手動換電設備夾具結構分析

李艷芳

摘 要：目前，當電動汽車行駛一定里程，汽車內動力電池電量降低，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電池進行快速更換，能夠使電動汽車在相對較短的時間內得到電量補充。手動換電設備作為自動換電設備的重要備份，在電池的日常保養維護以及電池箱起火等緊急情況下發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化剛度和強度薄弱部位十分重要。

關鍵詞：手動換電設備;夾具結構

前言

電池不支持快充成為制約快速發展的瓶頸，在繁忙的網絡中迅速的換電系統網絡油然而生，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展中日益緊張，因此一步式換電設備因占地面積小、結構緊湊，目前已經成為主要的換電模式。國內外針對電動汽車電池快速更換技術的研究主要集中在快換電池箱箱體、鎖止機構和連接器上，對換電設備的結構仿真分析還較少。

一、手動換電設備

1.早期。兩步式電池更換系統電池更換設備在換電車輛兩側各一套，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，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。一步式自旋轉更換系統電池更換設備也是在換電車輛兩側各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1 組、自旋轉換電機器人1套。更換過程：自旋轉換電機器人可獨立完成整個換電過程。自旋轉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180°，然后依次把電池存入電池架上或裝入電動大巴車內。取放電池能力方面，自旋轉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。自旋轉機器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和水平方向旋轉四個方向動作。

3.終期。一步式內旋轉更換系統電池更換設備也是在換電車輛兩側各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1 組、內旋轉換電機器人1套。更換過程：內旋轉換電機器人獨立完成整個換電過程。內旋轉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。內旋轉機器人憑借這兩個格位的取放電池和旋轉，使電池得以從電池架和車輛之間更換。取放電池能力方面，內旋轉換電機器人每次最多可以取放2 箱電池，即每次在車輛側或者電池架側，最多可以完成2箱電池的更換。內旋轉機器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和電池格位水平方向旋轉四個方向動作。

二、手動換電設備夾具結構

1.行走單元采用四輪結構，兩輪驅動形式，由車架、驅動輪、隨動輪、控制柜、供電系統及驅動電機等組成。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，輸出轉數，以及電機扭矩和功率的確定，車架采用型材焊接，兩側行走輪安裝面固定，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面的4 個孔，利用吊帶進行吊裝，分析車體的強度和剛度。經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構。切分完成后，進行分塊網格劃分，得到四邊形單元和單元節點，夾具的不同零部件之間的網格是不連續的，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問題的方法，即節點耦合法與接觸裝配法。在此次分析中，使用節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點耦合起來。

3.結構強度分析。夾具的最大變形出現在夾具兩側的中部，最大變形量這反映出夾具在方向上的剛度相對較差。最大應力出現在鎖止機構盒處，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。夾具前模態的振型主要表現為夾具臺面的局部振動與夾具整體框架繞軸的彎曲、扭轉。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。由最大變形出現的部位以及后來的模態分析夾具在方向上的剛度相對較差，因此，在后續的優化設計中可以適當增加框架橫梁的數量或壁厚，以提高整體剛度。

4.一步式自旋轉方案中，自旋轉、行走和升降各需要伺服電機系統，取放電池需要伺服電機系統。一步式內旋轉方案中，行走和升降各需要1 套伺服電機系統，取放電池和內旋轉各需要2 套伺服電機系統，總計需要伺服電機系統。僅從電機系統看，一步式內旋轉方案造價最低，加之其結構最簡單，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。

結束語

由模態分析可以看出，夾具臺面中部的局部剛度較差，因此，在后續的優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濟性。

參考文獻

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