电动汽车电池快换装置

高佳威　崔晨　顾天琪　史量元

摘 要：本文首先分析电动汽车电池快换装置的整体方案设计，并对提出的四种方案进行比较，选出最为合适的方案，即方案一。该方案不仅安全，而且简便。然后对所选的方案一进行计算，最后根据上述分析设计电池仓与快换装置。

关键词：电动汽车;电池快换装置;方案设计

中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0090-02

A Quick-change Device for Electric Vehicle

GAO Jiawei CUI Chen GU Tianqi SHI Liangyuan

（Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211100）

Abstract： Firstly， this paper analysed the overall scheme design of battery quick-change device for electric vehicle， and compared the four schemes proposed， and chose the most suitable scheme， namely scheme one. The scheme was not only safe， but also simple. Then the first scheme was calculated. Finally， the battery bin and the quick-change device were designed according to the above analysis.

Keywords： electric vehicle;battery quick change device;scheme design

1 整體方案设计及其比较

已知汽车有关参数如下：总功率160kW;总扭矩310N·m;最高车速120km/h;车身长4 680mm，宽1 765mm，高1 500mm;前轮距1 525mm，后轮距1 520mm。由国标《电工术语原电池和蓄电池基本信息》（GB/T 2900.41—2008）可选的电动汽车电池箱的标准尺寸为：长1 060mm，宽630mm，高250mm。电池箱的重量为500kg。电池采用整体的方式放置[1]。

1.1 整体方案设计

1.1.1 方案一。把电池仓和电池箱作为整体安装在中部底板车架上。在车架上安装一块No.18的工字钢做成的电池仓，钢的长度1 120mm，宽度为800mm，厚度为230mm。在No.18工字钢上挖一个槽，槽的长度为1 100mm，槽的宽度为690mm，槽的深度为220mm。利用槽的深度对电池的左右两边进行限位。如果将电池箱安装在中部底板车架上，乘客进出较为频繁，容易对电池造成损坏[2]。

1.1.2 方案二。把No.18工字钢板做成的电池仓和电池箱安装在后备箱。在第二种方案也是对No.18工字钢进行挖槽，槽的宽度为690mm、长度1 100mm、深度220mm。利用槽的深度对电池的左右两边进行限位，在No.18工字钢电池仓边缘的左右两边30mm处设计一个固定定位销（圆柱台），因此，槽的深度可以更好地限制电动汽车因颠簸而左右摆动，固定定位销可以更简便、迅速地限制电池向上移动，从而达到在安装回去的过程中，电池箱不会因为汽车颠簸而随意移动。

1.1.3 方案三。将No.18工字钢做成的电池仓和电池箱电池安装在车头前机舱处。因为在车头前机舱处比较密集，不便安装在汽车的车头处，而且，汽车在发生碰撞的过程中，正面发生碰撞的概率仅次于侧面碰撞，达到28.21%。因此，电池放在车头处容易引起碰撞而对电池产生挤压使电池损坏，严重者会发生爆炸。此外，放在汽车的车头处会加重车头部分的质量，导致前半部分的重量加重，影响汽车质量分布、汽车驱动及整体布置，同时也容易引起车头部分的机械损伤。

1.1.4 方案四。如果将No.18工字钢做成的电池仓和电动汽车的电池箱电池安装在电动汽车的侧面，汽车在行驶过程中很容易发生碰撞，因为在汽车碰撞中，侧面碰撞占的比率最高，达到了36.84%。同时，电动汽车的电池安装在侧面不便于进行更换，在换电池的过程中，需要把汽车上的相关零件取出，延长了更换电池的时间，极为不便。考虑碰撞后的安全性和快换时间的长短，电池放在侧面部分的方案不可行。

1.2 方案对比

1.2.1 方案一。把No.18工字钢电池仓和电池组放在后备箱经过将No.18工字钢进行挖槽，可以更有效地减少因为电动汽车在不平道路上行驶过程中随意移动，在No.18工字钢上设计一个固定定位销，可以有效限制电动汽车在颠簸的道路上行驶而导致电池组向前移动，从而有效固定电池组。此外，还要在车架上安装滚筒装置，在滚筒上设计限位的壁板，以便更好地限制快换过程中的位置。在电池箱安装No.18工字钢槽完毕后，在最后面用2块壁板固定电动汽车电池箱，防止电动汽车电池箱移动。此外，把No.18工字钢安装在车架的中部地板上更有利于平衡汽车前后的重量载荷，减小因汽车碰撞而造成电池损坏，且换电池时可以采用从后备箱拉出的方式进行快速更换，既简便，又安全。

1.2.2 方案二。将No.18工字钢板块电池仓和电池箱安装在中部底板车架上，会因人为踩踏而对底板下的电池造成挤压，加速电池的损坏，从而造成电池液泄露，对周围环境造成污染。除此之外，如果电池损坏膨胀，还会对车的底板造成损坏。

1.2.3 方案三。把电池箱和No.18工字钢电池仓安装在车头处，汽车会因发生碰撞而造成电池单体挤压，电池单体的液体外泄，有一定的危险性。汽车碰撞中，正面碰撞的概率仅次于侧面碰撞，碰撞易导致电动汽车电池损坏，有一定的危险性。此外，电池箱本身很笨重，放在车头处会加剧其的载荷，造成整辆车的重量分配不均匀。

1.2.4 方案四。汽车在碰撞中，侧面发生碰撞的概率最大，达36.84%。因此，把电池箱安装在侧面会因汽车发生碰撞而对电池造成影响，加剧了危险性。同时，把电池安装在侧面，在进行快速更换时，需要把汽车的一些零部件取出，然后再进行更换。此方法大大延长了更换的时间，且更换时的步骤较多，因此，电池安装在电动汽车的侧面不符合要求。

综上所述，经过对以上四个方案进行论证，决定选择方案一，其不仅安全，而且簡便。

2 对所选方案进行计算

选择存放电池的板块是No.18工字钢制成，已知材料的许用应力[σ]为170MPa，许用切应力[τ]为100MPa。

确定最大弯矩和最大剪力，由对称性可得该板的支撑反作用力为[F1=F2=4 900N]。

已知最大剪力和最大弯矩分别为[Fs]=4.9kN，Mmax=5.39kN·m。可进行校核弯曲正应力。

校核弯曲正应力，对所选的No.18工字钢进行查表可知，No.18工字钢的有关截面几何参数为Wz=185cm3，d=6.5mm，[Iz：S*Z]=15.4cm。根据梁的弯曲正应力强度条件有

[σmax=Mmax÷WZ=5 390÷185×106=29.14×106Pa=29.14MPa<170MPa]   （1）

由此可见，钢梁板的弯曲正应力强度符合要求。

校核钢板梁的弯曲切应力强度。根据公式

[Tmax=Fs÷d×Iz：S*Z=4 900÷6.5×10-3×15.4×10-2Pa=48.95×105Pa]       （2）

钢板的弯曲切应力为48.95×105Pa=4.9MPa。而No.18的工字钢的许用切应力为100MPa，因为钢板的弯曲切应力为48.95×105Pa=4.9MPa3 电池仓与快换装置设计

3.1 电池仓的设计

根据所选标准电池箱的尺寸，对已经选好做成电池仓材料No.18工字钢进行挖槽，在托架板工字钢上挖槽的深度、宽度、长度分别为220、690mm和1 100mm，然后将标准电池箱放入工字钢槽做成的电池仓中，最后把电池仓和电池箱当作整体安装在电动汽车的车架底部，最后进行电池仓的快换设计[3]。同时，在电池仓底部与电池之间安装弹簧支架，侧面不安装。

固定框架的上端面一侧采用铰接轴铰接设有上固定盖板，固定框架的上端面另一侧设置有锁紧扣组件，锁紧扣组件的顶面上固定设置有防水板，以防止电池遭到液体破坏。

3.2 电动汽车的快换装置

因电池安放于车身中部底架板上，底架板上方有座椅，取出较为麻烦，所以考虑从车身侧面取出，即抽屉式取出，这样所需的力较小，且更为方便。

在电池仓底部采用滚动导向机构，能相对于底座滑动，这样在取出时减少了电池仓与四周的摩擦力，更为快捷。但需要加装锁止机构，即在电池滑到刚好可以取出的位置时，有两个突出的卡片可以阻碍滑轮继续滚动。

3.3 对托架板No.18工字钢电池仓进行设计

槽的深度为220mm，长度为1 100mm，宽度为690mm，而电池箱的长为1 060mm，宽为630mm，高为250mm，因此需要对电池箱进行固定。在电池仓底部的四个角上各加装一个螺钉进行固定。在电池仓左右各安装两个直径为20mm的圆柱台，前后各安装两个直径为30mm的圆柱台，这样可以防止电池箱的随意晃动。在电池仓的顶部，选择安装固定盖，大小设计按照电池箱的实际尺寸进行确定。

参考文献：

[1]王永廉，马景槐.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]杨世春.电动汽车设计基础[M].北京：国防工业出版社，2013.

[3]李琤，安徽，姜能惠，等.一种汽车悬架振动试验台装置[J].井冈山大学学报（自然科学版），2016（5）：74-78.