□ 陳 剛 □ 陳 標(biāo)

湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院 湖南株洲 412001

1 設(shè)計(jì)背景

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷成熟,電動(dòng)汽車因環(huán)保優(yōu)勢(shì)和電能成本優(yōu)勢(shì)逐漸受到廣大消費(fèi)者的青睞,廣大汽車消費(fèi)者逐漸從燃油車轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,消費(fèi)者關(guān)注的主要焦點(diǎn)是動(dòng)力電池的充電時(shí)間和充電后的使用時(shí)長(zhǎng)。

對(duì)于動(dòng)力電池,充電有兩種主要方式。一種方式是通過充電器直接給動(dòng)力電池充電,缺點(diǎn)是充電時(shí)間長(zhǎng),充電有可能產(chǎn)生過熱,導(dǎo)致不安全。另一種方式是使用換電技術(shù),將電量不足的動(dòng)力電池拆下,換上充滿電量的動(dòng)力電池,這樣電動(dòng)汽車的充電時(shí)間實(shí)際上就是更換動(dòng)力電池的時(shí)間,無需充電等待時(shí)間,從而提高效率。在現(xiàn)有的換電技術(shù)中,動(dòng)力電池大多采用螺栓緊固在汽車底盤上,換電時(shí)通過外置升降機(jī)構(gòu)將整個(gè)動(dòng)力電池包托舉換下,再將備用動(dòng)力電池?fù)Q上。這一更換工藝使緊固動(dòng)力電池的螺栓需進(jìn)行反復(fù)多次的充分松緊,容易損壞。同時(shí)安裝孔的對(duì)中操作不方便,拆裝煩瑣,換電過程較費(fèi)時(shí)。由此可見,現(xiàn)有換電技術(shù)存在四方面不足。一是操作不便,需要通過人工方式借助外置設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力電池的更換,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。二是動(dòng)力電池承載結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間設(shè)計(jì)不合理。三是維護(hù)麻煩,故障率高,且使用壽命短。四是無法對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行信息采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,設(shè)計(jì)了抽拉式動(dòng)力電池承載裝置及其控制策略。

2 動(dòng)力電池承載裝置整體設(shè)計(jì)

為了解決操作的便捷性問題,所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池承載裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),整體結(jié)構(gòu)主要包括以電機(jī)為動(dòng)力源的雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)、承載導(dǎo)軌,如圖1所示。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)與絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的絲桿連接,用于驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),從而通過絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)嚙合,帶動(dòng)螺母進(jìn)行往復(fù)直線移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)承載托盤機(jī)構(gòu)伸出與縮回。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)中的一個(gè)齒輪安裝在電機(jī)的輸出軸上,另一個(gè)齒輪安裝在絲桿的一端。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲桿軸承座、承載導(dǎo)軌底座均安裝在車輛底盤上。

圖1 動(dòng)力電池承載裝置整體結(jié)構(gòu)

雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)通過設(shè)置雙齒輪,使電機(jī)位于絲桿的一側(cè),承載托盤機(jī)構(gòu)則位于絲桿的另一側(cè)。一方面,雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)三者以依次平鋪的方式進(jìn)行連接,使承載模塊的整體空間設(shè)計(jì)更為合理,有效控制和減小承載模塊的整體厚度,便于安裝在車輛底盤上,節(jié)省占用車輛底盤或車輛厚度空間。另一方面,雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,因此能有效降低承載模塊的運(yùn)行故障率,并且在進(jìn)行故障檢查和維護(hù)時(shí)也可一目了然,方便省力。

3 承載托盤機(jī)構(gòu)

承載托盤機(jī)構(gòu)用于放置動(dòng)力電池,橫向剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括用于承載動(dòng)力電池的承載托盤、與承載托盤連接的托盤耳座、用于將動(dòng)力電池固定在承載托盤上的鎖緊裝置,托盤耳座與螺母連接。為了確保安放動(dòng)力電池后的固定鎖緊性能,防止車輛運(yùn)動(dòng)過程中顛簸帶來的動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)位移,在承載托盤的外側(cè)設(shè)計(jì)有鎖緊裝置,包括浮動(dòng)夾板和鎖緊部件。浮動(dòng)夾板通過鎖緊部件可以進(jìn)行位移調(diào)節(jié),確保動(dòng)力電池放置的方便性和鎖緊的可靠性。為了起到緩沖作用,在承載托盤內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有緩沖內(nèi)襯。

圖2 承載托盤機(jī)構(gòu)橫向剖面結(jié)構(gòu)

4 承載導(dǎo)軌

承載導(dǎo)軌用于支撐承載托盤機(jī)構(gòu)往復(fù)移動(dòng)。由于汽車動(dòng)力電池自身質(zhì)量較大,因此在設(shè)計(jì)承載導(dǎo)軌時(shí),既需要考慮實(shí)現(xiàn)有效承載,又需要考慮往復(fù)移動(dòng)的省力需要。承載導(dǎo)軌安裝在車輛底盤上,承載托盤機(jī)構(gòu)通過絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的作用,沿承載導(dǎo)軌移動(dòng)。

承載導(dǎo)軌橫向剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示,承載導(dǎo)軌縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括固定基座、導(dǎo)軌滑板、若干圓柱滾動(dòng)體、保持架、側(cè)圍導(dǎo)向板等。在固定基座上設(shè)計(jì)有若干曲面凹槽,相同數(shù)量的圓柱滾動(dòng)體均勻間隔且平行嵌入放置在固定基座的曲面凹槽中。圓柱滾動(dòng)體在曲面凹槽中相對(duì)于曲面凹槽凸出,以便支撐導(dǎo)軌滑板。保持架用于對(duì)圓柱滾動(dòng)體進(jìn)行限位,防止脫離曲面凹槽。導(dǎo)軌滑板嵌套安裝在圓柱滾動(dòng)體的上方,兩者之間形成滾動(dòng)副。固定基座安裝在車輛底盤上。

圖3 承載導(dǎo)軌橫向剖面結(jié)構(gòu)

圖4 承載導(dǎo)軌縱向剖面結(jié)構(gòu)

考慮到潤(rùn)滑的需要,固定基座上位于每個(gè)曲面凹槽的軸向?qū)?yīng)兩端分別設(shè)置有儲(chǔ)油槽,儲(chǔ)油槽與曲面凹槽連通。在固定基座上位于每個(gè)曲面凹槽徑向的兩側(cè)設(shè)計(jì)有楔形油槽,楔形油槽與凹槽連通,從而形成潤(rùn)滑路徑的連通。

為了保證導(dǎo)軌滑板與圓柱滾動(dòng)體的有效接觸及穩(wěn)定的相對(duì)位置,在導(dǎo)軌滑板的兩側(cè)安裝有側(cè)圍導(dǎo)向板。側(cè)圍導(dǎo)向板上沿自身長(zhǎng)度方向間隔設(shè)置有若干個(gè)球冠凹槽,球冠凹槽中安裝有球體滾珠,球體滾珠相對(duì)球冠凹槽凸出,并與固定基座滾動(dòng)接觸,以保障側(cè)圍導(dǎo)向板相對(duì)固定基座往復(fù)移動(dòng)的平滑性。固定基座與兩個(gè)側(cè)圍導(dǎo)向板分別相對(duì)的兩個(gè)側(cè)壁上設(shè)置有凸緣。導(dǎo)軌滑板下方設(shè)計(jì)為凹槽樣式,面向圓柱滾動(dòng)體,形成嵌套覆蓋式安裝,保證兩者之間的相對(duì)位置和有效接觸。

5 動(dòng)力電池承載裝置控制策略

隨著動(dòng)力電池使用頻次的增加,使用性能將逐漸下降,怎樣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的性能狀態(tài),是提升電動(dòng)汽車整車質(zhì)量的重要一環(huán),也是車輛用戶關(guān)心的焦點(diǎn)。設(shè)計(jì)通過構(gòu)建動(dòng)力電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)動(dòng)力電池的更換和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),并分析動(dòng)力電池的待使用性能,助推換電技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括基本參數(shù)采集模塊、歷史參數(shù)存儲(chǔ)器、運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測(cè)模塊、運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)計(jì)算單元,控制策略如圖5所示?；緟?shù)采集模塊用于采集動(dòng)力電池的基本參數(shù),基本參數(shù)包括但不限于動(dòng)力電池的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時(shí)間、電池容量、電池質(zhì)量、使用頻次?；緟?shù)采集模塊將所采集到的基本參數(shù)發(fā)送至歷史參數(shù)存儲(chǔ)器,進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。

圖5 動(dòng)力電池承載裝置控制策略

運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測(cè)模塊采集車輛運(yùn)行過程中動(dòng)力電池的工作運(yùn)行參數(shù),包括動(dòng)力電池的工作溫度、工作電壓、放電電流、剩余電量等。運(yùn)行參數(shù)采集監(jiān)測(cè)模塊將所采集到的動(dòng)力電池工作運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)器,進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)計(jì)算單元調(diào)用歷史參數(shù)存儲(chǔ)器中的歷史基本參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)器中的工作運(yùn)行參數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)算規(guī)則分析對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池的待使用性能,如動(dòng)力電池的整體運(yùn)行安全性、使用壽命等。同時(shí),數(shù)據(jù)計(jì)算單元將動(dòng)力電池的待使用性能分析結(jié)果發(fā)送至車輛車載屏幕或車輛智能座艙系統(tǒng),進(jìn)行可視化呈現(xiàn),提醒和幫助駕駛?cè)藛T對(duì)動(dòng)力電池的狀態(tài)進(jìn)行判斷,進(jìn)而確定使用決策。

6 結(jié)束語

抽拉式動(dòng)力電池承載裝置采用雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)、承載導(dǎo)軌互相配合的組合設(shè)計(jì),控制承載托盤機(jī)構(gòu)移動(dòng)或停止的方式快捷省力。結(jié)合行程開關(guān)控制,可靠控制承載托盤機(jī)構(gòu)的行程在需要范圍內(nèi)。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、承載托盤機(jī)構(gòu)三者以依次平鋪的方式進(jìn)行連接,使承載模塊的整體空間設(shè)計(jì)更合理,有效控制和減小承載模塊的整體厚度,節(jié)省占用的車輛底盤或車輛厚度空間。雙齒輪嚙合機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行故障率低,能有效降低承載模塊整體的運(yùn)行故障率,并且方便故障檢查和維護(hù)。在承載托盤機(jī)構(gòu)上設(shè)置鎖緊裝置,對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行鎖定夾持或者解除夾持,從而使動(dòng)力電池的更換方便快捷,確保動(dòng)力電池放置的可靠性和動(dòng)力電池自身的安全性。采用內(nèi)置滾動(dòng)體的承載導(dǎo)軌,大大降低承載導(dǎo)軌整體的結(jié)構(gòu)磨損,極大增大承載導(dǎo)軌的承載力,延長(zhǎng)使用壽命,確保承載導(dǎo)軌在使用時(shí)的滑動(dòng)穩(wěn)定性。承載導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)小,承載能力強(qiáng),運(yùn)行精度高,工作噪聲小,安裝方便。

同時(shí)構(gòu)建動(dòng)力電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),設(shè)計(jì)控制策略,對(duì)動(dòng)力電池的更換和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),并分析動(dòng)力電池的待使用性能,確保動(dòng)力電池更換的信息透明和安全穩(wěn)定。