電動汽車集約型換電設(shè)施的設(shè)計(jì)研究

蔣燕萍，陳佩軍，陳海燕

電動汽車集約型換電設(shè)施的設(shè)計(jì)研究

蔣燕萍，陳佩軍，陳海燕

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江省 杭州市 310009）

為解決電動汽車換電站施工周期長、換電效率低、存在安全隱患等問題，提出了一種集約型換電設(shè)施的設(shè)計(jì)思路及方案。通過對集裝箱合理改造，并集成電池緩存、自動取放、充電控制、安全防護(hù)等系統(tǒng)，從而構(gòu)成一種具備電池取放自動化、均衡充電及自動保護(hù)功能的集約型換電設(shè)施。詳述了該集約型換電設(shè)施各系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)方案，實(shí)踐證明該換電設(shè)施可提高土地利用率、降低換電站建設(shè)成本，并可提高換電效率及服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期效果，同時具有較高的市場潛力。

電動汽車；模塊集成；換電設(shè)施；動力電池

0 引言

汽車驅(qū)動的電能替代對環(huán)境，尤其是對交通密集區(qū)空氣質(zhì)量的提升具有重要的意義，而完善的充電、換電設(shè)施是城市電動汽車的發(fā)展基礎(chǔ)和重要保障[1-3]。近年來，動力電池?fù)Q電服務(wù)站在國內(nèi)陸續(xù)建設(shè)和投入使用，為周圍電動汽車用戶提供極大方便[4-5]，但大部分換電站的動力電池甄選和取放需要借助電動叉車，換電便利性和自動化水平較低。因此，提高換電站自動化服務(wù)水平、實(shí)現(xiàn)全自動換電已成為國內(nèi)外城市電動汽車換電設(shè)施的研究方向[6-7]。此外，城市規(guī)劃用地日趨減少，逐漸成為制約電動汽車充換電站建設(shè)的另一個制約因素，緊湊型、集約型的充換電站更適合城市需求[8-11]。基于上述2點(diǎn)，研發(fā)低成本、易建設(shè)、模塊化的換電技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備成為推動電動汽車發(fā)展、實(shí)現(xiàn)電能替代的重要方向。

本文提出了一種集約型換電設(shè)施的設(shè)計(jì)思路及方案：通過對電動汽車集約型換電設(shè)施設(shè)備的研究和開發(fā)，減少建站時對土地的要求，提高土地利用率；另外，通過取放設(shè)備與電池進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電池自動取放功能，提高換電自動化水平。文中根據(jù)設(shè)計(jì)的各功能模塊具體介紹對應(yīng)的子系統(tǒng)功能。

1 集約型換電設(shè)施設(shè)計(jì)思路

1.1 換電設(shè)施現(xiàn)狀

目前在用的換電設(shè)施主要分為室內(nèi)型和室外型。室內(nèi)型換電設(shè)施基本采用充電架模式，需要附加建筑對充電架進(jìn)行防護(hù)，工程投入和實(shí)施成本較高，施工周期較長。室外型換電設(shè)施多采用移動充電倉與電池轉(zhuǎn)運(yùn)箱配對的模式，由于箱體體積的限制，每對倉僅能設(shè)計(jì)20個充電工位，一對組合設(shè)備占地約10m2，土地利用率較低，且由于防護(hù)等級的要求，需要遮擋物或雨棚對倉體進(jìn)行防護(hù)。以上2種模式均需要輔助設(shè)備(電池揀選車或小推車)對電池進(jìn)行人工甄選和取放，存在一定的安全隱患。

隨著換電業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，電動汽車、動力電池和換電設(shè)施的運(yùn)營和生產(chǎn)管理亟需更大力度的數(shù)據(jù)通信與信息監(jiān)控[12]，目前大部分取放電池過程中，電池狀態(tài)需要換電人員根據(jù)指示燈狀態(tài)進(jìn)行選擇，且充電數(shù)據(jù)上傳僅停留在充電站層面，電動汽車充換電服務(wù)站設(shè)施已不能滿足充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)多維度信息交換和集約化管理的要求。

按照目前電池存放的高度，電池取放轉(zhuǎn)運(yùn)車取放便利性不足，需要借助電動叉車進(jìn)行取放，更換效率較低，且安全性有待提高。換電設(shè)施作為電動汽車電源補(bǔ)給的基礎(chǔ)設(shè)施，是直接影響電動汽車大范圍推廣應(yīng)用的重要因素[13-15]，提高換電自動化，可以實(shí)現(xiàn)少人參與的乘用車換電，從而節(jié)約換電的人力成本，降低換電人員的勞動強(qiáng)度，提高換電服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備通用性。如何將充換電設(shè)施集約化是新型充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的重要技術(shù)之一。

1.2 研究思路

電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)面臨降低建設(shè)和運(yùn)營成本的壓力[16]，因集裝箱具有良好的物理性能和足夠的強(qiáng)度，能長期反復(fù)使用(壽命可長達(dá)30年)，為電池充換電提供一個使用可靠、定位精確、運(yùn)行穩(wěn)定的電池存取空間，是集約型電動汽車換電設(shè)施的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)基于集約型、模塊化、高效率為核心的技術(shù)研發(fā)思路，提出一種集成式換電設(shè)備，對集裝箱箱體內(nèi)部進(jìn)行一體化充換電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣模塊化設(shè)計(jì)，對功能子系統(tǒng)集成優(yōu)化，采用信息監(jiān)控和多工位集約化，實(shí)現(xiàn)電池充換電自動甄選和存取，提高自動化水平，并提供超過100個充電工位，從而提高土地利用率。

另外，集裝箱自帶吊裝功能，可從一種運(yùn)輸工具直接換裝到另一種運(yùn)輸工具上，集成式充換電設(shè)備在工廠完成安裝和調(diào)試后，可直接吊裝前往用戶所在地，實(shí)現(xiàn)接插式服務(wù)，減少現(xiàn)場工作量和縮短工程建設(shè)周期，降低建設(shè)成本。

2 集約型換電設(shè)施設(shè)計(jì)

2.1 總體功能設(shè)計(jì)

通過對集裝箱合理改造，將充電、緩存、取放、監(jiān)控等功能集約化，設(shè)計(jì)形成集約型換電設(shè)施，功能系統(tǒng)主要分為箱體改造系統(tǒng)、電池緩存系統(tǒng)、自動取放系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等，功能設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 集約型換電設(shè)施功能設(shè)計(jì)

2.2 箱體改造

采用內(nèi)尺寸為12.032m×2.352m×2.69m標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的高箱集裝箱，為提高土地利用率，設(shè)計(jì)成多個電池工位的充放電條件。箱體改造主要包括底座改造和外殼改造。

集裝箱底座改造主要根據(jù)工作人員操作高度，基于人體工程學(xué)原理，在整個箱體外底部加裝底座。因熱軋H鋼結(jié)構(gòu)具有成本低、精度高、殘余應(yīng)力小等優(yōu)勢，且與焊接工字鋼、傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)和砼結(jié)構(gòu)相比，同截面負(fù)荷下節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)制作成本30%左右。綜合上述，底座高設(shè)計(jì)為50 cm，選用H型鋼材搭建，底座用板材焊接封閉，整體用綠色油漆美化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。底座的設(shè)計(jì)不僅為工作人員提供了更加方便的操作條件，而且避免了集裝箱直接與地面接觸，防止積水倒灌，保障電氣設(shè)備可靠運(yùn)行。

集裝箱外殼改造主要包括風(fēng)機(jī)口改造、側(cè)門改造、正門改造、緩存電池口改造、雨棚改造等工作。正常運(yùn)行時該設(shè)備內(nèi)部有100臺電池充電機(jī)同時工作，箱內(nèi)會產(chǎn)生較大的熱量，為了能更好地散熱，在箱體背部加裝風(fēng)機(jī)口，并在箱體內(nèi)部安裝空調(diào)內(nèi)機(jī)，保障電池安放在相對恒定的溫濕度環(huán)境。為方便設(shè)備前期安裝和后期維護(hù)檢修，在集裝箱2個側(cè)面分別安裝人員進(jìn)出門戶。正門改造是在集裝箱正面用卷閘門將電池架封閉的設(shè)計(jì)，關(guān)閉時可以起到防雨、防塵、防火的作用。在設(shè)備維修時卷閘門打開，方便工作人員觀察電池狀態(tài)和查找故障。緩存電池口即緩存架的電池出口，用于人工取放電池。雨棚改造是在取放電池的出口上方設(shè)計(jì)雨棚，防止最大60°傾角的雨水從電池取放出口進(jìn)入集裝箱，滿足淋水防護(hù)等級3IPX3。箱體改造設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

圖1 底座結(jié)構(gòu)的2D及3D示意圖

圖2 箱體改造效果圖

2.3 電池緩存架和電池自動取放系統(tǒng)

電池緩存架是電池在電動汽車與電池架之間的中轉(zhuǎn)平臺，通過設(shè)定約束條件和Matlab軟件編程計(jì)算得出緩存架數(shù)量為4時換電效率和充電效率最優(yōu)，其初始位置與電池架電池倉在箱內(nèi)最底層，如圖3所示。通過加裝3節(jié)導(dǎo)軌裝置結(jié)合電機(jī)螺桿驅(qū)動的推拉機(jī)構(gòu)，使得緩存架托盤能延伸至集裝箱人工取放平臺，方便工作人員取放電池。

圖3 電池緩存架效果圖

緩存架的推拉機(jī)構(gòu)是通過初始接近開關(guān)和結(jié)束接近開關(guān)的信號狀態(tài)來完成限位功能，當(dāng)電池緩存架得到控制子系統(tǒng)的輸出命令后，推拉機(jī)構(gòu)啟動，步進(jìn)電機(jī)開始驅(qū)動螺桿，使3節(jié)導(dǎo)軌以一定速度向人工取放平臺方向?qū)訉油瞥?，直至將電池托盤整個推出電池架，最終電機(jī)得到結(jié)束開關(guān)信號后停止工作，此時托盤邊緣與集裝箱的邊緣齊平，便于工作人員將滿電電池取走。當(dāng)空電電池放置于電池緩存架之后，電池緩存架反向操作。電池取放機(jī)構(gòu)和電池緩存架的位置示意圖如圖4所示。

圖4 電池取放系統(tǒng)示意圖

為提高自動化水平，設(shè)計(jì)自動取放系統(tǒng)，包含自動取放裝置和定位系統(tǒng)。自動取放裝置作為該系統(tǒng)的核心，由水平行走機(jī)構(gòu)、豎直行走機(jī)構(gòu)以及電池取放裝置3個功能機(jī)構(gòu)組成。自動取放裝置通過伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)集裝箱內(nèi)水平和豎直2個方向的移動，通過節(jié)拍時間估算法，設(shè)計(jì)移動的平均速度為0.3~0.5m/s。通過伺服定位模塊與標(biāo)簽定位模塊組成的定位系統(tǒng)完成對電池的精確定位。電池取放裝置通過吸盤完成對電池的抓取與推放動作，單節(jié)電池取(放)時間為20 s，負(fù)重達(dá)到200kg以上，能夠同時取放2組電池，與現(xiàn)有技術(shù)相比，大幅提高了換電工作效率和安全性。

2.4 充電系統(tǒng)

充電系統(tǒng)包含電池架、充電架、交流配電柜等裝置。電池架用以存放一定數(shù)量的動力電池，按照電池外形尺寸和集裝箱體空間余量設(shè)置電池格位數(shù)量，每個電池格位與電池箱之間用導(dǎo)向式均衡電池插座連接。電池架通過電纜與充電機(jī)完成電氣連接，形成可充電的集成裝置，并設(shè)有通信、監(jiān)控等功能。充電架用以存放均衡充電機(jī)，根據(jù)均衡策略對電池組進(jìn)行均衡充電，同時完成各單體電池狀態(tài)信息的監(jiān)測、采集和通信。另外，專為集裝箱式換電設(shè)施設(shè)計(jì)交流電源配電裝置，除了為集裝箱內(nèi)充電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供電源外，還提供室內(nèi)照明和民用插座，方便工作人員檢修 作業(yè)。

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)完成對自動取放裝置、電池緩存架、安全防護(hù)系統(tǒng)以及溫控模塊的控制任務(wù)，并通過與電池設(shè)備通信，檢測電池充電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電池?fù)Q電過程的自動化管理?？刂葡到y(tǒng)工作原理是采用觸摸屏作為上位機(jī)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置布置檢測傳感器對信息進(jìn)行檢測和通信，通過主控制器PLC進(jìn)行邏輯控制，完成對各功能區(qū)的控制動作。

其中溫控系統(tǒng)是采用空調(diào)來調(diào)節(jié)集裝箱內(nèi)部的溫度。其核心部件包含空調(diào)、溫度傳感器以及系統(tǒng)主控制器PLC，控制器檢測到溫度傳感器的溫度反饋之后，完成相應(yīng)的權(quán)重計(jì)算，得到集裝箱內(nèi)部當(dāng)前溫度，再根據(jù)溫度值調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)啟動程序，基于保證電池在合適、安全的條件下充電，將集裝箱內(nèi)部溫度控制在10~40℃。

2.6 安全防護(hù)系統(tǒng)

基于以往人力操作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)安全防護(hù)子系統(tǒng)，主要通過設(shè)備本身的安全設(shè)計(jì)和配套安全防護(hù)設(shè)施，用于保證工作人員人身安全和電池?fù)Q電系統(tǒng)運(yùn)行安全，安全防護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)見表2。

該集約型換電設(shè)施的安全防護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以工控機(jī)觸摸屏作為上位機(jī)，并通過C++通用編程語言進(jìn)行人機(jī)交互。下位機(jī)以PLC進(jìn)行組態(tài)，通過安全控制器將安全光幕、安全繼電器、安全開關(guān)等進(jìn)行通信，并作為PLC的輸入信號，用于控制自動取放裝置、電池緩存系統(tǒng)、電池架電池的狀態(tài)，達(dá)到安全、可靠作業(yè)的目的，系統(tǒng)框架如圖5所示。

表2 安全防護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖5 安全防護(hù)系統(tǒng)框架圖

3 集約型換電設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)

集約型電動汽車換電設(shè)施在土地利用率、建設(shè)便捷性、充換電服務(wù)水平以及設(shè)備通用性方面較現(xiàn)有充電設(shè)備具有較大的優(yōu)勢：

1）提高土地利用率：尺寸為12.032m× 2.352m×2.69m的集裝箱改造后，20個充電工位平均使用面積約為4m2，提高了設(shè)備集成化程度，相比常用的充、換電池倉減少了50%以上的占地面積。

2）降低建站成本：由于充電設(shè)備集成度提高，整個換電設(shè)施在工廠建設(shè)完成后，可一次性運(yùn)輸、吊裝到位，減少了現(xiàn)場施工作業(yè)量，滿足了快速建站的要求。

3）提高換充電服務(wù)的質(zhì)量：集約型換電設(shè)施采用自動取放方式，可以實(shí)現(xiàn)少人參與，且安全可靠性好、自動化程度高，從而降低換電人員的勞動強(qiáng)度，提高換電服務(wù)的質(zhì)量。

4）市場通用性好：集約型電池取放裝置可通過更換夾具方式適應(yīng)不同尺寸的電動汽車動力電池存取，具有良好的設(shè)備通用性。

4 結(jié)論

在能源轉(zhuǎn)型的大背景下，推進(jìn)換電設(shè)施自動化、高效化、便捷化是推動電動汽車普及的有效途徑，是清潔低碳路線的有效實(shí)踐。在集裝箱固有鋼結(jié)構(gòu)和吊裝便利性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成一套可吊裝的集約型充換電設(shè)施，該設(shè)施由箱體改造系統(tǒng)、電池緩存系統(tǒng)、自動取放系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等部分組成，通過一體化的充換電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電氣模塊化設(shè)計(jì)，提高電動汽車換電服務(wù)站的土地利用率、建設(shè)便捷性、充換電效率。集約型換電設(shè)施具有較高的安全可靠性和設(shè)備通用性，該方案的研究可以推動城市電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對汽車動力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型將起到積極的推進(jìn)作用。

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Research and Design on Intensive Power Exchange Facility of Electric Vehicles

JIANG Yanping, CHEN Peijun, CHEN Haiyan

(Hangzhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Power Co., Ltd., Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China)

In order to solve the problems of electric vehicles power exchange station such as long construction period, low-efficiency and potential safety hazard etc., this paper proposed a design mentality and scheme of intensive power exchange facility. By reasonably transforming of container and integration of battery buffer, auto pick-and-place, charge control and safety protection systems, the intensive power exchange facility is constituted with automatization of battery pick-and-place, equalizing charge and auto protection function. The function and design scheme of every systems was demonstrated detailly. The practice proves that this facility can improve land utilization, reduce the building costs, improve power battery exchange efficiency and service quality, achieve design objective and possess high market potential.

electric vehicle; module integration; power exchange facility; power battery

10.12096/j.2096-4528.pgt.19063

2019-04-23。

(責(zé)任編輯 楊陽)