電動(dòng)汽車換電站的完善與發(fā)展

摘 要：目前，當(dāng)電動(dòng)汽車行駛一定里程，汽車內(nèi)動(dòng)力電池電量降低，進(jìn)行電量補(bǔ)充分主要為充電和換電兩大類模式。相比較于充電模式，換電模式是直接采取對(duì)車內(nèi)電池進(jìn)行快速更換，能夠使電動(dòng)汽車在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得到電量補(bǔ)充。采用換電模式時(shí)，整個(gè)換電時(shí)間通常都在10分鐘以內(nèi)，而常規(guī)充電模式，根據(jù)充電電流倍率不同分快充慢充，一般需要30分鐘至3小時(shí)不等。換電完成后，車輛可以繼續(xù)行駛，對(duì)于需要長(zhǎng)途行駛或者持續(xù)性運(yùn)營(yíng)的車輛，換電模式相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)合適的多。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；換電站；發(fā)展

1 換電設(shè)備設(shè)計(jì)的變更和改善

1.1 兩步式電池更換系統(tǒng)（早期設(shè)計(jì)）

兩步式電池更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備在換電車輛兩側(cè)各一套，對(duì)稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1組、有軌巷道堆垛機(jī)1臺(tái)、機(jī)械手2臺(tái)、擺渡穿梭車2臺(tái)及控制柜系統(tǒng)1套。更換過(guò)程：有軌巷道堆垛機(jī)、機(jī)械手和擺渡穿梭車配合共同完成。其中，有軌巷道堆垛機(jī)和機(jī)械手各在電池架的一側(cè)，穿梭車在電池架下方。有軌巷道堆垛機(jī)負(fù)責(zé)從電池架上取放電池，機(jī)械手負(fù)責(zé)從車上取放電池，而擺渡穿梭車位于電池架的下方，作為在兩者之間傳遞電池的通道。三種設(shè)備互相配合，流水線操作，完成大巴車電池的更換。取放電池能力方面，堆垛機(jī)、機(jī)械手每次最多取放1箱電池，穿梭車上有2個(gè)電池位，用于堆垛機(jī)和機(jī)械手電池的交換。堆垛機(jī)、機(jī)械手都具有升降、沿軌道行走和取放電池三個(gè)方向動(dòng)作，穿梭車只有沿軌道行走一個(gè)方向動(dòng)作。

1.2 一步式自旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)（中期設(shè)計(jì)）

一步式自旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對(duì)稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1組、自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人1套。更換過(guò)程：自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人可獨(dú)立完成整個(gè)換電過(guò)程。自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人可依次從電池架上和車上取電池，每次最多可以取4箱，取完后，除底座外，整體在水平方向旋轉(zhuǎn)180°，然后依次把電池存入電池架上或裝入電動(dòng)大巴車內(nèi)。取放電池能力方面，自旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人每次最多可以同時(shí)取放4箱電池，而且車上取下后，還可以繼續(xù)從電池架上取，也就是說(shuō)，換電機(jī)器人上最多可以同時(shí)有8箱電池。自旋轉(zhuǎn)機(jī)器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和水平方向旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向動(dòng)作。

1.3 一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)（終期設(shè)計(jì)）

一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)更換系統(tǒng)電池更換設(shè)備也是在換電車輛兩側(cè)各一套，對(duì)稱布置，每套設(shè)備包括：電池架1組、內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人1套。更換過(guò)程：內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人獨(dú)立完成整個(gè)換電過(guò)程。內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人有兩個(gè)取放電池格位，每個(gè)格位都可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)器人憑借這兩個(gè)格位的取放電池和旋轉(zhuǎn)，使電池得以從電池架和車輛之間更換。取放電池能力方面，內(nèi)旋轉(zhuǎn)換電機(jī)器人每次最多可以取放2箱電池，即每次在車輛側(cè)或者電池架側(cè)，最多可以完成2箱電池的更換。內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和電池格位水平方向旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向動(dòng)作。

2 三種設(shè)計(jì)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

換電站主要目的是使電動(dòng)汽車快速得到電能的補(bǔ)充，最關(guān)心的主要有幾個(gè)要素：整體換電時(shí)間、設(shè)備占地面積、設(shè)備造價(jià)等。以下從換電時(shí)間、設(shè)備占地面積、設(shè)備造價(jià)等三方面進(jìn)行分析。

2.1換電效率

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)換電流程分析，以及換電設(shè)備行走、升降、取放電池速度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)算可得出三種設(shè)計(jì)需要換電時(shí)間，具體見(jiàn)表1。

原因分析如下：兩步式方案，需要三種設(shè)備之間互相配合，且堆垛機(jī)和機(jī)械手每次在電池架側(cè)或者車輛側(cè)都只能取放1箱電池，雖然單箱電池?fù)Q電時(shí)定位、取放速度都較快，但是整個(gè)換電過(guò)程步驟太多，流程復(fù)雜，按車輛單側(cè)電池有5箱（電動(dòng)大巴車單側(cè)典型電池箱數(shù)）算，需要設(shè)備完成完整的5個(gè)往返取放流程才能完成換電過(guò)程。測(cè)算總時(shí)間需要近10分鐘；一步式自旋轉(zhuǎn)方案，設(shè)備單次最多可以取放4箱電池，按車輛單側(cè)電池有5箱算，設(shè)備也只要在電池架和車輛之間往返取放2個(gè)流程即可完成換電過(guò)程。但是該設(shè)備設(shè)計(jì)一次抓取多箱電池，定位過(guò)程慢，設(shè)備抓取電池前需要通過(guò)多個(gè)傳感器協(xié)調(diào)配合，完成精確定位調(diào)整，耗時(shí)較多。相比早期方案，換電流程減少很多，測(cè)算總體換電時(shí)間在8分鐘左右；一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案，換電設(shè)備上有兩個(gè)電池取放格位，可獨(dú)立動(dòng)作，單箱取放電池，但是單次在電池架側(cè)和車輛側(cè)都可以完成2箱電池的更換。按車輛單側(cè)電池有5箱算，完成換電過(guò)程換電設(shè)備需往返取放3個(gè)流程。但是其兩個(gè)換電格位相互獨(dú)立，定位過(guò)程簡(jiǎn)單，取放速度快，單次測(cè)算時(shí)間僅需不到6分鐘。紅谷灘換電站目前已經(jīng)完成建設(shè)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，完成一次電動(dòng)大巴車換電，平均時(shí)間僅為5分53秒。

2.2 設(shè)備占地面積

換電站一半選址位于城市交通樞紐附件或中心區(qū)域，因此換電設(shè)備的占地面積對(duì)換電站的選址及整體方案布置至關(guān)重要。另外，在土地成本日益高漲的今天，如果能減少換電設(shè)備的占地面積，能夠大大提高項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性。

需要說(shuō)明的是，一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案雖然軌道需要17.61m，如果按此長(zhǎng)度計(jì)算的話，占地面積為187m2。不過(guò)，長(zhǎng)于集裝箱12.2m的部分占地設(shè)計(jì)可以同時(shí)作為檢修通道，檢修通道寬為3m，該區(qū)域其他方案設(shè)計(jì)也一樣需要，因而一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案長(zhǎng)度仍按12.2m算，占地面積為129.61m2。由上表可以看出，一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案比早期兩步式方案節(jié)省用地約39%。

2.3 設(shè)備造價(jià)

換電設(shè)備中，分硬件成本和軟件成本。硬件中，造價(jià)最高的部件主要有進(jìn)口的伺服電機(jī)、主控制器、變頻器等。其中變頻器和伺服電機(jī)一一對(duì)應(yīng)，以下簡(jiǎn)稱其為伺服電機(jī)系統(tǒng)。本文中，僅以伺服電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。兩步式方案中，單套換電設(shè)備包含1臺(tái)堆垛機(jī)、2臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)車、2臺(tái)機(jī)械手組成，其中堆垛機(jī)可以三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，需要3套伺服電機(jī)系統(tǒng)，2臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)車一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，共需要2套伺服電機(jī)系統(tǒng)，2臺(tái)機(jī)械手也是三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，共需要6套伺服電機(jī)系統(tǒng)。因而，總計(jì)需要11套伺服電機(jī)系統(tǒng)。一步式自旋轉(zhuǎn)方案中，自旋轉(zhuǎn)、行走和升降各需要1套伺服電機(jī)系統(tǒng)，取放電池需要8套伺服電機(jī)系統(tǒng)，總計(jì)也需要11套伺服電機(jī)系統(tǒng)。一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案中，行走和升降各需要1套伺服電機(jī)系統(tǒng)，取放電池和內(nèi)旋轉(zhuǎn)各需要2套伺服電機(jī)系統(tǒng)，總計(jì)需要8套伺服電機(jī)系統(tǒng)。

僅從電機(jī)系統(tǒng)看，一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案造價(jià)最低，加之其結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，所需的傳感器也最少，控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，軟件和主控制器成本也更低。

2.4小結(jié)

以上從換電效率、占地面積及設(shè)備造價(jià)等方面綜合比較了兩步式、一步式自旋轉(zhuǎn)和一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)三個(gè)方案，最終的一步式內(nèi)旋轉(zhuǎn)方案在效率上比早期的兩步式方案提高了約40%，占地面積縮減了約39%，節(jié)省了設(shè)備一次性投資，運(yùn)維成本上也有所降低。所以，紅谷灘換電站項(xiàng)目通過(guò)不斷探索和改進(jìn)，最終取得了顯著的成績(jī)。

作者簡(jiǎn)介：寇亮（1982-），男，江西，工程師，本科，研究方向：電氣工程自動(dòng)化。