专利名称：一种用于电动汽车动力电池的更换系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车的动力电池的更换系统，属于电动汽车领域。
背景技术：
电动汽车作为清洁、环保型绿色车辆，受到世界各国政府以及汽车生产商的极大 关注，以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表的电动汽车必将成为21世纪的 重要交通工具。其中，以纯电动汽车经历了较长阶段的发展，技术日臻成熟，相关的技术检 测标准体系已经完善，并在美、日、欧等国家和地区得到商业化的推广应用，特别是在市政 特殊用车、固定线路的公交车、公务车队用车和私人用车领域。目前多数电动汽车使用了动力电池，以方便设计、使用。动力电池为多块电池单体 通过串联、并联或串并联的组合构成的成组电池，并包含以下一种或多种部件安装固定电 池的电池箱、相应的电池管理系统、其他辅助系统、部件。电动汽车的充电方式一般为依靠地面充电机或车载充电机在车辆停驶的情况下 充电。作为车载停车充电方式的延伸，部分地区应用的双源无轨电车采用在线充电方式充 电，即在车辆运行过程中，利用无轨电车弓网为车载蓄电池充电以备脱网时采用蓄电池电 量行驶。停车充电方式车辆动力电池充电时间长、车辆利用率低、使用不方便。因此现在通 常采用更换动力电池的方法为电动汽车提供源源不断的动力，即从电动汽车上取出用完的 动力电池，然后把充好电的动力电池装入电动汽车。目前，更换电动汽车的动力电池的方法是汽车自然状态停放在指定的电池更换 区域，使用自动设备从车辆的侧面取放动力电池。该方法的缺点是显而易见的。电动汽车的车身由轮胎、减振弹簧、阻尼器等构成的悬架系统及其它相关部件支 撑在地面上，车辆与地面之间是弹性连接。也就是说，动力电池安装在一个多点弹性支承的 框架上，支点为汽车轮胎与地面的接触部位，支点到车身可视为一个复杂结构的弹性系统， 车身视为不可变形的框架。由于电动汽车自身结构所限，通常动力电池在电动汽车上呈多点不均勻分布。同 时由于动力电池的重量较大，因此在更换动力电池的过程中车身的重心、质量会随之发生 变化，即随着动力电池的移出，车身的重心、质量会产生变化，车身的重心、质量是个变量； 同时车身重心和质量的变化又会引起动力电池与车身的承载面的相对位置的改变，即与车 身产生了相对位移，因此在动力电池的更换过程中难以准确控制车身、动力电池和更换设 备的位移量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电动汽车动力电池的更换系统，使用该更换系统 可以使电动汽车在更换动力电池过程中始终处于稳定的状态。本发明所提供的电动汽车的动力电池的更换系统包括举升设备、更换设备和电池 存放平台，其中
所述举升设备为液压举升执行设备、电动举升执行设备或电液复合举升执行设 备，用于将电动汽车固定支撑至轮胎离地的适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空；所 述举升设备设置有举升支点，所述举升支点为刚性部件，所述举升支点沿电动汽车中轴线 两侧对称纵向布置，在举升时，所述举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换电池过 程中车身稳定；所述更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动脱离车 身，并存放于所述电池存放平台进行充电；所述电池存放平台为框架结构或多层框架结构， 用于提供动力电池存放功能和动力电池充电功能。
优选地，所述举升设备能够在各方向移动。优选地，所述举升支点包括四个，其中的两个举升支点布置在所述电动汽车的前 桥后，另两个举升支点布置在所述电动汽车的后桥前。优选地，所述举升支点能够水平调节。优选地，所述举升支点可同步升高和降低。优选地，所述举升支点能够保持同样的高度。优选地，所述动力电池布置在所述电动汽车的前机器仓、乘员仓、后背仓、或侧面； 进一步优选地，所述动力电池布置在电动汽车的前机器仓、乘员仓、后背仓和侧面中的至少 两个位置上，且所述动力电池的数目至少为一个。优选地，所述电动汽车举升固定后进行动力电池更换。本发明的另一个目的是提供一种使用所述更换系统更换电动汽车用动力电池的 方法，包括以下步骤(1)使用举升设备将电动汽车举升至适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空； 在举升时，举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换电池过程中车身稳定；(2)使用更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动脱离车身， 并存放于电池存放平台进行充电；(3)使用更换设备从电池存放平台中取出充好电的动力电池，将充好电的动力电 池装入电动汽车中。本发明所提供的用于更换电动汽车动力电池的更换系统通过举升设备将电动汽 车举升至一定高度，使电动汽车处于刚性支撑状态，这样在更换动力电池的过程中，不会因 车身的重心和质量变换而引起动力电池与车身的承载面的相对位置的改变，车身不会产生 相对位移，即电动汽车处于稳定状态，从而准确控制车身、动力电池和更换设备的位移量。由于在动力电池更换过程中电动汽车始终保持稳定状态，因此更换设备可以迅 速、准确的确定各个动力电池的位置，提高更换动力电池的速度。特别是对于在不同位置安 装多个动力电池的电动汽车来说，使用所述更换系统更换动力电池的速度优势尤为明显。
图1为电动汽车的弹性支撑结构的示意图；图2为常见的具有4个弹性支点的电动汽车的示意图；图3为现有技术中更换动力电池的示意图；图4为使用本发明的更换系统更换动力电池的示意图；图5为电动汽车上部分可以布置动力电池的位置的示意图6为本发明的举升支点水平调节机构。附图标记说明如下轮胎1、传动轴或驱动轴2、车辆悬架系统3、车身4、车门5、动力电池6、举升支点 7。
具体实施例方式为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施 例详细说明如下，所说明的较佳实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。图1为电动汽车的弹性支撑结构的示意图；图2为常见的具有4个弹性支点的电 动汽车的示意图；图3为现有技术中更换动力电池的示意图；图4为使用本发明的更换系 统更换动力电池的示意图；图5为电动汽车上部分可以布置动力电池的位置的示意图。本发明所提供的用于电动汽车动力电池的更换系统包括举升设备、更换设备和电 池存放平台。其中所述举升设备为液压举升执行设备、电动举升执行设备或电液复合举升 执行设备，用于将电动汽车固定支撑至轮胎离地的适当高度，以保证电动汽车的弹性部件 悬空；所述举升设备设置有举升支点，所述举升支点为刚性部件，所述举升支点沿电动汽车 中轴线两侧对称纵向布置，在举升时，所述举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换 电池过程中车身稳定；所述更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动 脱离车身，并存放于所述电池存放平台进行充电；所述电池存放平台为框架结构或多层框 架结构，用于提供动力电池存放功能和动力电池充电功能。在本发明中，“车身”是指除悬架系统、行驶系统等弹性机构外的具备一定结构强 度的部位，这样的部位可以是汽车梁、汽车框架、汽车焊接骨架等，均可作为在更换电池时 举升支点的支撑部位。在本发明中，电池存放平台为框架结构或多层框架结构。通常，每辆电动汽车至少 需要两个动力电池，因此每次至少更换下来两个动力电池，所以电池存放平台最好为多层 框架结构。显然使用多个具有单层框架结构的电池存放平台来存放更换下来的动力电池 只是对本发明的具有多层框架结构的电池存放平台的简单变形，仍属于本发明的保护范围 内。图1为电动汽车的弹性支撑结构的示意图。如图1所示，轮胎1通常为橡胶充气 轮胎，具有弹性，作为车身的支撑直接接触地面；车辆悬架系统3包括钢板弹簧、气弹簧、油 气弹簧等减振弹簧、阻尼器以及其他类型的车身减振机构等，具有较大弹性。轮胎1通过传 动轴或驱动轴2、相关连接件以及车辆悬架系统3与车身4组合在一起，构成一个弹性体系， 其中一个轮胎和相应的车辆悬架系统3构成一个弹性支点。请参见图3，如图3所示，目前更换动力电池是在电动汽车处于自然停放的状态下 进行的。车辆悬架系统3和轮胎1受重力的作用，处于压缩状态。当取放动力电池6时，车 身4的重量变化，车辆悬架系统3和轮胎1将伸长或压缩，产生位移。因为动力电池6的重 心与车身4 (含安装在车身上的电池)重心不会重合，所以车身4的重心也会因此而改变， 车身4的重心的变化使作用在4个弹性支点上的载荷不等，释放行程后的弹性支点的高度 也不相同，从而导致了动力电池6与车身4的支承面变倾斜。因此，以这种方式更换电池的 缺点是在更换动力电池的过程中，随着车身的重心和质量的变化，动力电池与车身的承载面的相对位置也发生复杂的改变，车身产生了相对位移，因此难以准确控制车身、动力电池 和更换设备的位移量；从而产生冲击，影响电池及电池箱的寿命和安全。本发明的更换系统 通过刚性的举升支点直接支撑电动汽车的车身，然后通过举升设备使举升支点的高度不断 上升，从而将电动汽车举升至一定高度，这样就可以使轮胎、减振弹簧、阻尼器等弹性部件 悬空，电动汽车与地面的弹性连接变成了电动汽车的车身与举升支点的刚性连接，从而消 除了轮胎、弹簧等弹性部件在电池更换过程中对车身产生的影响。由于电动汽车与举升支 点是刚性连接，因此即便车身的重心和质量发生变化，动力电池与车身的承载面的相对位 置也不会改变，车身不会产生相对位移，可准确控制车身、动力电池和更换设备的位移量。 为了在更换动力电池的过程中电动汽车能保持稳定，所述举升支点应为刚性并沿电动汽车 中轴线两侧对称纵向布置。其中，本发明所使用的举升设备可以是现有技术中任何一种具 有举升功能的设备，例如千斤顶；本发明所使用的更换设备可以是现有技术中任何一种用 于更换动力电池的设备，例如推车、叉车、机械手等。作为本发明的一种优选实施方式，举升设备包括四个举升支点，其中两个举升支 点布置在电动汽车的前桥后，另外两个举升支点布置在电动汽车的后桥前。采取这种布置 方式可以使电动汽车始终处于稳定的状态。当然还可以采用其它的布置方式，另外举升支 点也不限于四个，可以比四个更多，通常举升支点越多，电动汽车越稳定。例如将两个或多 于两个的举升支点布置在电动汽车的前桥前，同时将两个或多于两个的举升支点布置在电 动汽车的后桥后；或者，将两个或多于两个的举升支点布置在电动汽车的前桥前，同时将两 个或多于两个的举升支点布置在电动汽车的后桥前；或者，将两个或多于两个的举升支点 布置在电动汽车的前桥后，同时将两个或多于两个的举升支点布置在电动汽车的后桥后。 同时，为了进一步提高更换动力电池时电动汽车的稳定性，相对于电动汽车中轴线对称的 举升支点最好相互间能保持一定距离，不能距离太近；同时，举升支点不能过于靠近电动汽 车车身的边缘，最好保持5cm以上的距离，这样可以防止在更换动力电池时电动汽车可能 发生横向移动而导致电动汽车从举升支点上滑落。最好举升支点对电动汽车具有一定的固 定作用，从而防止在更换动力电池时电动汽车发生横向和纵向移动。作为本发明的另一种优选实施方式，可以在一定范围内对举升支点进行水平调 节。该水平调节可以通过以下方法实现所有举升支点均可在长度方向进行伸缩，并绕其固 定轴旋转；或者使用由2个转轴和2个连杆组成的可在平面内移动的机构，该机构具有如图 6所示的结构。电动汽车可以是电动小汽车、电动小型客车、电动中型客车或电动大型客车 等等，电动汽车的大小不同，其底盘的宽度也不同。因此，对不同大小的电动汽车进行动力 电池更换时，各个举升支点间的距离是不相同的。如果举升支点不能在水平方向上进行调 节，则用于更换电动小型客车的动力电池的更换系统的举升支点很可能不能用于更换电动 大型客车的动力电池，反之亦然。因此，本发明优选使用可以在水平方向上进行调节的举升 支点，这样可以扩大该更换系统的应用范围。作为本发明的另一种优选实施方式，举升设备通过控制系统实现举升支点同步升 高和降低，这样在举升或下放电动汽车的过程中，电动汽车始终处于相同的状态，有利于电 动汽车保持稳定。在本发明中，可以采用液压执行设备例如数字液压缸，通过伺服控制实现 举升支点同步升高和降低，即通过伺服电机和控制器实现举升支点同步升高和降低；还可 以通过使用液压阀来控制各液压缸的油量实现举升支点同步升高和降低。本发明优选使用
6以下方法使用一个液压缸，通过导轨导向移动实现举升支点同步升高和降低，该方法具有 简单易行、成本低的优点。由于举升支点升高或降低的距离很小，因此即便举升支点不能同 步升高或降低，也不会导致各举升支点有过大的高度差，从而不会使电动汽车在更换电池 过程中产生相对位移，但此时的电动汽车并没有处于十分稳定的状态，一些可能的其它外 力可能会导致电动汽车产生相对位移。因此，举升支点同步升高或降低可以使电动汽车更 加稳定，增加了更换动力电池过程的安全性。作为上述优选实施方式的进一步优选的实施 方式，举升支点能够保持同样的高度。举升支点的同步升高和降低为举升支点保持同样的 高度提供了可能。举升支点保持同样的高度意味着电动汽车处于水平状态，这种状态下的 电动汽车最为稳定。为了方便设计和使用，目前多数电动汽车使用了动力电池。所述动力电池为多块 电池单体通过串联、并联或串并联的组合构成的成组电池，并包含以下一种或多种部件安 装固定电池的电池箱、相应的电池管理系统、其他辅助系统、部件。作为本发明的另一种优 选实施方式，本发明的电动汽车使用了动力电池。在本发明中，动力电池可以布置在电动汽 车上的任意一个或多个可能的位置，例如前机器仓、乘员仓、后背仓、或侧面等等。作为本发 明的另一种优选实施方式，该更换系统所更换的动力电池布置在电动汽车的前机器仓、乘 员仓、后背仓和侧面中的至少两个位置上。与现有技术中的更换系统相比，本发明所提供的 更换系统中的更换设备可以迅速、准确的确定各个动力电池的位置，能以更快的速度更换 动力电池。因此，安装动力电池的位置越多，需要更换的动力电池越多，本发明的更换系统 在更换速度上的优势越明显。也就是说，本发明的更换系统更适用于更换在不同位置安装 多个动力电池的电动汽车的动力电池。本发明的更换系统采用以下方法更换电动汽车动力电池先使用举升设备将电动 汽车举升至适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空，在举升时，举升支点直接支撑电动 汽车的车身以保证更换电池过程中车身稳定；然后使用更换设备接触动力电池的更换用机 械接口，通过人工手动方式或者更换设备与动力电池之间的机械或电气等通讯方式自动打 开动力电池与车身之间的锁止，并通过自动脱开方式或者手动脱开方式切断动力电池与整 车的电气连接和通讯连接；随后更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池 移动脱离车身，再取出并存放于电池存放平台进行充电；最后使用更换设备从电池存放平 台中取出充好电的动力电池，按照与取出动力电池相反的过程将充好电的动力电池装入电 动汽车中，至此动力电池更换完毕。更换完动力电池后，通过人工手动方式或者自动方式接 通动力电池与电动汽车的电气连接和通讯连接，并将动力电池锁止到车身上。在更换完动力电池后，通过举升设备使举升支点的高度不断下降，电动汽车的高 度也不断下降，直至电动汽车的轮胎接触到地面，至此更换完动力电池的电动汽车可以重 新投入使用。需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的 实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理 内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
权利要求
1.一种电动汽车用于动力电池的更换系统，其特征在于，所述更换系统包括举升设备、 更换设备和电池存放平台，其中所述举升设备为液压举升执行设备、电动举升执行设备或电液复合举升执行设备，用 于将电动汽车固定支撑至轮胎离地的适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空；所述举升设备设置有举升支点，所述举升支点为刚性部件，所述举升支点沿电动汽车 中轴线两侧对称纵向布置，在举升时，所述举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换 电池过程中车身稳定；所述更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动脱离车身，并存放 于所述电池存放平台进行充电；所述电池存放平台为框架结构或多层框架结构，用于提供动力电池存放功能和动力电 池充电功能。
2.根据权利要求1所述的更换系统，其特征在于，所述举升设备能够在各方向移动。
3.根据权利要求1所述的更换系统，其特征在于，所述举升支点包括四个，其中的两个 举升支点布置在所述电动汽车的前桥后，另两个举升支点布置在所述电动汽车的后桥前。
4.根据权利要求3所述的更换系统，其特征在于，所述举升支点能够水平调节。
5.根据权利要求3或4所述的更换系统，其特征在于，所述举升支点能够同步升高和降低。
6.根据权利要求5所述的更换系统，其特征在于，所述举升支点能够保持同样的高度。
7.根据权利要求1 6任一所述的更换系统，其特征在于，所述电动汽车举升固定后进 行动力电池更换。
8.根据权利要求1所述的更换系统，其特征在于，所述动力电池布置在所述电动汽车 的前机器仓、乘员仓、后背仓或侧面。
9.根据权利要求8所述的更换系统，其特征在于，所述动力电池布置在电动汽车的前 机器仓、乘员仓、后背仓和侧面中的至少两个位置上，且所述动力电池的数目至少为一个。
10.一种使用权利要求1 9任一所述的更换系统更换电动汽车动力电池的方法，其特 征在于，包括以下步骤(1)使用举升设备将电动汽车举升至适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空；在 举升时，举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换电池过程中车身稳定；(2)使用更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动脱离车身，并存 放于电池存放平台进行充电；(3)使用更换设备从电池存放平台中取出充好电的动力电池，将充好电的动力电池装 入电动汽车中。
全文摘要
本发明提供了一种用于电动汽车动力电池的更换系统，所述更换系统包括举升设备、更换设备和电池存放平台。其中，所述举升设备为液压举升执行设备、电动举升执行设备或电液复合举升执行设备，用于将电动汽车固定支撑至轮胎离地的适当高度，以保证电动汽车的弹性部件悬空；所述举升设备设置有举升支点，所述举升支点为刚性部件，所述举升支点沿电动汽车中轴线两侧对称纵向布置，在举升时，所述举升支点直接支撑电动汽车的车身以保证更换电池过程中车身稳定；所述更换设备取下布置在电动汽车上的动力电池，将动力电池移动脱离车身，并存放于所述电池存放平台进行充电；所述电池存放平台为框架结构或多层框架结构，用于提供动力电池存放功能和动力电池充电功能。
文档编号B60S9/02GK101992752SQ200910090808
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者孙逢春, 王震坡 申请人:北京理工大学