技术领域
[0001] 本
发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种电动汽车的移动式自动充换电站及电池快换方法。
背景技术
[0002] 电动汽车具有运行经济、清洁环保等优点，但由于受电池容量的限制，导致行驶里程较短，同时，由于电池充电时间长、电池成本高、维护难度大，从而限制了电动汽车的推广应用。为了延长电动汽车的续驶里程，可采用更换电池的方法，当电池电量不足时，可到换电站迅速更换一个充满电的电池，电池更换时间控制在3分钟以内，与燃油车加油时间相近，从而既延长了续驶里程，又节省了时间。同时，采用更换电池的方法，可实现电动汽车的“车-电分离”，用户购买不带电池的“裸车”，电池充电、维护由专业运营商运营，降低用户购车成本，使用方便，利于电动汽车的产业化发展和市场应用。
[0003] 为了实现
电动汽车电池自动更换，需要将电动汽车的电池设计成可拆卸、互换的标准电池箱，并将其安装在车体易于装卸的
位置；由于电动汽车的电池体积和
质量较大，需要采用专用的换电装置才能完成电池箱更换；需要设置电池箱存储装置，并及时对更换下来的电池箱进行充电，用于下一次更换。
[0004]
现有技术采用建设固定式充/换电站方案，将电池储存、充电、换电三方面工作集中在一个固定式充/换电站内完成。建设固定式充/换电站涉及城市建设规划、土地审批、环境评价、道路、电
力供应等多方面影响因素，立项、审批程序复杂；建设固定式充/换电站需新建厂房、安装设备，建设周期时间长(一般长达数月)；建设固定式充/换电站需要较大的占地面积，新建数千平方米的厂房，建设投资极大(多达数千万元人民币)、难以在城市干道上大量建设；同时，电动汽车需要开到固定充/换电站更换电池，既浪费
能源，又缩短了电动汽车有效续驶里程，并且极不方便。由于固定式充/换电站方案占地面积和投资大、布设不便，难以在城市普及，极大地影响了电动汽车推广应用。因此，急需提出一种结构紧凑、投资小、机动灵活、自动快捷、使用方便的电动汽车电池的自动更换方案。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的在于：针对换电式电动汽车电池更换网络不足，又难以在城市大量建设固定式充/换电站，已建成的固定式充/换电站使用效率不高的现状，提供一种电动汽车的移动式自动充换电站及电池快换方法，以满足电动汽车电池箱的自动快换要求。
[0006] 另外，特别强调：本
专利申请人的一件名称为《用于电动汽车的车载移动式自动充换电站及电池快换方法》的中国专利正在申请中(申请日为2011年05月30日，公开号为102180200A，其公开日为2011年9月14日)，该专利所公开的技术方案与本发明相比，虽然可以解决的基本相同的技术问题，但技术方案有着本质的不同。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明电动汽车的移动式自动充换电站予以实现的技术方案是：包括
牵引车头和箱式半
挂车，所述箱式
半挂车内设有电池储存库、多个电池箱、自动换电装置、自动充电系统和自动化控制系统；所述箱式半挂车是一无动力箱式低平板拖车，其后部开
门，并由牵引车头牵引移动；所述箱式半挂车底盘是一个双层结构，上层
台面设有车辆导向轨道，上层台面和
底板之间的空间用于电池的储存。所述电池储存库是一平面机动辊道库，用于储存和自动运输电池箱，所述平面机动辊道库中的储存机动辊道分成两列、多行布置，所述两列储存机动辊道之间铺设有两根与Y轴平行的轨道；所述电池箱为一矩形可拆卸、标准互换电池箱，工作时安装在电动汽车车体下部的一与电池箱形状吻合的矩形电池仓内，所述电池仓的两个侧面上各设有两个垂直安装的U形吊环，所述电池箱的两个侧面上各设有两个与上述U形吊环配合的
弹簧式快开挂钩组件和两个控制该弹簧式快开挂钩开闭动作的
连杆机构，所述电池仓和电池箱通过所述U形吊环和弹簧式快开挂钩连接；所述自动换电装置用于从电动汽车车体内的电池仓中自动拆卸电池箱，并将其送入电池储存库，或从电池储存库取出电池箱，并将其自动装入电动汽车车体内的电池仓中；所述自动充电系统包括充
电机和自动插电机构，所述自动插电机构由自动插电
推杆和浮动组合电气插头构成，外接市政交流电源实现对电池箱的充电；所述储存机动辊道、自动换电装置和自动充电系统均由所述自动化控制系统控制。由此组成了“电池储存、充电、自动更换”三位一体的移动式自动充换电站，其结构紧凑、机动灵活，布设方便，建设投资小、周期短，满足电动汽车电池的自动充换电使用要求。
[0008] 本发明电动汽车的移动式自动充换电站，其中，所述自动换电装置包括换电升降台、移行机、换电机动辊道和多个解
锁/锁紧推杆机构；所述自动换电装置安装在所述电池储存库的两列储存机动辊道的中间；所述移行机可以沿所述电池储存库的两根Y轴方向轨道移行并与储存机动辊道对接，通过所述移行机、换电机动辊道和电池储存库中的机动辊道配合自动存取电池箱；所述换电升降台在换电位置固定安装，用于垂直方向运送电池箱；所述移行机为一
框架结构，中间设有换电升降台穿越的空间；所述换电机动辊道担置在移行机上；所述解锁/锁紧推杆机构安装在换电机动辊道两侧的侧板上。所述解锁/锁紧推杆机构包括一个推杆和一个推头，所述推头顶部为圆弧形，两个侧面为导向槽；所述推头被推杆驱动垂直上升时推动所述连杆机构的T形摆
块，使T形摆块绕其旋转销旋转，拉动连杆产生
水平运动，进而拉动弹簧式快开挂钩旋转使其开启或关闭，实现电池箱与电池仓U形吊环的连接或脱离。
[0009] 利用上述移动式自动充换电站实现自动快卸电池的方法包括如下步骤：
[0010] A-1、将一需要更换电池箱的电动汽车通过坡道开到或被牵引到低平板拖车上，并在自动换电装置上方车辆导向轨道上
定位；
[0011] A-2、驱动自动换电装置的换电升降台上升，从框架式的移行机中穿过，将担置在移行机上的换电机动辊道及其上的一个电池箱托架举升，并使该电池箱托架托住位于电动汽车车体下部电池仓中的待更换的电池箱；
[0012] A-3、驱动安装在换电机动辊道上的解锁/锁紧推杆上升，随着解锁/锁紧推杆的上升，其顶部的解锁/锁紧推头推动固定在电池箱侧面上的两个左右对称的T形摆快，使每个T形摆快绕着各自的旋转销旋转，从而拉动与T形摆快连接的连杆，继而拉动与该连杆的另一端连接的挂钩绕其根部的销轴旋转而打开，使挂钩与电池仓U形吊环脱离，实现解锁，电池箱与电动汽车车体下方内的电池仓脱离；
[0013] A-4、驱动换电升降台带着其上的换电机动辊道、电池箱托架及电池箱一道下降，换电机动辊道和其上的电池箱、电池箱托架被担置在移行机上，换电升降台继续下降到初始高度，然后，驱动解锁/锁紧推杆下降，弹簧快开挂钩组件中的挂钩依靠弹簧的扭力回复到自然位置；
[0014] A-5、驱动自动换电装置的换电机动辊道正转或反转，将电池箱和电池箱托架送入与自动换电装置对齐的左或右侧空位的电池储存库中的存储机动辊道上储存；如果位于自动换电装置左和右侧的储存机动辊道上均无空位，则驱动换电移行机沿Y方向移动到与左或右侧有空位的储存机动辊道对齐的位置后停止，然后驱动自动换电装置的换电机动辊道正转或反转，从而将需要储存的电池箱及电池箱托架一并送入到空位的储存机动辊道上储存；至此，完成了一次电池的快卸.
[0015] 利用上述移动式自动充换电站实现自动快装电池的方法包括如下步骤：
[0016] B-1、驱动与自动换电装置对齐的左或右侧的储存机动辊道将一个带电池箱托架的电池箱输送到该自动换电装置上，如自动换电装置左和右侧的储存机动辊道上均无已充好电的电池箱，则驱动移行机沿Y方向移动到与左或右侧有已充好电的电池箱的储存机动辊道对齐的位置后停止，然后驱动该储存机动辊道正转或反转，将一个带有电池箱托架的电池箱输送到自动换电装置的换电机动辊道上，然后驱动移行机回位移行到换电升降台的正上方并定位；
[0017] B-2、驱动换电升降台上升，穿过移行机将其上担置的换电机动辊道、电池箱和电池箱托架举升，电池箱侧面的弹簧快开挂钩组件中挂钩的S形弧面与电池仓U形吊环的水平
横杆接触，挂钩的S形弧面受垂直压力作用产生侧推力，使挂钩绕其根部销轴旋转而打开，换电升降台继续将电池箱举升，挂钩越过U形吊环的水平横杆，然后依靠弹簧的扭力而复位，此时，挂钩位于U形吊环水平横杆的正上方；
[0018] B-3、驱动换电升降台垂直下降，挂钩挂住U形吊环的水平横杆，使电池箱和电动汽车车体下部的电池仓形成连接；换电升降台带着换电机动辊道和空的电池箱托架继续下降，换电机动辊道和空的电池箱托架被担置在移行机上，然后，换电升降台下降到初始高度，至此，完成了一次电池的快装。利用上述移动式自动充换电站实现自动充电的方法是：
[0019] 从电动汽车中换下来的电池箱在电池储存库的机动辊道上就位后，驱动自动插电推杆推动浮动组合电气插头自动下降，与电池箱组合插座插接，然后开始充电；充电结束后，驱动插电推杆上升，拔出浮动组合电气插头，自动充电完成。
[0020] 与现有技术相比，本发明电动汽车电池的移动式自动换电站的有益效果是：
[0021] (1)本发明将机动辊道电池储存库、电池箱、自动快换装置、充电系统、自动化控制系统等单元集成安装在半挂车上，电池库、换电装置和半挂车有机结合，由此形成了“电池储存、充电、自动更换”三位一体的移动式自动充换电站，其系统完善、结构紧凑、机动灵活，布设方便，建设投资小、周期短，满足电动汽车电池的自动充换电使用要求。
[0022] (2)本发明的箱式半挂车底盘是一个双层结构，上层台面设有车辆导向轨道，上层台面和底板之间的空间用于电池的储存，采用一平面机动辊道库来储存和自动运输电池箱。
[0023] (3)本发明自动换电装置由升降台、移行机、换电机动辊道、解锁/锁紧推杆机构组成，具有电池箱输送、解锁/锁紧、自动更换功能。
[0024] (4)本发明电池箱采用弹簧“快开挂钩”与车体电池仓连接，借助解锁/锁紧推杆、连杆机构和弹簧进行解锁和锁紧，结构简单、快捷可靠、通用性好，可以实现电池箱自动快速装卸。
[0025] 综上，本发明与现有固定式充换电站技术的本质区别是：将电池箱储、充电、输送、自动快换等功能集成一体安装在半挂车上，系统完善、结构紧凑、机动灵活，布设方便，不需要较大面积占地和新建厂房，投资小、周期短，利于电动汽车市场推广应用。
[0026] 本发明还可以有一个简化方案，即取消充电系统变成一移动式自动换电站，其与集中充电站结合组成网络，实现电动汽车电池的集中充电、统一配送、分布式更换。
附图说明
[0027] 图1是本发明移动式自动充换电站总体结构示意图；
[0028] 图2是本发明自动换电装置的结构分解示意图；
[0029] 图3是本发明移动式自动充换电站中电池箱与电池仓的连接示意简图；
[0030] 图4是本发明移动式自动充换电站中电池箱的弹簧快开挂钩结构示意简图；
[0031] 图5-1是本发明中电池箱的弹簧快开挂钩和电池仓U形吊环之间锁紧状态示意图；
[0032] 图5-2是本发明中电池箱的弹簧快开挂钩和电池仓U形吊环之间解锁状态示意图；
[0033] 图6是本发明中电池箱储机动辊道、电池箱和自动插电机构结构分解示意图；
[0034] 图7是本发明中机动辊道5、换电机动辊道10、移行机11、换电升降台12、解锁/锁紧推杆21和自动插电推杆24的驱动控制示意
框图。
[0035] 图中：
[0036] 1——箱式半挂车 2——电池储存库 3——电池箱[0037] 4——电池箱托架 5——存储机动辊道 6——自动换电装置[0038] 7——电动汽车 8——电池仓 9——U形吊环[0039] 10——换电机动辊道 11——移行机 12——换电升降台[0040] 13——弹簧式快开挂钩组件 14——挂钩 15——销轴[0041] 16——扭力弹簧 17——连杆机构 18——连杆[0042] 19——T形摆块 20——解锁/锁紧推杆机构 21——解锁/锁紧推杆
[0043] 22——解锁/锁紧推头 23——自动插电机构 24——自动插电推杆[0044] 25——浮动组合电气插头 26——充电机 27——控制柜[0045] 28——车辆导向轨道 29——层台面 30——组合电气插座具体实施方式
[0046] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述：
[0047] 如图1所示，本发明一种电动汽车的移动式自动充换电站，包括：箱式半挂车1、电池箱3、电池箱托架4、自动换电装置6、电池仓8、解锁/锁紧推杆机构20、充电机26和控制柜27。所述箱式半挂车1上设有电池储存库2、多个电池箱3、自动换电装置6、自动充电系统和自动化控制系统；所述箱式半挂车1是一无动力箱式低平板拖车，其后部开门，并由牵引车头牵引移动；所述箱式半挂车1底盘是一个双层结构，上层台面29设有车辆导向轨道28，上层台面和底板之间的空间形成了所述电池储存库2。所述电池储存库2是一平面机动辊道库，所述电池储存库2中铺设有呈两列三行布置的储存机动辊道5，用于储存和自动运输电池箱，每个储存机动辊道5上均分别放置有一电池箱托架4，电池箱托架4上托着一电池箱3。
[0048] 如图2、图3所示，所述电池箱3为一矩形可拆卸、标准互换电池箱，工作时安装在电动汽车车体下部的一与电池箱形状吻合的矩形电池仓8内，所述电池仓8的两个侧面上前后各设有两个垂直安装的U形吊环9，所述电池箱3的前后两个侧面上各设有两个弹簧式快开挂钩组件13，每个弹簧式快开挂钩组件13与一连杆机构17连接，两连杆机构17控制弹簧式快开挂钩组件13与所述U形吊环之间的位置关系，利用所述弹簧式快开挂钩组件13和所述U形吊环9实现所述电池箱3与所述电池仓8之间的连接和脱离。
[0049] 如图2所示，所述自动换电装置6包括换电升降台12和移行机11，在所述电池储存库2的底面的两列储存机动辊道10之间铺设有两条与Y轴平行的轨道。所述换电升降台12是一个叉式升降台，在换电位置固定安装，换电时可以自动举升电池箱3；所述移行机11为一框架结构，中间设有供换电升降台12穿越的空间，所述移行机11上设有与所述两条轨道配合的滚轮；所述移行机11上担置有一换电机动辊道10，所述换电机动辊道10可以正反转，所述换电机动辊道10两侧安装板外侧各设有一解锁/锁紧推杆机构20，所述解锁/锁紧推杆机构20控制两连杆机构17的动作；所述自动换电装置6集电池运输和更换两项功能于一体，可实现从车体电池仓8自动拆卸电池箱3或自动装入电池箱3，并可在X、Y、Z三维方向运送电池箱3，即：通过换电机动辊道10实现X方向左右运送、通过移行机11实现Y方向前后运送、通过换电升降台12实现Z方向上下运送。
[0050] 如图4所示，所述弹簧式快开挂钩组件13由挂钩14、销轴15和扭力弹簧16组成，所述挂钩14的下部设有一销轴15，所述销轴15固定在所述电池箱3的
侧壁上，所述挂钩14和所述扭力弹簧16套在所述销轴15上，所述扭力弹簧16的一端与所述销轴15固定，所述扭力弹簧16的另一端与所述挂钩14固定，所述挂钩14的顶部设有一突出
拉环，所述挂钩14的外轮廓和突出拉环的外轮廓形成一个S形弧面，该S形弧面用于所述挂钩14与U形吊环9接触时的限位和导向。
[0051] 如图5-1所示，所述解锁/锁紧推杆机构20包括解锁/锁紧推杆21和解锁/锁紧推头22，所述推头顶部为圆弧形，两个侧面为垂直导向槽。两套连杆机构17为左右对称布置，由连杆18和T形摆块19组成，所述T形摆块19上的一个叉戟通过一旋转销31固定在电池箱侧壁上，所述连杆18的一端与所述T形摆块19的另一叉戟的端部铰接，所述连杆18的另一端与所述挂钩14上的拉环铰接；两个T形摆块19之间的最大距离与所述解锁/锁紧推头22的宽度基本一致，所述T型摆块19可以在所述解锁/锁紧推头22垂直向上力的作用下绕旋转销旋转，从而拉动连杆。所述T形摆快19的自然状态为水平状态，此时挂钩14与电池仓的U形吊环9挂合，电池箱3和电池仓8处于锁紧状态；如图5-2所示，解锁时，驱动解锁/锁紧推杆机构20的解锁/锁紧推杆21垂直上升，解锁/锁紧推头22顶开两边的T形摆快19，使其绕旋转销31旋转，从而拉动与其铰接的连杆17，继而连杆17拉动与连杆17另一端铰接的挂钩14，使挂钩14绕其销轴15旋转并与电池仓的U形吊环9脱离，此时，电池箱3和电池仓8处于解紧状态。综上，通过电池仓的U形吊环9、弹簧式快开挂钩组件13、解锁/锁紧推杆机构20和升降台12的相互配合作用，实现将电池箱3装入电池仓8并连接或使电池箱3脱离电池仓8。
[0052] 如图1和图6所示，本发明中的电池充电系统包括充电机26和自动插电机构23，外接市政交流电源即可实现对电池箱3的充电；所述充电机26是与电池箱3匹配的直流充电机，与电池箱3采用CAN总线进行管理通讯连接；所述自动插电机构23由自动插电推杆24和浮动组合电气插头25构成，所述自动插电机构23安装在电池储存库中与每个储存机动辊道上放置电池箱3的对应的位置上，且位于电池箱3的正上方。所述浮动组合电气插头25和充电机26的动力和通讯
接口连接；当电池箱3就位后自动插电推杆24推动浮动组合电气插头25自动下降，使浮动组合电气插头25和电池箱3上的组合电气插座30自动插接，连通电池箱3和充电机26的通讯和动力线路，使充电机26向电池箱3通讯和充电；充电完成以后自动断电，自动插电推杆24自动上升，浮动组合电气插头25自动拔起。
[0053] 如图7所示，本发明中的所述储存机动辊道5、自动换电装置6(包括换电升降台12、移行机11、换电机动辊道10、解锁/锁紧推杆21)和插电推杆24均由电气和/或液压、
气动驱动，并由控制柜27中的自动化控制系统控制。
[0054] 利用上述电动汽车的移动式自动换电站实现电池快速更换的方法包括快卸电池过程A和快装电池过程B，其中：
[0055] 快卸电池过程A如下：
[0056] A-1、将一需要更换电池箱的电动汽车7通过坡道开(或被牵引)到低平板拖车1上，并在自动换电装置6上方车辆导向轨道28上定位；
[0057] A-2、驱动自动换电装置6的换电升降台12上升，穿过移行机11，将担置在移行机11上的换电机动辊道10及其上的一个电池箱托架4举升，并使该电池箱托架4托住位于电动汽车7车体下部电池仓8中的待更换的电池箱3；
[0058] A-3、驱动安装在换电机动辊道10上的解锁/锁紧推杆21上升，随着解锁/锁紧推杆21的上升，其顶部的解锁/锁紧推头22推动固定在电池箱侧面上的两个左右对称的T形摆快19，使每个T形摆快19绕着各自的旋转销31旋转，从而拉动与T形摆快19连接的连杆18，继而拉动与该连杆18的另一端连接的挂钩14绕其根部的销轴15旋转而打开，使挂钩14与电池仓U形吊环9脱离，实现解锁，电池箱3与电动汽车7车体下方内的电池仓8脱离；
[0059] A-4、驱动换电升降台12带着其上的换电机动辊道10、电池箱托架4及电池箱3一道下降，换电机动辊道10和其上的电池箱3、电池箱托架4被担置在移行机11上，换电升降台12继续下降到初始高度，然后，驱动解锁/锁紧推杆21下降，弹簧快开挂钩组件13中的挂钩14依靠弹簧16的扭力回复到自然位置；
[0060] A-5、驱动自动换电装置6的换电机动辊道10正转或反转，将电池箱3和电池箱托架4送入与自动换电装置6对齐的左或右侧空位的电池储存库2中的存储机动辊道5上储存；如果位于自动换电装置6左和右侧的存储机动辊道5上均无空位，则驱动自动换电装置6的换电移行机11沿如图1中所示的Y方向移动到与左或右侧有空位的储存机动辊道5对齐的位置后停止，然后驱动自动换电装置6的换电机动辊道10正转或反转，从而将需要储存的电池箱3及电池箱托架4一并送入到左或右空位的存储机动辊道5上储存；至此，完成了一次电池的快卸。
[0061] 快装电池过程B如下：
[0062] B-1、驱动自动换电装置6左或右侧的存储机动辊道5将一个带电池箱托架4的电池箱3输送到该自动换电装置6上，如自动换电装置左和右侧的存储机动辊道5上均无已充好电的电池箱3，驱动自动换电装置6的移行机11沿Y方向移动到有已充好电的电池箱3的存储机动辊道5对齐的位置后停止，然后驱动存储机动辊道5正转或反转，将一个带有电池箱托架4的电池箱3输送到自动换电装置6上，然后驱动换电装置6的移行机11回位移行到换电升降台12的正上方并定位；
[0063] B-2、驱动换电升降台12上升，穿过移行机11将其上担置的换电机动辊道10、电池箱3和电池箱托架4举升，电池箱3侧面的弹簧快开挂钩组件13中挂钩14的S形导向圆弧与电池仓U形吊环9的水平横杆接触，挂钩14的S形导向弧面受垂直压力作用产生侧推力，使挂钩绕其根部销轴15旋转而打开，换电升降台12继续将电池箱3举升，挂钩14越过U形吊环9的水平横杆，然后依靠弹簧16的扭力而复位，此时，挂钩位于U形吊环水平横杆的正上方；
[0064] B-3、驱动换电升降台12垂直下降，挂钩14挂住U形吊环9，使电池箱3和电动汽车7车体下部的电池仓8形成连接；换电升降台12带着换电机动辊道10和空的电池箱托架4继续下降，换电机动辊道10和空的电池箱托架4被担置在移行机11上，然后，换电升降台12下降到初始高度，即复位。至此，完成了一次电池的快装。
[0065] 利用本发明实现电动汽车电池箱自动充电的过程为：从电动汽车7中换下来的电池箱3在电池储存库2的存储机动辊道5上就位后，驱动自动插电推杆24推动浮动组合电气插头25自动下降，使该浮动组合电气插头25和电池箱3上的组合电气插座30插接，然后开始充电；充电结束后，驱动插电推杆24上升，拔出浮动组合电气插头25，自动充电完成。
[0066] 综上所述，本发明的电动汽车电池的移动式自动充换电站将电池储存库2、电池箱3、自动换电装置6、自动充电系统、自动化控制系统等单元集成地安装在一台半挂车上，组成“电池储存、充电、自动更换”三位一体的移动式自动充换电站，系统完善、结构紧凑、机动灵活，方便布设，不需要大面积占地和新建厂房，投资小、建设周期短。该方案的实施对推动电动汽车产业化、市场化应用具有重要意义。
[0067] 当然，将本发明的技术方案简化后可以形成一个实现电动汽车电池的集中充电、统一配送、分布式更换的移动换电站。即：将取消其中由充电机26和自动插电机构23构成的充电系统，将本简化型系统与集中充电站结合，组成网络。
[0068] 尽管上面结合图例对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多
变形，这些均属于本发明的保护之内。
