純電動(dòng)乘用車換電技術(shù)方案分析

劉 青

（東風(fēng)商用車有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

在影響新能源汽車發(fā)展的諸多要素中，充電還是換電是兩個(gè)同步探索的技術(shù)路線。充電（快充、慢充）有其局限性——充電時(shí)間、電池壽命影響等；換電同樣有局限性——換電技術(shù)的成熟度、標(biāo)準(zhǔn)化和收益性（換電站、備用電池的投資回報(bào)）。充電與換電的技術(shù)也均在不斷發(fā)展中。換電既能保障運(yùn)營里程需要（換電所需要的時(shí)間短），又能保障電池的長壽命（集中慢充），更利于回收再利用（電池管理好，殘值高）。換電的具體技術(shù)方案又可以分為多種。本文基于實(shí)際的純電動(dòng)乘用車換電的設(shè)計(jì)開發(fā)、示范運(yùn)營工作，分析研究純電動(dòng)乘用車的多種換電技術(shù)方案。

1 換電技術(shù)方案的演變歷程

換電模式在新能源汽車上的嘗試，可以追溯到2003年的以色列Better Place公司（簡稱BP公司），BP公司與法國雷諾合作，雷諾開發(fā)了換電車型Fluence EV，采用底盤換電方式進(jìn)行換電。在當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車發(fā)展大環(huán)境下，電動(dòng)汽車的應(yīng)用規(guī)模很有限，加之電池技術(shù)、換電技術(shù)以及換電站建設(shè)的高成本，使得該技術(shù)方案不具備競爭力，項(xiàng)目終止。中國的南方電網(wǎng)也引進(jìn)過BP公司的方案，并曾在廣州等地示范運(yùn)營。

2009年，中國以“十城千輛”推進(jìn)新能源汽車發(fā)展。2011年開始，以國家電網(wǎng)為主力，推進(jìn)換電模式。先在國網(wǎng)杭州公司推行標(biāo)準(zhǔn)箱電池半自動(dòng)換電。2013年，國網(wǎng)新鄉(xiāng)公司牽頭聯(lián)合車企和出租車公司，推行底盤換電的出租車運(yùn)營，但都未能推廣。

2013年，在政策、技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，國內(nèi)新能源發(fā)展加速。換電模式的嘗試也在擴(kuò)大范圍。國網(wǎng)換電項(xiàng)目人員組建了獨(dú)立的伯坦公司，在杭州、西安等地推進(jìn)側(cè)圍換電和底盤換電；浙江新時(shí)空的側(cè)圍換電模式，通過較大規(guī)模的示范和運(yùn)營，在技術(shù)驗(yàn)證方面取得了相對的進(jìn)展。

2016年，奧動(dòng)新能源加入換電運(yùn)營，與北汽、廣汽合作推進(jìn)底盤換電，陸續(xù)在廣州、廈門和北京等地進(jìn)行了較大規(guī)模的換電運(yùn)營。

整車企業(yè)如東風(fēng)、北汽、廣汽以及后來的新勢力蔚來都在換電技術(shù)路線上進(jìn)行嘗試。

2 多種換電技術(shù)方案

2.1 后備箱換電：標(biāo)準(zhǔn)電池+后備箱布置+縱向

更換

國網(wǎng)杭州換電站以20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池箱為一組，每箱約5 kWh的電量，裝入電池轉(zhuǎn)運(yùn)箱進(jìn)行集中充電，換電。實(shí)際運(yùn)營情況如圖1、圖2所示。

杭州換電車型主要用于出租車和公務(wù)用車。換電設(shè)備有固定在換電車位旁邊的機(jī)械平臺(tái)和可移動(dòng)叉車平臺(tái)兩種，通過人工將電動(dòng)車后備箱中的電池箱拉出、推入。后備廂電池安裝如圖3所示。該方案基本上是國內(nèi)初期的換電嘗試。

2.2 底盤+側(cè)圍換電：標(biāo)準(zhǔn)電池+底盤布置+垂直升降+橫向更換

純電動(dòng)車電池箱布置于車底，左右各兩箱電池，在車內(nèi)進(jìn)行控制電池升降之后，側(cè)面再通過機(jī)器手取出電池。實(shí)車布置如圖4、圖5所示。

2.3 側(cè)圍換電：標(biāo)準(zhǔn)電池+橫向更換

該換電技術(shù)方案的特點(diǎn)是電池的換電口布置在側(cè)圍，通過控制電池艙門打開，再以機(jī)器手側(cè)面取出和安裝電池。該方案電池布置在底盤，使得車身高度變高，影響車輛性能。

2.4 底盤換電：底盤布置+垂直升降

底盤換電方案可以再細(xì)分為兩種：以國網(wǎng)公司上海電巴為代表的標(biāo)準(zhǔn)電池箱和以BP公司為代表的異形電池包。

BP公司的方案為車輛到位之后，車輛保持不動(dòng)，由地面下的機(jī)構(gòu)橫向傳送電池，上下升降電池來實(shí)現(xiàn)電池安裝，并以伺服電機(jī)擰緊和松開電池鎖止機(jī)構(gòu)來完成整個(gè)換電動(dòng)作，如圖6所示。

底盤換電的異形電池“塔式”布置在后排座位與后備箱之間的底盤上，實(shí)物如圖7所示。該方案對底盤骨架改動(dòng)最小，但是仍然影響后排空間和后備箱容積。

3 底盤換電的技術(shù)方案

各種換電技術(shù)方案中，底盤換電得到更多認(rèn)可。目前采用最多的是扁平布置在底盤上的結(jié)構(gòu)，基本不占用乘坐空間、后備箱空間和整車高度。電池包在底盤上的布置安裝如圖8所示，電池包固定在換電框架上，換電框架適配現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)，安裝在車身地板上。

換電時(shí)，電池包與換電框架作為一個(gè)整體進(jìn)行拆裝，其主要的零部件構(gòu)成和關(guān)系如圖9所示。

圖9中，電池模組與下箱體總成、配電盒、電池管理系統(tǒng)和上箱蓋組成電池組（PACK），再安裝在換電機(jī)構(gòu)總成上，形成整體的換電電池包。

目前底盤換電技術(shù)的差異主要在于鎖止方式的不同。底盤換電技術(shù)方案中，快換電池包的更換動(dòng)作分托舉和鎖止兩步。托舉的動(dòng)作均為垂直方向運(yùn)動(dòng)；鎖止的方案又分為旋轉(zhuǎn)擰緊/松、前后平移兩種。

3.1 托舉+旋轉(zhuǎn)擰緊/松

BP公司、國網(wǎng)等都采用了該方案。換電的主要?jiǎng)幼鳎和ㄟ^機(jī)械手將電池包整體托舉到位，然后鎖止機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，與底盤上的定位結(jié)合，卡位，擰緊，鎖止。鎖止點(diǎn)均有明顯的定位槽。技術(shù)上鎖止更可靠，鎖止可以準(zhǔn)確到位，如圖10所示。

3.2 托舉+前后平移

主要結(jié)構(gòu)如圖11所示。換電的主要?jiǎng)幼鳎和ㄟ^機(jī)械手將電池包整體托舉到位，然后電池包整體遷移，依靠底盤上的止口，卡位，鎖止。該方案在實(shí)際運(yùn)用中存在鎖止不容易到位、鎖止松動(dòng)的問題。

3.3 兩種技術(shù)方案的對比

通過調(diào)研與技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并經(jīng)過計(jì)算分析，對兩種技術(shù)方案的鎖止機(jī)構(gòu)和換電連接器做了性能、質(zhì)量和成本方面的對比。

鎖止機(jī)構(gòu)的性能對比如表1所示。旋轉(zhuǎn)鎖止方案的重量更輕，鎖止動(dòng)作幅度更小，更能適應(yīng)不同車型尺寸，對底盤骨架空間要求也更低。綜合來看，旋轉(zhuǎn)鎖止方案更優(yōu)。

換電連接器的性能對比如表2所示?？梢钥闯觯D(zhuǎn)鎖止方案的換電連接器的可浮動(dòng)范圍更大，因此環(huán)境適應(yīng)性更好，重量也輕，配合尺寸要求更低，而且可以拓展適應(yīng)于不同的冷卻方式的電池。綜合比較，旋轉(zhuǎn)鎖止方案更優(yōu)。

鎖止機(jī)構(gòu)、換電連接器的壽命成本對比如表3所示?？梢钥闯?，兩種方案的關(guān)鍵部件的壽命差不多，但是綜合成本方面，旋轉(zhuǎn)鎖止方案更優(yōu)。

從以上三個(gè)方面的對比來看，旋轉(zhuǎn)鎖止方案更具優(yōu)勢，目前示范應(yīng)用的也最多。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)總結(jié)了純電動(dòng)乘用車換電各種技術(shù)方案特點(diǎn)、應(yīng)用歷程和示范應(yīng)用顯示出的優(yōu)缺點(diǎn)；重點(diǎn)分析了底盤換電方案，對比分析了兩種鎖止方案的可靠性、性能和成本情況。通過方案設(shè)計(jì)、示范運(yùn)營和綜合對比，顯示底盤換電方案與側(cè)圍換電等方案，對整車影響最?。煌瑫r(shí)，旋轉(zhuǎn)鎖止方案的各方面性能最優(yōu)，從技術(shù)上驗(yàn)證了換電的可行性。

當(dāng)然，換電模式的大規(guī)?？沙掷m(xù)應(yīng)用，除了技術(shù)可行之外，還需要進(jìn)一步通過運(yùn)營來驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性，以及不同車型不同電池包的通用化問題。相信隨著電池等技術(shù)的發(fā)展，成本的快速下降，換電模式（換電技術(shù)方案）將逐步占有特定市場，促進(jìn)新能源汽車加速發(fā)展。