专利名称：一种动力电池箱的更换系统及方法
一种动力电池箱的更换系统及方法技术领域
本发明属于电动汽车领域，具体涉及一种动力电池箱的更换系统及方法。
背景技术：
电动汽车以电力为主要能源，具有排放低、能量使用效率高等优点，是替代燃油汽车的主要选择。在全球能源和环境问题日益突出的形势下，发展电动汽车成为摆脱石油资源依赖、实现节能减排、缓解能源环境问题的重要途径。
电动汽车上的核心技术之一就是能源储备及供给系统，蓄电池的使用及快速更换技术成为电动汽车产业化发展的一项关键技术。目前纯电动汽车由于续驶里程等因素，所配备的电池组数量大、布置位置不统一，导致了电池箱不能够被方便快速的更换。
目前电动汽车电池箱更换主要采取从车上卸下电池后在更换设备上旋转180度， 再将亏电电池放入电池架，更换设备所需旋转空间较大，从而更换设备运行要占用较宽的更换空间，且旋转速度较难选定，旋转快，容易将电池甩出，旋转慢，降低效率，旋转占用空间较大。例如北京理工大学的王震坡等人申请的“电动车动力电池组快速更换系统”发明专利，申请号为CN200810009129. 3，该快速更换系统包括快卸机构和移送机构。快卸机构包括一个真空吸盘或电磁吸盘，其能够将电池箱从电动车车身中拉出或将其推到电动车车身中。所述移送机构采用三坐标平动加旋转的工作模式，从而能够将所述拆卸下来的电池箱移送到充电架中和/或将从充电架中取下来的电池箱插到电动车中，从而完成电动车动力电池组的机械快速装载和更换。该系统采用平动加旋转的工作模式，
对电动汽车电池箱更换技术的其他研究还包括
申请号为CN200910090807. 8发明名称为“一种电动汽车的动力电池的更换系统及更换方法”发明专利申请，解决了从车上拆卸亏电电池以及从电池架上取放电池的问题， 更换系统包括举升设备、举升支点、更换设备、和电池存放平台，其中更换设备同时负责定位、换装、堆垛等多个功能，使得更换设备体积较大，更换效率较低。
又如申请号为CN201010603039. 4发明名称为“一种电动汽车电池的自动快换系统及自动快换方法”的发明专利请，可以满足电动汽车电池箱的自动快速更换，系统包括设置在车体下部的电池仓、电池箱及升降台。该专利申请仅公布了电池快速更换的装置及方法，但并未涉及如何对亏电电池的充电，没有亏电电池充电和满电电池安装相配合的系统不能称之为完整的电池更换系统。
2011年申请号为CN201110096497. 8的新申请公布了一种便携式电动汽车的电池更换系统及其更换方法，解决了无法更换轿车电池和驾驶途中急需换电难题，且不需在换电站就能直接更换电动汽车电池。该系统设有可折叠电动液压升降平台、电池箱升降平台小车、电池箱托盘和集成控制平台。该装置适合于长时间行驶车辆携带，但是现实应用中， 驾驶员既要携带满电电池，有要携带电池更换装置，这对电动车辆的推广是极其不利的。发明内容
本发明目的在于提供一种动力电池箱的更换系统及方法，更换过程中取下电池无需旋转，降低了更换方式对暂存一侧定位要求、随动性能及换装柔性要求，对车侧也较低， 相应关键技术兼顾满足车侧较高与电池架侧，取放效率达到最高；且本系统更换过程将复杂动作分解为XYZ三方向的直线运动，将复杂设备简化为各种常规产品的集合，提高了更换系统的经济性。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为
一种动力电池箱的更换系统，所述更换系统包括电池架和位于所述电池架后侧的堆垛机；其改进之处在于所述更换系统包括机械手、位于所述电池架下方的穿梭车；所述堆垛机的后侧设有幕墙，所述电池架前侧设有前面板，所述幕墙和前面板构成密闭空间，对系统起到封闭作用。
其中所述机械手包括小车，位于小车内部的升降装置和机械臂；所述升降装置包括升降平台、垂直导轨、升降丝杆和限位滑轮；所述机械臂包括滚柱、电池箱抓手和可双方向移动的双层导轨。
其中所述机械手位于电池架前侧，机械手通过升降装置在竖直方向上具有至少 2个电池箱的调整行程。
其中系统在更换电池箱的过程中，所述机械手的高度可随车身高度的变化自动调整。
其中所述穿梭车由穿梭主体，沿轨道移动的驱动轮和电池箱导向架构成，穿梭主体具有两个电池容纳位，穿梭车沿车辆运行轨道方向的行程为两个电池位距离。
其中所述穿梭车位于电池架正下方，每个电池架下设置有2台穿梭车。
一种利用如权利要求I所述更换系统更换电池箱的方法，其改进之处在于所述方法包括如下步骤
I)车辆定位；
2)机械手移动并对准车辆电池位；堆垛机将满电电池箱从电池架后部取下，放置于穿梭车的一个电池位；穿梭车快速移动空电池位到机械手对应位置；
3)机械手将车辆上装载的亏电电池箱取下，放置于穿梭车的空电池位；
4)穿梭车快速摆渡一个电池位；
5)机械手将满电电池箱从穿梭车取下，安装于车辆上对应位置；
6)堆垛机将亏电电池箱从穿梭车取下，从电池架后部装入电池架准备充电；
7)重复步骤2-6直至车辆的电池箱更换完毕。
其中电池箱通过所述滚柱完成运输，通过所述双层导轨的双向移动完成电池箱从车辆到穿梭车的移动。
堆垛机将亏电电池箱从穿梭车取下，从电池架后部装入电池架准备充电；
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括
I)更换方法步骤简单、更换效率高
更换方法为全自动两步式更换模式，即将电池从电池架取下，安装在暂存架上，再利用机械手将电池安装在车上。由于此更换方式中，取下电池无需旋转，故此更换方式对暂存一侧定位要求、随动性能及换装柔性要求相对较低，对车侧也较低，相应关键技术兼顾满足车侧较高与电池架侧，取放效率达到最高；3/5页
2)更换系统为各种常规产品，制造成本降低
更换系统由四个部分组成1)从车辆上装卸电池的机械手，2)存放和给电池箱充电的电池架，3)位于电池架下临时存放机械手所需电池的穿梭车，4)以及从穿梭车上取放电池并把电池放置于电池架上的堆垛机。该方法机械手体积小巧、动作灵活、所需运动的通道宽度明显减小，电池箱无需旋转，穿梭车位于电池架下方节省空间、具有两个工位且能快速动做，减少了机械手的动作时间，
3)两步式全自动换装模式电池存储架采用封闭式环境，一年四季均可保证电池最佳充电温度，提高了保证电池使用寿命，也解决了防尘问题，较好地解决了电池充电环境问题；
4)本发明更换模式很好地解决了更换适应性、电池架使用、电池充电环境等问题。
除上述优点，本发明更换系统合理利用人工和机械相结合，工程性价比高；系统自动化程度高，设备维护量较小；解决了电池方向性；电池库和室外连通环节少，连通面积小，解决了电池库保温问题，尽可能做到冬暖夏凉，节能省电；设计了电池拆装机械手只做 XYZ三方向直线运动,期间不控制力大小，高效可靠；系统适应性强,可大可小,大到上万块电池省级中转站，小到几十块电池城市中心站，都可相应配置；电池更换车间可以封闭，充电环境可以恒温，防尘电池充电需要散热，夏天需要对工作空间降温，充电时电池温度低会延长充电时间，所以冬天工作空间需要加热，用玻璃幕墙体将电池架、装卸机械手、电池堆垛机、分箱充电机等整套工作系统封闭，只留输送工作窗口，有利于工作空间保温；各装置动作单一，结构简单，故障率低。电池堆垛机只沿着巷道移动(X方向)，升降平台只沿立柱提升(Y方向)，拆装机械手只沿Z方向移动只做电池拆装，穿梭车只沿X方向移动摆渡工作位，部件动作简单，可靠性高。
电池更换理论时间为“拆电池时间+装电池时间”,本发明更换方法是“拆电池时间+装电池时间+穿梭车摆渡时间”，本方法只比理论时间多出穿梭车时间，节省电池更换时间。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图I是更换系统整体示意图2是更换系统左视图3是穿梭车结构示意图4是机械手结构示意附图标记
I-机械手、2-穿梭车、3-电池架、4-堆垛机、5-幕墙、6_穿梭车主体、7_电池箱导向架、8-驱动轮、9-小车、10-升降平台、11-机械臂、12-垂直导轨、13-升降丝杆、14-限位滑轮、15-滚柱、16-电池箱抓手。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
本发明提供了一种动力电池箱的快速更换系统及方法，如图I更换系统整体示意5图所示，系统包括四部分，从车辆上装卸电池的机械手I、存放和给电池箱充电的电池架3、 位于电池架下临时存放机械手所需电池的穿梭车2和从穿梭车上取放电池并把电池放置于电池架上的堆垛机4，其中机械手I为两台位于电池架3的前部，穿梭车2两台位于电池架下方，电池架3 —个，堆垛机4 一台位于电池架3后部。
如图4机械手结构示意图所示，机械手I包括小车9，位于小车9内部的升降装置和机械臂11 ;升降装置包括升降平台10、垂直导轨12、升降丝杆13和限位滑轮14 ;机械臂 11包括滚柱15、电池箱抓手16和可双方向移动的双层导轨。滚柱15用于传输电池箱,双层导轨可双向移动，用于将电池箱从车辆输送到电池架3。
机械手I可在平行于车辆进出方向的地面轨道上快速移动，机械手I在竖直方向有2个电池位的可调行程，且在更换电池箱的过程中，机械手I的在竖直方向上高度可随车身的变化而自动调整。机械手I上的执行部件(电池箱抓手16)在与车辆进入方向垂直的水平面内运动，电池箱抓手16不仅可向车辆方向伸出也能向远离车辆方向伸出，机械手 I拆卸电池时能与车辆上电池箱自动定位、抓紧并解开电池箱锁具的功能，并将电池送于电池架3下的穿梭车2 ;
穿梭车2由穿梭主体6，沿轨道移动的驱动轮8和电池箱导向架7构成，穿梭主体 6具有两个电池容纳位，穿梭车2沿车辆运行轨道方向的行程为两个电池位距离。
电池架3位于机械手I运行轨道后部，用于存放并给电池箱充电；
穿梭车2位于电池架3下方，具有两个电池容纳位，并能沿与车辆行进方向平行的轨道运动，穿梭车2运动的距离为两个电池位，其位移正好能在机械手I不动作的情况下移动一个电池位；
堆垛机4位于电池架3后部，沿平行于车进出方向的地面轨道上快速移动，可将电池箱从穿梭车2送至电池架3，或将电池箱从电池架3送至穿梭车2。
堆垛机4后部设置有幕墙5，可对系统后部进行封闭，保温和保护；电池架3的前部除穿梭车2外其他窗口基本封闭。
本发明的更换方法包括如下步骤
车辆定位；
更换系统的两台机械手I开始动作，一台到车辆侧面前部，一台到车辆侧面后部； 堆垛机4把满电电池放置于穿梭车2的一个电池位；机械手I在车辆上定位电池，每台机械手I从车上取出一箱电池；机械手I迅速将亏电电池送至电池架3下的穿梭车2 ;穿梭车2 移动一个电池位，机械手I将满电电池取走，放置于车上相应位置；堆垛机4将亏电电池从穿梭车2上取下，从电池架3后方把电池放入电池架3充电。机械手I重复取放下一个电池箱，直至所有电池箱均被更换完成为止。
本发明的更换方法为全自动两步式更换模式，即将电池从电池架3取下，安放在穿梭车2上，再利用机械手I将电池安装在车上。该方法机械手I体积小巧、动作灵活、所需运动的通道宽度明显减小，电池箱无需旋转，穿梭车2位于电池架3下方节省空间、穿梭车2具有两个工位且能快速动做，减少了机械手I的动作时间，具有高效更换电池、节约更换站占地面积等优点。此更换方式对暂存一侧定位要求、随动性能及换装柔性要求相对较低，对车侧也较低，更换方法兼顾满足车侧较高与电池架侧，取放效率达到最高。
两步式全自动换装模式电池存储架3采用封闭式环境，一年四季均可保证电池最佳充电温度，提高了保证电池使用寿命，也解决了防尘问题，较好地解决了电池充电环境问题。
本发明很好地解决了更换适应性、电池架使用、电池充电环境等问题。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
权利要求
1.一种动力电池箱的更换系统，所述更换系统包括电池架(3)和位于所述电池架(3) 后侧的堆垛机(4);其特征在于所述更换系统包括机械手(I)、位于所述电池架(3)下方的穿梭车(2);所述堆垛机(4)的后侧设有幕墙(5)，所述电池架(3)前侧设有前面板，所述幕墙(5)和前面板构成密闭空间，对系统起到封闭作用。
2.如权利要求I所述的一种动力电池箱的更换系统，其特征在于所述机械手(I)包括小车(9)，位于小车(9)内部的升降装置和机械臂(11);所述升降装置包括升降平台(10)、 垂直导轨(12)、升降丝杆(13)和限位滑轮(14);所述机械臂包括滚柱(15)、电池箱抓手(16)和可双方向移动的双层导轨。
3.如权利要求I所述的一种动力电池箱的更换系统，其特征在于所述机械手(I)位于电池架(3)前侧，机械手(I)通过升降装置在竖直方向上具有至少2个电池箱的调整行程。
4.如权利要求I所述的一种动力电池箱的更换系统，其特征在于系统在更换电池箱的过程中，所述机械手(I)的高度可随车身高度的变化自动调整。
5.如权利要求I所述的一种动力电池箱的更换系统，其特征在于所述穿梭车(2)由穿梭主体￠)，沿轨道移动的驱动轮(8)和电池箱导向架(7)构成，穿梭主体(6)具有两个电池容纳位，穿梭车(2)沿车辆运行轨道方向的行程为两个电池位距离。
6.如权利要求I所述的一种动力电池箱的更换系统，其特征在于所述穿梭车(2)位于电池架(3)正下方，每个电池架下设置有2台穿梭车(2)。
7.一种利用如权利要求I所述更换系统更换电池箱的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤1)车辆定位；2)机械手移动并对准车辆电池位；堆垛机将满电电池箱从电池架后部取下，放置于穿梭车的一个电池位；穿梭车快速移动使空电池位到机械手对应位置；3)机械手将车辆上装载的亏电电池箱取下，放置于穿梭车的空电池位；4)穿梭车快速摆渡一个电池位；5)机械手将满电电池箱从穿梭车取下，安装于车辆上对应位置；6)堆垛机将亏电电池箱从穿梭车取下，从电池架后部装入电池架准备充电；7)重复步骤2-6直至车辆的电池箱更换完毕。
8.如权利要求7所述的一种动力电池箱的更换方法，其特征在于电池箱通过所述滚柱(15)完成运输，通过所述双层导轨的双向移动完成电池箱从车辆到穿梭车的移动。
全文摘要
本发明提供了一种动力电池箱的更换系统及方法，解决了更换适应性、电池架使用、电池充电环境和电动汽车电池箱快速更换问题。更换系统包括从车辆上装卸电池的机械手，存放和给电池箱充电的电池架，位于电池架下临时存放机械手所需电池的穿梭车，以及从穿梭车上取放电池并把电池放置于电池架上的堆垛机；堆垛机后部设有幕墙，与封闭的电池架前面板一同对系统起到封闭作用，保证电池架内电池最佳充电温度，提高了保证电池使用寿命，较好地解决了电池充电环境问题；更换方法无需电池箱旋转，提高电池箱更换效率。本装置部件布置合理，占地面积小，工作效率高，设备维护量小，具有较强的通用性。
文档编号B60S5/06GK102529906SQ20121000181
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者严辉, 伍罡, 余英, 李武峰, 李翔, 李连更, 王立涛, 陈 光 申请人:中国电力科学研究院