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