基于專利分析的汽車換電站建設(shè)研究

劉桂金，申華磊，李福輝

（東平一建建筑有限公司）

1 引言

換電技術(shù)是指通過(guò)電池更換的方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的能量補(bǔ)充，同時(shí)實(shí)現(xiàn)替換電池的統(tǒng)一管理、存儲(chǔ)與充電，具有充能速度快，效率高的特點(diǎn)[1]。換電技術(shù)的推廣應(yīng)用依托于換電站的建設(shè)[2]，本文依托專利分析技術(shù)，針對(duì)電動(dòng)汽車換電站發(fā)展歷程進(jìn)行分析，總結(jié)換電站建設(shè)發(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)換電站建設(shè)的目的。

2 換電站建設(shè)相關(guān)專利快速發(fā)展，具有較大市場(chǎng)潛力

換電站相關(guān)專利發(fā)展經(jīng)歷了萌芽期、初步發(fā)展期及快速發(fā)展期三大階段（見圖1），2008年之前換電站建設(shè)技術(shù)處于探索階段，專利申請(qǐng)量較?。?009年起，在國(guó)家鼓勵(lì)以充換電方式進(jìn)行新能源汽車充能的背景下，換電站建設(shè)技術(shù)得到初步發(fā)展，專利申請(qǐng)量得到一定提升；2017年以來(lái)，隨著乘用車領(lǐng)域換電技術(shù)的推廣及換電模式充能速度快等特點(diǎn)的凸顯，我國(guó)換電站建設(shè)領(lǐng)域?qū)＠焖偬嵘M(jìn)入快速發(fā)展期。

圖1 換電技術(shù)專利年度申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

3 換電站建設(shè)向集成化小型化路線發(fā)展，提升快速部署能力與換電效率為重點(diǎn)設(shè)計(jì)方向

本文針對(duì)不同時(shí)期換電站相關(guān)專利，從三個(gè)維度十個(gè)指標(biāo)進(jìn)行典型專利篩選，歸納出換電站建設(shè)的技術(shù)發(fā)展路線，總結(jié)其發(fā)展規(guī)律。評(píng)分體系如下：①技術(shù)維度四個(gè)指標(biāo)（被引證頻次、同族專利個(gè)數(shù)、技術(shù)先進(jìn)性、保護(hù)范圍）；②法律維度兩個(gè)指標(biāo)（技術(shù)穩(wěn)定性、運(yùn)營(yíng)情況）；③其他維度四個(gè)指標(biāo)（合享價(jià)值度、申請(qǐng)人重要性、權(quán)利要求數(shù)量、說(shuō)明書頁(yè)數(shù)）。

通過(guò)對(duì)不同時(shí)期換電站技術(shù)相關(guān)專利的篩選評(píng)分，本文篩選10個(gè)換電站建設(shè)技術(shù)發(fā)展路線圖（見圖2）?？傮w來(lái)看，我國(guó)換電站建設(shè)發(fā)展規(guī)律為：從集中化、大型換電站向簡(jiǎn)約化、小型換電站發(fā)展，提升換電站的快速部署能力、提升換電站的空間利用率與工作效率為主要設(shè)計(jì)方向。

圖2 換電站建設(shè)技術(shù)發(fā)展路線

4 換電站建設(shè)典型專利方案解讀

4.1 早期換電站建設(shè)

我國(guó)早期的換電站建設(shè)以服務(wù)公交車的大型換電為主，采用側(cè)部換電的方式對(duì)電動(dòng)公交進(jìn)行換電服務(wù)。2008年服務(wù)北京奧運(yùn)會(huì)的電動(dòng)公交換電站是典型方案，對(duì)應(yīng)專利公開號(hào)為CN101284524A[3]。

該換電站方案（見圖3左側(cè)），包括換電設(shè)備T、待換電車輛B以及電池存儲(chǔ)充電架。換電設(shè)備位于換電車輛與電池充電架之間，換電裝置T通過(guò)機(jī)械手將電池取出，并通過(guò)轉(zhuǎn)盤T5將電池旋轉(zhuǎn)至充電架一側(cè)，換電裝置T通過(guò)導(dǎo)軌T2進(jìn)行移動(dòng)，將缺電電池移動(dòng)并放至充電架中的空閑位置，同時(shí)取出充電架中的滿電電池運(yùn)送至換電車處，經(jīng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)后安裝至車輛B。該方案中，換電設(shè)備位于車輛與充電架之間，需要通過(guò)沿電池架縱向移動(dòng)，對(duì)場(chǎng)地需求大，導(dǎo)致?lián)Q電站總體占地面積較大（見圖3右側(cè)）。

圖3 用于公交車輛的大型換電站專利方案及實(shí)際建設(shè)情況

4.2 具有快速部署能力的換電站建設(shè)

早期換電站建設(shè)對(duì)場(chǎng)地需求大，建設(shè)成本高，不利于換電技術(shù)的大規(guī)模推廣。北京理工大學(xué)聯(lián)合上海電巴在專利CN102259639A[4]中提出了集成在集裝箱中的快捷換電站建設(shè)方案。

該方案中（見圖4），電池充電架設(shè)置在集裝箱中，通過(guò)集裝箱沿長(zhǎng)度方向的開口，實(shí)現(xiàn)電池的取放，同時(shí)在集裝箱中設(shè)置換電裝置存儲(chǔ)區(qū)域。使用該方案進(jìn)行換電站部署時(shí)，將具有充電架、動(dòng)力電池及換電裝置的集裝箱移動(dòng)至目標(biāo)地點(diǎn)后，僅需在集裝箱外側(cè)建立供換電裝置運(yùn)行的軌道，即可進(jìn)行換電作業(yè)，大大提升了換電站建設(shè)的便捷程度。

圖4 具有快速部署能力的集裝箱式換電站建設(shè)方案

4.3 模塊化換電建設(shè)

隨著我國(guó)換電技術(shù)的發(fā)展，換電技術(shù)發(fā)展的方向逐漸向乘用車領(lǐng)域發(fā)展。面向乘用車的換電站在快速部署能力與換電效率需求方面得到提升。蔚來(lái)汽車有限公司針對(duì)乘用車換電需求，在CN10604 3246A[5]中提出一種模塊化小型換電站建設(shè)方案（見圖5），進(jìn)一步解決了換電站建設(shè)占地面積大、需要土建、難以運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。

圖5 小型模塊化換電站建設(shè)方案及部署效果

在該方案中，換電站整體裝置由電池集裝箱與換電集裝箱兩部分構(gòu)成。換電車輛進(jìn)行換電時(shí)，將車固定在換電集裝箱內(nèi)的換電平臺(tái)區(qū)域，換電平臺(tái)中設(shè)有舉升設(shè)備，能夠?qū)④囕v進(jìn)行舉升，為換電裝置在車輛底部進(jìn)行電池更換留下足夠空間。同時(shí)，換電集裝箱與電池集裝箱相鄰并相互連通，使換電裝置能夠在兩個(gè)集裝箱內(nèi)穿梭，實(shí)現(xiàn)缺電電池與滿電電池的轉(zhuǎn)運(yùn)。在無(wú)需土建的情況下完成換電站的建設(shè)，使換電站的位置可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活布置和擴(kuò)展部署，推動(dòng)了換電模式的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

換電模式的推廣依賴換電站的大規(guī)模建設(shè)，建議在后續(xù)的建設(shè)發(fā)展中，繼續(xù)提升換電站的結(jié)構(gòu)集成能力，關(guān)注換電站內(nèi)部的空間利用率與換電裝置的工作效率，實(shí)現(xiàn)具有快速部署能力的高效換電站建設(shè)。