CN103358925A

CN103358925A - 电池更换模块

Info

Publication number: CN103358925A
Application number: CN2013101028226A
Authority: CN
Inventors: Y·海哈尔
Original assignee: Better Place GmbH
Current assignee: Better Place GmbH
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-10-23
Also published as: WO2013144955A3; WO2013144955A2; IL218870A0

Abstract

本申请提供一种用于更换电池组的电池更换模块，所述电池组可通过一个或多个闩锁机构附接于车辆的底侧。所述电池更换模块包括致动器框架，所述致动器框架包括配置为并可操作地与所述一个或多个闩锁机构配合的一个或多个致动器，所述一个或多个致动器安装在所述致动器框架上，用于相对于所述框架移动。

Description

电池更换模块

技术领域

本申请涉及具有可更换电池的电动轿车的领域。

背景技术

运载工具（例如轿车、卡车、飞机、船只等）是现代经济不可或缺的部分。不幸地是，用于驱动汽车的化石燃料例如石油具有许多缺点，包括：对这些化石燃料的有限外来来源的依赖、污染和气候变化。解决这些问题的一种方案是提高汽车的燃料燃烧效率。最近，油电混合动力车辆（hybrid electric vehicle，HEV）被引入，HEV较传统非混合动力车辆具有显著更高的燃料经济性。但混合动力车辆并未消除对化石燃料的需求。

解决这些问题的另一种方案是使用清洁引擎技术，例如由氢驱动的引擎或者由燃料电池或电池驱动的电动车辆（electric vehicle，EV）。但许多这些清洁引擎技术还并不实用。例如燃料电池电动车辆（fuel cell electric vehicle，FCEV）仍处于发展阶段，较为昂贵。类似地，电池技术也还未达到电池能长距离驱动电动车辆的地步。电池能量密度与化石燃料相比仍然很低。电池成本高昂，并可能给车辆增加高达40%的成本费用。此外，电池会占用若干小时来充电。

转让给本申请的受让人的国际专利公布WO2010/033883提出了解决上述问题的一种方案，并公开了装配有一个系统的电池更换站，该系统用于快速将连接到车辆的放完电的牵引用电池组更换为完全充电的牵引用电池组。完成该快速电池更换的时间远少于为电池组重新充电或为传统轿车补充燃料的时间。该文公开的电池更换系统包括电池更换平台，可在该平台上安装不同机械工具，以便自车辆取出电池，用充电的电池替换放完电的电池。

发明内容

本申请公开一种利用电池更换模块（BSM）的新颖的电池更换系统，配置为并可操作用于替换不同类型的电池。

所述BSM允许使用单个机械工具，以能够对接并替换具有不同物理尺寸（长度、宽度、厚度）的各种电池组，所述电池组具有将电池组保持在电池舱中恰当位置的不同数目和相对位置的锁，。这将允许建成能服务于具有不同尺寸和不同电池组形状的不同类型的Evs的BSS。

所提出的BSM实现了上述目的，而不必像现在所做的那样对每种电池组使用不同的定制工具，并且不增加位于车辆上的电池设备的复杂程度。实际上，替换的建成能对接许多类型的车辆和电池的BSS的方法会使用轿车内的电池锁定机构，所述电池锁定机构包括致动马达，以便锁定/解锁电池。通过使用这样的机构，BSS将仅需容纳（支撑）电池，并且会是能支持许多不同类型的轿车和电池的非常通用并且简单的接口。车辆将负责使电池接合于轿车或自轿车脱离。但是这样的机构倾向于增加EV的成本。因此，所提出的BSM保持了与轿车和电池的通用接口，但将致动元件置于BSS中，而不是轿车中。由此，所提出的BSM能协助降低嵌入EV中的设备的复杂程度和成本。

因此，本申请提供一种用于更换电池组的电池更换模块，所述电池组可通过一个或多个闩锁机构附接于车辆的底侧。所述电池更换模块包括致动器框架，所述致动器框架包括配置为并可操作地与所述一个或多个闩锁机构配合的一个或多个致动器；所述一个或多个致动器安装在所述致动器框架上，用于相对于所述框架移动。

在一些实施例中，至少一个所述致动器包括：底座；自所述底座突出的驱动轴，所述驱动轴配置为与在至少一个所述闩锁机构中的插口接合；以及致动器马达，配置为当所述驱动轴接合到所述插口中时使所述驱动轴转动，以致动所述闩锁机构。

在一些实施例中，所述制动器框架进一步包括至少一个配置为容纳所述致动器中的一个的致动器箱，所述致动器箱配备有马达，以便能沿着至少两个方向在所述致动器框架上移动。

在一些实施例中，所述致动器进一步包括配置为保持所述电池组的电池支撑衬垫。

在一些实施例中，至少一个所述致动器进一步包括安装在所述电池支撑衬垫上的基准销，所述基准销配置为接合在所述电池组的基准孔中。

在一些实施例中，容纳在所述致动器箱中的至少一个所述致动器在所述致动器箱内具有移动能力。

在一些实施例中，所述致动器配置为在所述致动器箱内被提升。

在一些实施例中，所述致动器和所述致动器箱配置为允许所述致动器相对于所述致动器箱水平浮动（horizontal floating）。

在一些实施例中，至少一个致动器包括在所述驱动轴的端部处的自动对齐球，所述自动对齐球能处理所述致动器和所述闩锁机构之间的角偏差。

在一些实施例中，所述自动对齐球包括柱塞，所述柱塞用于对所述闩锁机构中的恰当接合进行检测。

在一些实施例中，所述致动器框架能适配到用于保持所述电池更换模块的底板上，所述致动器框架进一步包括浮动联接机构，所述浮动联接机构配置为将所述致动器框架联接到所述底板上，以便允许所述致动器框架相对于所述底板的滑动移动。

在一些实施例中，所述浮动联接机构包括万向轮球轴承。

在进一步的方面中，本申请提供一种用于更换电池的系统，包括：根据前述权利要求中任一项所述的电池更换模块；用于保持所述电池更换模块的底板；以及配置为提升所述底板的提升机构。

在一些实施例中，所述提升机构是与所述底板为一体的。

在一些实施例中，所述底板进一步包括滑动限制机构，所述滑动限制机构配置为限制所述致动器框架相对于所述底板的滑动移动。

在一些实施例中，所述底板和所述致动器框架包括过孔，所述滑动限制机构包括套入所述过孔中的杆。

在一些实施例中，所述系统进一步包括一个或多个闩锁机构，所述闩锁机构用于被定位在所述车辆上，以将所述电池组锁定在所述车辆的电池舱中。

在进一步的方面中，本申请提供一种电池舱，用于安装在车辆中，能从所述车辆的底侧接近所述舱，所述电池舱配置为连接到电池组上并保持所述电池组，并包括一个或多个闩锁机构，所述闩锁机构配置为与根据以上所述的电池更换模块的所述一个或多个致动器配合，以由此锁定或解锁所述一个或多个闩锁机构。

在进一步的方面中，本申请提供一种在车辆的底侧更换电池组的方法。所述方法包括：当车辆靠近用于更换电池组的系统时，确定电池组的类型和车辆的类型；使所述用于更换电池组的系统适配于所述电池组的类型和车辆的类型；以及使用所述用于更换电池组的系统从所述车辆更换所述电池组。

在一些实施例中，所述适配包括使配置为与将所述电池组保持在所述车辆中的闩锁机构配合的致动器在致动器框架上移动，从而使得所述致动器定位在基于所述电池组的类型和车辆的类型的致动器基准位置上。

在一些实施例中，更换包括：将所述车辆定位在相对于所述用于更换电池组的系统的车辆基准位置上，使得所述闩锁机构与所述致动器至少充分地对齐。

因此，本发明提供一种电池更换程序，能通过相对于致动器框架适当移动致动器，使致动器接合适当的电池锁，而与不同尺寸的多种类型的电池组对接。

因此，根据本发明的又一方面，提供了一种用于更换在车辆底侧处的电池组的方法。所述方法包括：分析指示电池组和车辆类型的数据，并产生指示一个或多个致动器相对于致动器框架的相对位置的输出数据，从而允许将所述输出数据用于在所述致动器框架上移动所述一个或多个致动器，以使所述一个或多个致动器与车辆处的闩锁机构对齐。

此外，在一些实施例中，根据本申请的电池更换模块可包括：控制单元，配置为检测正在接近的电动车辆的车辆类型和/或电池类型，以便将所述致动器框架上的所述一个或多个致动器定位在基于检测到的车辆类型和/或电池类型的基准位置上。可以限定所述基准位置，以便在车辆处于相对于致动器框架的车辆基准位置上时，使所述一个或多个致动器与车辆侧部的相应闩锁机构对齐。

附图说明

为了理解本申请并明了如何实施本申请，现在将仅通过非限制的示例联接以下附图来说明实施例，其中：

图1A至图1D一般地示出根据本申请的实施例的电池更换过程。

图2示出根据本申请的实施例的用于更换电池的系统的侧视图。

图3示出根据本申请的实施例的电池更换模块（battery switching module，BSM）的俯视图。

图4示出根据本申请的实施例的电池更换模块的致动器的透视图。

图5示出根据本申请的实施例的用于更换电池的系统的底板和电池更换模块之间的联接的放大视图。

图6示出根据本申请的实施例的用于更换电池的系统的底部视图。

具体实施方式

在说明书和权利要求中，理解一般使用术语“竖直”、“水平”、“上”、“下”等来指参照（例如如图1A至图1D以及图2示出的，即面对地面上的车辆的底侧的）用于更换电池的系统的标准位置的各个方向。

图1A至图1D一般地示出用于将电池组1更换到车辆2和自车辆2更换下来的方法，用于以新的电池替换原电池。系统一般可包括致动器框架5以及安装在所述致动器框架上以在致动器框架5上移动的一个或多个致动器3。车辆2一般可包括在所述车辆底侧处的电池舱（电池外壳），所述电池舱用于通过所述车辆底部中的开口容纳电池组1，通过所述开口能接近所述电池。可使用适合的（例如如均转让给本申请的受让人的US8,006,793、US7,993,155、US2011-0223459中所述的）闩锁机构将所述电池组锁定在所述电池舱中。致动器3可配置为与所述闩锁机构配合，以便能在接合到所述闩锁机构中并致动时解锁电池组1。该布置可例如如同同时待决的专利申请中所述。

在图1A示出的第一步骤中，所述方法使电池更换系统4与嵌入在车辆2中的电池组1的类型和/或车辆2的类型初步适配。系统4可配置为在车辆1接近系统4时，识别所述车辆的类型和电池组的类型。例如系统4与车辆4中的控制器/计算机通信，和/或拍摄所述车辆/电池组，或拍摄所述车辆并利用数据库识别相关的电池组，以便确定所述车辆的类型和电池组的类型。在另一示例中，车辆使用者或车辆本身可携带RFID标签（射频身份证明标签），所述车辆和/或所述使用者可由电池替换站利用所述RFID标签来识别。所述RFID标签可直接包括所述电池组的信息，或所述电池替换站可使用所述使用者和/或EV身份证明来咨询具有信息数据库的控制中心，所述信息将特定使用者或EV与特定电池组的类型关联起来。

使系统4适配的步骤可包括在致动器框架5上移动致动器3，以便将致动器3定位在对应于所述车辆/电池组的类型的致动器基准位置上，使得当车辆2处于面对用于更换电池组1的系统4的车辆基准位置上时，致动器3与所述车辆侧部的闩锁机构对齐。在第二步骤中，所述方法可包括：将车辆2定位在相对于系统4的车辆基准位置上，使得所述闩锁机构与所述致动器至少充分地对齐。应理解，第一步骤和第二步骤可以互换或同时进行。在第三步骤中，所述方法可包括：调节致动器3的位置，以修正车辆4的定位的缺省值（default）（微调步骤）。所述方法可进一步包括：允许致动器框架5相对于系统4的支撑致动器框架5的底板7的水平浮动移动。换言之，致动器框架5为致动器提供移动能力，使得致动器能与轿车内的相应的闩锁对齐。整个致动器框架可进一步在X-Y平面内（或平行于X-Y平面）水平移动一段距离，以便允许整个BSM与轿车对齐。典型地，BSM和轿车之间的最终对齐将基于（BSM中的）对齐销机械穿入在轿车或电池中的基准孔。

在图1B示出的第四步骤中，所述方法可包括：提升致动器框架5，以将致动器3带到与闩锁机构接合的接合位置，所述闩锁机构将电池组1锁定在所述车辆中。可以使用提供在致动器3上的与提供在电池组1上的基准孔接合的基准销来记录/保存致动器3的接合位置。然后可以操作所述致动器，以便自车辆4解锁电池组1。

在图1C示出的第五步骤中，通过降低致动器框架5从车辆2取出电池组1。当所述闩锁机构被解锁时，所述电池组自所述车辆被释放，从而可被致动器3支撑。因此降低致动器框架5也带走了所述电池组1。自车辆2下方收回放完电的电池组允许电池运输系统将放完电的电池运送到仓库，放完电的电池可在仓库处被冷却并充电。置于致动器上的衬垫允许在BSM上支撑电池组。由于致动器在BSM上的位置是可调的，所述衬垫将与致动器一起移动，以便于与不同类型和形状的电池的对接。在进一步的步骤中，完全或部分充电的电池组可以被装载在车辆中，如图1D所示。完全充电的电池组可以通过运输系统放置在致动器上，具体地，放置在为用于更换电池组的系统4的致动器的一部分的衬垫上。可允许致动器框架5相对于支撑致动器框架5的底板浮动（float），基准销可接合在电池或车辆的基准孔中。然后可以升高致动器框架5。利用提供在电池组上的对齐销和提供在车辆主体中的相关的孔，电池组可与车辆中的电池舱对齐。然后，致动器3可以与电池组和/或车辆的电池舱内的闩锁机构（随载闩锁）接合，并操作致动器3，以便将电池组锁定在车辆的电池舱中。最后可以降低致动器框架。

图2一般地示出本发明一实施例的用于更换电池组1的系统4。系统4可包括致动器框架5和前述的一个或多个致动器3、提升机构9和底板7。

提升机构9可支撑底板7，并可配置为提升底板7，以便使底板自车辆（未示出）底侧接近。车辆可包括配置为容纳电池组1的电池舱。电池组可为完全或部分充电的电池组，放完电的电池组可自车辆的电池舱被初步取出，以便使电池舱准备好接受完全/部分充电的电池。提升机构9可与底板7为一体，或者与底板7可释放地联接。

以下参考图3和图4一般地说明致动器框架5和一个或多个致动器3，图3和图4分别示出本申请一些实施例中的致动器框架5的俯视图和致动器3的放大视图。

致动器框架5可配置为使一个或多个致动器3可以被容纳、并可以在致动器框架5的表面上移动。致动器框架5一般可具有平面延伸部，并可基本平行于延伸部平面延伸，即致动器框架5的厚度可远小于致动器框架5的长度和宽度。致动器3可配置为能在致动器框架5的延伸部的外表面上（即平行于延伸部平面的表面上）移动。一般地，致动器框架5可具有任何适合的形状，例如圆形或多边形。例如如图3所示，致动器框架5可具有矩形形状，并可在致动器框架5上提供四个致动器。致动器框架5可包括能在致动器框架5上沿至少两个非平行（交叉）轴线X、Y移动的一个或多个致动器箱53。所述两个轴线X、Y可属于平行于致动器框架5的延伸部平面的平面，即X、Y可垂直于与致动器框架外表面成直角的轴线。致动器框架5可进一步包括沿Y轴线（例如致动器框架5宽度）延伸的至少一个横向构件52，横向构件52能滑动地连接到致动器框架5上，以便能沿X轴线（例如致动器框架5的长度）移动。横向构件52可安装在沿X轴线延伸的一个或多个轨道51上。此外，至少一个致动器箱53可以能滑动地连接到横向构件52上，以便能沿着Y轴线在横向构件53上移动。例如，致动器箱53可以安装在横跨横向构件52延伸的一个或多个轨道54上。因此，可以使致动器3能在致动器框架5表面的至少一部分上移动，以便扫描所述部分内的不同位置。致动器在致动器框架上的移动允许致动器被定位在用于特定类型的电池组的特定位置上。致动器可以移动，以便将BSM配置为服务许多类型的车辆和电池。

参考图4，所述一个或多个致动器3可各自包括底座31和自底座31向外突出的驱动轴33。驱动轴33可配置为与车辆侧部的闩锁机构的插口接合。所述一个或多个致动器3还可包括致动器马达，所述致动器马达配置为，当所述驱动轴接合到所述插口中，使所述驱动轴转动，以致动所述闩锁机构。致动器3可进一步包括电池支撑衬垫32，以在放完电的电池组自车辆断开或充电后的电池组连接到车辆时保持所述电池组。如上所述，致动器3可包括用于改善整个致动器框架与电池组1的对齐的基准销36。为了限定致动器框架5在X-Y平面上相对于轿车的位置，可仅在例如所述致动器3中的两个致动器上需要两个销。实际上，单个销不能补偿偏离，所以需要第二个销来阻挡X-Y平面上的围绕第一销的转动移动。致动器框架5由此可以在X、Y轴上处于适当位置，并围绕Z轴转动（偏离）。应该注意，基准销36并不使致动器与轿车/电池对齐，而是基于所述框架相对于轿车的浮动而使致动器框架5相对于所述车辆对齐。实际上，在致动器3移动到与将接受服务的电池的类型/尺寸相关的适当的位置后，所述致动器箱即被阻挡。然而，每个致动器可具有一些内置的“自由游隙”，以便补偿轿车的制造公差（约+/-5mm）。

致动器3可进一步包括驱动轴33端部处的自动对齐球（self aligning ball）34，自动对齐球34用于接合在所述闩锁机构中。自动对齐球34能处理所述致动器3和所述闩锁机构之间的角偏差。此外，可以在用于接合在所述闩锁机构中的驱动轴33的端部处提供柱塞35。例如，可以在自动对齐球34上提供柱塞35。柱塞35允许检测驱动轴33在车辆侧部的所述闩锁机构中的恰当接合。当驱动轴33穿入轿车侧部闩锁机构中的插口时，柱塞可被压迫，从而可向系统4发送所述轴是否恰当接合到所述插口中的指示。

参考图5和图6一般地呈现了底板7和致动器框架5之间的联接，图5和图6分别显示本申请的实施例中的系统4的一些元件的放大视图和底部视图。底板7可配置为支撑致动器框架5。底板7可包括底板联接机构75，底板联接机构75与致动器框架5的致动器框架联接机构55配合。致动器框架联接机构55和底板联接机构75可配置为允许致动器框架5在底板7上水平浮动。换言之，底板7和致动器框架5包括配置为使致动器框架5能在底板7上水平滑动的对应的联接机构55、75。可在提升致动器框架5以使电池接合时使用致动器框架5的浮动能力。自动对齐球34可与电池侧的插口对齐，并使整个致动器框架在底板上略微移动。在图5示出的实施例中，对应的联接机构55、75可包括万向轮球轴承（caster ball bearing），以允许致动器框架5以低摩擦在底板7上水平浮动。此外，底板7和致动器框架5可分别包括致动器框架过孔和底板过孔，所述致动器框架过孔和底板过孔配置为在致动器框架5和底板7装配到一起时（即当致动器框架5被底板7支撑时）形成中空导管。杆组件76可装配到所述中空导管中，以限制致动器框架5相对于底板7的滑动移动。杆组件76（图6示出）的目的可为将制致动器框架5相对于底板7的水平浮动限制于预定水平。例如，通过将20mm直径的杆（连接到致动器框架5）置于60mm直径的孔（由底板7和致动器框架5中各对应的过孔（traversing hole）形成的中空导管）内，所述杆可相对于所述孔行进+/-20mm距离。此外，致动器组件77可配置为在不期望浮动时（例如BSM远离车辆时）禁止这样的浮动能力。车辆在定位在BSM上方时已经处于相对于BSM相当好地对齐的位置。我们可以假设车辆的位置可与完全对齐BSM的位置相差不多于+/-15mm。为了允许BSM与车辆最终对齐，致动器框架可“浮动”约+/-20mm。然后通过将BSM对齐销推入轿车/电池基准孔，而使BSM最终对齐。

上述示例和说明当然仅用于示意而绝非意在限制本申请。如技术人员将会理解的，可以以许多方式实施本申请，利用来自上述技术的多于一种技术，均不超出本申请的保护范围。

Claims

1.一种用于更换电池组的电池更换模块，所述电池组可通过一个或多个闩锁机构附接于车辆的底侧，所述电池更换模块包括：

致动器框架，包括配置为并可操作地与所述一个或多个闩锁机构配合的一个或多个致动器；以及

所述一个或多个致动器安装在所述致动器框架上，用于相对于所述框架移动。

2.根据权利要求1所述的电池更换模块，其中至少一个所述致动器包括：

底座；

自所述底座突出的驱动轴，所述驱动轴配置为与在至少一个所述闩锁机构中的插口接合；以及

致动器马达，配置为当所述驱动轴接合到所述插口中时使所述驱动轴转动，以致动所述闩锁机构。

3.根据权利要求1或2所述的电池更换模块，其中所述制动器框架进一步包括至少一个配置为容纳所述致动器中的一个的致动器箱，所述致动器箱配备有马达，以便能沿着至少两个方向在所述致动器框架上移动。

4.根据权利要求3所述的电池更换模块，其中所述致动器进一步包括配置为保持所述电池组的电池支撑衬垫。

5.根据权利要求4所述的电池更换模块，其中至少一个所述致动器进一步包括安装在所述电池支撑衬垫上的基准销，所述基准销配置为接合在所述电池组的基准孔中。

6.根据权利要求3所述的电池更换模块，其中容纳在所述致动器箱中的至少一个所述致动器在所述致动器箱内具有移动能力。

7.根据权利要求6所述的电池更换模块，其中所述致动器配置为在所述致动器箱内被提升。

8.根据权利要求6所述的电池更换模块，其中所述致动器和所述致动器箱配置为允许所述致动器相对于所述致动器箱水平浮动。

9.根据权利要求2所述的电池更换模块，其中至少一个致动器包括在所述驱动轴的端部处的自动对齐球，所述自动对齐球能处理所述致动器和所述闩锁机构之间的角偏差。

10.根据权利要求9所述的电池更换模块，其中所述自动对齐球包括柱塞，所述柱塞用于对所述闩锁机构中的恰当接合进行检测。

11.根据权利要求1或2所述的电池更换模块，其中所述致动器框架能适配到用于保持所述电池更换模块的底板上，所述致动器框架进一步包括浮动联接机构，所述浮动联接机构配置为将所述致动器框架联接到所述底板上，以便允许所述致动器框架相对于所述底板的滑动移动。

12.根据权利要求11所述的电池更换模块，其中所述浮动联接机构包括万向轮球轴承。

13.一种用于更换电池的系统，包括：

根据权利要求1或2所述的电池更换模块；

用于保持所述电池更换模块的底板；以及

配置为提升所述底板的提升机构。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述提升机构是与所述底板为一体的。

15.根据权利要求13所述的系统，其中所述底板进一步包括滑动限制机构，所述滑动限制机构配置为限制所述致动器框架相对于所述底板的滑动移动。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述底板和所述致动器框架包括过孔，所述滑动限制机构包括套入所述过孔中的杆。

17.根据权利要求13所述的系统，进一步包括一个或多个闩锁机构，所述闩锁机构用于被定位在所述车辆上，以将所述电池组锁定在所述车辆的电池舱中。

18.一种电池舱，用于安装在车辆中，能从所述车辆的底侧接近所述舱，所述电池舱配置为连接到电池组上并保持所述电池组，并包括一个或多个闩锁机构，所述闩锁机构配置为与根据权利要求1或2所述的电池更换模块的所述一个或多个致动器配合，以由此锁定或解锁所述一个或多个闩锁机构。

19.一种更换在车辆的底侧的电池组的方法，包括：

当车辆靠近用于更换电池组的系统时，确定电池组的类型和车辆的类型；

使所述用于更换电池组的系统适配于所述电池组的类型和车辆的类型；以及

使用所述用于更换电池组的系统从所述车辆更换所述电池组。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述适配包括使配置为与将所述电池组保持在所述车辆中的闩锁机构配合的致动器在致动器框架上移动，从而使得所述致动器定位在基于所述电池组的类型和车辆的类型的致动器基准位置上。

21.根据权利要求20所述的方法，其中更换包括：将所述车辆定位在相对于所述用于更换电池组的系统的车辆基准位置上，使得所述闩锁机构与所述致动器至少充分地对齐。