CN112074431B - 电池更换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于电动车辆的电池更换系统，包括：电池单元；电池收纳单元，其适于固定在电动车辆底表面或底表面附近并且包括壳体，在壳体底侧具有开口以通过开口将电池单元至少部分地收纳在壳体中，其中电池收纳单元具有延伸穿过开口的中心轴线；其中电池收纳单元适于允许电池单元沿其中心轴线在电池收纳单元下方的未安装位置和至少部分地在电池收纳单元内的安装位置之间移动，其中电池单元包括第一接合元件，电池收纳单元包括第二接合元件，第一和第二接合元件中的每个适于在沿相关倾斜路径相对于彼此移动的同时彼此接合以将电池单元从未安装位置提升到安装位置或将其从安装位置降低到未安装位置，其中相关倾斜路径相对于与中心轴线垂直的平面倾斜。

Description

电池更换系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆的电池更换系统，该电池更换系统包括：电池单元，该电池单元包括顶表面、底表面以及在顶表面和底表面之间延伸的周向侧表面；电池收纳单元，该电池收纳单元适于固定在车辆的下侧处或下侧附近并且包括壳体，壳体具有位于壳体的底侧的开口以用于通过该开口将电池单元至少部分地收纳在壳体中，其中，电池收纳单元具有延伸穿过开口的中心轴线；其中，电池收纳单元适于允许电池单元沿着中心轴线在电池收纳单元下方的未安装位置和至少部分地在电池收纳单元内的安装位置之间移动。本发明还涉及设有电池更换系统的电动车辆，以及用于在电动车辆中更换电池的方法。
背景技术
从WO 2012/116916已知一种电池更换装置，该电池更换装置包括：电池承载器，该电池承载器可以装载有适于驱动机动车辆的电池单元；以及收纳单元，该收纳单元用于收纳电池承载器。已知的电池承载器包括至少一个第一锁定元件，收纳单元包括至少一个第二锁定元件，并且电池承载器和收纳单元被实施为使得借助于包括围绕电池承载器的中心轴线的转动运动的锁定运动，可以将电池承载器与收纳单元一起置于锁定位置，其中，第一锁定元件和第二锁定元件以形状配合的方式在锁定位置处彼此接合。
已知装置的缺点在于，从收纳单元中去除电池承载器需要相当大的努力将承载器的第一锁定元件与收纳单元对准，然后才可以将电池从收纳单元中移出，这增加了更换电池所需的时间的量。
本发明的目的是提供一种至少部分地克服了该缺点的用于电动车辆的电池更换系统。
发明内容
为此，根据第一方面，本发明提供了一种用于电动车辆的电池更换系统，该电池更换系统包括：电池单元，电池单元包括顶表面、底表面以及在顶表面和底表面之间延伸的周向侧表面；电池收纳单元，电池收纳单元适于固定在车辆的下侧处或下侧附近并且包括壳体，壳体具有位于壳体的底侧的开口以用于通过开口将电池单元至少部分地收纳在壳体中，其中，电池收纳单元具有延伸穿过开口的中心轴线；其中，电池收纳单元适于允许电池单元沿着中心轴线在电池收纳单元下方的未安装位置和至少部分地在电池收纳单元内的安装位置之间移动，其中，电池单元包括第一接合元件并且电池收纳单元包括第二接合元件，其中，第一接合元件和第二接合元件中的每个都适于在沿着相关联的倾斜路径相对于彼此移动的同时彼此接合，以便将电池单元从未安装位置提升到安装位置或将电池单元从安装位置降低到未安装位置，其中，相关联的倾斜路径相对于与中心轴线垂直的平面倾斜。当电池收纳单元固定在车辆的下侧处或下侧附近时，中心轴线通常会大致垂直地延伸。
当电池单元位于安装位置处时，只需使第一接合元件相对于第二接合元件沿着它们的相关联的倾斜路径以平稳连续运动的方式移动，即可以将电池单元移动到未安装位置。在将电池单元竖直地移向未安装位置之前，无需先将电池单元与电池收纳单元转动地对准，从而减少了更换电池的时间的量。
另一个优点是，当电池单元位于未安装位置时，电池单元的中心轴线最初不需要对准以完全平行于其上方的电池收纳单元的中心轴线。最初可以彼此间隔开的第一接合元件和第二接合元件可以相对于彼此移动，直到它们确实彼此接合为止。一旦第一接合元件和第二接合元件确实彼此接合，则通过驱动第一接合元件相对于第二接合元件的进一步移动，电池单元可以以单个连续的运动从未安装位置移动到安装位置，这种方式还使电池单元的中心轴线与收纳单元的中心轴线平行对准。因此，减少了在电池单元从未安装位置移动到安装位置之前将电池单元与电池收纳单元对准所需的时间的量。
在实施例中，第一接合元件和第二接合元件适于彼此接合，同时在提升或降低电池单元期间沿着倾斜路径相对于彼此移动，使得在第一接合元件和第二接合元件的所述相对移动期间，第一接合元件和第二接合元件一起承载电池单元的重量，优选大致承载电池单元的整个重量。
因此，至少在第一接合元件和第二接合元件彼此接合并沿着倾斜路径相对于彼此移动的同时，不需要外部提升装置来提升电池单元或降低电池单元，并且电池单元可以通过第一接合元件大致或完全地支撑在电池收纳单元的第二接合元件上。这也有利于电池单元相对于电池收纳单元的水平对准，因为在电池单元移动到安装位置的至少一部分移动期间，电池单元的底表面可以从电池收纳单元自由地悬垂。在实施例中，第二接合元件适于在与中心轴线大致垂直的公共平面内相对于壳体移动。
在实施例中，每个倾斜路径沿着中心轴线的方向延伸至少10cm的距离，优选地延伸至少15cm或至少20cm的距离。当电池单元从未安装位置移动到安装位置时，这允许将电池单元提升该距离。
在实施例中，倾斜路径的与所述第一接合元件中的一个和所述第二接合元件中的一个相关联的每个倾斜路径和与第一接合元件中的另一个和第二接合元件中的另一个相关联的其他倾斜路径间隔开，所述倾斜路径中的每个都包括起点和终点，其中，倾斜路径的起点位于第一公共平面中，并且倾斜路径的终点位于第二公共平面中。第一平面和第二平面通常彼此平行，并且第一平面和第二平面优选地均垂直于中心轴线延伸。布置有起点的第一公共平面通常位于布置有终点的第二公共平面的上方。通过在第一公共平面中具有多个起点，进一步增加了将电池单元的第一接合元件与第二接合元件匹配的便利性，从而进一步减少了在提升之前电池单元对准所需的时间。优选地，路径的斜率从起点到终点单调地减小。
在实施例中，第一接合元件布置在电池单元的内侧上，与顶表面、底表面和周向侧表面的周向表面的外表面间隔开。因此，外表面大致保护第一接合元件免受损坏。
在实施例中，壳体的开口的面积比电池单元的顶表面跨越的面积大不超过10％，优选大5％至10％。这样可以使电池在具有一定间隙的情况下移动到开口中。
在实施例中，电池收纳单元的壳体适于安装在电池单元的周向侧表面周围，使得壳体将电池单元围绕中心轴线的转动限制成10度或更小的角度，优选5度或更小的角度。因此，即使电池可以在具有一定间隙的情况下移动到开口中，也可以防止电池单元在与中心轴线垂直的平面内绕转动轴线转动大于10度的角度。
在实施例中，在第一公共平面和第二公共平面之间延伸的每个路径的斜坡沿着第一平面和第二平面之间的倾斜路径的整个长度相对于第一公共平面具有小于25度的正梯度。通过具有相对较浅的正梯度，即小于25度的梯度，电池单元的重量在很大程度上由路径支撑。结果，需要较小的力来将电池单元提升到其在电池收纳单元内部的安装位置。另外，降低了防止电池单元在其自身重量下不期望地降低到电池收纳单元内部所需的力。已经发现具有在0至14度的范围内(特别是在1至8度的范围内)的这种正梯度的斜坡的路径导致电池特别顺畅地提升到电池单元中。优选地，梯度沿路径变化，其中梯度朝向路径的终点单调地减小。
在实施例中，电池收纳单元包括至少三个第二接合元件。第二接合元件因此可以围绕中心轴线周向分布，因此它们可以在提升和降低移动期间从至少三个分开的点支撑电池单元。
第一接合元件和第二接合元件相对于彼此沿其移动的倾斜路径可以以几种不同的方式实现。例如，所有倾斜路径可以是线性倾斜路径和/或均可以完全在单个平面内延伸。更优选地，所述路径中的每个都包括或形成为一段大致螺旋形的路径。在后一种情况下，竖直轴线通常形成螺旋形路径的中心轴线。使用该分段的螺旋形路径允许第一接合元件相对于彼此固定，并且类似地还允许第二接合元件相对于彼此固定。结果，仅需要控制用于移动所有第一接合元件的单个运动和/或用于移动所有第二接合元件的单个运动，以引导和自对准的方式提升或降低电池单元。每个螺旋形路径优选地具有可变的螺距，但是这些路径可以具有恒定的螺距。
在实施例中，当在与中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，第二接合元件沿周向彼此间隔开，优选地大致等距地沿周向彼此间隔开。因此，特别是在使电池进入和离开电池收纳单元的提升和降低期间，第二接合元件为电池单元提供稳定的支撑。
在实施例中，电池收纳单元还包括一个或多个致动器，该一个或多个致动器用于使第一接合元件和第二接合元件沿它们的相关联的路径相对于彼此移动，以便将电池单元从未安装位置提升到安装位置或将电池单元从安装位置降低到未安装位置。一个或多个致动器可以包括机电致动器、液压致动器和/或气动致动器。优选地，一个或多个致动器适于在电池单元的提升或降低期间在与电池收纳单元的中心轴线大致垂直的公共平面中移动。
在实施例中，所述路径中的每个路径具有小于电池单元的周向侧表面的周向长度的六分之一的长度。通过使用这种相对较短的路径，可以通过使第一接合元件相对于第二接合元件移动比周向侧表面小得多的距离来实现使电池进入和离开电池收纳单元的充分提升和/或降低移动。例如，当每个路径形成为螺旋形路径的一段时，电池单元的提升和降低运动要求第一接合元件相对于第二接合元件的小于周向的六分之一的、例如小于60°的转动运动。同样，如果周向侧表面具有大致正方形或等边三角形的截面，则每个路径的长度将小于周向侧表面的每个边的一半。
在实施例中，第一接合元件和第二接合元件适于在沿所述倾斜路径相对于彼此移动的同时彼此接合，以在未安装位置和安装位置之间提升或降低电池单元，使得电池单元沿着中心轴线以大致平移的运动提升或降低，在大致平移的运动期间，电池单元在与中心轴线垂直的平面内围绕中心轴线转动不超过15度。以这种方式，大致避免了电池单元在其提升和降低期间的转动动量的积累。此外，该实施例允许使用具有侧壁的电池单元，该侧壁具有任何形状(特别是非圆形)的截面轮廓。当在与电池单元的延伸穿过顶表面和底表面的中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，电池单元的周向侧表面可以具有非圆形的外部轮廓，优选多边形或椭圆形轮廓。当使用该实施例时，自动提升平台在可以用于将电池朝向开口正下方的未安装位置提升时，仅需要将电池提升到该位置，并且由于通过移动第一接合元件和第二接合元件将电池从未安装位置提升到安装位置，不需要支撑电池或使电池相对于电池收纳单元转动。
使用具有非圆形外部轮廓的电池单元的另一个优点是，当电池单元部分地插入电池单元中以通过电池更换系统被提升到电池收纳单元中时，电池单元围绕中心轴线的转动定向大致受到限制。这使得更容易预测第二接合元件将与第一接合元件接合的位置，从而导致第二接合元件相对于壳体的缩短的移动，因此进一步减少了电池安装时间。
在实施例中，电池收纳单元的开口被成形为在与电池收纳单元的中心轴线垂直的平面中以一定间隙大致容纳侧表面。即使最初电池单元的中心轴线和电池收纳单元的中心轴线彼此之间有一定角度，和/或即使电池单元相对于电池收纳单元围绕其中心轴线未精确地转动对准，电池单元和电池收纳单元之间的所述平面中的间隙也进一步允许将电池单元提升到电池收纳单元中。例如，当电池单元位于电池收纳单元下方的未安装位置并且第二接合元件中的至少一个与第一接合元件中的一个接触时，所述间隙可以包括在平面中的平移，例如通过1cm至2.5cm的距离的平移。
在实施例中，开口具有非圆形的形状，该形状大致与电池单元的周向侧表面的形状匹配。因此，大致限制了电池单元在开口内(特别是围绕中心轴线)的转动。
在实施例中，大致整个周向侧壁在底表面和顶表面之间垂直于电池的底表面和/或中心轴线延伸，其中，电池收纳单元设置有用于在电池单元位于安装位置时抵接侧壁的多个部分的抵接部分。
在替代性实施例中，大致整个周向侧壁从电池的底表面朝向顶表面成锥形，其中，电池收纳单元设置有用于在电池单元位于安装位置时抵接侧壁的多个部分的抵接部分。侧壁可以大致具有截头锥体的侧壁的形状。
在实施例中，第一接合元件和第二接合元件形成彼此接合的成对的第一接合元件和第二接合元件，其中，在每一对第一接合元件和第二接合元件中，第一接合元件和第二接合元件中的一个接合元件包括适于在电池单元在安装位置和未安装位置之间移动期间与该对第一接合元件和第二接合元件中的另一个接合元件接合的部分，并且其中，所述部分相对于第一平面和第二平面倾斜。因此，在每一对第一接合元件和第二接合元件中，第一接合元件和第二接合元件中的一个接合元件大致形成倾斜路径，在电池单元的提升和降低期间，该对第一接合元件和第二接合元件中的另一个接合元件沿着倾斜路径移动。
在另一实施例中，成对的接合元件中的每一对都可以包括一个或多个滚子，一个或多个滚子用于在电池单元在安装位置与未安装位置之间移动期间与该对接合元件中的另一个接合元件滚动接合。通过包括滚子，减小了第一接合元件和第二接合元件之间的摩擦，导致了将电池单元提升到电池收纳单元中所需的减小的力。另外，通过减小的摩擦，减少了接合元件的磨损。
在实施例中，电池收纳单元包括支撑环，支撑环能够相对于壳体围绕电池收纳单元的中心轴线转动，其中，第二接合元件安装在支撑环上。优选地，支撑环围绕中心轴线的转动小于20度足以将电池单元从未安装位置移动到安装位置。如本文先前所述的一个或多个致动器可以适于与支撑环滚动接触，并且例如可以包括多个步进马达或单个步进马达驱动式皮带驱动器、小齿轮或蜗杆驱动式支撑环、或者甚至一个或多个线性致动器，该一个或多个线性致动器在一端处连接到支撑环且在另一端处连接到壳体，以用于驱动环的围绕其中心轴线的往复运动，从而将电池单元从未安装位置移动到安装位置，反之亦然。
在实施例中，第二接合元件中的每个都包括一个或多个滚子，这些滚子能够围绕大致垂直于中心轴线延伸的轴线转动。当使用支撑环时，滚子能够绕位于公共平面中的大致垂直于中心轴线延伸的轴线相对于支撑环转动。以此方式，当在第一接合元件和第二接合元件彼此接合的同时支撑环围绕中心轴线转动时，环的转动将引起第一接合元件和第二接合元件之间的滚动接触。
在实施例中，电池收纳单元包括机械锁定机构，该机械锁定机构用于在电池单元位于安装位置时将电池单元锁定在适当的位置处。这种锁定机构确保电池单元保持在其安装位置处，直到需要进行下一次电池更换，例如无论驾驶条件和由此产生的作用在电池单元上的力如何。锁定机构可以适于阻止支撑环相对于壳体的转动。替代性地和/或附加地，锁定机构可以包括用于使接合元件相对于彼此移动的一个或多个致动器，其中，致动器适于当电池单元位于安装位置处时，可释放地锁定在适当的位置处。
在实施例中，支撑环设有带齿区段，该带齿区段形成锁定机构的一部分，锁定机构还包括小齿轮或蜗杆，小齿轮或蜗杆布置成与带齿区段接合。例如，一个或多个致动器可以包括蜗杆、致动器、蜗杆和带齿区段，蜗杆、致动器和带齿区段一起形成蜗杆驱动器以驱动支撑环的转动移动。当蜗杆未被致动器驱动时，蜗杆仍接合带齿区段，以这种方式大致阻止了支撑环围绕中心轴线的转动。因此，在该示例中，支撑环可以形成锁定环。
在实施例中，电池收纳单元设置有布置在电池收纳单元的底侧处或底侧附近的传感器，该传感器用于当电池单元布置在开口下方时感测电池单元相对于中心轴线的位置和/或定向。这种传感器使电池更换系统被安装为使得致动器仅在电池单元正确放置在电池收纳单元下方时立即启动，从而实现了快速、高效的安装过程。此外，这种传感器可以被安装成与任何自动提升平台交互，从而使提升平台能够将电池置于收纳单元下方的正确位置。传感器可以由安装有收纳单元的汽车内部的较小的附加内部电池供电，该电池通常用于例如为汽车的内部灯、时钟和收音机供电。这种布置允许传感器独立于正被更换的电池单元而操作。
在实施例中，电池单元还包括布置在电池单元的顶侧的周向密封件，和/或电池收纳单元包括围绕开口布置的周向密封件，布置在电池单元的顶侧的周向密封件和/或围绕开口布置的周向密封件用于在电池单元位于安装位置处时接触电池单元的顶侧和/或侧表面。密封件防止水分和碎屑进入电池更换系统，否则该水分和碎屑可能会对系统的可操作性和耐久性产生不利影响。密封件布置成当电池单元位于安装位置处时，与电池单元的顶表面和电池收纳单元的底表面密封接触。当在与中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，周向密封件可以围绕第一接合元件布置。在这种布置中，也充分保护了接合元件免受水分和碎屑的侵入，否则该水分和碎屑可能会导致接合元件的损坏和增加的磨损。
在实施例中，电池单元的顶表面和底表面之间的距离为20cm或更小。结果，电池更换系统可以容易地集成在任何车辆的下侧中，而无需进一步的设计变更来保持装载空间。因此，电池更换系统也可以安装在已经存在的车辆中。为此，本发明还涉及一种包括根据本发明的电池更换系统的电动车辆。
根据第二方面，本发明提供了一种电动车辆，该电动车辆包括如本文所述的电池更换系统。优选地，电池收纳单元还包括一个或多个致动器，该一个或多个致动器用于驱动第二接合元件相对于相应的第一接合元件沿着它们的相关联的路径以及相对于壳体的移动。
根据第三方面，本发明提供了一种用于电动车辆的电池更换方法，该电动车辆包括电池收纳单元，电池收纳单元固定在车辆的下侧处并且包括壳体，壳体具有位于壳体的底侧的开口以用于通过该开口将电池单元至少部分地收纳在壳体中，其中，电池收纳单元具有延伸穿过开口的中心轴线，并且进一步设置有布置在壳体内的第二接合元件，该方法包括：
i)将电池单元放置在壳体的开口下方，使得在与中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，电池单元与开口完全重叠，电池单元包括用于与所述第二接合元件接合的第一接合元件，
ii)使用电动车辆外部的提升装置，将电池单元朝向开口提升到未安装位置；以及
iii)移动第一接合元件中的每个以与所述第二接合元件中的相应一个接合，并且随后驱动第一接合元件和第二接合元件中的每个沿着相关联的倾斜路径相对于彼此进一步移动，以将电池单元从未安装位置提升到安装位置，其中，所述相关联的倾斜路径中的每个相对于与中心轴线垂直的平面倾斜。
在实施例中，将电池单元放置在电池收纳开口下方的步骤还包括使电池单元围绕竖直轴线定向，使得第一接合元件和第二接合元件在竖直方向上对准。
在实施例中，电池收纳单元包括支撑环，支撑环能够相对于壳体围绕电池收纳单元的中心轴线转动，其中，第二接合元件安装在支撑环上，并且步骤iii)包括驱动支撑环围绕中心轴线转动，以使第一接合元件和第二接合元件彼此接合，并驱动第一接合元件和第二接合元件沿着相关联的倾斜路径的所述进一步移动。
在实施例中，使用如上所述的电池更换系统来执行该方法。
根据第四方面，本发明提供了一种用于电动车辆的电池更换系统，该电池更换系统包括：电池单元；电池收纳单元，电池收纳单元适于固定在电动车辆的底表面处或底表面附近并且包括壳体，壳体具有位于壳体的底侧的开口以用于通过开口将电池单元至少部分地收纳在壳体中，其中，电池收纳单元具有延伸穿过开口的中心轴线；其中，电池收纳单元适于允许电池单元沿着其中心轴线在电池收纳单元下方的未安装位置和至少部分地在电池收纳单元内的安装位置之间移动，其中，电池单元包括第一接合元件并且电池收纳单元包括第二接合元件，第一接合元件和第二接合元件中的每个都适于在沿着相关联的倾斜路径相对于彼此移动的同时彼此接合，以便将电池单元从未安装位置提升到安装位置或将电池单元从安装位置降低到未安装位置，其中，所述相关联的倾斜路径相对于与中心轴线垂直的平面倾斜。
附图说明
下面将参照附图更详细地讨论本发明，其中
图1A、图1B和图1C分别示出了具有根据本发明的电池更换系统的电动车辆、所述电池更换系统的分解图以及电池收纳单元的壳体的等距视图，
图2A和图2B提供了在本发明的电池更换系统中使用的一对第一接合元件和第二接合元件的详细视图，
图3示出了可以作为根据本发明的电池更换系统的一部分的电池提升系统的细节，
图4A至图4C示意性地示出了根据本发明的电池更换系统的替代实施例，图4D示出了电池单元的一部分的局部侧视图，并且
图5A至图5C示意性地示出了如何将电池单元安装在根据本发明的电池更换系统中。
具体实施方式
图1A示出了具有根据本发明的电池更换系统1的电动车辆100。电池更换系统包括电池单元20和电池收纳单元10，电池收纳单元10具有壳体14，壳体14在其底侧具有用于收纳电池单元20的开口。车辆具有面对地面的下侧101，电池收纳单元10安装在下侧101。电池收纳单元具有延伸穿过收纳开口11的中心轴线C。在图1A所示的电池收纳单元10的定向中，中心轴线C与竖直轴线V大致重合。电池单元20能够沿所述中心轴线C在电池收纳单元10下方的未安装位置和电池收纳单元10的收纳开口11内部的安装位置之间移动。电池单元20具有周向侧表面23，周向侧表面23的形状大致与收纳单元的限定开口11的周向侧表面17的周向形状相对应，从而当电池单元被收纳在电池收纳单元中时，电池单元以具有一定间隙的方式安装在壳体中。尽管在图1A中电池单元20具有大致圆柱形的周向形状，但是应当理解，其他周向形状，例如截头圆锥形状或具有非圆形轮廓的形状也是可以想到的。在所示的实施例中，电池收纳单元10以使得电池收纳单元100的底板13大致与车辆100的下侧101齐平的方式安装到车辆。然而，可替代地，电池收纳单元可以抵靠车辆的下侧安装，其中收纳单元的壳体14部分或完全在车辆的下侧101下方延伸，并且底板13位于所述下侧的下方。将电池更换系统安装到车辆的后一种方式允许容易地将电池更换系统改装到车辆上。
图1B和图1C分别示意性地示出了图1A的电池更换系统1的分解图和其电池收纳单元10的等距视图。电池收纳单元10具有用于安装到车辆的顶部12、电池提升系统30以及底部18。电池提升系统30设置有支撑环31，第二接合元件35安装在支撑环31上，第二接合元件35中的每一个都适于在沿着相关联的倾斜路径相对于电池单元20的第一接合元件25移动的同时与电池单元20的第一接合元件25接合。支撑环能够围绕电池收纳单元的中心轴线C转动，以在第一接合元件和第二接合元件彼此接触的同时使第二接合元件35沿着各自的相关联的倾斜路径相对于第一接合元件25移动。支撑环由安装在顶部12的顶板16a上的多个轴承38围绕中心轴线C可转动地支撑。该顶部还包括外周侧表面15，外周侧表面15在一侧处附接到顶部12的顶板16a，并在另一侧处附接到顶部12的底板16b。底部18包括内周侧表面17，并且在其下侧包括板13，侧表面17固定到板13，并且板13设置有开口11。当电池收纳单元处于组装状态时，外侧板15例如通过螺栓固定到下板13和/或侧表面17。
第一接合元件25形成为单独的倾斜部分，该倾斜部分例如通过焊接在电池单元的形成电池单元的上表面的边缘22附近附接到周向侧表面23的内表面。
系统1的电池单元20包括在容器28中的一系列电池，在此示意性地示出了容器28，该容器以大致不透水的方式围绕电池。电连接器24设置在容器28的顶侧处，并且布置成当电池单元位于安装位置处时与中心轴线大致重合。可以通过电连接器24从容器28内的电池向电动车辆供应电力。当将电池单元20保持在电池收纳单元10中的安装位置处时，包括电池收纳单元的电池交换系统1的整个高度不超过20cm。电池单元通常具有位于80cm至130cm之间的直径。结果，该系统可以容易地集成到现有车辆的设计中或内置到现有车辆中，而不会对装载空间容量或乘坐高度造成不利影响。对于卡车和其他重型车辆，这些尺寸可以根据其功率要求和/或尺寸限制而按比例放大。
图1C示出了电池收纳单元10的等距视图。转动支撑环31放置在轴承38之间，使得轴承从顶板12沿着轴线C的方向将环保持在固定距离处。第二接合元件35附接到支撑环31，使得支撑环31围绕中心轴线C的转动将导致第二接合元件相对于第一接合元件移动。为了驱动支撑环31转动，可以设置一个或多个致动器，这对于技术人员而言是显而易见的。图3示出了用于驱动环的转动的致动器的示例。
周向侧壁17从底板13朝向顶部12的底板16b延伸，并且周向外侧板15从底板16b延伸到顶板16a，使得当电池收纳单元的底部18附接到顶部12时，电池收纳单元10形成除了在电池收纳开口11处之外大致封闭的电池单元收纳空间。
图2A和图2B示出了图1B的电池更换系统的内侧视图的一部分的细节，其中电池单元的第一接合元件25与电池收纳单元的第二接合元件35的滚子36接合。在该示例中，第一接合元件25形成倾斜轨道，该倾斜轨道固定，例如焊接，到周向侧表面23的内表面。可替代地，例如可以通过切割和弯曲周向板的形成周向侧表面的部分而由周向侧表面23形成该倾斜轨道。轨道的部分29a、29b顺着沿着侧表面23的大致螺旋形的区段延伸，并且限定了从侧表面的上边缘22附近的第一平面P1中的起点26开始的路径，并且包括朝向第二平面P2中的下部终点27的倾斜部分29a、29b，第二平面P2平行于第一平面并且沿着中心轴线C的方向与第一平面间隔开。由轨道部分29a、29b限定的路径相对于与中心轴线C垂直的平面倾斜，如沿着路径的箭头S1所示。轨道还包括部分29c，该部分29c不相对于所述平面倾斜，而是以大致平行于与中心轴线C垂直的平面的方式延伸。尽管在图2A和图2B中，箭头S1仅指示了一条路径，但是从图1B中可以清楚地看出，图1B的电池更换系统包括由相应的轨道部分限定的另外五个这种路径。
示出第二接合元件35在轨道的部分29c的向下指向的表面上接合第一接合元件25，该部分29c大致垂直于中心轴线C延伸。第一接合元件和第二接合元件可以沿着由轨道限定的路径相对于彼此移动，以用于使引导的电池单元在未安装位置和安装位置之间移动。由于轨道的形状，当电池单元部分地布置在开口内时，在环转动时，接合元件25、35可以彼此接合。因此，即使电池的垂直于其底表面延伸的中心轴线未与电池收纳单元10的中心轴线C完全对准，环的转动也可以驱动第一接合元件和第二接合元件之间的相对移动，当环进一步转动时，两个中心轴线将大致彼此对准。
倾斜部分29a在从起点朝向终点的方向上以相对于平面P1呈大约11度的角度延伸，并且过渡到倾斜部分29b，该倾斜部分29b在朝向终点27的方向上以相对于所述平面P1呈大约5度的角度延伸，这可以在图2B中更清楚地见到。角度α、β均相对于所述平面P1小于25度，从而允许由电池单元20施加在第二接合元件35上的载荷主要由第一接合元件25支撑，并且导致对在提升和降低电池单元期间使第一接合元件25相对于第二接合元件35在与竖直轴线C垂直的方向上进行移动的最小的力的需求。通过限制第一接合元件25和第二接合元件35之间的摩擦，可以进一步改善这种对最小的力的需求。可以采用众所周知的减小摩擦的方法，并且该方法可以涉及在第一接合元件25和第二接合元件35的一个或两个接合表面上施加低摩擦塑料层。在所示的实施例中，通过使用滚子36实现了摩擦减小。
与随后的部分29b相比，包括倾斜路径的起点26的部分29a具有相对于平面P1的更大斜率并且具有更短长度。从倾斜路径的终点27延伸的轨道部分29c大致平行于平面P1。
与上边缘22的周长相比，图1B和图2所示的第一接合元件25的每个轨道的总长度是相对较短的，在本示例中小于该周长的六分之一。使用相对较短的轨道的优点在于，无需在电池单元上施加较大的角动量，就可以实现所需的电池单元的提升和锁定。
在图2A的配置中，第二接合元件的滚子36已经从起点26沿着倾斜路径的部分29a、29a移动到路径的终点27之外，从而电池单元将位于安装位置处。为了将电池单元大致固定在该安装位置处，环31设置有凹口32和锁定机构33，锁定机构33包括销，该销可选择性地移入和移出凹口32以分别将环的转动锁定和允许环的转动。为了将电池单元从所示的安装位置降低到未安装位置，可以操作锁定机构以将销移出凹口，随后驱动环31转动，以使滚子相对于轨道29a、29b、29c朝向起点26移动并且随后离开第一接合元件25。
图3示意性地示出了图1B的电池提升系统30与轴承38以及小齿轮39和齿条驱动器39a的组合。小齿轮和齿条驱动器包括位于环31上的带齿区段，以及连接到马达139(通常是步进马达)的主动齿轮39a，马达139用于驱动主动齿轮39a的转动并因此驱动环31的转动。第一接合元件25和第二接合元件35形成彼此接合的一对接合元件，如图2A中先前所示。这些多对第一接合元件25和第二接合元件35相对于电池单元20的周长均匀地间隔开，从而允许由于电池在接合对25、35上的重量而产生均匀的载荷分布。这种均匀的载荷分布增强了在将电池单元提升到安装位置期间，电池单元在电池收纳单元内部的自对准运动。此外，通过使用多个均匀间隔的轨道，增加了将电池单元定位在电池收纳单元下方以使得所述第二接合元件可以接合第一接合元件的机会，并且因此减少了在启动安装电池单元的提升运动之前所需的时间。最后，均匀间隔的支撑系统的使用增强了在车辆的行驶运动期间，电池单元20的在电池收纳单元内部的稳定性。
主动齿轮致动器39a可以被驱动以在第一方向上驱动转动环31的转动，以允许第二接合元件35在其各自的起点26处与第一接合元件25会合，第一接合元件和第二接合元件以这种方式形成对，一对中的第一接合元件和第二接合元件中的每个沿着由第一接合元件25的轨道的形状所决定的大致螺旋形的路径相对于彼此移动。当第一接合元件25和第二接合元件35在第一方向上相对于彼此沿该路径行进时，电池单元20从未安装位置被提升到安装位置。第一接合元件25的轨道的终点27与路径的端点和电池单元20的在电池收纳单元10内部的安装位置一致。当主动齿轮致动器39a被驱动以沿与第一方向相反的第二方向驱动转动锁定环31的转动时，多对第一接合元件和第二接合元件相对于彼此在相反的方向上移动，导致路径在相反的方向上行进，并且导致电池单元从安装位置被降低到未安装位置。
尽管未在图中示出，但是电池收纳单元可以在电池收纳单元的面对开口11的一个或多个内表面上包括传感器。可以设置这些传感器以确定第一接合元件25的接合点或起点26所位于的平面相对于第二接合元件35的接合点所位于的平面的位置，使得只有在这些平面对准时才能激活致动器。传感器可以通过利用电动车辆中的内部小型备用电池来独立于电池单元20被供电，该内部小型备用电池在安装电池单元时利用存储在其中的能量对其自身进行再充电。该相同的备用电池可以用于向电池提升系统30的一个或多个致动器供电。
尽管在前述附图所示的实施例中，第一接合元件和第二接合元件成形和布置为在将电池单元从未安装位置提升到安装位置或将电池单元从安装位置降低到未安装位置时沿着大致螺旋形的路径相对于彼此移动，并且开口和电池单元均具有大致圆形的轮廓，但是注意的是，对于实现本发明来说，两者都不是必需的。
图4A至图4C示意性地示出了带有相应的具有非圆形轮廓的开口的电池单元和电池收纳单元的底视图。为了清楚起见，电池单元的底板被示出为透明的，从而第一接合元件和支撑这些第一接合元件的结构是可见的。
图4A示出了带有具有非圆形椭圆形轮廓的底板21a的电池单元20a，以及具有壳体14a的电池收纳单元10a，在壳体14a中形成具有类似椭圆形轮廓的开口。圆柱形衬套422已经焊接到底板上，其中在衬套422的内表面上设置有呈倾斜轨道429的形式的第一接合元件，第一接合元件各自限定沿着大致螺旋形的区段的路径。在所示的底视图中，路径由箭头S7至S10指示。电池单元的提升和降低以与图1至图3中所示实施例大致相同的方式执行，即可以使用相同的支撑环、第二接合元件和致动器，但是由于电池单元安装在开口中所用的大致形状配合的方式，在这种提升或降低期间电池单元相对于壳体14a的转动被大致阻止。
在图4A中，第一接合元件相对于第二接合元件移动所沿的路径包括一段螺旋形的路径。相反，在图4B和图4C所示的实施例中，第一接合元件能够相对于第二接合元件移动以在安装位置和未安装位置之间提升或降低电池单元所沿的路径在与中心轴线C平行的平面中延伸。
图4B示出了带有具有八边形轮廓的底板21b的电池单元20b，并且形成了具有壳体14b的电池收纳单元10b，壳体14b带有具有类似八边形轮廓的开口。电池单元20b的第一接合元件由固定在电池单元的侧壁432的内表面上的倾斜轨道430形成。电池收纳单元10b设置有第二接合元件，每个第二接合元件连接到线性致动器，线性致动器用于驱动每个第二接合元件(例如图2A所示的滚子)相对于壳体14b在公共平面中的移动。当第二接合元件以这种方式被驱动时，第二接合元件可以接合轨道，并且第一接合元件相对于第二接合元件的进一步移动将使这些第一接合元件和第二接合元件沿着各自的倾斜路径相对于彼此进行移动，这在图4B的底视图中用箭头S11至S13表示，从而提升或降低电池单元。
图4C示出了带有具有三角形轮廓的底板21c的电池单元20c，以及具有壳体14的电池收纳单元10c，在壳体14中形成有具有类似三角形轮廓的开口。第一接合元件由倾斜轨道440形成，倾斜轨道440固定到电池单元的侧壁的内表面并限定由箭头S15至S17指示的倾斜路径。电池收纳单元设置有可线性移动的第二接合元件，例如包括滚子的第二接合元件，该第二接合元件能够在垂直于中心轴线延伸的公共平面中相对于壳体移动。当第二接合元件被驱动以在与轨道的倾斜部分接合的同时在该平面中移动时，第二接合元件中的每一个在平面中的进一步线性移动将导致第一接合元件和第二接合元件沿着相应的倾斜路径相对于彼此移动，以提升或降低电池单元。
图4D示出了电池单元20c的一部分的局部侧视图，还示出了呈气缸439的形式的线性致动器439，该线性致动器439布置成用于驱动第二接合元件35沿着由箭头S15指示的路径相对于第一接合元件440线性移动。
图5A至图5C示意性地示出了使用本发明的电池更换系统将电池单元20安装在安装于电动车辆100上的电池收纳单元10中的步骤。
在图5A和图5B中，电池单元20大致布置在电池收纳单元10的下方，并且处于使用车辆100外部的外部提升系统40待向上提升到电池收纳单元10的位置。在图5B中提供了当电池单元20通过外部提升系统的运动朝向电池收纳单元10提升时的电池单元20的详细视图，其中电池单元20的第一接合元件25和电池收纳单元10的第二接合元件35也可以被见到。外部提升系统40朝向电池收纳单元向上提升电池单元，直到穿过第一接合元件25的接合表面的平面与穿过第二接合元件35的滚子36的上部的平面对准。可以通过传感器(未示出)检测电池单元20相对于电池收纳单元的位置，该传感器位于电池收纳单元10的内表面上并且面对电池收纳开口且与所述外部提升系统40和/或电池收纳单元的使第二接合元件35相对于第一接合元件25移动的致动器通信。
一旦第一接合元件25和第二接合元件35的接合表面大致位于单个平面中，围绕环31的中心轴线C的转动运动使所述第一接合元件和第二接合元件沿着相关联的螺旋形路径相对于彼此移动，从而将电池单元20提升到电池收纳单元10内的最终的安装位置。在图5C所示的安装位置中，电池单元的周向侧板的顶部边缘抵靠密封件19a，该密封件19a附接到顶部的底板16b，确保没有水分或碎屑进入电池单元中。作为附加保护，在电池收纳单元的底部的下侧处设置辅助密封件(此处辅助密封件可显示为可膨胀密封件19b，但是可以代替地使用唇形密封件)，以防止泥土、砾石和其他异物进入并阻塞电池单元20和电池收纳单元的底部18之间的间隙。
当简单的电池提升系统被实施时，其中第一接合元件25固定地且稳定地安装在电池单元20上，并且第二接合元件35固定地且稳定地安装在电池收纳单元10上时，外部提升系统40可以用于驱动在第一接合元件和第二接合元件之间围绕中心轴线C的转动。然而，优选的是，电池收纳单元包括如图1至图4所示的电池单元提升系统，并且外部提升系统40适于向电池单元提供仅沿竖直轴线V的轴向提升运动，之后，电池单元提升系统驱动第一接合元件和第二接合元件相对于彼此转动，直到将电池单元提升离开外部提升系统并提升到安装位置。
为了将电池单元从安装位置移动到未安装位置，可以以相反的方向和顺序执行图5A至图5C所示的运动。
上面已经参照附图中所示的多个示例性实施例描述了本发明。一些部件或元件的修改和替代实施是可能的，并且被包括在所附权利要求书限定的保护范围内。

Claims (19)

1.一种用于电动车辆(100)的电池更换系统(1)，包括：
电池单元(20)，所述电池单元(20)包括底表面(21)、顶表面(22)以及在所述底表面(21)和所述顶表面(22)之间延伸的周向侧表面(23)；
电池收纳单元(10)，所述电池收纳单元(10)适于固定在电动车辆的下侧(101)处或下侧(101)附近，并且包括壳体(14)，所述壳体具有位于所述壳体(14)的底侧处的开口(11)，以用于通过所述开口将所述电池单元(20)至少部分地收纳在所述壳体中，其中，所述电池收纳单元具有延伸穿过所述开口的中心轴线(C)；
其中，所述电池收纳单元(10)适于允许所述电池单元(20)沿着所述中心轴线(C)在位于所述电池收纳单元下方的未安装位置和至少部分地位于所述电池收纳单元内的安装位置之间移动，
其特征在于，所述电池单元(20)包括第一接合元件(25)并且所述电池收纳单元(10)包括第二接合元件(35)，所述第一接合元件和所述第二接合元件中的每个都适于在沿着相关联的倾斜路径(S1；S7至SI0；S11至S14；S15至S17)相对于彼此移动的同时彼此接合，以便将所述电池单元(20)从所述未安装位置提升到所述安装位置或将所述电池单元从所述安装位置降低到所述未安装位置，其中，所述相关联的倾斜路径相对于与所述中心轴线(C)垂直的平面倾斜，其中，所述相关联的倾斜路径(S1；S7至S10)中的每个都形成为一段螺旋形的路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第二接合元件(35)适于在与所述中心轴线垂直的公共平面内相对于所述壳体(14)移动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述倾斜路径(S1；S7至S10；S11至S14；S15至S17)中的与所述第一接合元件(25)中的一个和所述第二接合元件(35)中的一个相关联的每个倾斜路径与和所述第一接合元件中的另一个以及所述第二接合元件中的另一个相关联的其他倾斜路径间隔开，所述倾斜路径中的每个倾斜路径都包括起点(26)和终点(27)，其中，所述倾斜路径的所述起点(26)位于第一公共平面(P1)中，并且所述倾斜路径的所述终点(27)位于第二公共平面(P2)中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，
在所述第一公共平面(P1)和所述第二公共平面(P2)之间延伸的每个路径(S1；S7至S10；S11至S14；S15至S17)的斜坡沿着所述第一公共平面和所述第二公共平面(P2)之间的该路径的整个长度相对于所述第一公共平面(P1)具有小于25度的正梯度。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，
所述第一接合元件(25)和所述第二接合元件(35)形成用于彼此接合的成对的第一接合元件和第二接合元件，其中，在每一对第一接合元件和第二接合元件中，所述第一接合元件和所述第二接合元件中的一个接合元件包括适于在所述电池单元(10)在所述安装位置和所述未安装位置之间移动期间与该对第一接合元件和第二接合元件中的另一个接合元件接合的部分，其中，所述部分相对于所述第一公共平面(P1)和所述第二公共平面(P2)倾斜。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，
所述倾斜路径中的每个的梯度都沿着所述倾斜路径从所述起点朝向所述终点变化并单调地减小。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一接合元件(25)和所述第二接合元件(35)适于在沿所述倾斜路径相对于彼此移动的同时彼此接合，以在所述未安装位置和所述安装位置之间提升或降低所述电池单元(20)，使得所述电池单元沿着所述中心轴线(C)以平移的运动提升或降低，在该平移的运动期间，所述电池单元(20)在与所述中心轴线(C)垂直的平面内围绕所述中心轴线转动不超过10度。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述电池收纳单元(10)包括至少三个第二接合元件(35)，当在与所述中心轴线(C)垂直的所述平面上的投影中观察时，所述至少三个第二接合元件(35)在周向上彼此间隔开。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述电池收纳单元(10)还包括一个或多个致动器(39b)，所述一个或多个致动器用于使所述第一接合元件(25)和所述第二接合元件(35)沿其相关联的路径相对于彼此移动，从而将所述电池单元(20)从所述未安装位置提升到所述安装位置或者将所述电池单元从所述安装位置降低到所述未安装位置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，
当在与所述中心轴线垂直的所述平面上的投影中观察时，所述路径中的每个路径具有小于所述周向侧表面的周向长度的六分之一的长度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述开口(11)具有与所述电池单元(10)的所述周向侧表面的形状匹配的非圆形形状。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一接合元件(25)和所述第二接合元件(35)形成用于彼此接合的成对的第一接合元件和第二接合元件，其中，在每一对第一接合元件和第二接合元件中，所述第一接合元件和所述第二接合元件中的一个接合元件包括一个或多个滚子(36)，所述一个或多个滚子用于在所述电池单元(10)在所述安装位置和所述未安装位置之间移动期间与该对第一接合元件和第二接合元件中的另一个接合元件滚动接合。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述电池收纳单元(20)包括支撑环(31)，所述支撑环(31)能够围绕所述电池收纳单元的所述中心轴线(C)相对于所述壳体(14)转动，其中，所述第二接合元件(35)安装在所述支撑环(31)上。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，
所述电池收纳单元(20)还包括用于在所述电池单元位于所述安装位置时将所述电池单元(20)锁定在适当的位置处的机械锁定机构(31，32，33)，其中，所述支撑环设置有带齿区段，所述带齿区段形成所述机械锁定机构的一部分，所述机械锁定机构还包括布置成与所述带齿区段接合的小齿轮或蜗杆。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，
当在与所述电池单元的延伸穿过所述顶表面和所述底表面的中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，所述电池单元的所述周向侧表面具有非圆形的外部轮廓。
16.一种电动车辆，所述电动车辆包括电池收纳单元，所述电池收纳单元用于将电池单元(20)至少部分地收纳在所述电池收纳单元中，所述电池单元(20)设置有第一接合元件(25)，其中，所述电池收纳单元固定在所述电动车辆的下侧(101)处或下侧(101)附近并且包括壳体(14)，所述壳体具有位于所述壳体的底侧的开口(11)，以用于通过所述开口将所述电池单元(20)至少部分地收纳在所述壳体中，其中，所述电池收纳单元具有延伸穿过所述开口的中心轴线(C)；
其特征在于，所述电池收纳单元(10)包括第二接合元件(35)，所述第二接合元件中的每个都适于在接合所述电池单元的第一接合元件的同时，沿着与所述中心轴线垂直的公共平面相对于所述壳体移动且沿着相关联的倾斜路径(S1；S7至S10；S11至S14；S15至S17)相对于所述第一接合元件移动，以将所述电池单元(20)从未安装位置提升到安装位置或将所述电池单元从所述安装位置降低到所述未安装位置，其中，所述相关联的倾斜路径相对于与所述中心轴线(C)垂直的平面倾斜，其中，所述相关联的倾斜路径(S1；S7至S10)中的每个都形成为一段螺旋形的路径。
17.根据权利要求16所述的车辆，其中，
所述电池收纳单元(10)还包括一个或多个致动器(39b；439)，所述一个或多个致动器用于驱动所述第二接合元件(25，35)沿着其相关联的路径相对于相应的第一接合元件移动且相对于所述壳体移动。
18.一种用于电动车辆的电池更换方法，所述电动车辆包括电池收纳单元，所述电池收纳单元固定在所述车辆的底侧处并且包括壳体，所述壳体具有位于所述壳体的底侧的开口，以用于通过所述开口将电池单元至少部分地收纳在所述壳体中，其中，所述电池收纳单元具有延伸穿过所述开口的中心轴线，并且所述电池收纳单元进一步设置有布置在所述壳体内的第二接合元件，所述方法包括：
i)将电池单元放置在所述壳体的所述开口下方，使得在与所述中心轴线垂直的平面上的投影中观察时，所述电池单元与所述开口完全重叠，所述电池单元包括用于与所述第二接合元件接合的第一接合元件，
ii)使用所述电动车辆外部的提升装置，将所述电池单元朝向所述开口提升到未安装位置；以及
iii)移动所述第二接合元件中的每个以与所述第一接合元件中的相应一个接合，并且随后驱动所述第一接合元件和所述第二接合元件中的每一接合元件沿着相关联的倾斜路径相对于彼此进一步移动，以将所述电池单元从所述未安装位置提升到安装位置，其中，所述相关联的倾斜路径中的每个都相对于与所述中心轴线垂直的平面倾斜，所述相关联的倾斜路径(S1；S7至S10)中的每个都形成为一段螺旋形的路径。
19.根据权利要求18所述的电池更换方法，其中，
所述电池收纳单元包括支撑环，所述支撑环能够相对于所述壳体围绕所述电池收纳单元的所述中心轴线转动，其中，所述第二接合元件安装在所述支撑环上，并且步骤iii)包括驱动所述支撑环围绕所述中心轴线转动，以使所述第一接合元件和所述第二接合元件彼此接合，并驱动所述第一接合元件和所述第二接合元件沿着所述相关联的倾斜路径的所述进一步移动。
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