CN108248566A - 基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统及电动汽车电池包快速更换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统及电动汽车电池包快速更换的方法，所述系统包括电池包，上面设置有高低压接插件和自动锁定系统安装槽；电池包底部支架，用于电池包固定和承重；电池包安装底板，焊接在电动汽车纵梁上提供电池包安装空间；电池包安装侧板，设置有四个自动锁定装置和高低压接插件插头以及电池包侧面支撑件；位置传感装置，能够实现电池包安装位置的监测和报警。本发明能够实现电池包沿导轨方向向内一次撞击，电池包自动锁定且电池包通电，侧面被支撑件抵住；电池包再向内撞击，电池包自动解锁且断电的功能。本发明具有将电池包六个自由度完全固定，不需大型升降平台，电池包不会自动解锁的优点。

Description

基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统及电动汽车电 池包快速更换的方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车快换式电池包的系统结构，特别涉及一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统结构。

背景技术

随着全球气候变暖和能源问题日益严重，新能源汽车的开发受到各国政府、汽车制造商和科研院所的高度重视，纷纷制定电动汽车研制计划，掀起全球范围内的电动汽车开发热潮。2015年，节能与开发新能源汽车成为汽车行业必然承担的重大使命。2016年10月《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，技术路线图的总体目标是在2028年新能源汽车逐渐成为主流产品。

随着电动汽车的发展热潮，各地区纷纷建设电动汽车充电桩和充电站。据行业专家估计，建设充电桩的费用十分庞大，需要征地、建设、配套设施、接入电网等，大约需要投资500万左右，而且充电站的数量必须加大，必须形成一个网络才能实现车辆的近距离充电，由此可见，费用是一个很大的负担。

电动汽车的续航里程取决于电池容量的大小，现阶段，普通电动汽车的续航里程不超过300千米，这一定程度上限制了电动汽车的发展，电池容量消耗完以后，需要及时补充电能。传统的方法是电动汽车去附近的充电站进行充电，短则一两个小时，长则五六个小时，这段时间的存在极大地影响了车主的用车感受，同时充电时付出的充电费用和长时间的停车费也是一笔不小的支出。

采用快换式电池包进行电池包的快速更换，取代传统的充电站给电池充电的形式，可以将原来的充电时间缩短至3-5分钟，电动汽车补充电能的速度能与传统燃油车加油的时间比拟，给车主用车提供了强大的便利性。

但是，电池包的快速更换性与电池包的安装牢固性成了相矛盾的地方，如何实现简单、高效地更换电池包并且保证电池包的安装稳定牢固，是一个值得努力克服的难题。

现阶段，快换式电池包一般应用于公交车、出租车等车型一致且数量众多的场合，快换式电池包一般设置于汽车底部，通过悬挂在底盘上的形式安装在车辆上。电池包的外壳结构设计为简单的机械连接，如螺栓连接，来确保电池包的安装牢固性。在更换电池包时，车主需将车辆开至指定换电位。换电位底下有个可以升降的工作台，通过人工解除电池包锁止装置，将电池包拆卸在升降工作台上，再将新的电池包安装到车上。这种方式的缺点也比较明显，一是需要大型升降机来完成更换，二是需要人工进行辅助，做不到完全自动化更换。

在公告号为CN202071668U电动汽车更换底部电池包自动锁定系统中，其所述特征包括锁体、内纹螺母、双套层螺纹轴及车装电源插头座；利用纯机械的结构实现自动锁定并接通电源、自动解锁并切断电源，以达到快速，方便，简单的更换电动汽车的车载电池包的目的。其不足之处是没有在电池包安装完之后限制电池包在竖直方向的位移，不能防止遇到减速带或冲击时电池包向上运动导致电池包解锁的危险情况的发生。

在公告号为CN203644174U一种快换式电动汽车的电池包锁止报警装置和快换式电动汽车中，其所述特征包括报警装置和插销位置检测装置，所述的报警装置与插销位置检测装置连接，所述的插销位置检测装置用于检测插销的位置；所述的报警装置用于在插销位置处在预设的报警范围时，发出报警。其不足之处在于即使插销位置发生脱落，也无法自动回复原位。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统结构，解决现有充电站充电速度缓慢；现有快换式电池包安装在车辆底部，通过大型升降机和人工辅助更换，费时费力；电池包锁止报警装置监测到电池包脱落但不能自动调整上锁等问题。

本发明涉及的方案是：一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，包括电池包(17)、电池包安装侧板(22)、电池包安装底板(29)，电池包自动锁定装置(28)、电池包侧面支撑件(26)、位置监测装置(27)、电池包底部导轨(21)；电池包安装底板(29) 焊接在电动汽车的二根纵梁上，为电池包(17)承重；电池包安装侧板(22)固接在电池包安装底板(29)上，为电池包(17)提供侧边支撑作用且提供高压插头(25)和低压插头(24)的安装位置；电池包(17)通过电池包支架(14)、导轮(15)、导轨(13)的导轨滑轮装置实现连接；电池包自动锁定装置(28)安装在电池包安装侧板(22)上，同时电池包(17)的安装侧设置有电池包自动锁定机构的安装槽(30)，电池包自动锁定装置(28) 能够穿过安装槽(30)将电池包(17)固定在安装侧板(22)上，限制电池包(17)轴向移动；位置监测装置(27)用于监测电池包(17)的位置信息；电池包侧面支撑件(26) 设置在安装侧板(22)上，用于抵住电池包(17)，确保电池包安装牢靠。

进一步，所述导轨滑轮装置中，电池包(17)的底部设置有二根平行的电池包支架(14)，安装底板(29)上焊接有二根平行的导轨(13)，导轨的截面为半工字型，通过电池包支架 (14)上的导轮(15)，电池包(17)能够在导轨(13)中进行滑动，限制电池包(17)沿竖直方向转动和移动、沿纵向转动和移动以及沿轴向的转动五个自由度。

进一步，位置监测装置(27)设置在电池包安装侧板(22)上，包括距离传感器、控制器、电源模块、蜂蜜器和接插件锁定机构，控制器分别和距离传感器、电源模块、蜂蜜器和接插件锁定机构相连，位置监测装置(27)通过电源模块由蓄电池供电，电池包(17)安装到指定位置后，距离传感器监测到电池包(17)与安装侧板(22)的距离L1，若L1小于预设距离L2，控制器输出电池包安装完毕的信号到蜂鸣器和高低压接插件锁定机构，蜂鸣器发出声音报警，接插件锁定机构完成高低压接插件的锁止，电池包固定完毕且通电成功。进一步，电池包侧面支撑件(26)一侧为圆形薄板的实心轴，实心轴与一个伺服电机连接，当电池包(17)固定且车辆运动时，伺服电机输出微小力矩使电池包侧面支撑件(26)牢牢抵住电池包(17)侧面。

进一步，电池包自动锁定装置(28)包括锁体(1)、内纹螺母(10)、双套层螺纹轴；

锁体(1)包括一个圆盘形顶板和沿该顶板一侧表面一体连接的空心轴结构锁身组成，该空心轴中间的空心截面为正六边形，该顶板上呈均匀方式设置紧固装置(5)，紧固装置 (5)将锁体(1)与电动汽车电池包安装侧板(22)紧固连接，紧固装置(5)可为铆钉或螺栓连接；

锁身内腔同轴设置可沿轴向移动的内纹螺母(10)和单方向旋转的双套层螺纹轴；内纹螺母(10)为外面正六边形里面圆形的空心轴结构，内层设置凹形螺纹，一端抵住双套层螺纹轴外环的环形弹簧(4)，环形弹簧(4)另一端抵在顶板的内表面。

进一步，单方向旋转的双套层螺纹轴由内层中心轴(6)和外层螺纹套(8)组成；内层中心轴(6)为刚性管材，一端与顶板同轴连接的可旋转的轴承(2)固定连接，另一端固定连接用以抵住并锁定电池包的锁定板(12)；锁定板(12)为矩形平板结构，通过螺栓与中心轴(6)紧固连接为一体；中心轴(6)外表面设置四个凸起的互成90度角的短卡钉(7)，短卡钉(7)位于垂直于中心轴(6)的轴心的同一平面；锁体(1)顶板上方，内层中心轴 (6)的顶端安装单方向转动的棘轮(3)；锁体(1)顶板下方，紧靠外层螺纹套上沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉，用于套轴联动；紧靠外层螺纹套下沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉；用以阻止外层螺纹套向下移动。

进一步，外螺纹套(8)为空心轴结构，插入锁体(1)内腔并呈滑动配合嵌套在中心轴(6) 外表面；外层螺纹套(8)外表面设置有凸形螺纹，通过凸形螺纹与环套在外层螺纹套(8) 外表面的内纹螺母(10)连接，外层螺纹套(8)外表面的螺纹方向与内纹螺母(10)的螺纹方向互为相反；内纹螺母(10)内层为正向凹形螺纹，依托于锁身内腔和配合单方向旋转的双套层螺纹轴的外螺纹，可籍外力推动方形内纹螺母沿垂直方向上下移位，外层螺纹套(8外表面是反方向凸形螺纹，可随内纹螺母(10)上下移位时正反方向旋转，套装于内层中心轴(6)外，静态状况下，外螺纹套(8)与内层中心轴(6)无任何连接，凸形螺纹紧配装于凹纹螺母(10)。

进一步，外层螺纹套(8)一侧端头的端面沿内圆周边设置有四个凹进去的互成90度角的短卡槽(11)；短卡槽(11)与短卡钉(7)一一对应；短卡钉(7)为矩形或者圆形柱结构，一端铆入或嵌入中心轴(6)的外圆周表面；短卡槽(11)截面为尖状角结构，可与短卡钉 (7)嵌套在一起，外层螺纹套上沿边每隔90度有一个小三角形卡槽口(11)，套上总共有四个小三角形卡槽口，用以正方向旋转时卡住内层中心轴上的四个短卡钉(7)，使内层中心轴随外层螺纹套转动，小三角形卡槽口(11)与短卡钉(7)脱离后，外层螺纹套(8) 随凹纹螺母(10)单独驱动，反方向旋回90度到达原位，但内层中心轴(6)不随外层螺纹套转回；

轴承(2)同轴镶嵌在顶板中，一侧连接中心轴(6)的顶端，另一侧安装单方向转动的棘轮(3)，棘轮(3)只随内层中心轴正时钟方向转动，每转动90度被卡锁一次，不能反向回转；

压缩弹簧(4)安装于内纹螺母上部，电池包(17)被推进内纹螺母向内移位时，弹簧被压缩，电池包被拉出时，压缩弹簧(4)恢复形变并推动内纹螺母向外移动，紧紧抵压住电池包固定在锁定板(12)上，实现电池包锁定。

本发明的一种电动汽车电池包快速更换的方法，包括以下步骤：

在电池包(17)拆卸阶段，电动汽车到达换电位，车主发出拆卸电池包的指令，电池包侧面支撑件(26)解除对电池包(17)的按压，接插件锁定机构解除接插件的锁定，电池包(17)沿导轨(13)向内推动，撞击到自动锁定装置(28)，自动锁定机构解锁，电池包(17)沿导轨(13)向外拉出，电池包(17)的拆卸完成；

在电池包(17)安装阶段，电池包(17)对准导轨(13)，沿导轨(13)向内推动，电池包(17)撞击自动锁定装置(28)并完成锁定，位置监测装置(27)得到安装完毕信号，蜂鸣器发出声音报警，高低压接插件锁定，电池包(17)通电且安装完成。

本发明涉及的基于位置监测的电动汽车快换式电池包的快速更换的技术流程包括以下步骤。

步骤1，装有快换式电池包的电动汽车驶入换电车位时，电池包被导轨滑轮装置锁定在电池包底板上的导轨，电池包侧面被自动锁定装置锁定在安装侧板上。

步骤2,驾驶员发出更换电池包指令，电池包断电，伺服电机停止转动，蓄电池给高低压接插件锁定机构供电，完成对电池包高压接插件和低压接插件的解锁。

步骤3，人工或者机械手向内推动电池包，撞击自动锁定装置的内纹螺母向内位移，开始向内时，中心轴外层螺纹套稍微向内移动，小三角形卡槽口向内时卡住内层中心轴上的卡钉，即联动内层中心轴和锁定板随外层螺纹套同时顺时针方向旋转90度后，被内层中心轴顶端的棘轮锁定。电池包的锁定板与电池包上用于固定自动锁定装置的安装槽呈平行关系，电池包沿导轨拉出，完成拆卸。

步骤4，电池包拆卸后，压缩弹簧被放松并按原形伸展，推动内纹螺母向外位移，回复到原处。内纹螺母向外移动时，外螺纹套开始回旋时有稍微向下的动作可使外螺纹套上的四个小三角形卡槽口脱离内层中心轴上的卡钉。内层中心轴及锁定板不随外螺纹套反方向联动回转，仍被轴顶的棘轮锁住，内层中心轴下端的锁定板与电池包安装自动锁定装置的安装槽仍保持平行状态。

步骤5，新的电池包被人工或者机械手抬升，将电池包支架对准导轨，缓缓将电池包向内推进，使自动锁定装置的中心轴及锁定板穿过电池包自动锁定装置的安装槽，并处于可以顺时针旋转90度的状态。

步骤6，继续推动电池包沿导轨方向往内移动，接触到自动锁定装置的内纹螺母向内位移，使外层螺纹套的小三角形卡槽口向内卡住内层中心轴上的卡钉，联动内层中心轴和锁定板同时旋转90度后，被内层中心轴顶端的棘轮锁定。内层中心轴与锁定板与电池包自动锁定装置的安装槽呈交叉状态。内层中心轴上顶端的棘轮单方向转动90度，将内层中心轴及锁定板同时锁定。压缩弹簧被放松，往外恢复形变，推动内纹螺母向外移动，紧紧抵住电池包固定在锁定板上。

电池包向内推动过程中，位置监测装置一直监测电池包的位置信息。当电池包向内推动时，位置监测装置监测到电池包与安装侧板的距离L1，将L1与预设距离L2作比较，若L1小于L2，输出信号给蜂鸣器与接插件锁定机构。蜂鸣器发出声音，提示用户电池包的安装已经到位，不需继续推动。接插件锁定机构锁定高低压接插件。

步骤7，电池包完成更换，电池包通电。车辆启动时，控制电池包侧面支撑件的伺服电机产生微小力矩将电池包侧面支撑件紧紧抵住电池包的安装面，防止电池包受到冲击时自动锁定装置发生脱落。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本次快换式电池包的安装位置为车辆侧边，而非传统形式的底盘下。该安装方式具有如下优点：电池包的防水、防尘、防冲击性能得到提升，电池包下方的安装底板防止电池包裸露在空气中而受到水和灰尘的污染；电池包安装在底盘下方的布置形式离地间隙很小，需要大型升降机进行拆卸和安装，本发明安装在侧边，可以方便进行快换；电池包安装在底盘下方，影响底盘的流线型形状，加大了空气阻力和空气升力，本发明可以有效避免这些问题，提高动力性、增加续航里程。

(2)本发明能够实时监测电池包位置。在通常更换电池包的过程中，易出现安装到位继续推动造成零部件损伤、未安装到位却减小推力造成无法锁定的问题。通过位置监测装置，监测到电池包安装到位的信息，蜂鸣器发出报警提示用户。

(3)本发明在位置监测装置监测到电池包安装到位之后，伺服电机输出微小力矩使电池包侧面支撑件紧紧抵住电池包。电池包支架与导轨滑轮装置限制住电池包的五个自由度，电池包侧面支撑件限制剩下的一个自由度，电池包被完全锁定，安全可靠。而布置在汽车底盘的电池包结构，即使有自动锁定装置，可能会因车辆受到冲击(如遭遇减速带、车轮压到障碍物)，电池包有个向上的微小位移量，导致电池包的自动锁止装置解锁，发生电池包脱落的危险情况。

附图说明

图1为电动汽车快换式电池包的系统结构；

图2为电动汽车快换式电池包的自动锁定装置；

图3为电池包的支架导轨系统简图；

图4为电池包内侧(安装侧)视图；

图5为电池包安装侧板正视图；

图6为电池包处于未锁定状态的自动锁定装置；

图7为电池包处于锁定状态的自动锁定装置；

图8为电池包快换流程示意图。

1-锁体，2-轴承，3-棘轮，4-弹簧，5-紧固装置，6-内层中心轴，7-短卡钉，8-外层螺纹套，9-底座，10-内纹螺母，11-卡槽口，12-锁定板，13-导轨，14-电池包支架，15- 导轮，16-手动维修开关，17-电池包固定侧面，18-电池包壳体，19-低压接插件插座，20- 高压接插件插座，21-电池包导轨滑轮系统，22-电池包安装侧板，23-安装位置，24-低压接插件插头，25-高压接插件插头，26-电池包侧边支撑件，27-位置监测装置，28-自动锁定装置，29-电池包安装底板，30-安装槽。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图4所示，本发明所述的基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统结构包括电池包17、电池包安装侧板22、电池包自动锁定机构28、电池包侧面支撑件26、位置监测装置27、电池包底部导轨21等组成。

如图4所示，电池包17上带有手动维修开关16，电池包17的内侧为安装侧，安装侧上有低压接插件插座19、高压接插件插座20、自动锁定装置安装槽30、电池包导轨滑轮系统21，其中电池包17底部焊接电池包支架14，提供固定作用，电池包支架14下面安装有若干个导轮15。

本次电池包布置在底盘下面，从车身侧面进行安装。本次采用在汽车的二根承重纵梁下安装一块牢固的底板29，支撑电池包重量。在底板29的一侧，安装一块侧板22，侧面固定住电池包并安装高低压接插件。如图5所示，侧板22上设置均匀分布的自动锁止装置的安装位置23，低压接插件插头24，高压接插件插头25，电池包侧面支撑件26和位置监测装置27。底板29上焊接半工字型钢材导轨13。电池包安装底板29焊接在电动汽车的二根纵梁上。

如图3所示，电池包支架14进行承重，电池包支架14嵌套在导轨13中，导轨13焊接在电池包底板29上，电池包支架14上安装有若干个导轮15，以便电池包轻松装入导轨。

在安装时，电池包抬升到指定高度，电池包底部支架14与电池包底板29上的导轨13 对齐，电池包支架14依靠安装在上面的若干个导轮15顺着导轨轻松滑入，到达安装位置。电池包安装侧上均匀分布设置的自动锁定装置28，在电池包推入过程中，自动锁定装置到达安装位置23之后，自动锁定装置因为水平推力实现自动锁定，同时位于电池包安装侧的高压接插件插座和低压接插件插座到达预设位置，与位于安装侧板的高压接插件插头和低压接插件插头相连接。高压接插件插头25和低压接插件插头24后面设有弹簧，可以实现高压接插件插头和低压接插件插头在横向的小幅度轴向运动，防止电池包在安装过程中将高压接插件和低压接插件挤压损坏。

在电池包安装的过程中，位置监测装置27由蓄电池提供电源，监测电池包安装侧与安装侧板22之间的距离L1。安装侧板后设置小功率伺服电机、接插件锁定机构和蜂鸣器，位置监测装置输出信号给执行机构和蜂鸣器，同时伺服电机的输出轴与电池包侧面支撑件26通过机械装置连接，伺服电机转动可带动电池包侧面支撑件26前向运动。当电池包自动锁定后，位置监测装置通过监测L1小于预设距离L2，得到电池包锁定信号并传输给蜂鸣器与接插件锁定机构。蜂鸣器提示用户电池包已经自动锁定，接插件锁定机构锁定接插件，电池包与整车的高压和低压完成连接，电池包通电。车辆通电后，伺服电机得到信号并转动以带动电池包侧面支撑件26前向运动，电池包侧面支撑件26从侧面顶住电池包并持续提供一个力矩，牢牢地固定住电池包。电池包的导轨限制电池包竖直方向移动和转动、纵向移动和转动、轴向转动5个自由度，电池包侧面支撑件26限制轴向移动的自由度。电池包自动锁定机构处于锁止状态时，如图7所示。

当电动汽车运行时，小功率伺服电机会持续输出一个力矩防止电池包轴向位移。在车辆停止工作后，伺服电机停止工作。

在电池包拆卸前，整车控制器向安装侧板27后面的伺服电机和接插件锁定机构发送信号。接插件锁定机构解除接插件的锁定。伺服电机停止工作，电池包侧面支撑件26可以轴向移动。电池包在受到推力后，电池包自动锁定机构解锁，电池包支架14依靠导轮15顺着底板29上的导轨13滑出，完成电池包的断电与拆卸。电池包自动锁定装置解除锁定后，如图6所示。

如图2所示，快换式电池包的自动锁定装置28包括锁体1、内纹螺母10、双套层螺纹轴等组成。

锁体1包括一个圆盘形顶板和沿该顶板一侧表面一体连接的空心轴结构锁身组成，该空心轴中间的空心截面为正六边形，该顶板上呈均匀方式设置紧固装置5，紧固装置5将锁体1与电动汽车电池包安装侧板22紧固连接，紧固装置5可为铆钉或螺栓连接。

锁身内腔同轴设置可沿轴向移动的内纹螺母10和单方向旋转的双套层螺纹轴；内纹螺母10为外面正六边形里面圆形的空心轴结构，内层设置凹形螺纹，一端抵住双套层螺纹轴外环的环形弹簧4，环形弹簧4另一端抵在顶板的内表面。

本发明的接插件锁定机构，既可以稳定连接，又能够快速锁定和分离，实现接插件的快速锁定与解锁，该机构的结构可参考CN201320749308.7一种矩形电连接器用快速锁定机构。

单方向旋转的双套层螺纹轴由内层中心轴6和外层螺纹套8组成。内层中心轴6为刚性管材，一端与顶板同轴连接的可旋转的轴承2固定连接，另一端固定连接用以抵住并锁定电池包的锁定板12。锁定板12为矩形平板结构，通过螺栓与中心轴6紧固连接为一体。中心轴6外表面设置四个凸起的互成90度角的短卡钉7，短卡钉7位于垂直于中心轴6的轴心的同一平面。锁体1顶板上方，内层中心轴6的顶端安装单方向转动的棘轮3；锁体1 顶板下方，紧靠外层螺纹套上沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉，用于套轴联动；紧靠外层螺纹套下沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉；用以阻止外层螺纹套向下移动。

外螺纹套8为空心轴结构，插入锁体1内腔并呈滑动配合嵌套在中心轴6外表面；外层螺纹套8外表面设置有凸形螺纹，通过凸形螺纹与环套在外层螺纹套8外表面的内纹螺母10连接，外层螺纹套8外表面的螺纹方向与内纹螺母10的螺纹方向互为相反；内纹螺母10内层为正向凹形螺纹，依托于锁身内腔和配合单方向旋转的双套层螺纹轴的外螺纹，可籍外力推动方形内纹螺母沿垂直方向上下移位。外层螺纹套8外表面是反方向凸形螺纹，可随内纹螺母10上下移位时正反方向旋转，套装于内层中心轴6外，静态状况下，外螺纹套8与内层中心轴6无任何连接，凸形螺纹紧配装于凹纹螺母10。

外层螺纹套8一侧端头的端面沿内圆周边设置有四个凹进去的互成90度角的短卡槽 11(数量与短卡钉7数量一致)；短卡槽11与短卡钉7一一对应；短卡钉7为矩形或者圆形柱结构，一端铆入或嵌入中心轴6的外圆周表面；短卡槽11截面为尖状角结构，可与短卡钉7嵌套在一起。外层螺纹套上沿边每隔90度有一个小三角形卡槽口11，套上总共有四个小三角形卡槽口，用以正方向旋转时卡住内层中心轴上的四个短卡钉7，使内层中心轴随外层螺纹套转动。小三角形卡槽口11与短卡钉7脱离后，外层螺纹套8随凹纹螺母 10单独驱动，反方向旋回90度到达原位，但内层中心轴6不随外层螺纹套转回。

轴承2同轴镶嵌在顶板中，一侧连接中心轴6的顶端，另一侧安装单方向转动的棘轮 3，棘轮3只随内层中心轴正时钟方向转动，每转动90度被卡锁一次，不能反向回转。

压缩弹簧4安装于内纹螺母上部，电池包17被推进内纹螺母向内移位时，弹簧被压缩，电池包被拉出时，压缩弹簧4恢复形变并推动内纹螺母向外移动，紧紧抵压住电池包固定在锁定板12上，实现电池包锁定。

矩形单向旋转的锁定板12是撞击式自动锁定装置动态锁定与解锁的关键零件，只随内层中心轴6单方向90度旋转，锁定板旋转90度后，与电池包自动锁定系统安装槽30形成交叉状态时，电池包被锁定，如图7所示；如锁定板12再被旋转90度，与电池包自动锁定系统安装孔30形成平行状态时，电池包解锁，如图6所示。

综上所述本发明的电池包自动锁定装置属于纯机械结构，不需要外接动力源(包括电力、液压、气压)，更换迅速，安全可靠，方便机械手作业或者人工作业。

自动锁定装置设置在电池包壳体的四角，实现电池包锁定。在更换电池包过程中，凭借外部推力，接触到自动锁定装置的下部构件，一次撞击能够实现电池包的锁定和通电，再次撞击能够实现解锁和断电，适用于更换电池包。

更换电池包的流程：

步骤1，电动汽车停入换电车位，驾驶员发出拆卸电池包指令，电池包断电，伺服电机停止转动，电池包可沿轴向往内位移。蓄电池给接插件锁定机构供电，锁定机构完成对电池包接插件的解锁。

步骤2，人工或机械手向内推动电池包，撞击自动锁定装置的内纹螺母10向内位移，中心轴外层螺纹套8稍微向内移动，小三角形卡槽口11向内时卡住内层中心轴上的卡钉7，即联动内层中心轴6和锁定板12随外层螺纹套8同时顺时针方向旋转90度后，被内层中心轴6顶端的棘轮3锁定。电池包向内推动时，电池包的自动锁定装置解锁，电池包锁定板12与电池包上用于固定自动锁定装置28的安装槽30呈平行关系，如图6所示，电池包能沿导轨13向外拉出，完成拆卸。

步骤3，电池包完成拆卸后，压缩弹簧4恢复形变并推动内纹螺母10向外位移。内纹螺母10向外移动时，外螺纹套8开始回旋时有稍微向下的动作可使外螺纹套8上的四个小三角形卡槽口11脱离内层中心轴6上的卡钉7，内层中心轴6及其锁定板12不随外螺纹套8反方向联动回转，仍被轴顶的棘轮3锁住，内层中心轴6下端的锁定板12与电池包自动锁定装置的安装槽30仍然保持平行状态不会改变。

步骤4，新的电池包被人工或机械手抬升，将电池包支架14对准导轨13，缓缓将电池包向内推进，使自动锁定装置28的中心轴6及矩形锁定板12穿过电池包自动锁定装置的安装槽30，并处于可以顺时针旋转90度的状态。

步骤5，继续推动电池包沿导轨13方向向内移动，接触到自动锁定装置28的内纹螺母10向内位移，使外层螺纹套8的小三角形卡槽口11向内卡住内层中心轴6上的卡钉7，联动内层中心轴6和锁定板12同时旋转90度后，被内层中心轴6顶端的棘轮3锁定。内层中心轴6与矩形锁定板12此时与电池包自动锁定装置的安装槽30呈交叉状态，如图7 所示。内层中心轴6上顶端的棘轮3单方向转动90度，将内层中心轴6及其下端的锁定板 12锁定，使其不能回转。压缩弹簧4恢复形变并推动内纹螺母10向外移动，紧紧抵住电池包固定在锁定板12上。

步骤6，在电池包向内推动过程中，位置监测装置27监测电池包的位置信息。当电池包推至预设位置之后，位置监测装置监测到电池包与安装侧板的距离L1小于预设距离L2，输出信号到蜂鸣器和接插件锁定机构，蜂鸣器提示用户电池包已经安装到位，不需再向内推动。接插件锁定机构锁定接插件，电池包完成安装并通电。

步骤7，电池包与电池包安装侧板22完成固定连接，电池包通电。车辆运行时，伺服电机持续运转，产生一个力矩将电池包侧面支撑件26紧紧抵住电池包的安装面，防止电池包受到冲击时自动锁定装置发生脱落。

更换电池包的流程如图8所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，包括电池包(17)、电池包安装侧板(22)、电池包安装底板(29)，电池包自动锁定装置(28)、电池包侧面支撑件(26)、位置监测装置(27)、电池包底部导轨(21)；电池包安装底板(29)焊接在电动汽车的二根纵梁上，为电池包(17)承重；电池包安装侧板(22)固接在电池包安装底板(29)上，为电池包(17)提供侧边支撑作用且提供高压插头(25)和低压插头(24)的安装位置；电池包(17)通过电池包支架(14)、导轮(15)、导轨(13)的导轨滑轮装置实现连接；电池包自动锁定装置(28)安装在电池包安装侧板(22)上，同时电池包(17)的安装侧设置有电池包自动锁定机构的安装槽(30)，电池包自动锁定装置(28)能够穿过安装槽(30)将电池包(17)固定在安装侧板(22)上，限制电池包(17)轴向移动；位置监测装置(27)用于监测电池包(17)的位置信息；电池包侧面支撑件(26)设置在安装侧板(22)上，用于抵住电池包(17)，确保电池包安装牢靠。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，所述导轨滑轮装置中，电池包(17)的底部设置有二根平行的电池包支架(14)，安装底板(29)上焊接有二根平行的导轨(13)，导轨的截面为半工字型，通过电池包支架(14)上的导轮(15)，电池包(17)能够在导轨(13)中进行滑动，限制电池包(17)沿竖直方向转动和移动、沿纵向转动和移动以及沿轴向的转动五个自由度。

3.根据权利要求1所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，位置监测装置(27)设置在电池包安装侧板(22)上，包括距离传感器、控制器、电源模块、蜂蜜器和接插件锁定机构，控制器分别和距离传感器、电源模块、蜂蜜器和接插件锁定机构相连，位置监测装置(27)通过电源模块由蓄电池供电，电池包(17)安装到指定位置后，距离传感器监测到电池包(17)与安装侧板(22)的距离L1，若L1小于预设距离L2，控制器输出电池包安装完毕的信号到蜂鸣器和高低压接插件锁定机构，蜂鸣器发出声音报警，接插件锁定机构完成高低压接插件的锁止，电池包固定完毕且通电成功。

4.根据权利要求1所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，电池包侧面支撑件(26)一侧为圆形薄板的实心轴，实心轴与一个伺服电机连接，当电池包(17)固定且车辆运动时，伺服电机输出微小力矩使电池包侧面支撑件(26)牢牢抵住电池包(17)侧面。

5.根据权利要求1所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，电池包自动锁定装置(28)包括锁体(1)、内纹螺母(10)、双套层螺纹轴；

锁体(1)包括一个圆盘形顶板和沿该顶板一侧表面一体连接的空心轴结构锁身组成，该空心轴中间的空心截面为正六边形，该顶板上呈均匀方式设置紧固装置(5)，紧固装置(5)将锁体(1)与电动汽车电池包安装侧板(22)紧固连接，紧固装置(5)可为铆钉或螺栓连接；

锁身内腔同轴设置可沿轴向移动的内纹螺母(10)和单方向旋转的双套层螺纹轴；内纹螺母(10)为外面正六边形里面圆形的空心轴结构，内层设置凹形螺纹，一端抵住双套层螺纹轴外环的环形弹簧(4)，环形弹簧(4)另一端抵在顶板的内表面。

6.根据权利要求5所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，单方向旋转的双套层螺纹轴由内层中心轴(6)和外层螺纹套(8)组成；内层中心轴(6)为刚性管材，一端与顶板同轴连接的可旋转的轴承(2)固定连接，另一端固定连接用以抵住并锁定电池包的锁定板(12)；锁定板(12)为矩形平板结构，通过螺栓与中心轴(6)紧固连接为一体；中心轴(6)外表面设置四个凸起的互成90度角的短卡钉(7)，短卡钉(7)位于垂直于中心轴(6)的轴心的同一平面；锁体(1)顶板上方，内层中心轴(6)的顶端安装单方向转动的棘轮(3)；锁体(1)顶板下方，紧靠外层螺纹套上沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉，用于套轴联动；紧靠外层螺纹套下沿，内层中心轴外围每隔90度伸出一根短卡钉；用以阻止外层螺纹套向下移动。

7.根据权利要求6所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，外螺纹套(8)为空心轴结构，插入锁体(1)内腔并呈滑动配合嵌套在中心轴(6)外表面；外层螺纹套(8)外表面设置有凸形螺纹，通过凸形螺纹与环套在外层螺纹套(8)外表面的内纹螺母(10)连接，外层螺纹套(8)外表面的螺纹方向与内纹螺母(10)的螺纹方向互为相反；内纹螺母(10)内层为正向凹形螺纹，依托于锁身内腔和配合单方向旋转的双套层螺纹轴的外螺纹，可籍外力推动方形内纹螺母沿垂直方向上下移位，外层螺纹套(8外表面是反方向凸形螺纹，可随内纹螺母(10)上下移位时正反方向旋转，套装于内层中心轴(6)外，静态状况下，外螺纹套(8)与内层中心轴(6)无任何连接，凸形螺纹紧配装于凹纹螺母(10)。

8.根据权利要求7所述的一种基于位置监测的电动汽车快换式电池包的系统，其特征在于，外层螺纹套(8)一侧端头的端面沿内圆周边设置有四个凹进去的互成90度角的短卡槽(11)；短卡槽(11)与短卡钉(7)一一对应；短卡钉(7)为矩形或者圆形柱结构，一端铆入或嵌入中心轴(6)的外圆周表面；短卡槽(11)截面为尖状角结构，可与短卡钉(7)嵌套在一起，外层螺纹套上沿边每隔90度有一个小三角形卡槽口(11)，套上总共有四个小三角形卡槽口，用以正方向旋转时卡住内层中心轴上的四个短卡钉(7)，使内层中心轴随外层螺纹套转动，小三角形卡槽口(11)与短卡钉(7)脱离后，外层螺纹套(8)随凹纹螺母(10)单独驱动，反方向旋回90度到达原位，但内层中心轴(6)不随外层螺纹套转回；

轴承(2)同轴镶嵌在顶板中，一侧连接中心轴(6)的顶端，另一侧安装单方向转动的棘轮(3)，棘轮(3)只随内层中心轴正时钟方向转动，每转动90度被卡锁一次，不能反向回转；

压缩弹簧(4)安装于内纹螺母上部，电池包(17)被推进内纹螺母向内移位时，弹簧被压缩，电池包被拉出时，压缩弹簧(4)恢复形变并推动内纹螺母向外移动，紧紧抵压住电池包固定在锁定板(12)上，实现电池包锁定。

9.一种电动汽车电池包快速更换的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电池包(17)拆卸阶段，电动汽车到达换电位，车主发出拆卸电池包的指令，电池包侧面支撑件(26)解除对电池包(17)的按压，接插件锁定机构解除接插件的锁定，电池包(17)沿导轨(13)向内推动，撞击到自动锁定装置(28)，自动锁定机构解锁，电池包(17)沿导轨(13)向外拉出，电池包(17)的拆卸完成；

在电池包(17)安装阶段，电池包(17)对准导轨(13)，沿导轨(13)向内推动，电池包(17)撞击自动锁定装置(28)并完成锁定，位置监测装置(27)得到安装完毕信号，蜂鸣器发出声音报警，高低压接插件锁定，电池包(17)通电且安装完成。