CN102381172B - 蓄电装置及搭载该蓄电装置的电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蓄电装置及搭载该蓄电装置的电动汽车，该蓄电装置包括可快速更换电源模块(1)和可快速充电电源模块(2)，可快速更换电源模块(1)和可快速充电电源模块(2)并联设置，可快速更换电源模块(1)布置在拆除了发动机系统后的发动机舱内，由高能量型储能元件构成，可快速充电电源模块(2)布置在车顶前部位置空间内，由可快速充电型储能元件构成。

Description

蓄电装置及搭载该蓄电装置的电动汽车

技术领域

本发明涉及一种蓄电装置及搭载该蓄电装置的电动汽车。具体而言，本发明涉及由可快速更换电源模块和可快速充电电源模块组成的蓄电装置。

背景技术

近年来，石油资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，促使电动汽车陆续投放市场。虽然电池技术已得到了较大的发展，但与汽油和柴油等化石燃料相比，其性能仍然不能完全满足使用要求。例如，由于电池的比能量较低，电动汽车的续驶里程只有100～160km。

在城市公共交通领域中使用的公交客车每天的行驶里程要求达到250～300km。为了达到这一目标，需要给电动公交客车提供300kWh的电能，配备至少300kWh的电池包，这将使得车辆增加至少3000kg的质量。如果不重新设计车辆，整车各方面的性能将无法得到保证。

为了解决以上问题，需要进一步提高化学电池的比能量。其次，开发可快速充电电池及非接触式快速充电技术，将充电时间缩短到和燃油汽车加油时间相当的程度。另一方面，也可以通过换电站和自动快速换电装置，将没电的电池包从车上拆下来，换上已经充满电的电池包。更换电池包所需的时间也不应超过加油所需的时间。

因此，用作城市公交客车用途的电动汽车及其搭载的蓄电装置具有以下重要课题，即：在不重新设计车辆以及车辆使用简单方便的前提下，通过各种技术途径提供所需的电能，保证电动汽车每天的行驶里程不低于250～300km。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种蓄电装置及搭载该蓄电装置的电动汽车，通过快速换电和快速充电的综合方法，蓄电装置提供的电能可以保证电动汽车每天的行驶里程达到250～300km。

在本发明的第一方面，提供了一种蓄电装置，其包括可快速更换电源模块以及可快速充电电源模块，所述可快速更换电源模块和所述可快速充电电源模块并联设置。可快速更换电源模块采用高能量型储能元件构成，布置在拆除了发动机系统后的发动机舱内，可快速更换电源模块及电驱动系统的质量之和与发动机系统及变速箱的质量之和相当，可快速更换电源模块的宽度、长度和高度分别与发动机舱内部空间的宽度、长度和高度相当。

可快速充电电源模块采用可快速充电型储能元件构成，布置在车顶前部位置空间内，可快速充电电源模块及顶置空调的质量之和与整车整备质量的十分之一相当，可快速充电电源模块的宽度、长度和高度分别与顶置空调的宽度、长度和高度相当。

两种电源模块具有相同的额定电压等级，其负极均串联一个接触器后电气连接在一起，形成蓄电装置的负极，其正极电气连接在一起，并与正极接触器、预充接触器和预充电阻相连接，其中所述预充接触器和所述预充电阻串联后与所述正极接触器并联，形成蓄电装置的正极。

在本发明的第一方面，提供了一种电动汽车，其包括所述的蓄电装置。电动汽车具有与燃油客车相同的内部空间和座位数。打开发动机舱门，可快速地更换可快速更换电源模块。通过设置在车顶处的充电设施，可对可快速充电电源模块进行快速充电。在更换可快速更换电源模块的同时，对可快速充电电源模块进行快速充电。

采用这种蓄电装置，不需要修改或者重新设计车身结构，可以充分利用燃油汽车的车身和生产线，保证批量生产的便利性，以及电动汽车的设计和生产成本较低；满足所述的质量和体积约束条件，电动汽车的质心位置和高度与燃油汽车的相当，在不修改或者重新设计车身结构和底盘系统的前提下，保证了电动汽车的动力性、制动性和操纵稳定性等方面的性能与燃油汽车的相当。

附图说明

图1是本发明的电动汽车的一具体实施例的侧视图，其示意性地示出了蓄电装置的布置，可快速更换电源模块及可快速充电电源模块的长度和高度；

图2是图1所示的具体实施例的后视图，其示意性地示出了蓄电装置的布置，可快速更换电源模块及可快速充电电源模块的宽度；

图3是本发明的蓄电装置的一具体实施例的电气连接结构框图。

图中：1可快速更换电源模块；2可快速充电电源模块；4电驱动系统；5发动机舱门；SMR0预充接触器；R预充电阻；SMR1正极接触器；SMR2可快速更换电源模块负极接触器；SMR3可快速充电电源模块负极接触器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

以下根据图1至图3对本发明的实施例进行详细说明。图1和图2是本发明的电动汽车的一具体实施例的侧视图和后视图，其示意性地示出了蓄电装置的布置，以及可快速更换电源模块1和可快速充电电源模块2的长度、宽度和高度。图3是本发明的蓄电装置的一具体实施例的电气连接图。

如图1和图2所示，蓄电装置由可快速更换电源模块1和可快速充电电源模块2组成，可快速更换电源模块1与可快速充电电源模块2并联设置。可快速更换电源模块1布置在拆除了发动机系统后的发动机舱内；可快速充电电源模块2布置在车顶前部位置空间内。蓄电装置向电驱动系统4提供电力，从而驱动电动汽车。

据统计，城市公交客车每天的行驶里程达到250～300km。为了保证公交客车的载客数量和盈利，特别是应对早晚上下班高峰期间超载严重的情况，车辆必须具有足够的车内空间和座位数。因此，电动公交客车至少应具有不低于250～300km的行驶里程并提供与燃油公交客车相同的车内空间和座位数。

为了达到所需的行驶里程，蓄电装置需要提供至少300kWh的电能。为了保证车辆不需重新设计以及使用简单方便，原则上车辆在运营过程中只应换电一次以及快充一次。车辆不运行时可在夜间充电。换下来的电源模块在换电站利用夜间的谷电进行充电，不仅可以降低运行费用，而且专业的充电和维护将延长电源模块的寿命。因此，在可快速更换电源模块1和可快速充电模块2之间应进行合理的容量分配，确保车辆不需重新设计和使用简单方便。

(1)可快速更换电源模块1

在不修改或者重新设计车身结构和底盘系统的前提下，为了保证电动客车的动力性、制动性和操纵稳定性等方面的性能与燃油客车的相当，在布置质量和体积较大的可快速更换电源模块1时，应使得电动客车的质心位置和高度与燃油客车的相当。而且车内乘坐空间和座位数也与燃油客车的相当，以保证电动客车每天的运营载客数量和盈利。

燃油客车的发动机通常纵向布置在客车尾部的发动机舱内。175kW柴油发动机的净质量约为700kg，进气、排气和冷却系统的总质量约200kg，油箱总质量约200kg，因此，发动机系统质量约为1100kg。自动变速箱的质量约为400kg。电动客车的电动机取代了发动机，纵向布置在原发动机舱内。动力性不低于燃油客车的电动客车搭载的峰值功率150kW的电驱动系统4质量约为400kg。因此，可快速更换电源模块1的质量不应超过1100kg。

如图1和图2所示，可快速更换电源模块1布置在原发动机位置空间内，其宽度与发动机舱内部宽度相当，约为1.6m；其长度与发动机长度相当，约为1m；其高度与发动机高度相当，约为0.6m。因此，可快速更换电源模块1的体积不应超过1000L。

高能量型储能元件，例如正极材料采用镍锰钴酸锂三元材料的锂离子动力电池构成的电源模块的比能量达到100Wh/kg，能量密度达到130Wh/L。在可快速更换电源模块1的质量设定为1100kg，体积设定为1000L时，其总能量接近110kWh。因此，单独使用可快速更换电源模块1时的电动客车的续驶里程将达到110km。

满足所述的质量和体积约束条件，电动客车的质心位置和高度将与燃油客车的相当。将可快速更换电源模块1布置在发动机舱内，避免了修改或者重新设计车身结构和底盘系统，可以充分利用燃油客车的车身、底盘和生产线，保证批量生产的便利性，以及电动客车的设计和生产成本较低。

将可快速更换电源模块1布置在发动机舱内，车内的乘坐空间和座位数不受影响，从而确保电动客车具有与燃油客车相同的车内乘坐空间和座位数，保证了电动客车每天的运营载客数量和盈利。

可快速更换电源模块1布置在发动机舱内，打开发动机舱门5，采用自动化或者半自动化的辅助装置，拆开可快速更换电源模块1的固定装置和动力电缆连接器，即可实现快速拆卸和装配。这样，不仅可以通过快速更换电源模块来延长电动客车的续驶里程，而且使得电动客车的生产装配以及日常维护变得非常方便。

(2)可快速充电电源模块2

只搭载了可快速更换电源模块1的电动客车在距离换电站较远处，如果此时电能耗尽，车辆将不可避免地瘫痪在路上，这将对驾驶员和乘客造成极大的困扰。而且在换电期间，如果能够同时对一个可快速充电电源模块2进行快速充电，则可以获得更多的可用电能。因此，将设置可快速充电电源模块2，作为可快速更换电源模块1的补充。

在不重新设计车辆，并保证电动客车的动力性、制动性和操纵稳定性等方面的性能与燃油客车的相当，布置可快速充电电源模块2时也应使得电动客车车的质心位置和高度与燃油客车的相当。

如图1和图2所示，可快速充电电源模块2布置在车顶前部位置空间内。客车顶部可以增加的质量主要受到两方面的限制，一是质心高度，二是客车顶部的承载能力。可快速充电电源模块2和顶置空调的质量之和不应大整车整备质量的十分之一。顶置空调质量约为300kg，因此可快速充电电源模块2的质量不应超过600kg。

在车顶前部位置空间内布置质量约600kg的可快速充电电源模块2，不会对电动客车的质心位置和高度产生较大的不利影响。显然，质心高度会略微增加，但影响很小；质心位置基本不变，前后轴荷分配保持在2∶8到3∶7之间，对电动客车的动力性、制动性、操纵稳定性和碰撞安全性不会产生任何不利的影响。由于布置在车顶前部位置空间内，因此可以通过设置在车顶处的充电设施，对可快速充电电源模块2进行快速充电。

可快速充电电源模块2布置在车顶前部位置空间。为了保证客车空气动力学特性不发生不利的变化，可快速充电电源模块2的高度不应超过顶置空调的高度，约为0.2m；宽度不超过顶置空调的宽度，约为1.5m；长度不超过顶置空调的长度，约为2.5m。因此，车顶前部位置空间约有750L的空间可以布置可快速充电电源模块2。

目前，负极材料使用钛酸锂的锂离子动力电池在5分钟内可充满90％的容量。但与高能量型储能元件相比，可快速充电型储能元件构成的可快速充电电源模块2的能量指标较低，比能量接近70Wh/kg，能量密度可达到100Wh/L。在可快速充电电源模块2的质量设定为600kg，体积设定为750L时，其总能量接近42kWh。因此，单独使用可快速充电电源模块2的电动客车的续驶里程将达到42km。

可快速更换电源模块1和可快速充电电源模块2的总电能达到150kWh，电动客车的续驶里程可以达到150km。如果加上一次换电和一次快充，则可以提供近300kWh的电能，保证电动公交客车每天的行驶里程不低于250～300km。

参照图3，蓄电装置包含可快速更换电源模块1和可快速充电电源模块2，其具有相同的额定电压等级。两个电源模块的正极电气连接在一起，并与正极接触器SMR1、预充接触器SMR0和预充电阻R相连接，其中预充接触器SMR0和预充电阻R串联后与正极接触器SMR1并联，形成蓄电装置的正极。两个电源模块的负极分别串联接触器SMR2和SMR3后电气连接在一起，形成蓄电装置的负极。通过控制接触器SMR2和SMR3的闭合和断开，控制可快速更换电源模块1和可快速充电电源模块2的工作状态。

电动汽车优先使用可快速更换电源模块1的电能，在可快速更换模块1电能耗尽后才使用可快速充电电源模块2的电能。当可快速更换电源模块1的电能耗尽时，断开接触器SMR2将可快速更换电源模块1从供电回路上分离；闭合接触器SMR3，可快速充电电源模块2供电。因此，可以避免由于可快速更换电源模块1电能耗尽时车辆瘫痪在路上的情况，减轻了驾驶员在使用电动汽车时的担忧。

在换电站快速更换可快速更换电源模块1时，对可快速充电电源模块2进行快速充电，确保所需的300kWh的电能，从而保证了电动公交客车每天250～300km的行驶里程。

本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。

另外，在上述实施例中，来自蓄电装置的电力直接用于驱动电动汽车，但是，该实施例不局限于此。例如，本发明可以应用于装有用于提供电力的蓄电装置的车辆中。

本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。这些改变和修改不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有诸如对于本领域技术人员来说显而易见的修改均应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种蓄电装置，包括，

可快速更换电源模块和可快速充电电源模块，所述的可快速更换电源模块由高能量型储能元件构成，所述的可快速充电电源模块由可快速充电型储能元件构成，其特征在于，

所述的可快速更换电源模块和所述的可快速充电电源模块具有相同的额定电压等级；

所述可快速更换电源模块和所述可快速充电电源模块并联设置，所述的可快速更换电源模块与所述的可快速充电电源模块的负极均串联一个接触器后电气连接在一起，形成所述蓄电装置的负极，所述的可快速更换电源模块与所述的可快速充电电源模块的正极电气连接在一起，并与正极接触器、预充接触器和预充电阻相连接，其中所述预充接触器和所述预充电阻串联后与所述正极接触器并联，形成所述蓄电装置的正极；

电动汽车优先使用所述的可快速更换电源模块的电能，在所述的可快速更换模块电能耗尽后才使用可快速充电电源模块的电能，当所述的可快速更换电源模块的电能耗尽时，断开可快速更换电源模块负极接触器，将所述的可快速更换电源模块从供电回路上分离；闭合所述的可快速充电电源模块负极接触器，所述的可快速充电电源模块供电；以及

所述的可快速更换电源模块布置在拆除了发动机系统后的发动机舱内，所述的可快速充电电源模块布置在车顶前部位置空间内。

2.如权利要求1所述的蓄电装置，其特征在于，

所述的可快速更换电源模块布置在拆除了发动机系统后的发动机舱内，所述的可快速更换电源模块和电驱动系统的质量之和与发动机系统及变速箱的质量之和相当，所述的可快速更换电源模块的宽度、长度和高度分别与发动机舱内部空间的宽度、长度和高度相当。

3.如权利要求1所述的蓄电装置，其特征在于，

所述的可快速充电电源模块布置在车顶前部位置空间内，所述的可快速充电电源模块和顶置空调的质量之和与整车整备质量的十分之一相当，所述的可快速充电电源模块的宽度、长度和高度分别与所述的顶置空调的宽度、长度和高度相当。

4.一种电动汽车，其特征在于，包括，

如权利要求1所述的蓄电装置。

5.如权利要求4所述的电动汽车，其特征在于，

具有与燃油客车相同的车内空间和座位数。

6.如权利要求4所述的电动汽车，其特征在于，

打开发动机舱门可快速更换所述的可快速更换电源模块，通过设置在车顶处的充电设施可对所述的可快速充电电源模块进行快速充电，在更换所述的可快速更换电源模块的同时对所述的可快速充电电源模块进行快速充电。

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