一种基于液态金属的电动汽车快速断路装置

技术领域

本发明涉及电动汽车动力电池的快速断路技术，特别是涉及一种基于液态金属的电动汽车快速断路装置。

背景技术

电动汽车主要采用动力电池作为动力，在使用过程中一旦遇到紧急情况就需要及时切断动力电池对外输出的电流，从而防止动力电池损坏、防止动力电池自燃等，如动力电池异常放电、热失控、车身翻滚、车身剧烈撞击等。而断路装置就是用于实现动力电池电流切断的设备。

目前动力电池的电流切断主要有两种技术路线，一种是采用炸药作动力切断母线，另一种是采用接触器利用电控的方式主动断开。第一种方式可以不依赖电力、控制系统，且反应迅速、安全性高、制造和维修成本高；第二种方式结构简单、制造和维修成本低，但是对电力、控制系统依赖程度太高，一旦出现电力故障、系统故障就可能无法及时断开，因此存在一定的安全隐患。

基于目前对于安全、成本的考虑，需要一种安全性高且成本低的电动汽车快速断路装置。而申请人进过研究后认为，如果采用液态金属作为中间导体，在需要快速断电时快速排出液态金属就能快速且有效地断开电流，后续维修时只需要将液态金属装回即可，也就是几乎没有耗材，这样就能兼顾快速断电、降低制造和维修成本的需求。同时可以采用电池包的热量作为主动触发动力进行切断以避免出现电池包过热时由于系统故障、电力故障等无法通过电控主动断开电路的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于液态金属的电动汽车快速断路装置，其采用液态金属作为中间导体，且通过快速排出液态金属实现快速、稳定的断路状态。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于液态金属的电动汽车快速断路装置，包括断路模块、底座，断路模块直接或间接与底座装配；所述断路模块包括两个接电组件、中间管，两个接电组件分别与中间管的两端装配，所述接电组件包括接电柱、导电柱、灭弧管、侧端环，所述中间管的两端分别与对应的灭弧管密封装配，所述灭弧管远离中间管的一端上安装有端塞；

所述中间管与灭弧管装配的一端上安装有内塞，所述中间管与活塞密封且滑动装配，所述活塞安装在导电柱的一端上，且活塞上安装有导电环，导电环与导电柱导电连接；所述导电柱的另一端套装第二切断弹簧、穿过内塞后与导电座装配，所述导电座上设置有半球槽，所述半球槽与半球端卡合装配，所述半球端设置在接电柱的一端上，所述接电柱的另一端穿出端塞；所述接电柱设置有半球端的一端上安装有接电柱环，所述接电柱位于接电柱环和端塞之间的部分上套装有第一切断弹簧，所述第一切断弹簧对接电柱施加向导电座推动的推力；

中间管位于两个活塞之间的部分填充有液态金属，利用液态金属分别与两侧的导电环接触导电以将电流连通；中间管位于两个活塞之间的部分上还安装有外凸管，外凸管打开后中间管内的液态金属流出；

所述侧端环可圆周转动地套装在灭弧管外且与对应的灭弧管、对应的断路支板可圆周转动装配，所述侧端环上安装有侧端推环，所述侧端推环上设置有侧端推环斜面；所述接电柱的另一端穿出端塞且与轴移套装配；轴移套上设置有与侧端推环斜面贴合的轴移套斜面。

作为本发明的进一步改进，所述底座上安装有两块断路支板，两块断路支板上分别安装有对应的辅助压板，断路支板和与之对应的辅助压板分别夹紧在断路模块的两端处以安装断路模块。

作为本发明的进一步改进，所述外凸管面向中间管内部的一端上设置有密封端面，所述外凸管外套装有外凸管环；所述外凸管内侧与开关管密封且可滑动装配，所述开关管的一端装入中间管内且与密封台装配，所述密封台的端面与密封端面之间安装有密封圈，所述密封台将密封圈向密封端面挤压以实现密封；

所述开关管内部为中空的开关管孔，开关管靠近密封台的一端上设置有贯穿的导流槽，所述导流槽与开关管孔连通；

所述开关管的另一端穿出外凸管后与开关管环装配，所述外凸管环与开关管环之间安装有密封弹簧，所述密封弹簧对开关管施加远离中间管的推力，以使得密封台将密封圈向密封端面挤压以实现密封。

作为本发明的进一步改进，所灭弧管具有磁性，所述灭弧管的内壁、外壁上分别设置有灭弧管内槽、灭弧管凸起；所述接电柱环与灭弧管内槽卡合且滑动装配，所述导电座外安装有导电座环，所述导电座环与灭弧管内槽卡合且滑动装配，所述第二切断弹簧对活塞施加远离内塞的推力。

作为本发明的进一步改进，所述开关管环安装在上抬架上，所述上抬架上安装有两块上抬架板，所述上抬架板上设置有上抬凸块，所述上抬凸块压紧在对应上抬环的内侧壁上，所述上抬环的内侧安装有上抬弧块，两个上抬环之间通过上抬环杆连接装配，所述上抬弧块内设置有上抬弧面，所述上抬弧面的两端与上抬环轴线的间距不同，上抬弧面靠近上抬凸块一端距离上抬环轴线的间距大于上抬弧面远离上抬凸块一端距离上抬环轴线的间距；上抬环通过侧端连杆与侧端环装配。

作为本发明的进一步改进，在上抬环上安装有外齿环，所述外齿环与外齿条啮合传动，所述外齿条卡合且滑动安装在动力架上，所述动力架安装在底座上，所述外齿条一端穿过底座后与连接板装配，所述连接板与内轴的一端装配，所述内轴的另一端套装第一外驱弹簧后穿过外轴管且与外轴管可轴向滑动装配，所述外轴管穿过外驱电磁铁的中空轴且与之不可相对轴向移动装配，所述外驱电磁铁安装在底座上。

作为本发明的进一步改进，所述外轴管远离连接板的一端上安装有锁座，所述内轴与锁座对应处设置有内轴环槽；所述锁座上分别设置有锁座轴孔、锁座锁槽，所述外轴管装入锁座轴孔内且与之装配固定，所述内轴环槽的内端面与锁块卡合装配以使得内轴不能相对于外轴管向连接板方向移动；所述锁块安装在锁轴的一端上且锁块滑动安装在锁座锁槽内，所述锁轴的另一端套装第二外驱弹簧后穿过锁座、上锁电磁铁的上锁电磁铁轴，所述内轴与上锁电磁铁轴不可相对轴向移动装配，所述第二外驱弹簧对锁块施加向内轴推动的弹力。

作为本发明的进一步改进，所述锁轴的另一端套装第二外驱弹簧后穿过锁座、上锁电磁铁的上锁电磁铁轴后装入热感器的热感器腔内；所述内轴装入热感器腔的一端与第三外驱弹簧的一端装配，所述第三外驱弹簧的另一端与热感器腔的内壁装配固定，所述热感器上还安装有导热块，所述导热块贯穿热感器且与热感器腔连通，所述热感器腔内填充有导热油，所述第三外驱弹簧为记忆弹簧。

作为本发明的进一步改进，上锁电磁铁、锁座、热感器均安装在滑架上，所述滑架上设置有滑架滑块，所述滑架滑块卡装入动力架滑槽内且与之卡合、滑动装配，所述动力架滑槽设置在动力架上，滑架与外轴管装配固定；所述上锁电磁铁通过弹簧线供电，所述弹簧线的两端分别安装在滑架、动力架上；

所述底座上安装有直流互感器，所述直流互感器套装在接电柱外，直流互感器输出的电信号接入上锁电磁铁驱动器的控制端，上锁电磁铁通过上锁电磁驱动器驱动，上锁电磁铁通过车载电源供电。

作为本发明的进一步改进，电动汽车快速断路装置还包括存储瓶、外接环，所述外接环安装在底座上，开关管穿过外接环且与之密封、滑动装配；所述存储瓶内安装有引流管且存储瓶内部为中空的存储腔，所述引流管一端进入存储腔且靠近其封闭端、另一端安装在存储瓶的瓶口处；所述存储瓶的瓶口装入外接环内且与之密封装配，所述开关管部分装入引流管内且与之滑动装配；

所述存储腔靠近存储瓶的瓶口的一端与负压管的一端连通，所述负压管的另一端装入负压通道内且与之密封装配，所述负压通道设置在负压座上，所述负压通道与瓶座孔连通，所述瓶座孔设置在瓶座上，所述瓶座上还设置有放置槽，所述放置槽与负压瓶卡合装配，负压瓶内部与放置槽连通，且负压瓶内部为负压或真空状态；

所述瓶座安装在负压座上，瓶座、负压座上还设置有球槽，所述瓶座孔、负压通道分别与球槽连通，所述球槽内密封安装有球体，球体上设置有贯穿的导通孔且球体与阀杆的一端装配，阀杆的另一端穿出瓶座或负压座后与内齿轮，内齿轮与内齿条啮合传动，内齿条安装在外齿条上，内齿条上设置有连接板。

本发明的有益效果是：

本发明采用液态金属作为中间导体，在需要切断电流时首先是接电柱与导电座小距离分离以临时切断电流，然后排出液态金属以快速增加接电柱与导电座的间距、清除两个导电环之间的导体以进一步稳固断路状态，从而获得电流的稳定切断。而先断开接电柱与导电座的方式可以有效降低液态金属输出时的电弧，从而降低液态金属的消耗以及中间管部分的要求。在后续维修时只需要将液态金属加压送回中间管即可，维修起来十分方便且几乎没有损耗件，因此成本也比较低。另外本发明还采用存储瓶存储输出的液态金属，从而可以避免液态金属的浪费，进一步降低损耗。同时可以对存储瓶接入负压，然后通过负压快速抽吸液态金属，以加快液态金属的吸入，从而加快电流的切断以及使得断路状态快速稳固保持。

附图说明

图1-图4是本发明的结构示意图；

图5是接电轴110轴线所在中心面处剖视图；

图6是图5中A处放大图；

图7是阀杆轴线所在中心面处剖视图；

图8是内轴510轴线所在中心面处剖视图；

图9是图8中B处放大图；

图10是热感器370、上锁电磁铁360、锁座380处结构示意图；

图11是外齿条420、外驱电磁铁350、热感器370、上锁电磁铁360、锁座380处结构示意图；

图12是断路模块100处部分结构示意图；

图13-图14是断路模块100处爆炸图；

图15是上抬架660处结构示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图15，本实施例的电动汽车快速断路装置，包括断路模块100、底座210，所述底座210上安装有两块断路支板240，两块断路支板240上分别安装有对应的辅助压板241，断路支板240和与之对应的辅助压板241分别夹紧在断路模块100的两端处以安装断路模块100。

所述断路模块100包括两个接电组件、中间管140，两个接电组件分别与中间管140的两端装配，所述接电组件包括接电柱110、导电柱120、灭弧管160，所述中间管140的两端分别与对应的灭弧管160密封装配，灭弧管160具有磁性；所述灭弧管160远离中间管140的一端上安装有端塞161，所述灭弧管160的内壁、外壁上分别设置有灭弧管内槽163、灭弧管凸起162；所述中间管140与灭弧管160装配的一端上安装有内塞141，所述中间管140与活塞150密封且滑动装配，所述活塞150安装在导电柱120的一端上，且活塞150上安装有导电环123，导电环123与导电柱120导电连接；所述导电柱120的另一端套装第二切断弹簧172、穿过内塞141后与导电座122装配，所述导电座122外安装有导电座环121，所述导电座环121与灭弧管内槽163卡合且滑动装配，所述第二切断弹簧172对活塞150施加远离内塞141的推力。

所述导电座122上设置有半球槽1221，所述半球槽1221与半球端111卡合装配，所述半球端111设置在接电柱110的一端上，所述接电柱110的另一端穿出端塞161；所述接电柱110设置有半球端111的一端上安装有接电柱环112，所述接电柱环112与灭弧管内槽163卡合且滑动装配；所述接电柱110位于接电柱环112和端塞161之间的部分上套装有第一切断弹簧171，所述第一切断弹簧171对接电柱110施加向导电座122推动的推力以确保半球端111与半球槽1221压紧导电。优选地，所述半球端111与半球槽1221之间还填充有导电膏，所述导电膏用于增加半球端111与半球槽1221的导电面积和性能。

中间管140位于两个活塞150之间的部分填充有液态金属，利用液态金属分别与两侧的导电环123接触导电以将电流连通。

中间管140位于两个活塞150之间的部分上还安装有外凸管142，所述外凸管142面向中间管140内部的一端上设置有密封端面144，所述外凸管142外套装有外凸管环143；所述外凸管142内侧与开关管610密封且可滑动装配，所述开关管610的一端装入中间管140内且与密封台620装配，所述密封台620的端面与密封端面144之间安装有密封圈630，所述密封台620将密封圈630向密封端面144挤压以实现密封。

所述开关管610内部为中空的开关管孔612，开关管610靠近密封台620的一端上设置有贯穿的导流槽611，所述导流槽611与开关管孔612连通。所述开关管610的另一端穿出外凸管142后与开关管环640装配，所述外凸管环143与开关管环640之间安装有密封弹簧650，所述密封弹簧650对开关管610施加远离中间管140的推力，以使得密封台620将密封圈630向密封端面144挤压以实现密封。优选地，所述外凸管环143与开关管环640的外部套装有弹性套670，所述弹性套670具有柔性和伸缩弹性。使用时开关管环640相对于外凸管环143移动可以通过弹性套670变形灵活适应。

所述开关管环640安装在上抬架660上，所述上抬架660上安装有两块上抬架板661，所述上抬架板661上设置有上抬凸块662。所述上抬凸块662压紧在对应上抬环190的内侧壁上，所述上抬环190的内侧安装有上抬弧块192，两个上抬环190之间通过上抬环杆191连接装配，所述上抬弧块192内设置有上抬弧面1921，所述上抬弧面1921的两端与上抬环190轴线的间距不同，上抬弧面1921靠近上抬凸块662一端距离上抬环190轴线的间距大于上抬弧面1921远离上抬凸块662一端距离上抬环190轴线的间距。这种设计使得上抬环190转动（图7向有转动、逆时针）时，可以带动上抬弧面1921距离上抬环190轴线的间距较大端逐渐与上抬凸块662，从而带动上抬架660向密封台620移动，使得导流槽611进入中间管140内以将中间管140内的液态金属引入开关管孔612内输出，使得中间管140内部中空而丧失导电能力，实现断路。

优选地，上抬环190通过侧端连杆181与侧端环180装配，所述侧端环180可圆周转动地套装在灭弧管160外且与对应的灭弧管160、对应的断路支板240可圆周转动装配，所述侧端环180上安装有侧端推环182，所述侧端推环182上设置有侧端推环斜面1821；所述接电柱110的另一端穿出端塞161且与轴移套130装配；轴移套130上设置有与侧端推环斜面1821贴合的轴移套斜面131。所述上抬环190转动时会带动侧端环180转动，侧端环180带动侧端推环182转动，侧端推环182通过侧端推环斜面1821与轴移套斜面131配合推动轴移套130、接电柱110远离中间管140移动，也就使得接电柱110克服第一切断弹簧171的弹力远离导电座122移动，从而使得半球端111、半球槽1221分离以切断导电柱120与接电柱110的电流。而这个过程中产生的电弧通过灭弧管160的磁性拉向灭弧管160，并通过灭弧管内槽163分割、快速熄灭，而灭弧管160的热量通过灭弧管凸起162散发。

上抬环190转动时还驱使上抬架660向中间管140移动，从而使得导流槽611进入中间管140内，此时通过第二切断弹簧172对活塞150施加的挤压力就能快速将液态金属推入开关管孔612排出，从而快速增加接电柱110与导电座120的间距，也就进一步确保断路的稳定，同时在液态金属排出后，两个导电环123之间的导体缺失，从而使得两个导电环123之间形成更加稳定的断路。本实施例采用先小距离断开半球端111、半球槽1221在排出液态金属可以有效防止液态金属通电流动时产生电弧，从而影响使用及切断模块的寿命。而后续逐渐增加半球端111、半球槽1221的距离，清空两个导电环123之间的导体就更进一步确保断路的稳定。后续检修时首先反转上抬环190复位，使得侧端推环斜面1821与轴移套斜面131恢复贴合状态，再将液态金属从开关管610一端加压输入中间管140内以使得两个活塞150复位即可，维修非常方便，而且基本上没有损耗，维修成本也低，同时通过先断开一点距离逐渐增加断开距离的方式也能有效快速切断电流，然后保持断路状态。

参见图1、图8-图11，优选地，为了驱使上抬环190转动，本实施例还在上抬环190上安装有外齿环410，所述外齿环410与外齿条420啮合传动，所述外齿条420卡合且滑动安装在动力架250上，所述动力架250安装在底座210上，所述外齿条420一端穿过底座210后与连接板431装配，所述连接板431与内轴510的一端装配，所述内轴510的另一端套装第一外驱弹簧531后穿过外轴管520且与外轴管520可轴向滑动装配，所述外轴管520穿过外驱电磁铁350的中空轴且与之不可相对轴向移动装配，所述外驱电磁铁350安装在底座210上。

所述外轴管520远离连接板431的一端上安装有锁座380，所述内轴510与锁座380对应处设置有内轴环槽511；所述锁座380上分别设置有锁座轴孔381、锁座锁槽382，所述外轴管520装入锁座轴孔381内且与之装配固定，所述内轴环槽511的内端面与锁块550卡合装配以使得内轴510不能相对于外轴管520向连接板431方向移动；所述锁块550安装在锁轴540的一端上且锁块550滑动安装在锁座锁槽382内，所述锁轴540的另一端套装第二外驱弹簧532后穿过锁座380、上锁电磁铁360的上锁电磁铁轴361（中空）后装入热感器370的热感器腔371内，所述第二外驱弹簧532对锁块550施加向内轴510推动的弹力，所述内轴510与上锁电磁铁轴361不可相对轴向移动装配，所述内轴510装入热感器腔371的一端与第三外驱弹簧533的一端装配，所述第三外驱弹簧533的另一端与热感器腔371的内壁装配固定，所述热感器370上还安装有导热块372，所述导热块372贯穿热感器370且与热感器腔371连通，所述热感器腔371内填充有导热油，所述第三外驱弹簧533为记忆弹簧，其在80-90℃左右收缩。使用时导热块372将热量引入热感器腔371加热导热油，导热油加热第三外驱弹簧533，一旦达到第三外驱弹簧533收缩温度时第三外驱弹簧533收缩从而带动锁轴540克服第二外驱弹簧532的弹力携带锁块540逐渐退出内轴环槽511，此时内轴510在第一外驱弹簧531的弹力下相对于外轴管520移动，从而驱使连接板431（外齿条420）移动，也就带动外齿环410转动、上抬环190转动，从而实现导流槽611进入中间管140内、接电柱110远离导电座122移动短路。而上锁电磁铁360启动后能够驱使上锁电磁铁轴361远离锁座380移动，从而将锁块540拉出内轴环槽511。

优选地，上锁电磁铁360、锁座380、热感器370均安装在滑架260上，所述滑架260上设置有滑架滑块261，所述滑架滑块261卡装入动力架滑槽251内且与之卡合、滑动装配，所述动力架滑槽251设置在动力架250上，滑架260与外轴管520装配固定。这种设计主要为上锁电磁铁360、锁座380、热感器370与外轴管520装配固定且随着外轴管520稳定滑动。

优选地，所述上锁电磁铁360通过弹簧线301供电，所述弹簧线301的两端分别安装在滑架260、动力架250上，使用时利用弹簧线301的伸缩弹性灵活适应外轴管520的轴向移动。

优选地，所述底座210上安装有直流互感器340，所述直流互感器340套装在接电柱110外，直流互感器340输出的电信号接入上锁电磁驱动器，上锁电磁铁360通过上锁电磁驱动器驱动。使用时，利用直流互感器340探测接电柱110的电流值，且接电柱110的电流突然剧烈增加时直流互感器340输出的电流值也增加。一旦电流值达到预设阈值时，直流互感器340向上锁电磁铁输入信号，上锁电磁铁驱使上锁电磁铁轴361远离锁块移动从而实现自动启动。当然也可以通过工控机向上锁电磁驱动器发送控制信号，利用上锁电磁驱动器驱使上锁电磁铁轴361移动。

需要断路时，可以启动外驱电磁铁350，外驱电磁铁350驱使外轴管520向连接板431移动，使得外齿条420移动以驱使上抬环190转动，实现切断模块的电流切断。而控制线路故障或来不及反应室，通过第三外驱弹簧533、上锁电磁铁360驱使锁轴移动，利用第一外驱弹簧531的弹力驱使内轴510以驱使外齿条420移动以驱使上抬环190转动也可。这就有两套驱动方式，三种驱动条件，因此具有较高的安全性。

优选地，由于液态金属比较贵，直接排出遗弃会造成较高的成本和污染，因此本实施例还增加了存储瓶310、外接环680，所述外接环680安装在底座210上，开关管610穿过外接环680且与之密封、滑动装配；所述存储瓶310内安装有引流管312且存储瓶310内部为中空的存储腔311，所述引流管312一端进入存储腔311且靠近其封闭端、另一端安装在存储瓶310的瓶口处；所述存储瓶310的瓶口装入外接环680内且与之密封装配，所述开关管610部分装入引流管312内且与之滑动装配。使用时，输出的液态金属进入开关管610，通过引流管312引入存储腔311内存储。

优选地，为了增加液态金属流入存储腔311的流量以加快断电，本实施例可以将存储腔311设置为负压状态以利用负压抽吸液态金属。

优选地，由于存储腔311要始终保持负压，对整个装置的气密性要求偏高，从成本上来看不划算，因此本实施例进行了如下改进：

所述存储腔311靠近存储瓶310的瓶口的一端与负压管222的一端连通，所述负压管222的另一端装入负压通道221内且与之密封装配，所述负压通道221设置在负压座220上，所述负压通道221与瓶座孔232连通，所述瓶座孔232设置在瓶座230上，所述瓶座230上还设置有放置槽231，所述放置槽231与负压瓶320卡合装配，负压瓶320内部与放置槽231连通，且负压瓶320内部为负压或真空状态。所述瓶座230安装在负压座220上，瓶座230、负压座220上还设置有球槽201，所述瓶座孔232、负压通道221分别与球槽201连通，所述球槽201内密封安装有球体330，球体330上设置有导通孔331且球体330与阀杆332的一端装配，阀杆332的另一端穿出瓶座230或负压座220后与内齿轮440，内齿轮440与内齿条430啮合传动，内齿条430安装在外齿条420上，内齿条430上设置有连接板431。

连接板431移动时内齿条430会同步移动，从而带动内齿轮440转动，内齿轮440带动球体330转动以使得导通孔331逐渐转动至与瓶座孔232、负压通道221连通，此时瓶座230的负压引入存储腔311内以抽吸液态金属。这种设计利用球体330、球槽201形成球阀，可以在不需要负压时将负压瓶320内的负压与存储腔311切断，从而保证负压瓶320内负压的长期保持以及降低对整个装置的气密性要求。而使用时，利用外齿条420的移动实现联动，从而按需、及时地向存储腔311接入负压以加快电流的切断，不仅更加安全还简单实用。

优选地，所述底座210上安装有底座壳211，所述底座壳211将存储瓶310、负压瓶320、瓶座230、负压座220罩在其内部。检修时直接拆除底座壳211即可（图2状态到图3状态），十分方便。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。