CN102673536B - 电池装填单元、电池换电设备以及电池装填方法 - Google Patents

Abstract

电池换电设备、电池充填单元及电池装填方法。电池装填单元包括框架本体、两电池输送箱和控制装置。控制装置使得：在更换充电电池的过程中，两电池输送箱分别执行向内部装入电池到向外部送出电池的动作，两电池输送箱中的任一者的开口一侧先面对内部装有乏电电池的汽车电池舱，以从电池舱装入需要充电的乏电电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使该开口一侧再面对电池架并将乏电电池放入电池架；并且两电池输送箱中的另一者的开口一侧先面对电池架，以从电池架装入已经充好电的电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使该开口一侧再面对汽车电池舱并将已经充好电的电池放入电池舱，两电池输送箱从装入电池到送出电池的过程同时开始，同时完成。

Description

电池装填单元、电池换电设备以及电池装填方法

技术领域

本发明涉及为电动汽车提供动力电池快速更换的电池换电设备及其电池充填单元，以及将乏电电池更换为已充电电池的电池装填方法。

背景技术

电动汽车采用动力电池作为能量来源，为了连续行驶，要求定期补充电能。电能的补充可以分为整车充电和电池快速更换两种。动力电池的快速更换方式是指车辆在进入充电站后，通过快速更换设备将车辆的动力电池取下并即刻更换另一组动力电池。目前，国内较为成功的大规模应用的充换电站，例如有北京84路(北土城)充换电站、上海世博会充换电站、广州801线路充换电站。然而这些充换电站，仍存在自动化程度不高，更换效率有限的问题。特别是对动力电池本身很重而且需要频繁更换的大型电动公交车而言，非常需要一种高效且便捷的电池换电设备，以提高车辆使用效率。

发明内容

本发明目的之一为提供一种电池换电设备，该装置能够同时换电、整体换电、并且可靠安全，从而简便、快速地更换动电池力。

本发明之另一目的为提供一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填单元，以便于简便、快速地更换动电池力。

本发明之另一目的为一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填方法，以便于简便、快速地更换动电池力。

为此，本发明提供一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填单元，其包括：方形的框架本体，仅横向两侧对外开口，两个开口分别面对提供乏电电池的汽车电池舱和提供已经充好电的电池的电池架；布置于框架本体内且能够各自容纳单个动力电池的两个电池输送箱，每个电池输送箱仅在横向一侧上具有与框架本体的任一侧开口对齐的开口；以及控制装置，所述控制装置控制使得：在更换充电电池的过程中，两个电池输送箱分别执行向内部装入电池到向外部送出电池的动作，其中，两个电池输送箱中的任一者的开口一侧先面对内部装有乏电电池的汽车电池舱，以从汽车电池舱装入需要充电的乏电电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对电池架并将乏电电池放入电池架；并且，两个电池输送箱中的另一者的开口一侧先面对电池架，以从电池架装入已经充好电的电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对汽车电池舱并将已经充好电的电池放入汽车电池舱，所述两个电池输送箱从装入电池到送出电池的过程是同时开始，同时完成的。

优选地，所述两个电池输送箱的每一次升降、旋转、伸出运动都是对应地同时开始，同时进行，同时完成的。

优选地，所述两个电池输送箱在框架本体内布置成具有各自独立的升降空间以及水平旋转和伸出空间。

优选地，在更换电池的过程中，两个电池输送箱在开口与电池架或汽车电池舱对齐后，通过旋转180度以及升降运动两者，使得两个电池输送箱的开口更换成与汽车电池舱或电池架对齐，最后通过伸出动作将电池放入汽车电池舱或电池架。

优选地，电池装填单元包括：位于各个电池输送箱下方并支撑各个电池输送箱的旋转升降底盘；与各个旋转升降底盘连接以升降各个电池输送箱的两个升降组件；与各个旋转升降底盘连接以旋转各个电池输送箱的两个旋转组件；以及，能够伸缩以使各个电池输送箱中容纳的电池向框架本体的开口一侧送出的两个伸出组件。

优选地，各升降组件包括：位于框架本体垂向侧壁上的主动链轮、和布置于旋转升降底盘上的从动链轮。

优选地，各旋转组件包括：减速电机、与减速电机的输出轴相连的主动小齿轮、以及从动大齿轮，所述从动大齿轮与主动小齿轮啮合并被驱动，从而带动电池输送箱整体原地旋转180度。

优选地，各伸出组件包括：固定在框架本体上的固定机架、伸缩嵌套于固定机架上的多级货叉、机械手和吸头，所述机械手和吸头均布置于末级货叉上方且位于电池的伸出方向上的后侧，使得电池被机械手和吸头保持于末级货叉上且能够通过多级货叉的伸缩而伸出或收回。

本发明还提供一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填方法，其包括如下步骤：

在更换充电电池的过程中，

两个电池输送箱中的任一者的开口一侧先面对内部装有乏电电池的汽车电池舱，以从汽车电池舱装入需要充电的乏电电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对电池架并将乏电电池放入电池架；并且

两个电池输送箱中的另一者的开口一侧先面对电池架，以从电池架装入已经充好电的电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对汽车电池舱并将已经充好电的电池放入汽车电池舱，

所述两个电池输送箱从装入电池到放入电池的过程是同时开始，同时完成的。

优选地，所述两个电池输送箱的每一次升降、旋转、伸出运动都是对应地同时开始，同时进行，同时完成的。

优选地，上述步骤中还包括如下步骤：a.通过升降组件，将两个电池输送箱分别调整为一个电池输送箱的开口对齐汽车电池舱，另一个电池输送箱的开口面对电池架中取用电池的位置，两个位置是上下垂直间隔开的；b.通过两个电池输送箱各自对应的机械手和吸头，从电池架取出已经充好电的电池并将之装入开口与电池架对齐的一个电池输送箱内，以及从汽车电池舱取出需要更换的乏电电池并将之装入另一个电池输送箱内；c.装有电池的两个电池输送箱在各自移动旋转底盘的作用下进行原地旋转180°以及升降运动，以便装有乏电电池的一个电池输送箱的开口对齐电池架中的空位，而装有已充电电池的另一电池输送箱的开口对齐汽车电池舱；d.两个电池输送箱水平伸出，即装有乏电电池的一个电池输送箱将货叉横向水平伸出到电池架一侧，并将乏电电池推入电池架中，而装有已充电电池的另一电池输送箱将货叉横向水平伸出到汽车电池舱一侧，并将已充电电池放入电池架中；以及，e.两个电池输送箱水平收回到框架本体内，完成电池更换。

优选地，所述两个电池输送箱在框架本体内布置成具有各自独立的升降空间以及水平旋转和伸出空间。

本发明还提供一种汽车电池换电设备,其具有多个换电工位，在每个换电工位对应的地面上设置有一个车辆定位装置，用于在每辆车进入换电工位时，引导该车辆来到预定的工位，在每个换电工位的车身进入方向的一侧边，对应设置有上述的电池装填单元以及充电电池架，充电电池架位于每个装填单元的与车体相反的一侧，如此，当该车辆来到预定的工位时，车身侧面的汽车电池舱与电池装填单元的正面相对，充电电池架与电池装填单元的背面相对，更换电池时，所述装填单元将从汽车电池舱换下来的乏电电池放入充电电池架，同时从充电电池架上取出已经充好的电池放入汽车电池舱内中。

本发明的电池换电设备、电池充填单元及电池充填方法能够实现同时换装电池，换电时间短，效率高；能够实现整体换电，快捷高效；并且，待换电的车辆定位，换电可靠，准确安全。

附图说明

图1为示出电池换电设备的概略性正视图。

图2为示出电池换电设备的概略性俯视图。

图3为电池装填单元的侧视截面图。

图4为电池装填单元的正视截面图。

图5为示出电池装填单元的升降组件的侧视图。

图6为示出电池装填单元的旋转组件的正视图。

图7为示出电池装填单元的伸出组件的侧视图，此时伸出组件处于货叉收回状态。

图8为示出电池装填单元的伸出组件处于货叉半伸出状态的概略性侧视图。

图9为示出电池装填单元的伸出组件处于货叉全伸出状态的概略性侧视图。

图10为示出电池装填单元的伸出组件处于电池伸出状态的概略性侧视图。

图11(a)和图11(b)分别为电池装填单元的伸出组件的侧视和俯视结构详图。

图12-17为换电过程概略性示意图。

具体实施方式

图1和2分别以正视图和俯视图概略性示出本发明的电池换电设备，由图可见，该电池换电设备示例性地包括：两个电池充电单元10；充电电池架1；车辆定位装置3；以及，轨道28。电池充电单元10优选地沿轨道28运动，但显然其可以采用其它的运动方式，只要能够满足电池充电单元10转运电池这一功能即可，例如采用与地面基础4直接接触的车轮式运动方式。

如图1和2所示，本发明的电池换电设备具有多个换电工位，在每个换电工位对应的地面上设置有一个车辆定位装置3，用于在每辆车2进入换电工位时，引导该车辆2来到预定的工位。车辆2例如为电动大巴之类的电动汽车，在换电池时定位在地面基础4上。在换电工位的相对于车身进入方向的两侧，对应地分别设置有电池装填单元10以及充电电池架1。充电电池架1位于每个装填单元10的与车体相反的一侧。电池装填单元10共两个，在换电工位的相对于车身进入方向的两侧各设置一个，每个电池装填单元10分别在轨道28上沿车身进入方向往复运动，从而能够相应于汽车电池舱和充电电池架定位。如此，当该车辆2来到预定的工位时，车身侧面的汽车电池舱与电池装填单元10的正面相对，充电电池架1与电池装填单元10的背面相对。更换电池时，所述装填单元10将从汽车电池舱换下来的乏电电池放入充电电池架1，同时从充电电池架1上取出已经充好的电池放入汽车电池舱内中。

进一步，如图3和4所示，电池装填单元10包括：具有顶壁、底壁、左右垂向侧壁且前后两侧对外开口的方形框架本体12；布置于框架本体12内的尺寸设计成能够分别容纳单个动力电池20的两个电池输送箱11a和11b，电池输送箱仅一侧开口，与框架本体12的开口对齐；位于各个电池输送箱11a和11b下方以支撑电池输送箱11a和11b的旋转升降底盘13a和13b；用于升降各个电池输送箱11a和11b的升降组件；用于旋转各个电池输送箱11a和11b的旋转组件；以及能够伸缩以使各个电池输送箱11a和11b中容纳的电池向电池输送箱11a和11b的开口一侧伸出的伸出组件。

两个电池输送箱11a和11b一侧的开口用于接收或送出电池。在更换电池时，两个电池输送箱中任一者的开口一侧面对待更换电池的电动汽车的车身侧面的汽车电池舱，以利于从汽车电池舱取出需要充电的乏电电池，而另一者的开口一侧面对电池架，以利于从电池架取出已经充好电的电池。

电池输送箱11a和11b具有相同的外形尺寸，并且在框架本体12内布置成从开口侧看去(图4)，一个在上，一个在下，左右侧边对齐，而从与开口侧方向垂直的横向一侧看去(图3)，仍然一个在上，一个在下，但横向上左右间隔错开。这样两个电池输送箱11a和11b各自具有独立的垂直升降空间，可通过各自的升降组件升降而不会相互干涉。并且，两个电池输送箱11a和11b在上下错位布置时，各自具有独立的水平旋转和伸出空间，可通过各自的旋转组件在各自的位置上旋转180度而不会相互干涉，可通过各自的伸出组件向外伸出而不会相互干涉。

如图5所示，升降组件包括：位于框架本体12垂向侧壁上的主动链轮14a和14b；和，布置于旋转升降底盘13a和13b上的从动链轮15a和15b。当主动链轮14a和14b转动时，与之相连的链条被带动而驱动从动链轮15a和15b上升或下降，使得电池输送箱11a和11b与从动链轮15a和15b一起上升或下降，到达所需位置。

如图6所示，对应于电池输送箱11a的旋转组件包括：减速电机16a、与减速电机16a的输出轴相连的主动小齿轮17a、以及与主动小齿轮17a啮合并被驱动的从动大齿轮18a。主动小齿轮17a在减速电机16a的驱动下转动，与主动小齿轮啮合17a的从动大齿轮18a在小齿轮17a的带动下旋转，从而带动电池输送箱11a整体原地旋转180度。同样的输送组件应用于电池输送箱11b。

如图11(a)和11(b)所示，对应于电池输送箱11a的伸出组件包括：固定在框架本体12上的固定机架26a、伸缩嵌套于固定机架26a上的一级货叉22a、伸缩嵌套于一级货叉22a上的二级货叉23a、机械手21a和吸头24a。所述机械手21a和吸头24a均布置于二级货叉23a上方且位于电池20的伸出方向上的后侧，使得电池20被机械手21a和吸头24a保持于二级货叉23a上。一级货叉22a和二级货叉23a能够在链条25a和滚轮27a的作用下伸出或收缩。进一步，机械手21a能够通过吸头24a推动电池20在二级货叉23a上面伸出或收回。同样的伸出组件应用于电池输送箱11b。

图7-10分别为伸出组件处于货叉收回状态、货叉半伸出状态、货叉全伸出状态、电池送出的示意图。起始时，如图7所示，当伸出组件处于收回状态时，一级货叉22a和二级货叉23a以及固定机架26a彼此伸缩嵌套在一起，电池20位于二级货叉23a上并完全容纳在电池输送箱11a内。在伸出过程中，如图8所示，固定机架26a不动，驱动链条25a带动一级货叉22a向外伸出，使得与一级货叉22a伸缩嵌套的二级货叉23a、位于二级货叉23a上的机械手21a、以及放置于二级货叉23a上的电池20一起向外伸出一定距离。此时，一级货叉22a到达最大伸出位置，如图9中所示，一级货叉22a固定，驱动链条25a带动二级货叉23a继续向前伸出，由此二级货叉23a到达最大伸出位置。这时，如图10所示，一级货叉22a和二级货叉23a均保持不动，机械手21a推动电池20向前推进，进入电池架或者汽车电池舱。

为电动汽车更换电池分为两个步骤，即a)从汽车电池舱取出需要充电的电池并将之放入电池架1，以及b)从电池架1取出已经充好电的电池并放入汽车电池舱。

本发明的电池换电设备能够同时进行a)和b)这两个步骤，缩短了更换电池所需时间，实现简便快速更换电池的目的。

具体地，更换电池的工作流程如下：

如图12所示，初始状态下，两个电池输送箱11a和11b可能处于任何位置。

开始更换电池时，如图13所示，通过升降组件，将电池输送箱11a和11b分别调整为图中右侧电池输送箱11b的开口对齐汽车电池舱，左侧电池输送箱11a面对电池架中可以取用电池的位置(步骤S1)，这两个位置必须是上下错开的，给电池输送箱11a和11b留出垂直升降空间、水平转动和伸出空间。

接下来，如图14所示，电池输送箱11a和11b保持不动。通过电池输送箱11a和11b各自对应的机械手21a、21b和吸头24a、24b，从电池架1取出并向电池输送箱11a装入已经充好电的电池，以及同时从汽车电池舱取出并向电池输送箱11b装入需要更换的乏电电池(步骤S2)。

接下来，如图15所示，装有电池的两个电池输送箱11a和11b在各自升降旋转底盘13a和13b的作用下同时原地旋转180°(步骤S3)。这一步的作用是调转电池输送箱11a和11b的开口，从而在最后一步中，向与最初取电池相反的方向送出电池。

接下来，如图16所示，旋转后的电池输送箱被升降，以便右侧电池输送箱11b的开口对齐电池架中可放入电池的空位，左侧电池输送箱11a的开口对齐汽车电池舱(步骤S4)。

接下来，如图17所示，电池输送箱11a和11b水平伸出。也就是说，右侧电池输送箱11b将货叉横向水平伸出到电池架一侧，即图中左侧，并将乏电电池推入电池架中，而左侧电池输送箱11a将货叉横向水平伸出到汽车电池舱一侧，即图中右侧，并将已充电电池放入电池架1中(步骤S5)。

最后，电池输送箱11a和11b水平收回到货叉收回状态(步骤S6)。

整个步骤中将乏电电池取出并放入电池架和将已充电电池取出并放入电池舱的更换过程是同时开始，同时进行，同时结束的。因此换电池时间缩短，效率提高，且可靠、安全。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。例如，升降组件、旋转组件、伸出组件的具体构造可以不同。步骤S3和S4中的旋转和升降运动的顺序可以交换，即也可以先升降再旋转。而且两个电池输送箱的旋转、升降运动还可以不同步，分别旋转、升降，或者某一个电池输送箱先开始旋转或升降等等，只要伸出过程不干涉就可。另外，两个电池输送箱在框架本体内的布置也可以根据实际情况选择，在本实施例中设置为两个电池输送箱上下布置，也可以两个电池输送箱左右布置，只要能够通过各种运动方式交换分别容纳乏电电池和已充电电池的电池输送箱的位置，最终对换乏电电池和已充电电池位于电池架和电池舱中的位置即可。

而且，对于本说明书中披露的电池换电设备、电池充填单元及电池充填方法的所有特征，它们并不局限于所存在的方案中，本领域技术人员可以根据需要对这些特征做不同的组合，从而能够分别获得本发明的电池换电设备、电池充填单元及电池充填方法的各种不同方案。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填单元，包括：

方形的框架本体，仅横向两侧对外开口，两个开口分别面对提供乏电电池的汽车电池舱和提供已经充好电的电池的电池架；

布置于框架本体内且能够各自容纳单个动力电池的两个电池输送箱，每个电池输送箱仅在横向一侧上具有与框架本体的任一侧开口对齐的开口，所述两个电池输送箱各自具有独立的升降空间，可通过各自的升降组件升降而不会相互干涉，并且，所述两个电池输送箱在上下错位布置时，各自具有独立的水平旋转和伸出空间，可通过各自的旋转组件在各自的位置上旋转180度而不会相互干涉，可通过各自的伸出组件向外伸出而不会相互干涉；以及

控制装置，所述控制装置控制使得：

在更换充电电池的过程中，两个电池输送箱分别执行向内部装入电池到向外部送出电池的动作，其中，

两个电池输送箱中的任一者的开口一侧先面对内部装有乏电电池的汽车电池舱，以从汽车电池舱装入需要充电的乏电电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对电池架并将乏电电池放入电池架；并且

两个电池输送箱中的另一者的开口一侧先面对电池架，以从电池架装入已经充好电的电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对汽车电池舱并将已经充好电的电池放入汽车电池舱，

所述两个电池输送箱从装入电池到送出电池的过程是同时开始，同时完成的。

2.如权利要求1所述的电池装填单元，其中，所述两个电池输送箱的每一次升降、旋转、伸出运动都是对应地同时开始，同时进行，同时完成的。

3.如权利要求1或2所述的电池装填单元，其中，在更换电池的过程中，两个电池输送箱在开口与电池架或汽车电池舱对齐后，通过旋转180度以及升降运动两者，使得两个电池输送箱的开口更换成与汽车电池舱或电池架对齐，最后通过伸出动作将电池放入汽车电池舱或电池架。

4.如权利要求1或2所述的电池装填单元，其中还包括：

位于各个电池输送箱下方并支撑各个电池输送箱的旋转升降底盘；

与各个旋转升降底盘连接以升降各个电池输送箱的两个升降组件；

与各个旋转升降底盘连接以旋转各个电池输送箱的两个旋转组件；以及

能够伸缩以使各个电池输送箱中容纳的电池向框架本体的开口一侧送出的两个伸出组件。

5.如权利要求1或2所述的电池装填单元，其中，各升降组件包括：位于框架本体垂向侧壁上的主动链轮、和布置于旋转升降底盘上的从动链轮。

6.如权利要求1或2所述的电池装填单元，其中，各旋转组件包括：减速电机、与减速电机的输出轴相连的主动小齿轮、以及从动大齿轮，所述从动大齿轮与主动小齿轮啮合并被驱动，从而带动电池输送箱整体原地旋转180度。

7.如权利要求1或2所述的电池装填单元，其中，各伸出组件包括：固定在框架本体上的固定机架、伸缩嵌套于固定机架上的多级货叉、机械手和吸头，所述机械手和吸头均布置于末级货叉上方且位于电池的伸出方向上的后侧，使得电池被机械手和吸头保持于末级货叉上且能够通过多级货叉的伸缩而伸出或收回。

8.一种用于将乏电电池更换为已充电电池的电池装填方法，包括如下步骤：

在更换充电电池的过程中，

两个电池输送箱中的任一者的开口一侧先面对内部装有乏电电池的汽车电池舱，以从汽车电池舱装入需要充电的乏电电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对电池架并将乏电电池放入电池架；并且

两个电池输送箱中的另一者的开口一侧先面对电池架，以从电池架装入已经充好电的电池，然后通过升降、旋转、伸出运动，使得该开口一侧再面对汽车电池舱并将已经充好电的电池放入汽车电池舱，

所述两个电池输送箱从装入电池到放入电池的过程是同时开始，同时完成的。

9.如权利要求8所述的电池装填方法，其中，所述两个电池输送箱的每一次升降、旋转、伸出运动都是对应地同时开始，同时进行，同时完成的。

10.如权利要求8或9所述的电池装填方法，其中，所述步骤还包括如下步骤：

a.通过升降组件，将两个电池输送箱分别调整为一个电池输送箱的开口对齐汽车电池舱，另一个电池输送箱的开口面对电池架中取用电池的位置，两个位置是上下垂直间隔开的；

b.通过两个电池输送箱各自对应的机械手和吸头，从电池架取出已经充好电的电池并将之装入开口与电池架对齐的一个电池输送箱内，以及从汽车电池舱取出需要更换的乏电电池并将之装入另一个电池输送箱内；

c.装有电池的两个电池输送箱在各自移动旋转底盘的作用下进行原地旋转180°以及升降运动，以便装有乏电电池的一个电池输送箱的开口对齐电池架中的空位，而装有已充电电池的另一电池输送箱的开口对齐汽车电池舱；

d.两个电池输送箱水平伸出，即装有乏电电池的一个电池输送箱将货叉横向水平伸出到电池架一侧，并将乏电电池推入电池架中，而装有已充电电池的另一电池输送箱将货叉横向水平伸出到汽车电池舱一侧，并将已充电电池放入电池架中；

e.两个电池输送箱水平收回到框架本体内，完成电池更换。

11.如权利要求8或9所述的电池装填方法，其中，两个电池输送箱在框架本体内布置成具有各自独立的升降空间以及水平旋转和伸出空间。

12.一种汽车电池换电设备,具有多个换电工位，在每个换电工位对应的地面上设置有一个车辆定位装置，用于在每辆车进入换电工位时，引导该车辆来到预定的工位，在换电工位的相对于车身进入方向的两侧，对应地分别设置有如上述权利要求1-7所述的一个电池装填单元以及充电电池架，充电电池架位于每个装填单元的与车体相反的一侧，两个电池装填单元分别在轨道上沿车身进入方向往复运动，从而能够相应于汽车电池舱和充电电池架定位，如此，当该车辆来到预定的工位时，车身侧面的汽车电池舱与电池装填单元的正面相对，充电电池架与电池装填单元的背面相对，更换电池时，所述装填单元将从汽车电池舱换下来的乏电电池放入充电电池架，同时从充电电池架上取出已经充好的电池放入汽车电池舱内中。