CN113879171A - 一种快速自动化换电系统及电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自动化换电系统及电动汽车，包括：车身托架、电池包托架、夹持机构和机器人；所述的车身托架包括：平行四边形框架主体，其中一组相对的框架上部设置所述夹持机构，用于夹紧车身，另一组相对的框架下部设置机器人；所述的电池包托架包括：X型框架主体，框架主体的自由端设置所述夹持机构，用于夹紧电池包，框架主体的中心下部设置机器人，所述的X型框架主体至于平行四边形框架主体的内侧；所述的机器人用于带动车身托架和电池包托架上下运动。本发明简化换电系统机械结构，降低制造成本与运维成本，且换电全过程自动化完成，提升换电效率。

Description

一种快速自动化换电系统及电动汽车

技术领域

本发明公开了一种快速自动化换电系统及电动汽车，涉及新能源汽车技术领域。

背景技术

当前电动汽车及动力电池技术快速发展，电动汽车销量和保有量都在稳步增加。虽然动力电池及充电技术的快速发展，已经能在大约半小时内充满80%的电量，但这与传统燃油车加油时间还是存在相当明显的差距。当下极力推崇的快充技术，会对动力电池本身产生不可逆的损伤——影响其使用寿命，并且与之配套的大功率、大电流充电桩也是安全隐患之一。

相比于当前的充电技术，一种支持电池包更换的电动汽车（采用换电技术方案），也逐渐实现商业化推广，换电技术则存在以下显著优势：换电时间能够做到很短，甚至比传统汽车加油过程更快；换电过程能够做到全程自动化，使用体验更佳；换电技术与电池租赁业务相辅相成，而后者能够有效避免未来数年内因电池技术快速更新换代而对现有用户带来的资产损失；能够很方便对电池进行定期检查和维护，回收报废电池也更容易；电池快充技术应用于特定区域，风险得以集中管控；避免了大量大功率、高风险、高成本的超级快充充电桩的安装和维护，总体上更节约资源；电池充电时间段与电动汽车使用时间段相互独立，使用更自由、适用场景更广泛，可以白天低功率慢充、夜间高功率快充，与电网供电功率曲线进行最佳匹配。

现有换电技术方案，换电过程繁琐，需要将车停放至狭小空间内，甚至需要专人服务；换电耗时相对较长，明显超过传统汽车加油时间；换电过程中乘客必须下车，换电过程体验差；一个换电中心只能满足同品牌、同平台的电动汽车，柔性化程度低，适用范围非常有限；换电系统机械装置十分复杂，制造成本、可靠性、耐久性、可维护性都不佳；运维成本也明显偏高。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种快速自动化换电系统及电动汽车，增加柔性化与通用性，简化机械结构，提升可靠性和耐久性，降低制造成本与运维成本，提升换电效率,改善换电过程人机体验。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种快速自动化换电系统,包括：车身托架、电池包托架、夹持机构和机器人；所述的车身托架包括：平行四边形框架主体，其中一组相对的框架上部设置所述夹持机构，用于夹紧车身，另一组相对的框架下部设置机器人；机器人采用当下技术成熟并已经大规模应用的工业机器人，用于控制车身托架、电池包托架的上升、下降以及前后左右移动。

所述的电池包托架包括：X型框架主体，框架主体的自由端设置所述夹持机构，用于夹紧电池包，框架主体的中心下部设置机器人，所述的X型框架主体至于平行四边形框架主体的内侧；

所述的机器人用于带动车身托架和电池包托架上下运动。

进一步的，所述的夹持机构包括：壳体、导向杆、托举垫块、复位弹簧和旋转锁块；所述的壳体内部设置有约束导向杆上下运动的导向槽，

所述壳体为夹持机构各部件安装的基体，由两块对称的结构组成，通过螺栓连接紧固为一体；

所述导向杆在壳体导向槽约束下做上下运动，在抓取电池包壳体或汽车车身时，其上端将插入电池包壳体或车身底板对应的导向孔中；

所述托举垫块与导向杆刚性连接在一起，夹持机构工作时，托举垫块将紧贴电池包壳体或车身底板底面，以此托起车身或电池包；

所述复位弹簧在夹持机构与电池包壳体或车身底板分离过程中，推动托举垫块及导向杆向上运动，进而产生一系列的联动，最终让夹持机构回到“释放”状态。

所述的导向杆由上至下依次包括：导向段、过渡段、驱动段和锁止段；所述的导向段连接托举垫块，所述的过渡段同轴连接复位弹簧，所述的驱动段连接锥形凸台，所述的锁止段连接约束导向杆上下运动的锁止机构；

所述壳体内设与导向槽同轴设置的弹簧安装槽，所述复位弹簧设置于弹簧安装槽内，且复位弹簧上端连接于托举垫块，下端连接于弹簧安装槽底部；

复位弹簧主要的作用是：当锁止销被推出锁止孔后，推动导向杆向上移动，导向杆锥形凸台与旋转锁块脱离接触，进而让出一定空间允许旋转锁块旋转，最终实现夹持机构对车身底板或电池包的“释放”。此外复位弹簧还能够吸收冲击、缓解振动，让夹持过程更加平缓、安静，确保换电过程的舒适性。

所述的旋转锁块对称设置于导向杆的两侧，其上部伸出壳体外侧、中部转动连接于壳体中，下部与驱动段的锥形凸台连接，且下部呈内凹圆弧形设计——与锥形凸台匹配；

所述的壳体内部设有匹配锥形凸台上下运动的柱形导槽，且导槽底部设置锥形面，所述的锥形凸台包括圆台和锥体，圆台与柱形导槽相适配，锥体与锥形面相适配，导向杆自上向下运动时，带动旋转锁块上部向内侧锁紧位置转动，旋转锁块下部从锥体侧移动至圆台侧，导向杆自下向上复位时，托举垫块将拨动旋转锁块上部向外侧释放位置转动，且旋转锁块下部从圆台侧移动至锥体侧。

所述旋转锁块在夹持机构工作时，其上部将伸入电池包壳体或车身底板对应的锁止槽中，并与锁止面紧紧贴合，实对电池包或车身的抓取和夹持；旋转锁块下部与导向杆锥形凸台表面贴合，实现联动作用；旋转锁块自带转动销轴和圆弧面，以旋转形式与壳体铰接在一起。

所述旋转锁块、导向杆、托举垫块实现运动耦合；在无需额外动力源及电子传感器的情况下，能够实现对车身或电池包的抓取夹持；旋转锁块的锁紧及夹持力的维持主要靠导向杆上的锥形凸台。

进一步的，所述的锁止机构包括：锁止销、锁止弹簧、调节块、解锁驱动装置和解锁推杆；

所述的锁止段包括：锁止孔和避让槽，所述的避让槽设置于锁止孔的下侧且与锁止孔连通，

所述的锁止销在壳体对应的滑槽中横向运动，锁止销的一端连接在锁止弹簧的一端，锁止弹簧的另一端连接调节块；当导向杆自上而下运动到“锁止”位置时，锁止销在锁止弹簧驱动下插入锁止孔中，限制住导向杆的上下运动；

所述锁止弹簧与锁止销共处一个滑槽中，一直处于压缩状态，在导向杆处于“锁止”位置时，推动锁止销插入导向杆锁止孔中，所述调节块与锁止弹簧也共处一个滑槽中，实现对锁止弹簧另一端的约束；所述的调节块的另一侧设置调节螺钉，配合调节块，实现对锁止弹簧压缩量或弹力大小的调节。

所述的解锁推杆前端与锁止销接触，后端与解锁驱动装置连接；解锁推杆在解锁驱动装置驱动下横向移动，进而推动锁止销退出锁止孔，实现解锁。

推动锁止销只需要克服其与导向杆锁止孔之间的摩擦力，该摩擦力较小，既助于使用体积较小的电气驱动装置，也增加了机构的可靠性和耐久性。

所述的解锁驱动装置提供驱动力，推动锁止销的横向移动，解锁导向杆的上下运动；所述解锁驱动装置可以是电机加螺杆，可以是电磁铁，可以是气动缸或液压缸。

所述的解锁推杆的前端与锁止销接触，后端与解锁驱动装置连接；在驱动装置驱动下横向移动，进而推动锁止销退出导向杆锁止孔，实现解锁；导向杆锁止孔下部有一段避让槽，解锁推杆能够在槽中上下滑动，最终让导向杆一直处于“解锁”状态，直到解锁推杆退出避让槽且锁止销重新插入锁止孔。

进一步的，所述的车身托架包括：横梁、纵梁、连杆、第一法兰支架和第一铰接支架；两对所述的横梁和纵梁构成平行四边形框架主体，相邻的横梁与纵梁之间连接第一铰接支架，且始终垂直设置，所述的横梁下方连接机器人，所述横梁与机器人之间采用第一法兰支架连接，所述的纵梁上方连接第一夹持支架，所述的第一夹持支架用于连接夹持机构，巧妙的平行四边形机构，充分利用两台机器人来实现车身托架形状和尺寸的调节变化。

平行四边形框架主体可分布于车身托架的四角，通过改变前后横梁的间距可以调节左右纵梁的间距，从而改变车身托架的形状和尺寸以适配不同的车型。

进一步的，每个所述的纵梁上设置两个第一夹持支架，所述的纵梁的中部设置驱动机构，梁的两侧设置导轨，所述的第一夹持支架滑动连接于导轨上，所述的驱动机构为两侧第一夹持支架滑动提供动力。

驱动机构可以为电推杆，夹持支架在电推驱动下沿导轨前后移动，增加该车身托架的柔性化与通用性；确保车身托架车身夹持机构的左右、前后间距能够独立调节。

进一步的，所述的电池包托架包括：第二法兰支架、连杆调节架、第二铰接支架和第二夹持支架；所述的第二法兰支架和四个连杆调节架组成X型框架主体；所述第二法兰支架的下部连接机器人，所述的第二法兰支架的四个角分别铰接一组连杆调节架，所述的连杆调节架的自由端铰接第二夹持支架，所述的第二夹持支架用于连接夹持机构。

进一步的，所述的连杆调节架包括：第一调节架和第二调节架，

第一调节架和第二调节架相平行设置，第一调节架和第二调节架两端分别铰接于第二夹持支架和第二法兰支架；

所述第一调节架包括：第一连杆和第二连杆；所述的第一连杆和第二连杆呈上下相平行设置，第一连杆和第二连杆两端均通过第一铰接件铰接，两端的第一铰接件通过第二铰接件分别铰接于第二夹持支架和第二法兰支架，且第一铰接件通过第二铰接件的铰接方向相垂直；

所述第二调节架包括：第三连杆和第四连杆；所述的第三连杆和第四连杆呈上下相平行设置，第三连杆和第四连杆两端均通过第三铰接件铰接，两端的第三铰接件通过第四铰接件分别铰接于第二夹持支架和第二法兰支架，且第三铰接件通过第四铰接件的铰接方向相垂直。

所述的第一铰接件和第三铰接件为轴线为水平方向的转轴；所述的第二铰接件和第四铰接件为轴线为竖直方向的转轴；

当连杆调节架绕轴线水平方向转轴旋转时，可同时改变第二夹持支架的横向间距和纵向间距，当“连杆调节架绕竖直方向转轴旋转时，可主要改变第二夹持支架的横向间距。

第一调节架与第二调节架自身的平行四边形结构运动是同步的，所起到的作用也是相同的，即确保电池包托架变形调节的过程中，第二夹持支架竖直方向始终与法兰支架的竖直方向平行；第一调节架与第二调节架之间的平行四边形结构，其作用是确保第二夹持支架纵向方向始终与法兰支架的纵向方向平行。因此，第一调节架与第二调节架的平行四边形多连杆机构的约束后，当电池包托架变形调节前后，安装于第二夹持支架上的电池包夹持机构始终保持竖直朝上，确保电池包夹持机构能顺利进入电池包的专用接口（导向孔和锁止槽）中。

进一步的，所述的第一调节架和第二调节架之间以及第一调节架和第二调节架自身分别设置约束支架，所述的约束支架为刚性约束支架或调节性约束支架其中的一种；

所述的刚性约束支架包括：第一U型架和第二U型架，所述的第一U型架的一侧设置横向腰型槽，所述的另一侧设置竖向腰型槽；所述的第一调节架和第二调节架之间通过第一U型架连接，所述的第一调节架和第二调节架内侧分别通过横向腰型槽连接一个第一U型架，第一U型架之间的竖向腰型槽通过螺栓连接。

对于采用标准化换电方案的电动汽车的电池包，其外形尺寸规格是统一的，在确定好电池包尺寸规格后，用于夹持机构的导向孔和锁止槽的布置位置也就确定了；电池包托架可以根据上述信息，调节平行四边形多连杆机构的夹角，把夹持支架调节到所需要的位置，通过第一U型架和第二U型架对平行四边形机构进行约束固定。

所述的调节性约束支架包括：电推杆；所述第一调节架和第二调节架之间设置至少一组相互平行的电推杆；所述的第一连杆和第二连杆之间与第三连杆和第四连杆设置至少一组相互平行的电推杆。

当不同品牌不同车型的电池包采用不同外形尺寸规格时，不能实现电池包规格的统一，则需要平行四边形多连杆机构能够实时调节，改变电池包夹持机构的相对间距，从而适应不同外形尺寸规格的电池包，通过电控系统调节电推杆的伸缩长度，可以改变连杆之间的间距，实现平行四边形多连杆机构的夹角调节和锁定。若需要提供更大的推力和自锁力，一组平行四边形多连杆机构上可以布置多根电推杆，电推杆两端通过螺栓铰接在平行四边形机构的连杆上。

一种电动汽车，运用于上述快速自动化换电系统，包括：车身底板和电池包，所述的电池包连接于车身底板下侧，所述的车身底板和电池包表面上设置用于夹持机构伸入的接口，所述的接口包括：被夹持部，所述的被夹持部的中心设置导向孔，所述被夹持部的两侧开设锁止槽，夹持机构工作时，其导向杆伸入导向孔中，旋转锁块上部伸入对应的锁止槽中，并与被夹持部两侧的锁止面紧紧贴合，实对电池包或车身的抓取和夹持。

有益效果：

1.本发明提出了一种快速更换电动汽车动力电池的技术方案，最大程度简化换电过程、缩短换电，进而提升换电效率。

2.本发明提出了一种电动汽车电池包布置方案、电池包抓取及夹持接口方案，以实现电池包壳体的标准化，进而实现换电装置的标准化接口。

3.本发明提出了一种电动汽车车身底板抓取及夹持接口方案，以实现车身底板的标准化，进而实现换电装置的标准化接。

4.本发明设计了一套夹持机构，用以抓取和夹持车身底板和电池包壳体；抓取与释放过程简单迅速；结构简单、部件少、可靠性高、耐久性好、制造成本低、维护成本低。

5.本发明设计了一套车身托架，在换电过程中稳定车身底板，确保换电过程的精准性和安全性，改善换电过程中车内乘客的乘坐舒适性；具备柔性调节能力，通过前后两台托举机器人的协同工作，自由改变纵向尺寸与横向尺寸，从而适应不同车型、不同尺寸的电动汽车底板；结构简单、部件少、可靠性高、制造成本低、耐久性好、维护成本低。

6.本发明设计了一套电池包托架，用以抓取、夹持和转移电池包；具备柔性调节能力，通过刚性约束方案或电推杆调节方案，可以改变托架机械臂纵向间距与横向间距，从而适应不同尺寸规格的电池包；大量采用规格和尺寸统一的零件，一定程度上降低了制造成本与维护成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明夹持机构结构示意图；

图3为本发明夹持机构内部三维图；

图4为本发明夹持机构工作原理与工作过程图；

图5为本发明车身托架结构示意图；

图6为本发明车身托架（局部）结构示意图；

图7为本发明车身托架夹持支架左右间距调节示意图；

图8为本发明电池包托架结构示意图；

图9为本发明电池包托架（局部）结构示意图；

图10为本发明电池包托架夹持支架间距调节示意图；

图11为本发明电池包托架（局部、刚性约束支架）结构示意图；

图12为本发明池包托架铰接结构示意图；

图13为本发明U型支架结构意图；

图14为本发明电池包托架（局部、第一U型架）结构示意图；

图15为本发明第一U型架螺栓连接结构示意图；

图16为本发明电池包托架（局部、第二U型架）结构示意图；

图17为本发明第二U型架螺栓连接结构示意图；

图18为本发明电池包托架（局部、调节性约束支架）结构示意图；

图19为本发明车辆停靠与换电系统初始位置示意图；

图20为本发明车身托架夹持车身状态示意图；

图21为本发明电池包托架夹持电池包状态示意图；

图22为本发明电池包托架夹持取出电池包状态示意图；

图23为本发明电池包托架转移电池包状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示的一种实施例：一种快速自动化换电系统,包括：车身托架1、电池包托架2、夹持机构3和机器人6；所述的车身托架1包括：平行四边形框架主体，其中一组相对的框架上部设置所述夹持机构3，用于夹紧车身底板5，另一组相对的框架下部设置机器人6；

所述的电池包托架2包括：X型框架主体，框架主体的自由端设置所述夹持机构3，用于夹紧电池包4，框架主体的中心下部设置机器人6，所述的X型框架主体至于平行四边形框架主体的内侧；

所述的机器人用于带动车身托架1和电池包托架2上下运动。

如图2~3所示，所述的夹持机构3包括：壳体30、导向杆31、托举垫块32、复位弹簧33和旋转锁块34；所述的壳体30内部设置有约束导向杆31上下运动的导向槽，壳体30是该夹持机构3各部件安装的基体，由两块对称的结构组成，通过螺栓连接紧固为一体。

所述的导向杆31由上至下依次包括：导向段311、过渡段312、驱动段和锁止段313；所述的外部段连接托举垫块32，所述的过渡段312同轴连接复位弹簧33，所述的驱动段连接锥形凸台，所述的锁止段313连接约束导向杆31上下运动的锁止机构；

所述壳体30内设与导向槽同轴设置的弹簧安装槽，所述复位弹簧33设置于弹簧安装槽内，且复位弹簧33上端连接于托举垫块32，下端连接于弹簧安装槽底部；

所述的旋转锁块34对称设置于导向杆31的两侧，其上部伸出壳体30外侧、中部转动连接于壳体30中，下部与驱动段的锥形凸台连接，且下部呈内凹圆弧形设计；

所述的壳体30内部设有匹配锥形凸台上下运动的柱形导槽，且导槽底部设置锥形面，所述的锥形凸台包括圆台和锥体，圆台与柱形导槽相适配，锥体与锥形面相适配，导向杆31自上向下运动时，锥形凸台由上至下运动，旋转锁块34下部从锥形凸台的锥体侧移动至圆台侧，带动旋转锁块34上部向内侧锁紧位置转动，导向杆31自下向上复位时，锥形凸台由下至上运动，旋转锁块34下部从锥形凸台的圆台侧移动至锥体侧，同时托举垫块32将拨动旋转锁块34上部向外侧释放位置转动。

所述的锁止机构包括：锁止销35、锁止弹簧36、调节块37、解锁驱动装置38和解锁推杆39；

所述的锁止段313包括：锁止孔3131和避让槽3132，所述的避让槽3132设置于锁止孔3131的下侧且与锁止孔3131连通，

所述的锁止销35在壳体30对应的滑槽中横向运动，锁止销35的一端连接在锁止弹簧36的一端，锁止弹簧36的另一端连接调节块37；当导向杆31自上而下运动到“锁止”位置时，锁止销35在锁止弹簧36驱动下插入锁止孔3131中，限制住导向杆31的上下运动；

所述的解锁推杆39前端与锁止销35接触，后端与解锁驱动装置38连接；解锁推杆39在解锁驱动装置38驱动下可横向移动，进而推动锁止销35退出锁止孔3131，实现解锁。

如图4所示：解锁驱动装置38开始工作，将解锁推杆39从导向杆31下部的避让槽3132里拔出，此时锁止销35在锁止弹簧36推动下顶在导向杆31的侧壁上；夹持机构3在车身托架1带动下向上移动，导向杆31上部被插入车身底板5对应的导向孔52中，旋转锁块34也逐渐进入车身底板5对应的锁止槽51中；

夹持机构3进一步上升移动，托举垫块32接触车身底板5，之后托举垫块32连同导向杆31相对车身保持静止，而相对夹持机构3壳体30则整体往下移动，复位弹簧33被压缩，同时导向杆31锥形凸台锥体侧拨动旋转锁块34旋转；

再随着夹持机构3进一步上升移动，当壳体30上端面会触碰到举升垫块下端面时，复位弹簧33处于最大压缩状态，导向杆31下部锁止孔3131与锁止销35轴线对齐，锁止销35在锁止弹簧36推动下进入导向杆31锁止孔3131——直到前端触碰到解锁推杆39的顶端，旋转锁块34夹持面与车身底板5锁止槽51锁止面紧贴；停止车身托架1的进一步举升动作，夹持机构3完成对车身底板5的抓取和夹持；待完成预定工作后需要夹持机构3释放车身时，同样先启动解锁驱动装置38，通过解锁推杆39将锁止销35推出导向杆31锁止孔3131，之后的过程与上述步骤相反。

本申请在释放车身的过程中，导向杆31相对壳体30向上移动，锥形凸台也相对壳体30向上移动，从而逐步释放一定的空间，允许旋转锁块34绕中部转动销轴旋转一定的角度；而旋转锁块34旋转后，其上部夹持面与车身底板5锁止槽51锁止面逐渐分离，实现了对车身底板5的“释放”；当夹持机构3与车身底板5完全分离后，导向杆31在复位弹簧33推动下移动到相对壳体30的最高位置，其下部避让槽3132底部与解锁推杆39接触——解锁推杆39限制了导向杆31的进一步上移；托举垫块32的圆盘面也处于相对壳体30的最高位置，并限制了旋转锁块34的旋转运动，避免其由“释放”状态旋转到“锁紧”状态，也确保了下一次夹持作业时能顺利进入车身底板5的锁止槽51中。

如图5~7所示，所述的车身托架1包括：横梁11、纵梁12、连杆13、第一铰接支架14和第一法兰支架15；两对所述的横梁11和纵梁12构成平行四边形框架主体，相邻的横梁11与纵梁12之间连接连杆13，连杆13两端均通过第一铰接支架14同横梁11、纵梁12铰接，且保证横梁11与纵梁12之间始终垂直设置，所述的横梁11下方连接机器人6，所述横梁11与机器人6之间采用第一法兰支架15连接，所述的纵梁12上方连接第一夹持支架16，所述的第一夹持支架16用于连接夹持机构3，巧妙的平行四边形机构，充分利用两台机器人6来实现车身托架1形状和尺寸的调节变化；在两台机器人6的带动下，前后第一法兰支架15与横梁11具有上下、前后、左右与旋转多个空间自由度；同时让车身托架1适配了更多型号的电动汽车，省去了专用驱动装置，进一步降低了成本、增加了可靠性。

平行四边形框架主体可分布于车身托架1的四角，通过改变前后横梁11的间距调节左右纵梁12的间距，从而改变车身托架1的形状和尺寸以适配不同的车型。

每个所述的纵梁12上设置两个第一夹持支架16，所述的纵梁12的中部设置驱动机构18，纵梁的两侧设置导轨17，所述的第一夹持支架16滑动连接于导轨17上，所述的驱动机构18为两侧第一夹持支架16滑动提供动力。

驱动机构18可以为电推杆，第一夹持支架16在电推驱动下沿导轨17前后移动，增加该车身托架1的柔性化与通用性；确保车身托架1车身夹持机构3的左右、前后间距能够独立调节。

换电过程中，当大质量的电池包4被卸下后，车身会因悬架弹性势能的释放而向上抬升，这一方面会改变车身的相对位置，影响后续换电作业，另一方面也会影响车厢内部乘坐舒适性；而车身托架1的应用，提供夹持力进行位置限定，可以完美解决上述问题。

如图8~11所示，所述的电池包托架2包括：第二法兰支架21、连杆调节架22、第二铰接支架23和第二夹持支架24；所述的第二法兰支架21和四个连杆调节架22组成X型框架主体；所述第二法兰支架21的下部连接机器人6，所述的第二法兰支架21的四个角分别通过第二铰接支架23铰接一组连杆调节架22，所述的连杆调节架22的自由端通过第二铰接支架23铰接第二夹持支架24，所述的第二夹持支架24用于连接夹持机构3。

所述的连杆调节架22包括：第一调节架221和第二调节架222，第一调节架221和第二调节架222组成平行四边形多连杆机构；

第一调节架221和第二调节架222相平行设置，第一调节架221和第二调节架222两端分别铰接于第二夹持支架24和第二法兰支架21；

所述第一调节架221包括：第一连杆2211和第二连杆2212；所述的第一连杆2211和第二连杆2212呈上下相平行设置，第一连杆2211和第二连杆2212两端均通过第一铰接件223铰接，两端的第一铰接件223通过第二铰接件224分别铰接于第二夹持支架24和第二法兰支架21，且第一铰接件223通过第二铰接件224的铰接方向相垂直；

所述第二调节架222包括：第三连杆2221和第四连杆2222；所述的第三连杆2221和第四连杆2222呈上下相平行设置，第三连杆2221和第四连杆2222两端均通过第三铰接件225铰接，两端的第三铰接件225通过第四铰接226件分别铰接于第二夹持支架24和第二法兰支架21，且第三铰接件225通过第四铰接件226的铰接方向相垂直。如图12所示，所述的第一铰接件223和第三铰接件225为轴线为水平方向的转轴；所述的第二铰接件224和第四铰接件为轴线为竖直方向的转轴；

当连杆调节架22绕轴线水平方向转轴旋转时，可同时改变夹持支架16的横向间距和纵向间距，当“连杆调节架22绕竖直方向转轴旋转时，可主要改变夹持支架16的横向间距。

第一调节架221与第二调节架222自身的平行四边形结构运动是同步的，所起到的作用也是相同的，即确保电池包托架2变形调节的过程中，夹持支架16竖直方向始终与第二法兰支架21的竖直方向平行；第一调节架221与第二调节架222之间的平行四边形结构，其作用是确保第二夹持支架24纵向方向始终与第二法兰支架21的纵向方向平行。因此，第一调节架221与第二调节架222的平行四边形多连杆机构的约束后，当电池包托架2变形调节前后，安装于第二夹持支架24上的电池包4夹持机构3始终保持竖直朝上，确保电池包4夹持机构3能顺利进入电池包4的专用接口（导向孔52和锁止槽51）中。

所述的第一调节架221和第二调节架222之间以及第一调节架221和第二调节架222自身分别设置约束支架，所述的约束支架包括：刚性约束支架227和调节性约束支架228。

如图13~15所示，所述的刚性约束支架227包括：第一U型架2271和第二U型架2272，所述的第一U型架2271的一侧设置横向腰型槽，所述的另一侧设置竖向腰型槽；所述的第一调节架221和第二调节架222之间通过第一U型架2271连接，所述的第一调节架221和第二调节架222内侧分别通过横向腰型槽连接一个第一U型架2271，第一U型架2271之间的竖向腰型槽通过螺栓连接。

对于采用标准化换电方案的电动汽车的电池包4，其外形尺寸规格是统一的，在确定好电池包4尺寸规格后，用于夹持机构3的导向孔52和锁止槽51的布置位置也就确定了；电池包托架2可以根据上述信息，调节平行四边形多连杆机构的夹角，把夹持支架16调节到所需要的位置，通过第一U型架2271和第二U型架2272对平行四边形机构进行约束固定。

第一U型架2271或第二U型架2272自身中，上下连杆13不同间距对应了连杆13与竖直方向夹角的不同大小；通过U型支架、垫片和螺栓将上下连杆13间距锁定，这样也就锁定了第一U型架2271或第二U型架2272中连杆13与竖直方向的夹角；

第一U型架2271与第二U型架2272两者相邻连杆13的间距，通过一对U型支架和螺栓、螺杆、螺母来连接锁定；在刚性约束支架227中没有使用垫片，而是通过螺杆和螺母来调节两个U型支架的间距，进而调节和锁定相邻连杆13的间距，最终锁定第一U型架2271与第二U型架2272两者相邻连杆13与车身ZX平面（或ZY平面）的夹角。

实施例二：

如图16~18所示的另一种实施例，本实施例对上述实施例中的约束支架进行了修改，采用了调节性约束支架228，所述的调节性约束支架228包括：电推杆2281；所述第一调节架221和第二调节架222之间设置至少一组相互平行的电推杆2281；所述的第一连杆2211和第二连杆2212之间与第三连杆2221和第四连杆2222设置至少一组相互平行的电推杆2281。

当不同品牌不同车型的电池包4采用不同外形尺寸规格时，不能实现电池包4规格的统一，则需要平行四边形多连杆机构能够实时调节，改变电池包4夹持机构3的相对间距，从而适应不同外形尺寸规格的电池包4，通过电控系统调节电推杆2281的伸缩长度，可以改变连杆13之间的间距，实现平行四边形多连杆机构的夹角调节和锁定。若需要提供更大的推力和自锁力，一组平行四边形多连杆机构上可以布置多根电推杆2281，电推杆2281两端通过螺栓铰接在平行四边形机构的连杆13上

刚性约束支架227和调节性约束支架228，所对应的电池包托架2结构是完全一致的，因此两种约束方案是可以交替使用的：在换电技术方案推广前期，若不同主机厂还未实现电池包4尺寸规格的统一，则优先应用电推杆2281调节方案，尽可能适应更多的车型；随着换电技术逐渐成熟、普及，可以换用刚性约束支架227；只要能约束机械臂中两个平行四边形机构的夹角，其它类似方案均可行。

上述实施例，在机械臂（连杆调节架）中巧妙的应用了两个平行四边形机构，实现了机械臂的两个夹角的精准调节控制；且大量采用规格相同、结构简单、机械性能高好、耐用性高的单件，全面降低了制造成本、维护成本。

实施例三：

如图19~23所示的一种实施例：一种电动汽车，运用于上述快速自动化换电系统，包括：车身底板5和电池包4，所述的电池包4连接于车身底板5下侧，所述的车身底板5和电池包4表面上设置用于夹持机构3伸入的接口，所述的接口包括：被夹持部，所述的被夹持部的中心设置导向孔52，所述被夹持部的两侧开设锁止槽51，夹持机构3工作时，其导向杆31伸入导向孔52中，旋转锁块34上部伸入对应的锁止槽51中，并与被夹持部两侧的锁止面紧紧贴合，实对电池包4或车身的抓取和夹持。

本实施例可在车载系统与智能引导控制系统引导下进行智能换电操作：

首先，将电动汽车停放到指定位置，在智能引导控制系统引导下，机器人A1/A2按照计算好的路径举起车身托架，逐步靠近车身底板；车身托架上的车身夹持机构，被精准地插入车身底板对应的接口中，在夹持机构内部运动机构和电动单元联合作用下，车身夹持装置紧紧夹持住车身底板，此时汽车车身、车身夹持装置、车身托架、机器人A1/A2刚性连接为一体；通过机器人A1/A2获取车身的精确坐标值，并反馈给智能引导控制系统，进而计算出电池包的精确坐标；

其次，智能引导控制系统控制机器人B，举起电池包托架按照计算好的路径移向位于车身底板下部的电池包（待换下的亏电电池包）；机器人B精准地将电池包夹持机构插入电池包对应的接口中，跟车身夹持机构一样，电池包夹持装置将牢牢夹持住电池包，此时电池包、电池包夹持机构、电池包托架、机器人B刚性连接为一体；

第三，智能引导控制系统向车载系统发送信号，车载系统按照设定程序主动解锁电池包安装紧固装置，释放电池包，确保电池包可以被卸下；

第四，机器人B连同电池包托架和电池包夹持机构将电池包卸下，然后转移放置到指定位置，之后电池包夹持机构将释放电池包并与电池包分离；

第五，机器人B连同电池包托架和电池包夹持机构移动到新电池包（待换上的满电电池包，下文“电池包（新）”）位置，按照上述相同的方式夹持住电池包（新）；

第六，机器人B连同电池包托架和电池包夹持装置精准地将电池包（新）移送至车身底板；

第七，智能引导控制系统向车载系统发送信号，车载系统按照程序设定主动上锁电池包安装紧固装置，此时电池包（新）已被安装到汽车车身底板上；电池包夹持装置释放电池包（新），在机器人B带动下与电池包（新）分离；机器人B连同电池包托架和电池包夹持装置移动到初始位置；

第八，车身夹持装置释放车身底板，在机器人A1/A2带动下与车身底板分离；机器人A1/A2连同车身托架和车身夹持装置移动到初始位置；

第九，智能引导控制系统向车载系统发送信号，换电完成，允许驶离。

本实施例对车身（包括电池包）的结构要求很低，只需要设计简单结构的锁止槽和导向孔即可；这个优势减少了汽车主机厂开发、制造可换电池电动汽车的成本，对本发明的普及应用非常有利。

本申请的拓展性非常强大，把电池包托架替换为其它专用托架，还可以支持某些全新作业，换装加油枪专用托架，并将传统燃油车的加油口布置于车身底板，如此即可实现自动化加油作业；同理，换装加氢枪专用托架，并将氢燃料动力车辆的加氢口布置于车身底板，实现自动化加氢作业；其它诸如润滑油、制动液、玻璃水等需要定期更换/添加的耗材，均可基于本发明实现自动化作业；

综上，基于本发明所建立的换电中心，可以进一步升级为车辆补给中心，并同时服务于新能源汽车和传统燃油汽车。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种快速自动化换电系统,其特征在于，包括：车身托架、电池包托架、夹持机构和机器人；所述的车身托架包括：平行四边形框架主体，其中一组相对的框架上部设置所述夹持机构，用于夹紧车身，另一组相对的框架下部设置机器人；

所述的电池包托架包括：X型框架主体，框架主体的自由端设置所述夹持机构，用于夹紧电池包，框架主体的中心下部设置机器人，所述的X型框架主体至于平行四边形框架主体的内侧；所述的机器人用于带动车身托架和电池包托架上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的夹持机构包括：壳体、导向杆、托举垫块、复位弹簧和旋转锁块；所述的壳体内部设置有约束导向杆上下运动的导向槽，

所述的导向杆由上至下依次包括：导向段、过渡段、驱动段和锁止段；所述的导向段连接托举垫块，所述的过渡段同轴连接复位弹簧，所述的驱动段连接锥形凸台，所述的锁止段连接约束导向杆上下运动的锁止机构；

所述壳体内设与导向槽同轴设置的弹簧安装槽，所述复位弹簧设置于弹簧安装槽内，且复位弹簧上端连接于托举垫块，下端连接于弹簧安装槽底部；

所述的旋转锁块对称设置于导向杆的两侧，其上部伸出壳体外侧、中部转动连接于壳体中，下部与驱动段的锥形凸台连接，导向杆自上向下运动时，带动旋转锁块上部向内侧锁紧位置转动，导向杆自下向上复位时，托举垫块将拨动旋转锁块上部向外侧释放位置转动。

3.根据权利要求2所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的锁止机构包括：锁止销、锁止弹簧、调节块、解锁驱动装置和解锁推杆；

所述的锁止段包括：锁止孔和避让槽，所述的避让槽设置于锁止孔的下侧且与锁止孔连通，

所述的锁止销在壳体对应的滑槽中横向运动，锁止销的一端连接在锁止弹簧的一端，锁止弹簧的另一端连接调节块；当导向杆自上而下运动到“锁止”位置时，锁止销在锁止弹簧驱动下插入锁止孔中，限制住导向杆的上下运动；

所述的解锁推杆前端与锁止销接触，后端与解锁驱动装置连接；解锁推杆在解锁驱动装置驱动下横向移动，进而推动锁止销退出锁止孔，实现解锁。

4.根据权利要求1所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的车身托架包括：横梁、纵梁、连杆、第一法兰支架和第一铰接支架；两对所述的横梁和纵梁构成平行四边形框架主体，相邻的横梁与纵梁之间连接第一铰接支架，且始终垂直设置，所述的横梁下方通过第一法兰支架连接机器人，所述的纵梁上方连接夹持支架，所述的第一夹持支架用于连接夹持机构。

5.根据权利要求4所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，每个所述的纵梁上设置两个第一夹持支架，所述的纵梁的中部设置驱动机构，梁的两侧设置导轨，所述的第一夹持支架滑动连接于导轨上，所述的驱动机构为两侧第一夹持支架滑动提供动力。

6.根据权利要求1所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的电池包托架包括：第二法兰支架、连杆调节架、第二铰接支架和第二夹持支架；所述的第二法兰支架和四个连杆调节架组成X型框架主体；所述第二法兰支架的下部连接机器人，所述的第二法兰支架的四个角分别铰接一组连杆调节架，所述的连杆调节架的自由端铰接第二夹持支架，所述的第二夹持支架用于连接夹持机构。

7.根据权利要求6所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的连杆调节架包括：第一调节架和第二调节架，

第一调节架和第二调节架相平行设置，第一调节架和第二调节架两端分别铰接于夹持支架和法兰支架；

所述第一调节架包括：第一连杆和第二连杆；所述的第一连杆和第二连杆呈上下相平行设置，第一连杆和第二连杆两端均通过第一铰接件铰接，两端的第一铰接件通过第二铰接件分别铰接于第二夹持支架和第二法兰支架，且第一铰接件通过第二铰接件的铰接方向相垂直；

所述第二调节架包括：第三连杆和第四连杆；所述的第三连杆和第四连杆呈上下相平行设置，第三连杆和第四连杆两端均通过第三铰接件铰接，两端的第三铰接件通过第四铰接件分别铰接于第二夹持支架和第二法兰支架，且第三铰接件通过第四铰接件的铰接方向相垂直。

8.根据权利要求7所述的一种快速自动化换电系统,其特征在于，所述的第一调节架和第二调节架之间以及第一调节架和第二调节架自身分别设置约束支架，所述的约束支架为刚性约束支架或调节性约束支架其中的一种；

所述的刚性约束支架包括：第一U型架和第二U型架，所述的第一U型架的一侧设置横向腰型槽，所述的另一侧设置竖向腰型槽；所述的第一调节架和第二调节架之间通过第一U型架连接，所述的第一调节架和第二调节架内侧分别通过横向腰型槽连接一个第一U型架，第一U型架之间的竖向腰型槽通过螺栓连接；

所述的调节性约束支架包括：电推杆；所述第一调节架和第二调节架之间设置至少一组相互平行的电推杆；所述的第一连杆和第二连杆之间与第三连杆和第四连杆设置至少一组相互平行的电推杆。

9.一种电动汽车，运用上述权利要求2~8任一项快速自动化换电系统，其特征在于，包括：车身底板和电池包，所述的电池包连接于车身底板下侧，所述的车身底板和电池包表面上设置用于夹持机构伸入的接口，所述的接口包括：被夹持部，所述的被夹持部的中心设置导向孔，所述被夹持部的两侧开设锁止槽，夹持机构工作时，其导向杆伸入导向孔中，旋转锁块上部伸入对应的锁止槽中，并与被夹持部两侧的锁止面紧紧贴合，实对电池包或车身的抓取和夹持。

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