換電式專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)輛技術(shù)應(yīng)用分析

湯國(guó)龍 彭永興

摘要：本文主要從應(yīng)用場(chǎng)景、車(chē)輛總體布置特點(diǎn)、車(chē)載換電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)、車(chē)輛的安全及防護(hù)等方面闡述了換電式專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)輛的總體特性，同時(shí)講述了換電系統(tǒng)及頂部吊裝式換電站的解決方案。

關(guān)鍵詞：專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)輛;換電系統(tǒng);電池

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72

收稿日期：2021-11-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.007

1前言

純電動(dòng)專(zhuān)用工程車(chē)輛由于自身需要大功率用電，需攜帶較大電量的電池系統(tǒng)。電池自重及體積已嚴(yán)重影響整車(chē)的布置空間及運(yùn)營(yíng)效率，隨著電池能量密度提升，可布置電池電量雖有所增加，司機(jī)仍普遍擔(dān)心電量不足造成車(chē)輛拋錨。純電動(dòng)汽車(chē)目前主要存在的問(wèn)題包括：充電緩慢、里程焦慮、運(yùn)營(yíng)低效、裝載限制、價(jià)格高額、電池衰減等。

純電動(dòng)專(zhuān)用汽車(chē)當(dāng)前存在的痛點(diǎn)短期內(nèi)無(wú)法得到徹底解決，換電模式將是未來(lái)純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。政府在《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中指出：將加快充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，形成慢充為主、應(yīng)急快充為輔的充電網(wǎng)絡(luò)，鼓勵(lì)開(kāi)展換電模式應(yīng)用。受益于當(dāng)前政策的支持，各種能解決一整套“換電”模式的企業(yè)迅速成立，并不斷探索各類(lèi)車(chē)輛的換電模式，有效解決純電動(dòng)專(zhuān)用汽車(chē)使用中的痛點(diǎn)。

2換電式專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)型及應(yīng)用場(chǎng)景

換電式專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)型的應(yīng)用場(chǎng)景，具備運(yùn)輸距離短、頻次高、重復(fù)性強(qiáng)、點(diǎn)線放射式等特點(diǎn)，以便于布置換電站，進(jìn)行短途多頻次運(yùn)營(yíng)。主要應(yīng)用場(chǎng)景包括礦區(qū)運(yùn)輸、公鐵聯(lián)運(yùn)、城市渣土倒運(yùn)、混凝土專(zhuān)線運(yùn)輸、港口轉(zhuǎn)運(yùn)、鋼鋁廠倒運(yùn)的場(chǎng)內(nèi)短倒運(yùn)輸?shù)?，相關(guān)的換電式車(chē)輛包括自御車(chē)、混凝土攪拌車(chē)、牽引車(chē)等，如圖1所示。

3換電式專(zhuān)用車(chē)輛總體布置

3.1整車(chē)主要結(jié)構(gòu)

本文主要以換電式混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)為例進(jìn)行車(chē)輛結(jié)構(gòu)解析（圖2），其整車(chē)結(jié)構(gòu)主要包括搭載電動(dòng)化專(zhuān)用駕駛室的底盤(pán)、承載動(dòng)力電池的換電系統(tǒng)、用于裝載混凝土的攪拌筒、驅(qū)動(dòng)攪拌筒旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、用于固定攪拌筒的前、后臺(tái)裝置、用于清洗攪拌筒裝卸料殘留物的上裝清洗系統(tǒng)。其中換電系統(tǒng)是換電式攪拌車(chē)區(qū)別于其他類(lèi)型攪拌車(chē)的主要特征。由于換電系統(tǒng)經(jīng)常在不同車(chē)輛間更換，在進(jìn)行整車(chē)布置時(shí)，需要將車(chē)載換電系統(tǒng)與整車(chē)其他部件間留一定的間隙，當(dāng)抓取機(jī)構(gòu)對(duì)換電系統(tǒng)進(jìn)行換電作業(yè)時(shí)，避免碰撞和損壞其他部件。

3.2車(chē)載換電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車(chē)載換電系統(tǒng)是換電式專(zhuān)用汽車(chē)的核心部件。要滿足結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的載體，具有對(duì)電池系統(tǒng)充放電過(guò)程的熱管理功能，可快速更換的結(jié)構(gòu)功能，具備可充電的功能，并且具有高可靠性。同時(shí)，由于電池內(nèi)置于換電系統(tǒng)上部的電池框內(nèi)，其電池框需為一個(gè)整體，否則在更換電池上框時(shí)會(huì)造成一定的困難。通常換電電池系統(tǒng)被布置在車(chē)輛駕駛室后端，俗稱(chēng)“后背式”布置結(jié)構(gòu)。

3.2.1車(chē)載換電系統(tǒng)上框

車(chē)載換電系統(tǒng)主要分為換電上框及換電底座（圖3）。換電上框作為承載電池系統(tǒng)的載體，必須具備足夠的強(qiáng)度，主要由方鋼等型材拼焊而成。當(dāng)前換電電池系統(tǒng)普遍采用282kWh電量，一般由4個(gè)H型或8個(gè)C型電池包組成，電池系統(tǒng)自重達(dá)1.7t。電池高壓分線盒、電池控制系統(tǒng)BMS、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)被置于換電上框內(nèi)部。換電上框根據(jù)單體電池包數(shù)量確定層數(shù)，對(duì)于H型電池包，每一個(gè)電池包占據(jù)1層空間;高壓盒、BMS、熱管理系統(tǒng)組件等通常被布置在同一層，以盡可能壓低整個(gè)換電上框的高度，滿足整車(chē)限高要求。當(dāng)車(chē)載電池電量低需要更換時(shí)，通過(guò)特制的吊裝工具，將整個(gè)換電上框吊裝更換。

3.2.2車(chē)載換電系統(tǒng)底座

換電底座是承載和固定換電上框的載體，既要滿足一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要滿足能夠使換電上框快速緊固及解鎖的結(jié)構(gòu)，并且具有與換電上框輸出的線束插件對(duì)接的功能。換電底座技術(shù)當(dāng)前主要分氣動(dòng)和電控兩類(lèi)，本文主要介紹氣動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。如圖4所示，換電底座上固定有數(shù)個(gè)氣缸鎖止機(jī)構(gòu)，通過(guò)車(chē)載氣源及電磁閥控制器控制氣缸伸縮，氣缸活塞伸出端與換電上框中預(yù)埋的孔位配合，實(shí)現(xiàn)換電上框在垂直方向的鎖止。換電上框在垂直方向有固定的銷(xiāo)軸，與換電底座上的定位孔進(jìn)行配合，達(dá)到換電上框在水平方向的鎖止。為了滿足換電上框與換電底座在對(duì)接時(shí)的定位，換電底座上設(shè)置數(shù)個(gè)導(dǎo)向塊，一定程度上提高了兩者的使用壽命。換電底座與換電上框上都設(shè)置有快換連接器，連接器上固定有線束接插件，其中換電底座上的連接器具有浮動(dòng)功能，一定程度上提高了線束接插件對(duì)接成功率及使用壽命。

4換電解決方案

換電式專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)輛，根據(jù)其產(chǎn)品定義及應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)車(chē)載電池系統(tǒng)需要補(bǔ)能時(shí)，需要有專(zhuān)用的設(shè)備進(jìn)行電池更換，這就需要一整套的換電設(shè)備解決方案。當(dāng)前對(duì)車(chē)載換電系統(tǒng)更換電池的解決方案主要有兩個(gè)研究方向：

A.從頂部對(duì)電池框進(jìn)行吊裝，采用掛載在桁車(chē)上的吊具從電池框頂部進(jìn)行吊裝更換;b.從側(cè)面對(duì)電池框進(jìn)行抓取，類(lèi)似叉車(chē)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，對(duì)電池框固定部件抓取更換。本文主要從頂部吊裝方案進(jìn)行分析，如圖5所示。

4.1頂部吊裝換電解決方案

因車(chē)輛要在換電站進(jìn)行電池更換，進(jìn)而達(dá)到補(bǔ)能目的，換電站首先要解決給空電池進(jìn)行充電的功能。以一個(gè)滿足30輛車(chē)日常運(yùn)營(yíng)的換電站為例，站內(nèi)一般需要配備5～10塊備用電池及充電底座。當(dāng)車(chē)載空電池更換掉后，將空電池置于站內(nèi)的充電底座上進(jìn)行補(bǔ)能。這些站內(nèi)配備的充電底座需保持與車(chē)載換電上框接口匹配，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。換電站充電系統(tǒng)如圖6所示。

頂部吊裝換電解決方案是換電站的核心技術(shù)。對(duì)需要更換電池的車(chē)輛，首先在專(zhuān)用APP上可以查找換電站的位置及當(dāng)前站內(nèi)的電池電量信息及車(chē)輛排隊(duì)等候情況。車(chē)輛到達(dá)換電站后，通過(guò)激光引導(dǎo)駛?cè)胫付ǖ奈恢?。開(kāi)啟一鍵換電功能后，吊裝系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)修復(fù)停車(chē)誤差，待換電底座解鎖后，智能控制系統(tǒng)控制桁車(chē)用吊具抓取車(chē)載換電上框，將其置于站內(nèi)的空充電座上。隨后選取一塊滿電電池并將其吊裝至所需更換的車(chē)輛上方，激光定位準(zhǔn)確后，降落至車(chē)載換電底座上，底座鎖止機(jī)構(gòu)工作并自動(dòng)鎖緊。車(chē)輛自檢無(wú)誤后，駛離換電站。整個(gè)換電過(guò)程全自動(dòng)完成，無(wú)需人為操作，大約用時(shí)5min，換電效率可滿足工程車(chē)輛日常運(yùn)營(yíng)需求。頂部吊裝換電系統(tǒng)如圖7所示。

4.2換電系統(tǒng)的可靠性

換電站采用高強(qiáng)度鋁合金外殼，耐腐蝕耐鹽霧，有效使用壽命超過(guò)20年。外觀殼體采用弧形外觀設(shè)計(jì)，有效減少風(fēng)阻，最高抗風(fēng)等級(jí)達(dá)到14級(jí)。全站密封設(shè)計(jì)，有效防塵，可有效延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。另外獨(dú)特的整站熱管理設(shè)計(jì)，充分利用充電機(jī)排除熱量對(duì)整站電池保溫，有效節(jié)能，同時(shí)可提高電池系統(tǒng)在低溫地區(qū)的使用壽命。

車(chē)載換電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的CAE仿真分析及臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試，均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，換電連接器經(jīng)過(guò)1000次的插拔耐久測(cè)試，連接器可滿足5年以上的使用壽命。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)工況10000km里程的強(qiáng)化測(cè)試，換電系統(tǒng)在整車(chē)搭載后沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、功能喪失等狀況。換電式整車(chē)已完全可以滿足現(xiàn)階段工程車(chē)輛的使用需求。整車(chē)仿真及可靠性路試如圖8所示。

4.3換電車(chē)輛的安全及防護(hù)

換電式專(zhuān)用汽車(chē)與充電式汽車(chē)有相同的工作原理。因電池系統(tǒng)有數(shù)百伏的電壓，為保證人員與用電部件的安全，在每個(gè)高壓部件上均設(shè)置有維修開(kāi)關(guān)MSD，并配備獨(dú)立的搭鐵線連接在車(chē)身上。高壓部件的外殼與車(chē)身進(jìn)行了等電位均衡設(shè)計(jì)（圖9），保證了觸電電流流過(guò)車(chē)身而非人體。車(chē)輛在設(shè)計(jì)時(shí)采用高低壓隔離，保證低壓系統(tǒng)不受高壓系統(tǒng)影響。控制器等部件自帶的高壓絕緣電阻達(dá)到MΩ級(jí)別，確保人員不會(huì)因間接接觸用電部件而觸電。

全部用電部件具有高壓互鎖功能，互鎖由VCU、MCU、動(dòng)力電池、四合一控制器等組成，高壓部件斷開(kāi)時(shí)，不具有高壓電，確保設(shè)備和人員的安全。

對(duì)于電池系統(tǒng)等高壓部件，車(chē)輛設(shè)置有相關(guān)的防塵板進(jìn)行遮擋，避免粉塵和雨水對(duì)線束接插件侵蝕。獨(dú)立的電池包的防塵防水等級(jí)達(dá)到IP68，線束接插件防塵防水等級(jí)達(dá)到IP67，車(chē)輛可在雨雪等惡劣天氣正常使用。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，因補(bǔ)能快捷、運(yùn)營(yíng)高效等優(yōu)點(diǎn)，換電式專(zhuān)用工程車(chē)輛得以迅速發(fā)展。各大車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)近年來(lái)紛紛推出自己的換電式產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)的換電站布局已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展。隨著換電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各類(lèi)換電站將會(huì)實(shí)現(xiàn)資源整合，滿足不同廠家車(chē)型的換電系統(tǒng)互換的需求。屆時(shí)換電式工程車(chē)輛發(fā)展將會(huì)更加規(guī)范，在純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域所占比重將越來(lái)越大。參考文獻(xiàn)：

[1]林程.電動(dòng)汽車(chē)工程手冊(cè).M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[2]GB1589-2016汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S]

作者簡(jiǎn)介：

湯國(guó)龍，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉磳?zhuān)用車(chē)輛相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。