專利名稱：電動汽車快速恢復能源存儲的裝置及操作方法
技術領域：
本發明涉及電動汽車補充能源恢復電能存儲的裝置及操作方法。
背景技術：
為了緩解石油資源的不足，保證國家能源安全，保持經濟的可持續發展，以及保持環境等諸多重大課題的解決，對于電動汽車的研究，正在全世界范圍內加速進行，并且已經取得了長足的進展。也可以說電動汽車進入市場已經為期不遠了。因此，如何為電動汽車補充能源，如何為電動汽車恢復已消耗的能源存儲，也就必然提上了議事日程。
對于傳統的燃油汽車來講，要補充能源，恢復汽車的能源存儲是非常簡單快捷的。在加油站用5-10分鐘的時間把油箱加滿也就補充了汽車的能源，恢復了汽車的能源存儲。對于以蓄電池為能量存儲裝置的電動汽車來講，情況就不那么簡單了。也曾有人研究快速充電的辦法，并且提出了許多有益的方案，但實施起來的困難很大。以存儲能量較少的小型車為例。其能量存儲一般為24-30KW·H，如果要在10分鐘內完成充電，單個電動車所需的工作電流將在400A左右，如果要在5分鐘內完成充電，工作電流將高達800A。對于這樣大的工作電流，無論在蓄電池充電設備、供電電源方面都會有很大的困難。也有人提出用更換電池的方法來解決能源恢復的問題。以鉛酸電池為例，一般的蓄電池的電壓是12V，如果整車電源組的電壓為U＝300V，必須將25只80A·H的電池串聯起來。如果要在5-10分鐘內，將總重量為550-600Kg的25只電池拆裝一遍，并完成可靠的導線連接，將是十分困難的事。因此，在電動汽車投入市場以前，解決電動汽車的能源補充，快速恢復電動汽車的能源存儲就成為當務之急了，有必要提供一種新的裝置、新的方法來克服上述不足。
發明內容
本發明的目的在于，克服上述現有的快速充電和更換蓄電池的缺陷，提供一種新的補充能源，恢復能源存儲的裝置和方法。
本發明的目的可通過如下技術方案實現，技術方案分兩部分第一部分是電動車在快速更換電池方面的裝置及其相關設施第二部分是實施快速更換的操作方法。
第一部分一種快速更換蓄電池的裝置，其至少包括規范化的電源單元或組合式的電源單元、快速接線裝置、快速緊固裝置、電池移動滑軌、蓄電池運送小車以及電動車定位裝置。
首先本發明所要用的蓄電池是規范化的，這里所講的規范化是指具有統一的外形和尺寸，適用于電動車的總體布置，更為重要的是作為一種標準模塊，可適用于快速更換系統，并能與其它相關的設施相匹配。首選的蓄電池是高電壓動力蓄電池作為電源單元，其單個蓄電池的電壓即為電源系統的電壓。有關高電壓動力蓄電池的情況，詳見專利申請號03153213.6和02158598.9及國際專利PTC/CN03/01117。也可以采用常規的蓄電池(例如U＝12V)，多個蓄電池串聯的方式構成的組合式電源單元，電源單元或組合式電源單元的底部，粘有抗磨、低阻的塑料條，同時形成楔形定位，可以在滑軌上平順地滑動。電源單元或組合式電源單元的兩端均設置有快速接線的接線端子。
對于高電壓動力型蓄電池而言，由于蓄電池的電壓即為整車電源組的電壓，因此多個電源單元的連接是采用并聯的方式，提高電源組的容量。這種連接方式不僅可提高電源組的可靠性，對于鋰電池來講，由于減小了單個電池的容量，可以提高其安全性，可避免因充、放電電流過大而引起爆炸。對于常規電池而言，用的是組合式電源單元，是由二個或二個以上的蓄電池串聯而成的，其電壓為U1＝n1·U。，式中U1-電池組電壓；n-蓄電池個數；U。-蓄電池電壓；其容量可以是電源組的容量，采用的連接方式是串聯以提高電源組的電壓。整車電源組是由二個或二個以上的組合式電源單元構成的，電源組的電壓為U＝n·V1式中U——電源組電壓；n——構成電源組的電池組數；V1-電池組的電壓。對于大型電動車來說，電源系統需要的容量較大，單個電池組的容量不能滿足整車的供電需求，除了將電池組串聯起來以提高其電源組的容量，還需要將二個或二個以上的電源組進行并聯。
進一步，本發明所采用的蓄電池移動滑軌，是固定于車身電源艙底部的抗磨低阻的塑料型材制成的。每一組電源單元(或組合式電源單元)下設二條滑軌，滑軌表面與電源單元(或組合式電源單元)密切貼合，以支承蓄電池的重量，并傳遞到車身上去，特別是電動車行駛在非平坦路面上時，在滑軌的支承及緊固裝置的作用下，蓄電池與車身形成整體，而不會因為震動對蓄電池或其它設施造成損壞；二條滑軌形成的定位槽使電源單元(或組合式電源單元)能精確定位，當電源單元(或組合式電源單元)處于設定位置時，其前端的接線端子，能與車上的接線口精確結合，而后端的接線端子能與壓緊臂上設置的接線口相接合；在更換蓄電池時，電動車被提升至設定高度，當運送小車前端的定位肖插入電動車上的定位孔時，電動車上的滑軌即可與運送小車上的滑軌精確接軌，電動車上的電源單元(或組合式電源單元)即可平順地拉出到運送車上，或者是將運送車上的蓄電池平順地推送到電動車的電源艙中。
第二部分有關電動汽車蓄電池快速更換的操作方法。
本發明所提供的方法不是現場充電，而是快速更換蓄電池，快速恢復電動汽車的電能存儲，其具體操作方法是1、用戶在購車時只購買蓄電池的使用權，而不購買所有權。用戶在行車過程中消耗的是電能，蓄電池只是電能的載體，在使用過程中會逐漸損壞。因此用戶只需支付消耗電能的費用以及輪換蓄電池的折舊費。因此本發明采用的方法是刷卡消費的辦法，購電行車，無電充值，電池循環使用。用戶在購車時的操作程序是這樣的購車的同時購得蓄電池的使用權，售車點則將車主及車的基本情況登錄建檔，隨后車主則到蓄電池供應站購電，并取得用電卡，在用電卡上則載有購電量、費用及所裝蓄電池的情況，用戶取得用電卡后，插入車上的讀卡器，即可行車。
在蓄電池的存儲電量耗盡時，用戶將電動汽車開到充電站，其操作程序是從車上取下用電卡，將卡插入充電站的讀卡器，檢查車主及車的基本情況，檢查車上裝備的蓄電池的情況以及用電卡購電量的情況，如果一切正常，則可立即更換電池，這個過程非常快捷，可以在5-10分鐘內完成，可與燃油汽車的加油相類似。如果購買的電量已不足以應用則需對用電卡充值后方可更換電池。
2、充電站的工作流程及操作方法是這樣的通過讀卡器檢查用戶及車的基本情況及蓄電池的情況，如果情況正常而且用電卡上的存電量還可供繼續使用，則將車上的蓄電池卸下，更換上已充過電的電池，同時對拆下的電池進行檢查，如果技術狀況正常，則可送到充電車間進行充電，充電完成后還需對蓄電池進行充電后的檢查，如果符合標準則可送到庫房，準備裝車使用，如電量不足，則需二次充電，如技術狀況達不到要求，則送入廢品庫，由蓄電池生產廠回收。
充電站的充電過程是在專業技術人員指導下進行的，可以保證充電的質量，可以避免因操作不當，導致對電池的損壞，甚至發生事故。同時充電的時間可選擇在電網用電的波谷期間，不僅可降低電費，還可充分利用電力，變閑置能源為有用。
3、對于經營充電站的公司來講，為了保證在電動汽車運營的范圍內，電動車的能源供應能得到保證。充電站的服務范圍應該不大于10KM。為保證對蓄電池流轉情況的監控，必需對電動車運營區域內所有充電站進行聯網，對于每一個充電站的情況都能通過網絡進行監控。
4、對于蓄電池生產廠家，它所生產的蓄電池應該是符合規范化的電源單元，或者是組合式電源單元，能夠適應電動車的安裝要求，在新車銷售點的蓄電池供應站或者是充電站，均可順利地將電源單元或組合式電源單元安裝到電動車上。對于在使用過程中性能下降，達不到技術標準的蓄電池，蓄電池生產廠家及時回收，并向充電站供應新的蓄電池，以滿足充電站循環使用的要求。這樣的操作方法將可有效地避免廢舊電池流失到社會上去，對環境造成污染。因此，即使是使用鉛酸電池也不會對環境造成污染。
本發明的效果是顯著的由于采用了規范化蓄電池，并設計了相關設施，解決了蓄電池快速更換的裝置及相關設施(1)、統一了電源單元或組合式電源單元的外形和尺寸；(2)在電動汽車的電源艙中和運送小車上均設置了蓄電池移動滑軌，在電源單元底部的相當部位形成楔形定位及耐磨減阻的塑料條；(3)、在電源單元或組合式電源單元的前后端，均設置可靠的能快速連接的接線端子，以及在電源艙中的相當位置及后壓緊臂上，均設置有接線口；(4)、可靠的便于快速拆卸的壓緊裝置；(5)、保證整車處于設定高度的提升裝置；(6)、能與整車精確對接的電池運送小車，使蓄電池的更換速度大大提高，可以在5-10分鐘內完成整車蓄電池的更換。與傳統的燃油汽車加油相比可以相當或更快捷。
2、可以將電池的充電時間放置在夜晚的用電波谷，發掘了原本難于利用的閑置電能，國家不必另行修建電廠，即可滿足大量電動車的能源供應，而不需向國外購買石油；對于充電站的經營公司來講，利用夜間用電的差價可以提高企業的效益；3、由于采用了蓄電池的所有權歸生產廠家的措施，有利于廢舊電池的回收，解決了蓄電池污染環境的難題。同時這項措施的推行由于減少了購置費用，而運營費用也沒有增加，還有利于用戶，可以減少用戶的消費；更有利于蓄電池生產廠家增加銷售量。
圖1、規范化的電源單元示意2、規范化的組合式電源單元示意3、電動車電源艙的電池布置示意4、裝卸蓄電池的示意5、用戶購車時的程序圖6、用戶更換蓄電池的工作程序圖7、充電站的工作程序圖號說明1-高電壓蓄電池；2-傳統蓄電池；3-接線端子；4-蓄電池接線柱；5-連接線；6-防磨塑料條；7-車身滑軌；8-接線口；9-電源系統連接線；10-壓緊臂；41-電動汽車電源艙；42-蓄電池運送小車；43-運送小車滑軌；
具體實施例方式如圖1所示，本發明所采用的高電壓動力型蓄電池，為首選的規范化的能源單元，圖2所示為規范化的組合式能源單元，其至少包括有規范化的能源單元或組合是的單元，其具有規范化的外形、尺寸，一方面可與電動車的電源艙的布置相匹配，同時底部外形所形成的楔形定位，以及附著其上的耐磨減阻的塑料條6；可以與電源艙底部設置的定位槽相配合，以保證電源單元或組合式電源單元能在電源艙中精確定位，可以保證能源單元的前接線端子3，可以與電源艙前部的接線口8接合，后端的接線端子12可以與設置在后壓緊臂10上的接線口13相接合；當更換電池時，電源單元或組合式電源單元通過滑軌7可以順利地將能源單元平順地滑移到運送小車42上，將蓄電池卸下，同時還可將運送小車42上的能源單元或組合單元平順地滑移到電動車電源艙41上。對于配置在每一輛電動車上的電源單元的數量，是根據電動車所需的電容量來確定的，在本實施例中，配置有四個能源單元，每個能源單元的電壓U1＝300V容量為18A·H，總容量為72A·H，比能量為50W.H/Kg。對于組合式能源單元來講，能源單元的數取決于電源組的電壓，在本實施例中，每個組合式單元由5個蓄電池組合串聯而成，再采用5個組合式電源單元串聯而成整車電源組。電源組的電壓U＝300V，容量為60A·H，在圖2中所示為組合電源單元的示意圖，圖中蓄電池2共5只，接線柱4通過連接線5與另一個蓄電池的接線柱4連接，整個組合式電源組通過串聯形成，電壓為U1＝60V，容量為60A·H。當5個組合單元完全到位時，整個電源組的電壓為U＝300V，由于常規電池的比能量較小，最大為45A·H，運行里程將會降低。在本實施例中采用高電壓電池的電源單元的數量為4個，前艙設3個電源單元，后艙設1個。而采用常規電池的組合式電源單元的數量為5個，前電源艙3個，后艙2個。以保證前軸負荷達到55％。
為了達到快速更換蓄電池的目的，能快速補充電動車的能源，形成一個社會保障系統，要建立充電站網絡，首先是建立運行區域網，每個充電站的服務半徑不大于10Km，在初始階段電動車只能在建有充電站的區域內運行，每個充電站場設置有充電設備及備用的蓄電池，所有的蓄電池均應規范化成電源單元或組合式電源單元的狀態，在電動車銷售點同時設置有蓄電池供應站。
當用戶購買電動車時，同時購買蓄電池的使用權，并購買用電卡，如圖5所示。蓄電池供應站的工作人員將為客戶建檔，存檔中應包括基本情況及使用情況二部分，基本情況主要有車主姓名、身份證號、駕駛證號、車型、車號等基本情況，而使用情況中應有購電量及費用，在費用中的50％為備用電池折舊費，同時并載有蓄電池的情況包括蓄電池的數量、生產廠家、出廠時間以及每個蓄電池的出廠號。蓄電池的類型是有用戶選定的，當蓄電池供應站將電池在電動汽車上按裝好，將用電卡交給用戶，插入電動車上的讀卡器，用戶即可行車用電。
當用戶行車至蓄電池存儲的電量將盡時，用戶即可將電動車行駛至附近的充電站，取出用電卡，插入讀卡器，當讀卡器顯示基本情況無誤，車上裝載的蓄電池與登載情況相符，同時用電卡上剩余的電費還夠使用，則將電動車停至設定地點，工作人員將電動車提升至設定高度，以避免在蓄電池移動過程中，重量變化，整車的高度發生變化，影響到電池的更換。同時將蓄電池運送小車42與電動車接軌，打開電源艙，松開緊固裝置10，拉出電源單元20或組合式單元21，送至充電間，同時由運送小車將充好電的電源單元或組合單元送來，與電動車接軌后，將電池推送到電動車的電源艙中，定位、鎖緊壓緊臂10。同時將新裝的蓄電池情況登錄在用電卡上。再將用電卡交給用戶，用戶即可插卡行車用電。整個過程可控制在5-10分鐘之內，如圖6所示。
充電站收到拆下的蓄電池后，應進一步檢查，如果蓄電池的技術狀況正常，則可對蓄電池進行充電，充電后將蓄電池送入庫房準備裝車使用。對于技術狀況達不到要求的蓄電池，則退入廢舊電池庫，通知生產廠家取回，如圖7所示。由于充電站充電的時間可選擇在夜間的用電波谷期，這樣的好處是一方面可節省充電站的電費支出，更重要的是充分利用了電網的閑置電能，國家將可節省大量的外匯去購買不可再生的石油能源。
對于蓄電池生產廠家，其工作過程是將專用的電動車動力電池生產出來后，一部分送到電動汽車銷售奌的蓄電池供應站，供應站的電池用于裝新車，另一部分送充電站，是用于循環周轉的備用電池。費用的收取，在供應站是隨新車的售出，以電池使用權的方式收回，充電站則是通過折舊費的形式陸續收回。廢舊電池的回收是由充電站代理的，這樣就可以避免廢舊電池的流失而導致環境污染。
通過上述事例可以清楚地表明蓄電池快速更換裝置及其操作方法，將可給電動車快速補充能源，恢復電動車的能源，通過社會化的網絡保證，通過逐步的擴大范圍，將可使電動車的使用規模不斷擴大。
上述實施例為本發明的具體實施方式
，僅用于說明本發明，而非用于限制本發明。
權利要求
1.一種電動汽車的蓄電池快速更換裝置，其至少包括規范化的電源單元或組合式電源單元、電池移動滑軌、快速接線裝置、快速緊固裝置、電動車定位裝置及蓄電池運送小車。其特征在于，所述的電源單元是由高電壓動力蓄電池構成的，而組合式動力單元是由傳統的動力蓄電池串聯組合而成的，規范化了的電源單元與組合式動力電源單元除了具有一致的外形、尺寸而外，在其底部與定位滑軌相對應的部位均設置有耐磨減阻的塑料條，并以楔形定位的形式置于滑軌上。在電源單元或組合式電源單元的前、后端，還設置有可快速連接的接線端子，可以與車身電源艙中及后壓緊臂上設置的接線口形成快速可靠的連接。電動汽車上所采用電源單元的數量是根據整車電源組所需的容量確定的，用并聯的方式連接以增加容量。而組合式電源單元的數量，是根據電源系統采用的電壓確定的，采用串聯的方式連接。
2.如權利要求1所述的電動汽車的蓄電池快速更換裝置，其特征在于，在整車電源艙底部設置有蓄電池移動滑軌，其上粘有減阻耐磨的塑料條，并形成定位槽，當電源單元或組合式電源單元處于設定位置時，可保證蓄電池的精確定位，在更換蓄電池時，可以平順地將電源單元或組合式電源單元拉出或推進。
3.如權利要求1所述的電動汽車的蓄電池快速更換裝置，其特征在于，電動汽車上設置有快速接線裝置，電源艙的頂端設置有與整車電源系統相連接的接線口，在后壓緊臂上也設置有與整車電源相連接的接線口，當電源單元或組合式電源單元處于設定位置時，電源單元或組合式電源單元的接線端子即可與電源艙中的接線口相連接，而當后壓緊臂處于壓緊狀態時，設置于壓緊臂上與整車電源相連的接線口，也與電源單元或組合式電源單元后端的接線端子相連接，不需要另行接線。
4.如權利要求1所述的電動汽車蓄電池快速更換裝置，其特征在于，電動汽車上設置有快速緊固裝置，在電源艙中設置有壓緊臂，當壓緊臂處于鎖緊狀態時，可以將電源單元或組合式電源單元牢固地與整車接合成整體，而后壓緊臂上還設置有與整體電源系統相連接的接線口，所有的壓緊臂均可快速的鎖緊或松解。
5.如權利要求1所述的電動汽車蓄電池快速更換裝置，其特征在于，設置有蓄電池運送小車，其底部設置有，蓄電池移動滑軌，滑軌上粘有減阻耐磨的塑料條，并形成定位槽與電源單元或組合式電源單元底部的楔形定位相對應。在運送小車的前部設有定位肖，可以與電動車上對應部位的定位孔相接，以保證運送小車上的滑軌，可以與電動汽車電源艙中的滑軌能精確接軌，以保證電源單元或組合式電源單元可以平順的滑出或推進。
6.如權利要求1所述的電動汽車蓄電池快速更換裝置，其特征在于，在充電站內設置有電動汽車定位裝置，可以將電動汽車快速地提升到設定高度。在更換蓄電池時，當運送蓄電池的小車上的定位肖插入到電動車的定位孔時，可以保證運送小車與電動車上的滑軌精確接軌，同時避免在電源單元或組合式電源單元在滑出或推進時，整車的重量發生變化，影響到整車高度發生變化，妨礙電源單元或組合式電源單元平順地滑出或推進。
7.一種電動汽車蓄電池快速更換的操作方法，其至少包括，用戶在購車時只購買蓄電池使用權，采用購電行車、刷卡消費的辦法；充電站更換電池，蓄電池周轉輪換，循環使用的辦法；在電動車運行范圍內建立充電站網絡的辦法；蓄電池廠在銷售蓄電池時分別采用銷售使用權、收取折舊費的辦法，以及廢舊電池定期回收的辦法。其特征在于，對于電動汽車的用戶其操作方法是(1)、用戶在購買新車時只購買蓄電池的使用權；(2)、付費購電及支付輪換電池的折舊費，采用刷卡消費的形式；(3)、當車上蓄電池的存儲電量耗盡時，將車開到附近充電站；(4)、將用電卡插入讀卡器卡，對車主、車號等基本情況以及蓄電池裝載情況進行檢驗，得到確認后，充電站即可以快速模式將舊蓄電池卸下，同時更換上充過電的蓄電池。
8.如權利要求7所述的電動汽車蓄電池快速更換的操作方法，其特征在于，充電站對于用戶的恢復能源存儲的要求，采用快速更換蓄電池的辦法(1)確認用戶的基本情況及蓄電池情況；(2)將車引導到指定位置，利用電動汽車定位裝置將電動車提升到設定高度；(3)將蓄電池運送小車的定位銷插入到電動車的定位孔中，使小車上的滑軌與電動車上的滑軌精確對接；(4)松開電動車上電源單元或組合式電源單元的壓緊臂；(5)將電源單元或組合式電源單元滑移到運送小車上，將卸下的舊電池送充電間充電；(6)將充好電的電源單元或組合式電源單元，通過蓄電池運送小車推進到電動車的電源艙中定位；(7)鎖緊壓緊臂；(8)放下電動車；(9)將新裝蓄電池的情況輸入用電卡中。快速更換蓄電池的步驟即告完成(10)對于所有從車上卸下的蓄電池進行檢查，對于技術狀況良好的蓄電池進行充電，準備循環使用，對于技術狀況達不到要求的蓄電池，則送廢舊蓄電池庫，由蓄電池廠回收處理。
9.如權利要求7所述的電動汽車蓄電池快速更換的操作方法，其特征在于，負責經營充電站的公司其操作方法是(1)在設置充電站時應根據電動車的運營區域設點；(2)充電站的最大服務半徑，應根據電動車在電源零存儲情況下，依靠蓄電池在停息后，恢復的剩余電量可運行的距離來確定，一般不大于10Km；(3)在同一運營區域內的充電站要形成網絡，對于區域內運營的電動車，以及車上裝載的蓄電池的情況，均可通過網絡達到資源共享。
10.如權利要求7所述的電動汽車蓄電池快速更換操作方法，其特征在于，蓄電池廠的操作方法是(1)在新車銷售點設置的蓄電池供應站，銷售蓄電池的使用權，而不賣所有權；(2)蓄電池廠向充電站提供周轉循環使用的蓄電池，并以折舊費的形式收費；(3)蓄電池生產廠家提供的電動車蓄電池必須是已經規范化的，其中包括首選的高電壓動力蓄電池要形成電源單元；傳統蓄電池要構成組合式電源單元；電源單元或組合式電源單元的外形、尺寸均應符合標準；電源單元或組合式電源單元的底部應設置抗磨減阻的塑料條，并形成楔形定位；在電源單元或組合式電源單元的前后端，均應設置可供快速連接的接線端子；(4)對于蓄電池的性能已達不到技術標準的蓄電池進行全面回收，不使流失到社會上形成環境污染。
全文摘要
一種新穎的電動汽車蓄電池快速更換的裝置及其操作方法，是涉及電動汽車恢復能源存儲的裝置及操作方法。采用規范化的電源單元或組合式電源單元以及相應的裝置，以適應蓄電池的快速更換。同時采用了用戶只購買蓄電池的使用權、刷卡消費、購電行車、無電充值以及建立充電站網絡，蓄電池周轉運行、循環使用，蓄電池廠根據電動車的要求提供規范化的電源單元或組合式電源單元，以及廢舊電池全面回收的辦法。該快速更換裝置及其操作方法可適用于各種電動汽車。
文檔編號B60S5/06GK1557659SQ20041003944
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月13日 優先權日2004年2月13日
發明者于耀慶, 于賓, 陳乃明 申請人:于耀慶