CN105960359A - 车用快速充放电电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车，包括一车身形成乘客车厢；至少一个电池箱，有一个可打开的罩盖，可供电池箱打开；一块电池，包括电极，并可移动地储存在电池箱中；在电池箱内至少有三个电池支柱，通常沿着垂直方向固定支撑，其中至少两个电池支柱上有电触点，用于电力联通电池上的电极；所述电池包括至少两个向下的凸起结构，它们相互之间分开布置，这样它们的位置可与电池箱中对应的至少三个电池支柱匹配起来，三个电池凸起结构中至少两个包括所述电极，用来与电池箱中的电触点电力联通；电池支柱和电池凸起结构的装配方式，可让电池垂直方向向下移动到电池支柱上，使所述电池支柱和所述电池凸起结构之间的电触点和机械连接起效。

Description

车用快速充放电电池系统
相关专利的交叉引用
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本专利申请主张并优先主张2013年10月28日申请的美国专利申请案61/896,207号的权利，其内容通过引用的方式并入本文中。
本发明背景
本发明关于一个快速方便的电动车用充电系统。
尽管电动汽车有很好的前景，但其仍然没有在市场上占有很大的份额，原因可归结为建设充电系统基础设施的复杂性及昂贵的成本。迄今为止的大部分充电系统都需要简历维修区，可让车子开进去，以及液压系统，用于将电池拆卸或安装在车子的底部。本发明的目标是避免或至少能改善已有技术的一些不足。
本发明概述
本发明的核心是提供有标准形状的电池，这样它们可以交换使用于许多不同的电动车上，并符合不同车辆的电池容纳结构，但每个电池单元的电容量有所不同。本发明的标准尺寸电池无需在加油站增加昂贵的基础设施，可以在加油站甚至在家里进行电池的安装、拆卸或更换。
本发明的其它特点和优点将在下文对本发明的描述中，结合相关附图进行阐明。
附图的简要说明
图1是说明视图，图中所示为标准尺寸电池、配备标准电池容纳结构的车辆，以及用于将电池运送到车辆并安装/拆卸电池的电池叉车。
图1a是图1的截面视图，局部放大来展示细节。
图2a、2b及2c进一步展示了电池从车辆上安装及拆卸的细节。
图3a、3b或3c所示为不同尺寸的标准形状电池。
图4所示为电池的充电装置。
图5a、5b、5c和5d进一步展示了电池电极夹持机构的细节。
图6a至6c所示为电池的支撑/电触头，以及它们的运行方式。
图7a至7g简要图示说明了根据本发明的电池更换方式。
图7h所示为本发明提出的可更换电池的补充视图。
图7i所示为本发明电池充电座的细节。
本发明实施方案的详细描述
为了能迅速理解本发明的概念，首先参考附图7a至7g。图7a所示为加油站中某个地方，可能是在一个开放的空间或位于遮阳篷701下，放置了几个充电座780、782，每个充电座至少可放置两排电池并为它们充电，包括了不同尺寸的电池，比如，小号尺寸的电池740，中号尺寸电池742以及大号尺寸电池744。
每块电池可用铲车730这类运输装置从充电座780、782上取下，打开车辆的前车盖711，充电电池也可从车辆10上拆卸下来，放上充电座进行充电，并从充电座上取下另一块已经完成充电的电池安装到车辆10上。
图7b所示为车辆10打开车盖711，耗完电的电池740位于车辆蓄电池箱712中。如图7c所示，耗完电的电池740用铲车730运出，运向充电座。此时蓄电池箱712（图7d）是空的，电池支撑720a、720b、720c及720d露出来。这些支撑中的两个是有电触点的，另两个是专门设置作为机械支撑的。然后，一块充好电的大一号电池744从充电座上被取下（图7e），并送到车辆边，并安装到车辆的蓄电池箱中，如图7f所示。需要指出的是，充电站的工作人员完成这些工作所需的体力劳动一点也不繁重。当家里有合适的设备装置，这个工作也可在家中完成。
如果车辆比车辆10要大许多，比如，一辆拖车710a（图7g），有一个蓄电池箱712a，其中分成三个独立的电池模块714、716、718，每个电池模块的设置与上文所述一致，容纳一块电池，这样可为拖车提供更大的电能容量。
参考图1，电动汽车10上有前挡18，优选实施方案是包括一个轮内驱动电机（图中未示出），这样能在车辆前车箱12（通常作为发动机箱）内提供足够的可用空间，或者在行李箱14中腾出足够的空间。在车箱12或14中，除去轮舱保护罩16所剩的空间足够用于安装四根支撑柱20a、20b、20c及20d，这些支撑柱既是电池的固定支撑元件，也是电池电触点或电极，通过一个电动机电能控制系统（图中未示出），将电能输送到每个轮内电机上。电池运送车可以是铲车30，包括两个分开的滚轮支撑腿30a和30b，每个支撑腿上有两个脚轮36。
铲车或叉车或手推车30可以是液压、人力或电动的运输车，其后侧有直立的部件或导柱32，上面有导轨32a，用于支撑可垂直移动的支柱34，支柱34上有两根水平方向伸出的提升臂34a和34b 。
有相同外形和整体结构的标准尺寸电池40，有不同的电池尺寸可供选择，如图3所示，大号版（长距离使用，图40a）、中距离版（图40b）以及小号版（短距离使用，图40c）各自有不同的高度d1、d2 和d3。铲车提升臂穿过在电池40上的夹持通道42a和42b，铲车能将电池40抬起或放下，位于前车箱12或后车箱14（或两者都有）中的电池支撑柱/电极41a、41b、41c和41d卡入卡槽23a、23b、23c和23d中，为车辆提供电能。
如图1a所示，支撑柱和电极20a和20c既起到机械支撑的作用，又是电触点，而后支撑柱20b和20d仅仅是电池40的机械支撑。
进一步参考图1a，当铲车30位于车辆前，它可滑行支撑腿30a和30b插入到车辆下方，铲车30与车辆对齐，这样对齐插销38a、38b可插入到车辆上的对齐导孔22a和22b内，将电池正确放置在支撑柱上，并使电池能下降。一旦夹持通道42a、42b内失去压力，电气元件则卡入支撑柱并进行机械和电力锁定。
图4所示为一个电池充电座50，可以是在加油站里或在家里使用，其上有电池充电模块51，通过一根电线52和插头54与电源相连，电源可以是120V或240V。电池充电座51通过位于电池支柱62a和62c之间的电触点输送电能。类似的支柱（前文所述）62b和62d仅作为机械支撑所用。也就是说，根据车辆内的电池支架结构，将电池40从车上移动到充电座上的方式，与前文所述完全一样。
参考图5a至5c，在此开始说明电池40的电极与支柱20a和20c内结构进行电力联通和机械连接的方式。在图5a中，铲车30夹持着电池并逐渐下降到支柱20a-20d上，针对电极设计的机械/电触点的结构在图5a中圈出，并在图5b中放大说明。图5b所示为完全合上后的电/机械触点状态。而图5c所示为没有锁定的初始状态。在图5b中，图5a中的结构41c是一个电连通和机械支撑的外壳83，活塞82在它内部空间80a和80b里，活塞82上有配合铲车提升臂42a的开口。活塞82在空间80a和80b内上下垂直滑动。图5c所示为在“上点”位置，而图5b所示为在“下点”位置。当电池被抬起时，活塞82也自然向上滑动。而当铲车30让电池42在重力作用下向下移动时，活塞末梢凸起部分84垂直向下滑动，将锁止球74a和74b水平方向推开分离，使锁止球嵌入导孔72中。导孔72位于车辆或家用电池座的支撑内。在这个位置，电池锁定，在正常的行驶过程中不会发生振动或松动。此外，在导电活塞84和电触点70a和70b之间，也建立了良好的电接触。电触点70b和70a上的阳极和阴极用绝缘材料包裹。当铲车提升臂插入夹持通道42a内，电池被抬起，活塞84也上升，锁止球通过弹簧作用推回原位，如此就可以卸下电池了。
参考图7h，电池740上有法兰742，上面有夹持通道736，铲车提升臂734a和734b可插入，夹持并抬起或放下电池。最值得注意的是机械/电力耦合件及电触点741a和741b。参考图6a至6c，如前文所述，参考图5b，这些电极/支撑641有锁止球674a和674b，以及电触点690（图6a）。如关于图5b的描述一样，当活塞684下降时，将锁止球674a和674b向两边推出。事实上，活塞684受弹簧685（弹簧一端与活塞相连）的作用向下移动到锁止球674a和674b的锁止位置。而当铲车的提升臂插入夹持通道42a中（图5b），活塞684（图6c）由于施加在活塞684直角凸出段685上的向上压力而被抬起，继而让锁止球74a和74b回到解锁位置，将电池从支撑柱中拔出，如图7d或其它图所示。
如前文所述，本发明目的是形成一个系统，可加快和简化电动车的电池更换，包括电动汽车、甚至是电动卡车等。车辆上配备了电池座，是车辆底盘的一部分，其可位于目前车辆的行李箱或发动机箱内。电池支撑机构或电池座上的支柱有四个锥形的孔，内部有凹槽可夹持住电池阳极上的锁止球。
如果通过液压/人力/电力驱动的铲车运送行李，通过铲车上两个导柱，铲车的两个提升臂可移动到合适的位置，导柱外有绝缘材料包裹。当运输行李时，弹簧受载，在锥形凸台内的四个锁止销归位，将行李送到车内。
本发明提出的技术概念包括：
1、简单并低成本地使用系统。
2、电池尺寸模块化，这样既经济又环保，并且易于适应不同的车辆。
3、该系统可位于车辆的前部、后部或侧面。特别对于卡车而言，可使用复合电池组以满足长途行驶和重大载荷。
4、电池的锁定，包括机械锁定和电力锁定都是极其简单和自动化的。
5、电池组的放置方式，要保证+/-极能承受其本身的重力和固定锁止的同时，还要保证电池与车辆系统之间良好的电力联通功能。
在描述中已有提及，这样的车辆需要配备与电池适应的必要电力系统，包括所有必要的小配件和装置。该系统可在加油站或家里使用。
基于本发明，电池的外形和安装到车辆上的方式与标准海运业中的集装箱类似。同样的电池可用于小汽车、卡车、高尔夫车、小船等。本发明在现有车辆上使用的处理方式是为每个车定制电池系统。电池组可被当作是传统内燃机车辆的“燃油/燃气”，并以这种方式出售。从前文描述中容易发现，在电池的安装或拆卸过程中，不需要使用工具或硬件，比如螺栓等来固定电池，在家不需要，在加油站也不需要。
如前文所述，本发明新一代电池更换系统的特点和优势包括：
1.通过司机或加油站工作人员人力操作，即可更换。
2.每个加油站都可在几小时内安装并投入运行，所需成本不超过30000美金。
3.电池组“无需工具”自动锁止/解锁，安装-拆卸“傻瓜操作”。
4.更换电池的时间与加油时间相当甚至更少，加油站中的任何地方都可利用。
5.有“电池容纳结构”，其设计合理能承受冲击，并可根据行驶方式自由使用不同的电池，并可将短程行驶转换成长途行驶（保持同样的重量），较低充电周期成本即可升级/回收。
6.类似Better Place公司的做法，电池可出租给驾驶员和燃油一样使用，这可降低OEM车辆的成本，减少维护/服务。
7．在加油站安装的低成本可让该系统更广泛地应用，并增加电动车的使用量和信任度。
8.该系统在大城市中易于实施，对空气清洁/噪音问题的解决有好处。
9.统一的容纳结构可在任何汽车/卡车/公共汽车/轮船上使用。
虽然本发明根据特别的实施方案进行了描述，许多其它的变化和改进，以及其它用途对于该领域的技术人员来说容易获得。所以，本发明并不仅限于在此提出的具体实施方案范围，而是根据附属的权利要求确定范围。

Claims (19)

1.一种电动汽车，其特征在于，包含：
一车身形成乘客车厢；
至少一个电池箱，其具有一个可打开的罩盖，可供电池运送到电池箱内；
一块电池，其包括电极，并可移动地储存在电池箱中；
在电池箱内大体沿着垂直方向至少有三个电池支柱，其中至少两个所述电池支柱上有电触点，用于电力联通电池上的电极；
所述电池包括至少三个向下的凸起结构，其相互之间分开布置，使得它们的位置可与电池箱中对应的至少三个电池支柱匹配起来，
其中三个电池凸起结构中至少两个包括所述电极，用来与电池箱中的电触点电力联通；
以及，其中电池支柱和电池凸起结构的装配方式，可让电池垂直方向向下移动到电池支柱上，使得所述电池支柱和所述电池凸起结构之间的电触点和机械连接起效。
2.根据权利要求1中所述电动汽车，其特征在于，所述电池上有一个左侧夹持通道和一个右侧夹持通道，用于让铲车将电池抬起，铲车有两个相互分开的，且可垂直上/下移动的提升臂，这样可直接插入到左侧夹持通道，将所述电池抬起并运走。
3.根据权利要求2中所述电动汽车，其特征在于，所述的左侧夹持通道和右侧夹持通道位于电池左侧和右侧凸出的法兰区域，所述夹持通道各自沿着电池的左侧和右侧延伸。
4.根据权利要求2中所述电动汽车，其特征在于，所述夹持通道内侧横截面形状是四边形。
5.根据权利要求2中所述电动汽车，其特征在于，所述夹持通道沿着垂直于电池高度的方向延伸，其高度方向与铲车垂直上下移动电池的方向平齐。
6.根据权利要求1中所述电动汽车，其特征在于，所述至少三个电池支柱包括四根柱形支撑，其上方有开口，可让电池凸起结构插入。
7.根据权利要求1中所述电动汽车，其特征在于，还包括一个机械锁定机构，其位于至少一个电池凸起结构和至少一个电池支撑之间。
8.根据权利要求1中所述电动汽车，其特征在于，所述支柱有圆形截面。
9.根据权利要求7中所述电动汽车，其特征在于，所述锁定机构包括横向可移动的锁止球，其通过活塞的作用移动。
10.根据权利要求1中所述电动汽车，其特征在于，所述电池箱位于乘客车厢的前方，沿着车辆的行驶方向。
11.根据权利要求2中所述电动汽车，其特征在于，所述的汽车有与地面接触的车辆底座，该底座可实现车辆的行驶，所述铲车上有装有轮子的基座，铲车的基座高度相对较低，使得基座可推到汽车底下。
12.根据权利要求11中所述电动汽车，其特征在于，所述铲车包括对齐凸起结构，用于配合插入到车辆对齐导轨槽内。
13.根据权利要求2中所述电动汽车，其特征在于，所述电动汽车与充电系统的电池结合，包括至少一个电池充电架，用于放置多个电池在多个位置，充电架上的每个电池位上有电触点，可将所述电池的电极插入，为电池提供充电电流。
14.一个电池更换系统，其特征在于，包括：
一个电池充电架，用于在多个位置放置多个电池，所述充电架上的每个电池位上有电触点，用于将所述电池的电触点插入，为所述电池充电；
一个移动铲车，其可由一单人移动，包括至少一个提升臂将电池放置在充电架上，将电池从充电架上取下，以及将电池运送到需要安装电池的车辆上。
15.根据权利要求14中所述电池更换系统，其特征在于，包括一辆汽车，所述汽车是一辆电动车，并包括：
一个车身形成乘客车厢；
至少一个电池箱，其具有一个可打开的罩盖，可供打开电池箱；
一块电池，其包括电极，可移动地储存在电池箱中；
在电池箱内大体沿垂直方向至少有三个电池支柱，其中至少两个所述电池支柱上有电触点，用于电力联通电池上的电极；
所述电池包括至少三个向下的凸起结构，其相互之间分开布置，使得它们的位置可与电池箱中对应的至少三个电池支柱匹配起来，
其中三个电池凸起结构中至少两个包括所述电极，用来与电池箱中的电触点电力联通；
以及，其中电池支柱和电池凸起结构的装配方式，可让电池垂直方向向下移动到电池支柱上，使所述电池支柱和所述电池凸起结构之间的电触点和机械连接起效。
16.根据权利要求15中所述电池更换系统，其特征在于，所述电池上有一个左侧夹持通道和一个右侧夹持通道，用于让所述铲车将电池抬起，铲车有两个相互分开的，且可垂直上/下移动的提升臂，这样可直接插入到左侧夹持通道，将所述电池抬起并运走。
17.根据权利要求16中所述电池更换系统，其特征在于，所述左侧夹持通道和右侧夹持通道位于电池左侧和右侧凸出的法兰区域，所述夹持通道各自沿着电池的左侧和右侧延伸。
18.根据权利要求15中所述电池更换系统，其特征在于，所述至少三个电池支柱包括四根柱形支撑，其上方有开口，可让电池凸起结构插入。
19.根据权利要求15中所述电池更换系统，其特征在于，还包括一个机械锁定机构，其位于至少一个电池凸起结构和至少一个电池支撑之间。
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