新能源汽車換電技術(shù)研究

楊軍，丁振龍，王東，楊志強(qiáng)

清華大學(xué)蘇州汽車研究院 江蘇蘇州 215200

中國已制訂了一系列有針對性的政策方針，來支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年），明確提出未來汽車的發(fā)展方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>

新能源汽車發(fā)展多年，產(chǎn)量和銷量一直在高速增長，但電池這一關(guān)鍵技術(shù)卻未取得實(shí)質(zhì)性突破，車主對續(xù)駛里程的焦慮問題也沒有得到很好的解決。燃油車加一次油的時(shí)間在5min以內(nèi)，而電動(dòng)汽車慢充一般需要6～8h，快充也需要至少30min，排隊(duì)的情況下時(shí)間更長，嚴(yán)重影響車主的用車體驗(yàn)。此外，快充會降低電池的使用壽命，增加用車成本[1]。

為了解決充電時(shí)間長、電池壽命短、存在安全隱患、現(xiàn)有換電方式投入成本高及場地要求高等行業(yè)痛點(diǎn)，本文提出了一種成本可控、隨時(shí)隨地、快速高效更換電池包的方法。通過理論和原理樣機(jī)試驗(yàn)證明，該方法只需一人即可在9min內(nèi)完成一臺電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的更換，極大提升車輛用戶的使用體驗(yàn)。

換電方案研究方向確定

1.換電模式

新能源汽車換電模式是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對電動(dòng)汽車進(jìn)行電池更換服務(wù)或者集電池的充電、物流調(diào)配以及換電服務(wù)于一體。此模式可以實(shí)現(xiàn)車電分離，車主可以采取電池租賃的方式降低整車的購買成本，并且可以解決充電時(shí)間過長的問題。但是電池的更換必須使用設(shè)備，車輛設(shè)計(jì)需要考慮換電的結(jié)構(gòu)，還要考慮換電場地的要求[3，4]。

2.換電方案選擇

換電模式作為近年來廣受關(guān)注并持續(xù)優(yōu)化和改善的新能源汽車能源補(bǔ)給方式，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都較為明顯?，F(xiàn)階段市場上主要的換電方式有底盤換電、前艙/尾部換電和側(cè)圍換電三種[2]。

1）底盤換電是指從底盤下部拆下原有電池包并更換新電池包的方式，該方案主要應(yīng)用在轎車、SUV、MPV及輕型物流車領(lǐng)域，目前主要是北汽、蔚來汽車、特斯拉等采用。此種方案易實(shí)現(xiàn)，更換電池用時(shí)較短，自動(dòng)化程度高，但需要新建固定換電站，新增換電設(shè)備，現(xiàn)有換電投入較高，如圖1所示。

圖1 某車型底盤換電

圖2 某車型尾部換電

3）側(cè)圍換電是指將電池包從側(cè)面拆下并更換新的電池包，該方案主要應(yīng)用在客車和貨車領(lǐng)域，目前主要是新時(shí)空、電巴、許繼等采用。此方案中電池布置最為合理，但側(cè)圍需要開口，影響整車外觀，如圖3所示。

圖3 某車型側(cè)圍換電

通過各種換電方案的對比發(fā)現(xiàn)，底盤換電不占用車輛使用空間，不影響整車造型，是目前可行性較高的方案?；诖耍疚臄M采用卡托式的電池包固定裝置，通過便攜式坡道或輪胎千斤頂將車輛抬高后，使用換電小車在車身底部進(jìn)行換電的方案，改善現(xiàn)有底盤換電方案設(shè)備精度要求高、投入成本高、換電場地固定的缺陷，滿足車主隨時(shí)隨地、快捷高效換電的需求。

換電方案設(shè)計(jì)

新能源汽車換電包括舊電池包拆裝、電池包轉(zhuǎn)運(yùn)及新電池包裝配三個(gè)主要環(huán)節(jié)。為了保證各個(gè)環(huán)節(jié)之間能夠無縫銜接，需要綜合考慮電池包設(shè)計(jì)、電池轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池拆除與裝配設(shè)計(jì)。下面以某款車型參數(shù)為例，對換電方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.換電流程

換電設(shè)計(jì)流程如下：前期準(zhǔn)備，安裝簡易坡道/千斤頂→車輛開上坡道，拉手剎，拆除中間段→電池舉升小車進(jìn)入電池底部并上升拖住電池包→拆除電池包→電池舉升小車帶著舊電池包下降并離開車輛→電池舉升小車運(yùn)載新電池包進(jìn)入車輛底部并上升→安裝新電池包→電池舉升小車撤離→車輛駛離換電區(qū)域，如圖4所示。

圖4 換電流程

2.換電電池包設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的新能源汽車電池包主要通過螺栓聯(lián)接在底盤下部，固定時(shí)需要使用專用工具，且螺栓固定需要滿足一定的力矩要求。在換電模式下，若采用自動(dòng)化設(shè)備，成本較高，若采用人工拆裝，時(shí)間較長，而且經(jīng)常拆裝螺栓會導(dǎo)致螺栓失效，存在安全隱患。

本文采用卡托式的安裝裝置，其中安裝裝置上部和底盤下部通過螺栓聯(lián)接，下部通過鎖鉤和電池包上的鎖板連接，如圖5和圖6所示。

圖5 卡托式安裝裝置

圖6 電池包鎖板

此外，傳統(tǒng)的電池包安裝方式在拆除電池包時(shí)需要先手動(dòng)斷開連接器和水管接頭。如果采用換電方案，手動(dòng)斷開的方式會使操作流程更復(fù)雜，影響換電的時(shí)間。

本文對現(xiàn)有電池包進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用了浮動(dòng)連接器和快插水管接頭，具有一定的隨動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)電池包拆除與裝配時(shí)的自動(dòng)插接，如圖7和圖8所示。

推薦理由:在半個(gè)多世紀(jì)里，600多萬黑人離開世代居住的故土，為了一個(gè)難以預(yù)測的未來遷徙到美國的其他地方。有人是為了躲避無處不在的歧視和恐怖，有人是為了遠(yuǎn)離近在咫尺的生命危險(xiǎn)，有人是過上夢想中的生活。無論是南方熾熱棉花田里的女工，還是意外輟學(xué)的“刺頭”工人，還是擠進(jìn)窄門的大學(xué)精英，他們或早有打算，或身不由己：離開，離開生我養(yǎng)我的土地，到一無所有的遠(yuǎn)方去尋找新的生路。

圖7 換電電池包

圖8 浮動(dòng)連接器

3.換電小車設(shè)計(jì)

作為新能源汽車換電必不可少的一部分，動(dòng)力電池轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的形式直接影響著換電成本及效率的高低。

本文基于叉車升降的原理和方便電池轉(zhuǎn)運(yùn)的原則，設(shè)計(jì)了一款換電小車。該小車結(jié)構(gòu)簡單，方便快捷，體積小，可升降，如圖9所示。

圖9 換電小車

4.舊電池包拆除

換電操作人員將空的換電小車推至車底，并舉升至托住舊電池包，此時(shí)電池包重力產(chǎn)生的棘輪對逆止的壓力消失，通過棘輪鎖止機(jī)構(gòu)可輕易解鎖。電池包隨小車下降，靠自身重力脫開線束和水管接插口，將舊電池包回收，如圖10所示。

圖10 電池包安裝結(jié)構(gòu)（6個(gè)）

5.新電池包定位

換電操作人員將裝有新電池包的換電小車推至車底，舉升至一定高度后，將電池包移動(dòng)至與輔助定位支架A（以螺栓聯(lián)接的方式固定在車身上，不需要較大的緊固力）完全接觸，然后以同樣的方式移動(dòng)至與輔助定位支架B（以螺栓聯(lián)接的方式固定在車身上，不需要較大的緊固力）完全接觸，此時(shí)初定位完成。然后將電池包繼續(xù)舉升，使定位銷（圓錐型）進(jìn)入車身的定位孔，直至定位面貼合，新電池包終定位完成，如圖11所示。

圖11 新電池包定位

6.新電池包安裝

新電池包終定位完成后，將電池包高度繼續(xù)舉升，舉升過程中電池包上的6個(gè)鎖板（兩側(cè)各有2個(gè)安裝鎖板，前后各有1個(gè)安裝鎖板）帶動(dòng)車身底部的鎖鉤（共有6個(gè)棘輪鎖鉤）旋轉(zhuǎn)，直至提升至最大高度。此時(shí)鎖板與鎖鉤平齊，操作棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，棘輪鎖死，同時(shí)線束接插頭和水管快速接頭自動(dòng)完成插接，新電池包安裝完成，如圖12所示。

圖12 新電池包安裝

7.車身底部設(shè)計(jì)

為了滿足換電方案的實(shí)施，車身底部需要進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，新增方管及鈑金件結(jié)構(gòu)，6個(gè)卡托式安裝裝置以螺栓聯(lián)接的方式固定在方管上，如圖13所示。

圖13 車身底部安裝

換電方案試制試驗(yàn)驗(yàn)證

1.原理樣機(jī)試制

選擇某款SUV車型的尺寸和電池質(zhì)量作為參考，試制一臺滿足轉(zhuǎn)運(yùn)要求的換電小車、一個(gè)模擬電池包和一臺模擬樣車，如圖14所示。

圖14 換電原理樣機(jī)

2.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M車輛駕駛?cè)藫Q電的過程，先將換電小車推至模擬樣車底部，舉升至拖住模擬電池包，解鎖棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，模擬電池包隨著換電小車下降，換電小車將模擬電池包運(yùn)至電池存放點(diǎn)后，搭載模擬的新電池包，運(yùn)送至模擬樣車底部，舉升電池包進(jìn)行初定位、終定位和電池包鎖止，然后換電小車下降并離開模擬車輛。試驗(yàn)采取換電時(shí)間評價(jià)的方法，進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過秒表記錄操作時(shí)間并取平均值。

3.原理樣機(jī)試驗(yàn)

（1）原理樣機(jī)參數(shù) 原理樣機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 原理樣機(jī)基本參數(shù)

（2）原理樣機(jī)測試 選擇空曠的場地，假定前期準(zhǔn)備安裝簡易坡道的時(shí)間為0.5min，車輛開上坡道，并拆除中間段的時(shí)間為1min，設(shè)定好各部分的初始位置及狀態(tài)，應(yīng)用秒表進(jìn)行換電時(shí)間數(shù)據(jù)采集。

當(dāng)換電操作人員做好準(zhǔn)備工作后，試驗(yàn)記錄人員示意開始，同時(shí)按下秒表記錄鍵，操作人員開始換電操作。當(dāng)新電池包安裝完成，換電小車到達(dá)指定位置后，換電操作完成，試驗(yàn)記錄人員按下暫停鍵，并記錄操作時(shí)間。反復(fù)記錄5次后，試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)人員將采集的5組數(shù)據(jù)記錄并求平均值，結(jié)果見表2。

表2 換電時(shí)間統(tǒng)計(jì) （單位：s）

通過數(shù)據(jù)分析可知，本文設(shè)計(jì)的換電方案平均每次換電時(shí)間為9min，雖高于燃油車加油的時(shí)間5min，但遠(yuǎn)低于目前的快充、慢充時(shí)間，可滿足車輛人員換電快捷高效的使用要求。

（3）原理樣機(jī)主觀評價(jià) 從換電電池包、換電小車、電池包拆除/裝配機(jī)構(gòu)及換電簡易坡道等新增換電成本角度考慮，本文的換電方案投入費(fèi)用在1萬元以內(nèi)，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的換電站方案，有利于大規(guī)模推廣。從方便性角度考慮，本文的換電方案對場地要求不高，只需要安裝簡易坡道或使用千斤頂，便可隨時(shí)隨地進(jìn)行換電，增加了新能源汽車換電的使用場景，減少了新能源汽車使用人員的續(xù)駛里程焦慮。

結(jié)語

1）本文分析了現(xiàn)有不同換電方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了目前最可行的換電方案是底盤換電。

2）提出了一種可行的底盤換電流程和換電方案，通過理論分析的方法驗(yàn)證了方案可行。

3）設(shè)計(jì)了原理樣機(jī)試制試驗(yàn)驗(yàn)證方案。通過客觀測試指標(biāo)和主觀評價(jià)結(jié)果說明，本設(shè)計(jì)方案換電時(shí)間短、換電投入低、換電方式便捷，可滿足用戶使用要求，減少用戶續(xù)駛里程焦慮，有利于大規(guī)模推廣。

4）本文提出的換電方案原理適用于不同車型、不同規(guī)格的電池包，比如換電小車尺寸的調(diào)整、卡托式安裝裝置尺寸的調(diào)整，為新車型開發(fā)過程中換電方案的設(shè)計(jì)和換電設(shè)施的建設(shè)和推廣提供了新思路，希望能為新能源汽車的持續(xù)發(fā)展和解決客戶續(xù)駛里程焦慮提供借鑒。