电动汽车快速恢复能源存储的装置及操作方法 【技术领域】
本发明涉及电动汽车补充能源恢复电能存储的装置及操作方法。
背景技术
为了缓解石油资源的不足，保证国家能源安全，保持经济的可持续发展，以及保持环境等诸多重大课题的解决，对于电动汽车的研究，正在全世界范围内加速进行，并且已经取得了长足的进展。也可以说电动汽车进入市场已经为期不远了。因此，如何为电动汽车补充能源，如何为电动汽车恢复已消耗的能源存储，也就必然提上了议事日程。
对于传统的燃油汽车来讲，要补充能源，恢复汽车的能源存储是非常简单快捷的。在加油站用5-10分钟的时间把油箱加满也就补充了汽车的能源，恢复了汽车的能源存储。对于以蓄电池为能量存储装置地电动汽车来讲，情况就不那么简单了。也曾有人研究快速充电的办法，并且提出了许多有益的方案，但实施起来的困难很大。以存储能量较少的小型车为例。其能量存储一般为24-30KW·H，如果要在10分钟内完成充电，单个电动车所需的工作电流将在400A左右，如果要在5分钟内完成充电，工作电流将高达800A。对于这样大的工作电流，无论在蓄电池充电设备、供电电源方面都会有很大的困难。也有人提出用更换电池的方法来解决能源恢复的问题。以铅酸电池为例，一般的蓄电池的电压是12V，如果整车电源组的电压为U＝300V，必须将25只80A·H的电池串联起来。如果要在5-10分钟内，将总重量为550-600Kg的25只电池拆装一遍，并完成可靠的导线连接，将是十分困难的事。因此，在电动汽车投入市场以前，解决电动汽车的能源补充，快速恢复电动汽车的能源存储就成为当务之急了，有必要提供一种新的装置、新的方法来克服上述不足。
发明内容：
本发明的目的在于，克服上述现有的快速充电和更换蓄电池的缺陷，提供一种新的补充能源，恢复能源存储的装置和方法。
本发明的目的可通过如下技术方案实现，技术方案分两部分：第一部分是电动车在快速更换电池方面的装置及其相关设施：第二部分是实施快速更换的操作方法。
第一部分：一种快速更换蓄电池的装置，其至少包括规范化的电源单元或组合式的电源单元、快速接线装置、快速紧固装置、电池移动滑轨、蓄电池运送小车以及电动车定位装置。
首先本发明所要用的蓄电池是规范化的，这里所讲的规范化是指具有统一的外形和尺寸，适用于电动车的总体布置，更为重要的是作为一种标准模块，可适用于快速更换系统，并能与其它相关的设施相匹配。首选的蓄电池是高电压动力蓄电池作为电源单元，其单个蓄电池的电压即为电源系统的电压。有关高电压动力蓄电池的情况，详见专利申请号03153213.6和02158598.9及国际专利PTC/CN03/01117。也可以采用常规的蓄电池(例如U＝12V)，多个蓄电池串联的方式构成的组合式电源单元，电源单元或组合式电源单元的底部，粘有抗磨、低阻的塑料条，同时形成楔形定位，可以在滑轨上平顺地滑动。电源单元或组合式电源单元的两端均设置有快速接线的接线端子。
对于高电压动力型蓄电池而言，由于蓄电池的电压即为整车电源组的电压，因此多个电源单元的连接是采用并联的方式，提高电源组的容量。这种连接方式不仅可提高电源组的可靠性，对于锂电池来讲，由于减小了单个电池的容量，可以提高其安全性，可避免因充、放电电流过大而引起爆炸。对于常规电池而言，用的是组合式电源单元，是由二个或二个以上的蓄电池串联而成的，其电压为U1＝n1·U。，式中U1-电池组电压；n-蓄电池个数；U。-蓄电池电压；其容量可以是电源组的容量，采用的连接方式是串联以提高电源组的电压。整车电源组是由二个或二个以上的组合式电源单元构成的，电源组的电压为U＝n·V1式中：U——电源组电压；n——构成电源组的电池组数；V1-电池组的电压。对于大型电动车来说，电源系统需要的容量较大，单个电池组的容量不能满足整车的供电需求，除了将电池组串联起来以提高其电源组的容量，还需要将二个或二个以上的电源组进行并联。
进一步，本发明所采用的蓄电池移动滑轨，是固定于车身电源舱底部的抗磨低阻的塑料型材制成的。每一组电源单元(或组合式电源单元)下设二条滑轨，滑轨表面与电源单元(或组合式电源单元)密切贴合，以支承蓄电池的重量，并传递到车身上去，特别是电动车行驶在非平坦路面上时，在滑轨的支承及紧固装置的作用下，蓄电池与车身形成整体，而不会因为震动对蓄电池或其它设施造成损坏；二条滑轨形成的定位槽使电源单元(或组合式电源单元)能精确定位，当电源单元(或组合式电源单元)处于设定位置时，其前端的接线端子，能与车上的接线口精确结合，而后端的接线端子能与压紧臂上设置的接线口相接合；在更换蓄电池时，电动车被提升至设定高度，当运送小车前端的定位肖插入电动车上的定位孔时，电动车上的滑轨即可与运送小车上的滑轨精确接轨，电动车上的电源单元(或组合式电源单元)即可平顺地拉出到运送车上，或者是将运送车上的蓄电池平顺地推送到电动车的电源舱中。
第二部分：有关电动汽车蓄电池快速更换的操作方法。
本发明所提供的方法不是现场充电，而是快速更换蓄电池，快速恢复电动汽车的电能存储，其具体操作方法是：
1、用户在购车时只购买蓄电池的使用权，而不购买所有权。用户在行车过程中消耗的是电能，蓄电池只是电能的载体，在使用过程中会逐渐损坏。因此用户只需支付消耗电能的费用以及轮换蓄电池的折旧费。因此本发明采用的方法是刷卡消费的办法，购电行车，无电充值，电池循环使用。用户在购车时的操作程序是这样的：购车的同时购得蓄电池的使用权，售车点则将车主及车的基本情况登录建档，随后车主则到蓄电池供应站购电，并取得用电卡，在用电卡上则载有购电量、费用及所装蓄电池的情况，用户取得用电卡后，插入车上的读卡器，即可行车。
在蓄电池的存储电量耗尽时，用户将电动汽车开到充电站，其操作程序是：从车上取下用电卡，将卡插入充电站的读卡器，检查车主及车的基本情况，检查车上装备的蓄电池的情况以及用电卡购电量的情况，如果一切正常，则可立即更换电池，这个过程非常快捷，可以在5-10分钟内完成，可与燃油汽车的加油相类似。如果购买的电量已不足以应用则需对用电卡充值后方可更换电池。
2、充电站的工作流程及操作方法是这样的：通过读卡器检查用户及车的基本情况及蓄电池的情况，如果情况正常而且用电卡上的存电量还可供继续使用，则将车上的蓄电池卸下，更换上已充过电的电池，同时对拆下的电池进行检查，如果技术状况正常，则可送到充电车间进行充电，充电完成后还需对蓄电池进行充电后的检查，如果符合标准则可送到库房，准备装车使用，如电量不足，则需二次充电，如技术状况达不到要求，则送入废品库，由蓄电池生产厂回收。
充电站的充电过程是在专业技术人员指导下进行的，可以保证充电的质量，可以避免因操作不当，导致对电池的损坏，甚至发生事故。同时充电的时间可选择在电网用电的波谷期间，不仅可降低电费，还可充分利用电力，变闲置能源为有用。
3、对于经营充电站的公司来讲，为了保证在电动汽车运营的范围内，电动车的能源供应能得到保证。充电站的服务范围应该不大于10KM。为保证对蓄电池流转情况的监控，必需对电动车运营区域内所有充电站进行联网，对于每一个充电站的情况都能通过网络进行监控。
4、对于蓄电池生产厂家，它所生产的蓄电池应该是符合规范化的电源单元，或者是组合式电源单元，能够适应电动车的安装要求，在新车销售点的蓄电池供应站或者是充电站，均可顺利地将电源单元或组合式电源单元安装到电动车上。对于在使用过程中性能下降，达不到技术标准的蓄电池，蓄电池生产厂家及时回收，并向充电站供应新的蓄电池，以满足充电站循环使用的要求。这样的操作方法将可有效地避免废旧电池流失到社会上去，对环境造成污染。因此，即使是使用铅酸电池也不会对环境造成污染。
本发明的效果是显著的：
由于采用了规范化蓄电池，并设计了相关设施，解决了蓄电池快速更换的装置及相关设施
(1)、统一了电源单元或组合式电源单元的外形和尺寸；
(2)在电动汽车的电源舱中和运送小车上均设置了蓄电池移动滑轨，在电源单元底部的相当部位形成楔形定位及耐磨减阻的塑料条；
(3)、在电源单元或组合式电源单元的前后端，均设置可靠的能快速连接的接线端子，以及在电源舱中的相当位置及后压紧臂上，均设置有接线口；
(4)、可靠的便于快速拆卸的压紧装置；
(5)、保证整车处于设定高度的提升装置；
(6)、能与整车精确对接的电池运送小车，使蓄电池的更换速度大大提高，可以在5-10分钟内完成整车蓄电池的更换。与传统的燃油汽车加油相比可以相当或更快捷。
2、可以将电池的充电时间放置在夜晚的用电波谷，发掘了原本难于利用的闲置电能，国家不必另行修建电厂，即可满足大量电动车的能源供应，而不需向国外购买石油；对于充电站的经营公司来讲，利用夜间用电的差价可以提高企业的效益；
3、由于采用了蓄电池的所有权归生产厂家的措施，有利于废旧电池的回收，解决了蓄电池污染环境的难题。同时这项措施的推行由于减少了购置费用，而运营费用也没有增加，还有利于用户，可以减少用户的消费；更有利于蓄电池生产厂家增加销售量。
附图说明：
图1、规范化的电源单元示意图
图2、规范化的组合式电源单元示意图
图3、电动车电源舱的电池布置示意图
图4、装卸蓄电池的示意图
图5、用户购车时的程序
图6、用户更换蓄电池的工作程序
图7、充电站的工作程序
图号说明
1-高电压蓄电池；2-传统蓄电池；3-接线端子；4-蓄电池接线柱；5-连接线；6-防磨塑料条；7-车身滑轨；8-接线口；9-电源系统连接线；10-压紧臂；41-电动汽车电源舱；42-蓄电池运送小车；43-运送小车滑轨；
具体实施方式：
如图1所示，本发明所采用的高电压动力型蓄电池，为首选的规范化的能源单元，图2所示为规范化的组合式能源单元，其至少包括有：规范化的能源单元或组合是的单元，其具有规范化的外形、尺寸，一方面可与电动车的电源舱的布置相匹配，同时底部外形所形成的楔形定位，以及附着其上的耐磨减阻的塑料条6；可以与电源舱底部设置的定位槽相配合，以保证电源单元或组合式电源单元能在电源舱中精确定位，可以保证能源单元的前接线端子3，可以与电源舱前部的接线口8接合，后端的接线端子12可以与设置在后压紧臂10上的接线口13相接合；当更换电池时，电源单元或组合式电源单元通过滑轨7可以顺利地将能源单元平顺地滑移到运送小车42上，将蓄电池卸下，同时还可将运送小车42上的能源单元或组合单元平顺地滑移到电动车电源舱41上。对于配置在每一辆电动车上的电源单元的数量，是根据电动车所需的电容量来确定的，在本实施例中，配置有四个能源单元，每个能源单元的电压U1＝300V容量为18A·H，总容量为72A·H，比能量为50W.H/Kg。对于组合式能源单元来讲，能源单元的数取决于电源组的电压，在本实施例中，每个组合式单元由5个蓄电池组合串联而成，再采用5个组合式电源单元串联而成整车电源组。电源组的电压U＝300V，容量为60A·H，在图2中所示为组合电源单元的示意图，图中蓄电池2共5只，接线柱4通过连接线5与另一个蓄电池的接线柱4连接，整个组合式电源组通过串联形成，电压为U1＝60V，容量为60A·H。当5个组合单元完全到位时，整个电源组的电压为U＝300V，由于常规电池的比能量较小，最大为45A·H，运行里程将会降低。在本实施例中采用高电压电池的电源单元的数量为4个，前舱设3个电源单元，后舱设1个。而采用常规电池的组合式电源单元的数量为5个，前电源舱3个，后舱2个。以保证前轴负荷达到55％。
为了达到快速更换蓄电池的目的，能快速补充电动车的能源，形成一个社会保障系统，要建立充电站网络，首先是建立运行区域网，每个充电站的服务半径不大于10Km，在初始阶段电动车只能在建有充电站的区域内运行，每个充电站场设置有充电设备及备用的蓄电池，所有的蓄电池均应规范化成电源单元或组合式电源单元的状态，在电动车销售点同时设置有蓄电池供应站。
当用户购买电动车时，同时购买蓄电池的使用权，并购买用电卡，如图5所示。蓄电池供应站的工作人员将为客户建档，存档中应包括基本情况及使用情况二部分，基本情况主要有车主姓名、身份证号、驾驶证号、车型、车号等基本情况，而使用情况中应有购电量及费用，在费用中的50％为备用电池折旧费，同时并载有蓄电池的情况包括蓄电池的数量、生产厂家、出厂时间以及每个蓄电池的出厂号。蓄电池的类型是有用户选定的，当蓄电池供应站将电池在电动汽车上按装好，将用电卡交给用户，插入电动车上的读卡器，用户即可行车用电。
当用户行车至蓄电池存储的电量将尽时，用户即可将电动车行驶至附近的充电站，取出用电卡，插入读卡器，当读卡器显示基本情况无误，车上装载的蓄电池与登载情况相符，同时用电卡上剩余的电费还够使用，则将电动车停至设定地点，工作人员将电动车提升至设定高度，以避免在蓄电池移动过程中，重量变化，整车的高度发生变化，影响到电池的更换。同时将蓄电池运送小车42与电动车接轨，打开电源舱，松开紧固装置10，拉出电源单元20或组合式单元21，送至充电间，同时由运送小车将充好电的电源单元或组合单元送来，与电动车接轨后，将电池推送到电动车的电源舱中，定位、锁紧压紧臂10。同时将新装的蓄电池情况登录在用电卡上。再将用电卡交给用户，用户即可插卡行车用电。整个过程可控制在5-10分钟之内，如图6所示。
充电站收到拆下的蓄电池后，应进一步检查，如果蓄电池的技术状况正常，则可对蓄电池进行充电，充电后将蓄电池送入库房准备装车使用。对于技术状况达不到要求的蓄电池，则退入废旧电池库，通知生产厂家取回，如图7所示。由于充电站充电的时间可选择在夜间的用电波谷期，这样的好处是一方面可节省充电站的电费支出，更重要的是充分利用了电网的闲置电能，国家将可节省大量的外汇去购买不可再生的石油能源。
对于蓄电池生产厂家，其工作过程是将专用的电动车动力电池生产出来后，一部分送到电动汽车销售奌的蓄电池供应站，供应站的电池用于装新车，另一部分送充电站，是用于循环周转的备用电池。费用的收取，在供应站是随新车的售出，以电池使用权的方式收回，充电站则是通过折旧费的形式陆续收回。废旧电池的回收是由充电站代理的，这样就可以避免废旧电池的流失而导致环境污染。
通过上述事例可以清楚地表明蓄电池快速更换装置及其操作方法，将可给电动车快速补充能源，恢复电动车的能源，通过社会化的网络保证，通过逐步的扩大范围，将可使电动车的使用规模不断扩大。
上述实施例为本发明的具体实施方式，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。