一种安全快速换电电池及其配套电动底盘

技术领域

本发明涉及一种电动车技术领域，尤其涉及一种安全快速换电电池及其配套电动底盘。

背景技术

针对电动汽车遇到的里程焦虑等问题，各个汽车厂家纷纷拿出自己的对策。如特斯拉超级快充计划。比亚迪刀片电池计划，提高电池安全性和体积能量密度。蔚来媲美加油速度的三分钟换电计划。小鹏汽车半价购车和电池租赁计划，这个起步价有点贵，每月至少要1599元，降到一半就和汽油车有相同的竞争力了，会有大批人附和。

目前国家减少对电动汽车的补贴，国家加大对充电桩的建设力度。

充电是从新能源车的使用经济性考虑的,快充不是一个最优的解决方案,因为快充对能源消耗大且有损电池寿命;从电池上看,上述任何一个单电池或者个性化电池的方案都不能完全解决电动车困境,使电动汽车建立起相对于燃油车的优势,树立消费者优先选择电动汽车的信心。

随着到处兴建充电桩，汽车电动化趋势不可逆转，要么被日渐完善的充电系统逼得无路可走，要么勇敢改革创新从电动汽车能源补给领域分一杯羹。事务都有矛盾两面性，如果加油站能根据以下发明勇敢对自身进行改革进化，加油站将会是电动汽车普及化的最大推手和利益获得者。加油站不光能加油，还卖菜米油和加换电，加油站升级为能源供应商和能源补给站，能对消费者进行方便的液态\生活态\固态全方位补给。燃油是液体可以通过管道加注，也可以装在油桶里整桶整桶卖，只不过管道加注更方便些；电力可以顺着导线加注，也可以储存在固体电池中，整块整块的更换。动力电池优化成固定的外形，就能通过固体换电技术来实现快速补给。其实续航焦虑的核心问题不是续航里程要多远，而是随处可见的有效快速补充动力能源的物理网络问题，单凭车商在小型核聚变商用化之前是无法解决这个问题的；这个问题可以通过以下发明来升级现有能源补给网络，通过给加油站升级成液态\生活态\固态的三态综合能源补给站来完美解决。能源补给的续航核心问题解决后，其他非核心问题也就顺带迎刃而解了。

充电具备经济性,换电具备效率性.我们日常在加油站加油加的都是成品油,而没必要在加油站等待石油练化厂把石油加工成成品油的时间,充电就相当于把石油缓慢加工成成品油的时间,这个过程的耗时是不能无限缩短的,这也就注定快充这条路走不远.换电相当于加油,把成品油或者满电电池短时间内补给给电动汽车.换电和加油的不同是固态补给和液态补给的差异.固体快速补给的核心是从减少对齐次数、控制合适对齐精度、减小对齐难度、增加自动化水平角度入手实现减少换电时间增加换电效率的。

小孩玩的电动玩具成千上万种,装上几节5号电池就能玩;同理电动汽车装几节超大号电池也能到处跑,难度在于电池重量超过20千克普通人就很难搬动,需要借助机械;目前电动汽车4S店换电池的电池成本需要几万元，换电池服务费也要几千元一次。就算是专门搞换电的目前技术，换一次的服务费也在几百元，如果能发明一种技术，把换电服务费降到几十元或者几元每次，把换电时间缩短到几分钟或几十秒,换电技术也将普及并成为汽车电动化的最大助力。

目前，各电动车生产厂商准备各家的动力电池，现有北汽款，蔚来款，重卡款，长安款，吉利款，电池没有一项是通用的。而现有换电技术中，由于技术缺陷，建站成本非常高昂，而且换电速度为数分钟换一块，换电速度还不够快，效率低下，导致社会接受意愿不高。

发明内容

本发明目的在于提供一种安全快速换电电池及其配套电动底盘，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

一种安全快速换电电池及其配套电动底盘，包括电池壳体，电池壳体内设有电池包，所述电池壳体底部两侧分别设有驱动轮，驱动轮由驱动电机总成驱动，所述电池壳体前侧设有电池接头，电池壳体外设有导向传感器，电池壳体内装备有电池大脑，电池大脑包括AGV导航控制器、通信模块，所述动力电池包与电池接头、电池大脑电连接，电池大脑与驱动电机总成电连接，所述通信模块实现电池大脑与地面控制站之间的信息交换。

作为优选，所述导向传感器为激光雷达、电磁传感器、红外传感器或光学传感器中的一种或二种及以上组合。

作为优选，所述电池壳体内部设有多组动力电池包，所述电池接头包括突出于电池壳体前端的电接头壳体，电接头壳体两侧设有进气道和排气道，电接头壳体内部中间设有防水室隔板，所述进气道和排气道与电池壳体内部气道组成气流回路，电接头壳体壳体前端设有多组圆孔接头，每组圆孔接头从上到下依次为电池正极孔，进气孔，排气孔，电池负极孔，所述防水室隔板两侧均径向设有防水绝缘隔板，防水绝缘隔板通过弹簧紧贴壳体前端内壁并分别堵住电池正极孔、进气孔、排气孔、电池负极孔，所述进气孔，排气孔分别与进气道和排气道连通，所述防水绝缘隔板对应电池正、负极孔的位置分别镶嵌一块贯穿防水绝缘隔板的铜片，所述电接头壳体后壁分别设有与铜片对应的正极柱和负极柱，所述正极柱和负极柱穿过壳体后壁对应连接电池包的正负极。

作为优选，所述电池包内设有电芯，电芯为奇数条错位排布，各电芯形成一条6mm宽的空气通道，所述电池包外壁设有与空气通道连通的电池包进气孔和电池包排气管，电池包进气孔和电池包排气管分别与进气道、排气道对应连通。

作为优选，所述底盘中央设有换电箱，换电箱内前端设有前档板取电头，换电箱两侧对称设有升降机构，换电箱内套设有方形电池框，升降机构的伸缩头与方形电池框的顶部连接，电池框上设有定位信标。

作为优选，所述升降机构包括齿条、所述齿条固定于换电箱两侧，电池框顶部两侧设有升降驱动电机总成，驱动电机总成的驱动轴上设有与齿条啮合的齿轮。

作为优选，所述底盘上还安装有固定自持电池，固定自持电池的正极和负极通过充电电路与前档板取电头上正极柱和负极柱并联，固定自持电池能独立驱动车辆低速行驶和在换电过程中提供动力。

作为优选，所述电池框两侧通透，其底部框体具有缺口，其横截面为类C字型。

作为优选，所述电池框轴两侧通透，其外周框体连续，其横截面为口字型。

作为优选，所述换电箱前端设有取电头挡板，取电头挡板上设有多组前档板取电头，每组前档板取电头从上到下依次是正极柱，输气管，排气管，负极柱，所述前档板取电头和电池接头对应。

本发明电池是一种聪明的，可以自主寻找电动车的AGV移动电池，配合电动车底盘上的换电箱，可以自主上升进入底盘里换电。其可以实现单块乃至多块换电模式，换电速度快，换电成本极电。用少量的智能电池满足大量的车辆使用，长途用车时临时安装大容量智能电池，用完后及时把大容量智能电池还给换电站，建站成本很低，因而可以低成本大量建设换电站，使智能换电站迅速普及。此外，固定自持电池能独立驱动车辆低速行驶和在换电过程中提供动力。对消费者而言，买车只需要买带安全快速换电电池的配套电动底盘的车（含固定自持电池部分），不用购买共享的安全快速换电电池，车价大大降低，同时车辆保值率大幅提高。因此是值得推广应用的新能源汽车技术。

附图说明

图1为本发明电池壳体的一种结构示意图；

图2为本发明电池壳体的内部结构示意图；

图3为本发明前档板取电头与电池接头的内部结构示意图；

图4为本发明电池接头主视结构示意图；

图5为本发明前档板取电头与电池接头对接后进气排气回路的结构示意图；

图6为本发明倒U型排气管被动防水结构的示意图；

图7为本发明换电箱与C型框配套组合的一种示意图；

图8为本发明换电箱与O型框配套组合的一种示意图；

图9为本发明底盘上换电箱2与电池壳体结合时的示意图（后轮径向剖视）；

图10为图9的A部放大结构示意图（含一种升降机构的结构）；

图11为图9的B部放大结构示意图（含一种升降机构的结构）；

图12为本发明底盘降下C型框的平行于后轮径向剖视结构示意图；

图13为本发明O型框上升进入底盘换电箱内的平行于后轮径向剖视结构示意图；

图14为本发明另一种升降机构的结构示意图；

图15为本发明换电箱与C型框配套组合的另一种示意图；

图16为本发明家用平面换电站结构示意图；

图17为本发明综合平面换电站结构示意图。

具体实施方式

如图1-17所示，一种安全快速换电电池及配套电动车底盘，包括底盘10，电池壳体1，所述电池壳体1底部两侧分别设有驱动轮102，驱动轮由驱动电机总成驱动，所述电池壳体1前侧设有电池接头101，电池壳体1内装备有电池大脑104，电池壳体外设有导向传感器，电池壳体内装备有电池大脑104，电池大脑104包括AGV导航控制器、电机驱动模块、通信模块，所述动力电池包与电池接头、电池大脑104电连接，电池大脑104经过电机驱动模块与驱动电机总成电连接，所述通信模块实现电池大脑与地面控制站之间的信息交换。

所述驱动轮102可以选择有四个和三个，优选为四个麦克纳姆轮，四个麦克纳姆轮对称安装在壳体底部两侧。

导向传感器为现有电磁传感器、红外传感器或光学传感器中的一种或组合。

定位信标可以为光反射镜、醒目图像标识、RFID射频发射器、磁条等。

AGV导航控制器涉及运动控制系统、躲避障碍物机制、导航技术、视觉识别系统等各个方面的技术。

目前，AGV比较成熟的导航技术有：磁点导航、电磁导航、磁带导航、视觉导航、激光导航、自然轮廓导航，二维码导航、RFID定位等。

磁带导航是很常用的方法，其是利用电磁传感器的中心点作为参考点，追踪引导磁带上的虚拟点就是其中的一种。AGV的控制目标就是通过检测参考点与虚拟点的相对位置，修正驱动轮的转速以改变AGV的行进方向，尽力让参考点位于虚拟点的上方。这样AGV就能始终跟踪引导线运行。使用磁条式引导和二维码导航，这两种导航方式的优点在于便宜、成本相对较低，但缺点是一旦要变更生产内容和工艺流程，就需要重新部署轨道。

其中激光SLAM导航是“同步定位与地图创建技术”。通过这种技术，AGV移动不需要预先铺设任何轨道，就能够在未知环境中进行自主定位与导航。如此一来，就省掉了部署轨道的麻烦。既能提升工作效率，还能节省部署成本和时间。因此，近几年激光SLAM导航机器人受到的关注也越来越多。

目前，国内已经兴起了一批出色的激光SLAM导航开发企业，主要分为两大类，一类是专门提供导航定位模块的企业，如中德睿博、思岚科技等。

当目标换电车到达指点换电位置后，电池壳体通过AGV导航技术，从电站按事先规划路线行驶接近目标换电车的电池框附近。通过事先移动到电池框附近获得光反射镜、醒目图像标识的位置信息，利用目标物体的几何形状模型，在目标上取3个以上的特征点或探测到的图像特征与存储信息进行匹配，经过定位计算（三边定位或三角定位）得出电池壳体与电池框的开口之间相对位置，再根据定位信标的位置坐标，计算出机器人的坐标，定位后进入电池框。

或者通过RFID射频发射器接收信号定位后进入电池框。其定位精度没有累积误差，但和用于信号质量及定位算法关系密切。

所述底盘10中央设有换电箱2，换电箱2内前端设有前档板取电头205，换电箱两侧对称设有升降机构20，换电箱2内套设有方形电池框，升降机构的伸缩头与电池框的顶部连接。电池框上设有定位信标。

如图9所示，所述底盘10上还安装有固定自持电池500，固定自持电池500的正极和负极通过充电电路与前档板取电头205上正极柱和负极柱并联。

如图1-5所示，电池壳体1长170厘米、宽90厘米、高12.5厘米，内部设有多组12.5千万时的电池包11，电池壳体1外形优选为长方体主体，各面光滑，上下面四角优化为切角斜面103。电池包之间设有隔板12，进一步优选为四个独立分区电池包11。电池包11内设有电芯13，电芯13为奇数条错位排布，各电芯形成一条6mm宽的空气通道，所述电池包外壁设有与空气通道连通的电池包进气孔和电池包排气管，电池包进气孔和电池包排气管分别与进气道18、排气道19对应连通。

上述电池包11不光是锂电池，还可以是其它新能源电池，如钠电池，固态电池和其他高能量密度电池。

所述电池接头101包括突出于电池壳体前端的电接头壳体15，电接头壳体15两侧设有进气道18和排气道19，电接头壳体15内部中间设有防水室隔板1030，所述进气道（18）和排气道19与电池壳体内部气道组成气流回路，电接头壳体壳体前端设有四组圆孔接头151，

每组圆孔接头从上到下依次为电池正极孔16，进气孔181，排气孔191，电池负极孔17，所述防水室隔板1030两侧均径向设有防水绝缘隔板1010，防水绝缘隔板1010通过弹簧1020紧贴壳体前端内壁并分别堵住电池正极孔16、进气孔、排气孔、电池负极孔17，所述进气孔181，排气孔191分别与进气道18和排气道19连通，所述防水绝缘隔板对应电池正、负极孔的位置分别镶嵌一块贯穿防水绝缘隔板的铜片，所述电接头壳体后壁分别设有与铜片对应的正极柱26和负极柱27，所述正极柱26和负极柱27穿过壳体后壁对应连接电池包的正负极，具体为正极柱和负极柱通过电缆对应连接电池包的正负极。

电池正极孔16和进气孔181、进气道18组成上防水室，电池负极孔17和排气孔191、排气道19组成下防水室。单块动力电池能抵抗3米深的水压72小时电池内部防水室不进水的防水等级。

所述换电箱前端设有取电头挡板，取电头挡板上设有多组前档板取电头205，每组前档板取电头从上到下依次是正极柱26，输气管28，排气管29，负极柱27，所述前档板取电头205和电池接头101的对应，输气管28，排气管29可以设置风速和气温感应器23。

所述配套底盘10上设有与输气管28，排气管29连通的外循环温控系统，如图6所示，外循环温控系统末级设有倒U型排气管被动防水结构，所述倒U型排气管被动防水结构包括位于乘员舱的高开进气口的进气管908、位于配套底盘上倒置漏斗形排气口902和圆锥浮漂901，所述倒置漏斗形排气口902与倒U形排气管道904末端连接，倒置漏斗形排气口902处活动设有圆锥浮漂901，如可以采用短绳903活动连接，提供主动短期涉水防水防护结构。倒U形排气管道904顶端连接前档板取电头上的排气管29。

外循环温控系统包括有空气调节器、吹风机和多路换向阀22，空气调节器出口与吹风机进口连接，乘员舱A柱进气口通过多路换向阀22与空气调节器入口连接，吹风机出口280通过多路换向阀22分别与乘员舱内循环出气口906和输气管28连通，空气调节器进口290通过多路换向阀22与排气管29和新风管连接。多路换向阀22优选四组，分别对应四组圆孔接头151。输气管28可以通过多路换向阀与连接吹风机21出口的进气管908连接，进气管908把乘员舱的空气排入电池包调节温度，涉水行驶时，圆锥浮漂901受水浮力向上运动，正好能把倒置漏斗形排气口902堵死，防止水进入排气管，只要不是全乘员舱进水，水就不通过进气管进入电池；排气管29还可以通过多路换向阀与乘员舱内循环出气口906连接，通过乘员舱内循环出气口906排出预热来加热乘员舱。

所述空气调节器可以为电加热空气调节器，或者为降低成本，直接由电热器替代。

多种工作模式可在外界不同气温时选择开启，工作模式包括：冬季低于零度，当多路换向阀22挡住排气口902、乘员舱内循环出气口906状态时，空气调节器通过输气管28为电池包提供加热空气，保证锂电池低温下启动，启动后余热再次进入空气调节器循环；冬季稍高温度，多路换向阀22挡住排气口状态时，空气调节器通过输气管28为电池包提供加热空气，热空气进入电池包循环后间接通过热交换器进入乘员舱内循环或直接进入乘员舱内，最后后进入空气调节器，保证锂电池低温下工作并节能。

夏季高温，多路换向阀22排气口开放状态时，空气调节器为电池包提供流动室温空气或冷空气后直接排除车外，使电池包保持在较佳运行温度，最大限度节能。

以前的动力电池体检方式主要是给电池量电压，本发明对电池体检方式是量风速、气温和电压的组合，气温超高或者风速偏低都说明电池包出了问题需要检修；电池包里，13.5mm宽的电芯两侧各留有约6mm宽的空隙，电芯异常出现时，电芯就会发热膨胀，空隙就会减小，风速就会降低，同时流经的气温就会升高；我们可以通过检查气流速度和温度及时发现异常，可以立即断电和增加气流给电芯降温。当一组电池包出问题关闭时，不影响其它电池包正常使用，其它正常电池包可驱动车以较低速度继续行驶到下一个换电站。

电池框具有多种实施方式，其中如图7、15等所示的实施方式一：电池框两侧通透，其底部框体具有缺口，其横截面为类C字型，故为C型框204。

其中如图8等所示的实施方式二：电池框轴两侧通透，其外周框体连续，其横截面为口字型。口字型电池框底面厚度小于4mm，边缘斜面设计，且电池箱底部设有与驱动轮对应的凹坑，电池壳体可以很方便进出电池框，故为O型框206。

以上电池框可以实现汽车侧部进安全快速换电电池和后部进安全快速换电电池。

所述升降机构20具有多种实施方式，其中实施方式一：所述升降机构20可以为齿条201、升降驱动电机总成202、桩腿203，所述齿条201固定于换电箱两侧，桩腿203固定于电池框顶部两侧，桩腿203顶部设有升降驱动电机总成202，升降驱动电机总成的驱动轴上设有与齿条啮合的齿轮。当然也可以象图13那样去掉桩腿203，直接采用电池框顶部两侧固定设有升降驱动电机总成202，升降驱动电机总成的驱动轴上设有与齿条201啮合的齿轮的结构方式实现以上功能。升降驱动电机总成202可以为带减速器的驱动电机。由于升降驱动电机总成的机座固定在电池框206上，而齿条201固定设置在换电箱2两侧，故升降驱动电机总成202即为升降机构20的伸缩头，升降驱动电机总成202的机座则为伸缩头端部。

实施方式二：所述升降机构20可以为滑轮233、电动绞盘232、拉绳235，所述滑轮233设置在换电箱2顶部，电动绞盘232固定于底盘10内或换电箱2内，电动绞盘232与至少两个拉绳235连接，拉绳绕过滑轮233后，其末端固定在电池框204顶部（其结构等同于伸缩头）。

实施方式三：如图14所示，所述升降机构20还可以为电动推杆252，所述电动推杆的伸缩杆端部（其结构等同于伸缩头）固定于电池框204底部。

应用案列： 一、本发明电池壳体1的出现使换电站变得容易建设，如图16所示，一个平面停车位一块电池就能组成一个家用换电站3。其中，充电位312， C型框204（单块电池换电），磁钉301 ，满电安全快速换电电池313，空电安全快速换电电池314，电磁条（磁带）214。

如图17所示，一个村庄或者一个社区就可以建设一个小型换电站3。一个村庄有100户人家100辆私家车，在村口主马路旁修个智能换电站，其中，部件可以为磁钉301 ，电梯308，充电架309，满电安全快速换电电池313，两块满电安全快速换电电池323，空电安全快速换电电池324，电磁条（磁带）224。里面放上20块共享智能电池，每辆车都是12.5千瓦时固定自持电池+50千瓦时换电箱，只要一天内出行距离往返不超过100公里，依靠自身12.5千瓦时电量就能满足需求；只有出远门时，才用租赁50千瓦时的智能电池；只要同时出远门车辆少于20辆，本村换电站就够用；本村同时远程出行超过20辆时，可以去邻村换电站补充智能电池，或者去附近高速换电站补给智能电池。

二、设置换电软件，这款软件管理所有电池壳体，车主在使用这款软件时，软件会告诉你二十公里内的所有可用本发明电池壳体1，选择其中一块锁定，汽车导航启动，到达换电场后，放下电池框，电池壳体脱离车辆驶向充电位充电，预约好的满电电池壳体激活驶入电池框，电池框升入车体锁定，车辆驶离换电站。

电池被锁定后别人就不能看到这块电池，一辆车只能同时锁定一块电池，如果电池被锁定十分钟内没有激活则自动解除锁定。行驶中电池出现小故障时，车主也可以通过换电软件控制预约锁定的满电电池壳体前后左右运动，滑入电池框同时向顶出故障电池壳体，然后升起新的电池壳体驶离换电站，出故障的电池壳体由换电站检修。

三、共享安全快速换电电池，电池没必要一直和车捆绑在一起，需要远程出行时，车找到电池壳体临时结合在一起，不出行时分开；一辆车在大部分时间是停着不开的状态，大量电池在不开的汽车上放着是一种潜在危险和浪费；把大量不驱动车辆行驶的电池放在换电站连入电网还能消纳不稳定风光电和对电网削峰填谷；电池壳体与车结合时只能放电不能充电的纯换电生态网，换电不要钱，按耗电量计费和租赁时间计费，按时间计电池租赁费，按使用电量计收电费。若电池壳体为50千瓦时款，此电池每小时租金6元每度电1.4元，2小时内跑完200公里高速公路相当于每公里花费约0.4元，7小时跑完高速外的400公里相当于每公里花费不到0.3元,从此纯电车各项指标均优于燃油车。每十分钟收费1元，不足十分钟按1元计费；按电量计电池电费，每千瓦时1.4元，不足1千瓦时按1.4元计费。鼓励人们长途出行时临时租电，用完电池壳体后及时归还电池到换电站。

对消费者而言，买车只需要买带安全快速换电电池的配套电动底盘的车（含固定自持电池部分），不用购买共享的安全快速换电电池，车价大大降低，同时车辆保值率大幅提高。

因此是值得推广应用的新能源汽车技术。本发明专利本质是依托低成本平面换电站，把换电站建的随处可见，在任意一水平面随时可换电，用少量的智能电池满足大量的车辆使用，长途用车时临时安装大容量智能电池，用完后及时把大容量智能电池还给换电站，建站成本很低，因而可以低成本大量建设换电站，使智能换电站迅速普及，汽车迈入换电补给为主的新时代。4组12.5千瓦时的动力电池包可以组合成一块50千万时的安全快速换电电池，单块50千万时的安全快速换电电池可以驱动一辆私家车行驶，M块50千万时的安全快速换电电池可以驱动一辆货车行驶，未来的电动汽车电池组合可以为4+N组或4M+N组12.5千瓦时的动力电池包组合，外加固定自持电池能独立驱动车辆低速行驶和在换电过程中提供动力。未来汽车领域以安全高效的换电补能为主，1-2千瓦级交流慢充为辅的综合补能方式。

本文中所用数据仅为较佳实例，并非对本发明的任何限制；利用本文所述的技术方案，或本领域的技术人员在本技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本专利要求的保护范围。本文未述及之处适用于现有技术。