手动换电设备夹具结构分析

李艳芳

摘 要：目前，当电动汽车行驶一定里程，汽车内动力电池电量降低，进行电量补充分主要为充电和换电两大类模式。相比较于充电模式，换电模式是直接采取对车内电池进行快速更换，能够使电动汽车在相对较短的时间内得到电量补充。手动换电设备作为自动换电设备的重要备份，在电池的日常保养维护以及电池箱起火等紧急情况下发挥着不可替代的作用。手动换电设备夹具（后文简称夹具）作为在换电过程中承载固定电池箱的主要部件，研究其在特定工况下的应力和位移分布并优化刚度和强度薄弱部位十分重要。

关键词：手动换电设备;夹具结构

前言

电池不支持快充成为制约快速发展的瓶颈，在繁忙的网络中迅速的换电系统网络油然而生，这就需要相应的快速、自动、可靠的换电设备。由于土地资源在城市发展中日益紧张，因此一步式换电设备因占地面积小、结构紧凑，目前已经成为主要的换电模式。国内外针对电动汽车电池快速更换技术的研究主要集中在快换电池箱箱体、锁止机构和连接器上，对换电设备的结构仿真分析还较少。

一、手动换电设备

1.早期。两步式电池更换系统电池更换设备在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1 组、有轨巷道堆垛机1 台、机械手2台、摆渡穿梭车2 台及控制柜系统1 套。更换过程：有轨巷道堆垛机、机械手和摆渡穿梭车配合共同完成。其中，有轨巷道堆垛机和机械手各在电池架的一侧，穿梭车在电池架下方。有轨巷道堆垛机负责从电池架上取放电池，机械手负责从车上取放电池，而摆渡穿梭车位于电池架的下方，作为在两者之间传递电池的通道。三种设备互相配合，流水线操作，完成大巴车电池的更换。取放电池能力方面，堆垛机、机械手每次最多取放1 箱电池，穿梭车上有2 个电池位，用于堆垛机和机械手电池的交换。堆垛机、机械手都具有升降、沿轨道行走和取放电池三个方向动作，穿梭车只有沿轨道行走一个方向动作。

2.中期。一步式自旋转更换系统电池更换设备也是在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1 组、自旋转换电机器人1套。更换过程：自旋转换电机器人可独立完成整个换电过程。自旋转换电机器人可依次从电池架上和车上取电池，每次最多可以取4箱，取完后，除底座外，整体在水平方向旋转180°，然后依次把电池存入电池架上或装入电动大巴车内。取放电池能力方面，自旋转换电机器人每次最多可以同时取放4 箱电池，而且车上取下后，还可以继续从电池架上取，也就是说，换电机器人上最多可以同时有8箱电池。自旋转机器人具有升降、沿轨道行走、取放电池和水平方向旋转四个方向动作。

3.终期。一步式内旋转更换系统电池更换设备也是在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1 组、内旋转换电机器人1套。更换过程：内旋转换电机器人独立完成整个换电过程。内旋转换电机器人有两个取放电池格位，每个格位都可以独立旋转。内旋转机器人凭借这两个格位的取放电池和旋转，使电池得以从电池架和车辆之间更换。取放电池能力方面，内旋转换电机器人每次最多可以取放2 箱电池，即每次在车辆侧或者电池架侧，最多可以完成2箱电池的更换。内旋转机器人具有升降、沿轨道行走、取放电池和电池格位水平方向旋转四个方向动作。

二、手动换电设备夹具结构

1.行走单元采用四轮结构，两轮驱动形式，由车架、驱动轮、随动轮、控制柜、供电系统及驱动电机等组成。其中车架是行走单元主体，骨架的作用。车架采用型材焊接框架，电机减速机选择，主要是选择减速机的减速比，减速机输出扭矩，输出转数，以及电机扭矩和功率的确定，车架采用型材焊接，两侧行走轮安装面固定，举升安装面施加压力以及自重，然后进行分析。一步式换电设备整体完全组装完成后，插入式圆柱形吊耳插入侧面的4 个孔，利用吊带进行吊装，分析车体的强度和刚度。经过分析车架的强度和刚度，行走单元车架完全满足正常使用状态的要求，也完全满足设备在吊装时的要求，能够保证设备安全、稳定、可靠的运行。

2.夹具前处理。一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元模型，与多种软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。将简化后的几何模型以格式导入后，抽取各个部件的中面，并进一步进行几何清理，对各个部件进行必要的切分以改善模型的拓扑结构。切分完成后，进行分块网格划分，得到四边形单元和单元节点，夹具的不同零部件之间的网格是不连续的，因此需要模拟焊接、胶接或者螺栓连接等连接方式。提供了两种解决不同类型单元自由度不连续问题的方法，即节点耦合法与接触装配法。在此次分析中，使用节点耦合法来模拟部件之间的焊接，即在焊接位置使用单元将两个部件的单元节点耦合起来。

3.结构强度分析。夹具的最大变形出现在夹具两侧的中部，最大变形量这反映出夹具在方向上的刚度相对较差。最大应力出现在锁止机构盒处，此外中间梁加强筋、框架纵梁的应力也较大，但均未超出材料的屈服极限，因此满足设计要求。夹具前模态的振型主要表现为夹具台面的局部振动与夹具整体框架绕轴的弯曲、扭转。这再一次反映了夹具整体框架在方向上的刚度相对较差，同时，夹具台面中部的刚度也不理想，设计时应注意加强这两处的刚度。由最大变形出现的部位以及后来的模态分析夹具在方向上的刚度相对较差，因此，在后续的优化设计中可以适当增加框架横梁的数量或壁厚，以提高整体刚度。

4.一步式自旋转方案中，自旋转、行走和升降各需要伺服电机系统，取放电池需要伺服电机系统。一步式内旋转方案中，行走和升降各需要1 套伺服电机系统，取放电池和內旋转各需要2 套伺服电机系统，总计需要伺服电机系统。仅从电机系统看，一步式内旋转方案造价最低，加之其结构最简单，所需的传感器也最少，控制逻辑相对简单，软件和主控制器成本也更低。

结束语

由模态分析可以看出，夹具台面中部的局部刚度较差，因此，在后续的优化设计中可以适当布置一些加强筋，以提高台面中部的局部刚度。换电站一半选址位于城市交通枢纽附件或中心区域，因此换电设备的占地面积对换电站的选址及整体方案布置至关重要。另外，在土地成本日益高涨的今天，如果能减少换电设备的占地面积，能够大大提高项目整体经济性。

参考文献

[1]黄靖远，龚剑霞.机械设计学[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2]吴忠泽.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2018：131.

[3]刘鸿文.材料力学：上册[M].北京：高等教育出版社，2017.