公用主回路和離車充電等技術(shù)的換電領(lǐng)域應(yīng)用

【摘" 要】隨著新能源重卡相關(guān)產(chǎn)品的逐步推廣以及換電站相關(guān)生態(tài)的日趨拓展與成熟，提高換電電池總成及其車輛和換電站的使用靈活度與維修保養(yǎng)便利度、降低成本成為換電技術(shù)及相關(guān)車輛和生態(tài)產(chǎn)品能否進一步擴展應(yīng)用推廣范圍的重要課題。文章對換電電池總成高壓電能傳輸回路的時分復(fù)用方法，拓展實現(xiàn)公用主回路、充換兩用、快慢充一體化、站內(nèi)充電和離車充電等功能，分析換電電池總成進一步設(shè)計降本并提高兼容性和工況適應(yīng)性的可行性。研究結(jié)果表明，這些新技術(shù)有較好的匹配應(yīng)用效果，能降低對換電站等設(shè)備的依賴度，彌補充電樁資源不足，降低電池總成對車輛的捆綁，提高車輛運行率，降低建設(shè)投入，助推換電技術(shù)推廣，對擴充換電車型及其生態(tài)圈適用場景和區(qū)域輻射能力具有重要意義，但也存在一些局限性需后續(xù)優(yōu)化完善。

【關(guān)鍵詞】新能源重卡；換電；公用主回路；充放一體；離車充電；快慢充一體化

中圖分類號：U469.72"""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0031-04

Application of Common Main Circuit and Off-vehicle Charging Technology in the Field of Power Change

GAO Peng

（Xuzhou XCMG Auto Manufacturing Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China）

【Abstract】With the gradual promotion of new energy heavy truck related products and the gradual expansion and maturity of the related ecology of the changing station，improving the use flexibility and maintenance convenience of the battery assembly and its vehicles and the changing station，and reducing the cost have become an important issue for the further expansion of the application and promotion range of the changing technology and related vehicles and ecological products. In this paper，the time-division multiplexing method of the high-voltage power transmission circuit of the battery assembly was developed to realize the functions of common main circuit，dual-use charging，integration of fast and slow charging，in-station charging and off-vehicle charging，and the feasibility of further design of the battery assembly was analyzed to reduce cost and improve compatibility and adaptability of working conditions. The research results show that these new technologies have a good matching application effect，which can reduce the dependence on equipment such as changing power stations，make up for the lack of charging pile resources，reduce the battery assembly's binding on vehicles，improve vehicle operation rate，reduce construction investment，and promote the promotion of electric replacement technology，which is of great significance for expanding electric replacement models and their ecosystem application scenarios and regional radiation capabilities. However，there are also some limitations that need to be improved in the future.

【Key words】new energy heavy truck；replace the power supply；common main loop；charge and discharge in one；charging away from the car；fast and slow charging integration

1" 換電重卡的技術(shù)現(xiàn)狀

1.1" 換電底座的四接口和雙回路模式

目前換電重卡技術(shù)采用的充電接口布置在換電底座側(cè)面（圖1），在換電底座和換電電池框體的接合部，通過換電連接器進行高壓電路和低壓信號的互通。

換電連接器通常設(shè)置4對，其中2對作為電池向車端提供電能輸出的放電連接器，另外2對作為車端充電座向電池提供電能輸入的充電連接器，充電和放電各走獨立專用電能通路。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的四插件功能布局，分別為放電插件1/2和充電插件1/2，插件附近有功能文字標識，充電插件的高低壓線纜從側(cè)面引向底座側(cè)方底部的充電插座。

站內(nèi)充電時，同樣采用充電回路的換電連接器向電池提供電能，其換電連接器數(shù)量存在冗余，充電通道只在充電時才能利用，處于單向工作模式且線路和設(shè)備利用率較低，存在通過設(shè)計優(yōu)化進行功能整合、提高部件利用率、降低部件數(shù)量和成本等目標的技術(shù)可行性。

1.2" 現(xiàn)有技術(shù)的局限性

現(xiàn)有技術(shù)的換電電池必須與換電底座連接在一起，或者在換電站內(nèi)與換電底座連接一起時，才具備充電能力，影響了車輛的運營效率，也體現(xiàn)出對昂貴配套設(shè)施的重度依賴性，尤其對故障電池的售后服務(wù)充電保養(yǎng)和充分發(fā)揮無配套設(shè)施地區(qū)的富余電能資源不利，需要通過研究得到優(yōu)化提升。

2" 高壓公用主回路技術(shù)

2.1" 通過時分復(fù)用實現(xiàn)公用主回路技術(shù)

本研究提供了一種新的技術(shù)思路，即新能源電動車具備充放電互鎖的保護功能。車輛行駛用電時不會通過充電樁或換電站進行充電，而充電時不會進入上高壓行駛模式，若上高壓狀態(tài)時插槍嘗試充電，則車輛會下高壓以保證電路安全性。車輛在行駛放電和站內(nèi)充電時兩條電能通路不會同時工作，且每個工作模式下的電池相關(guān)主要能量通道在原理和構(gòu)成上具有相似性，可將換電車輛的換電電池總成中的充電回路和放電回路進行整合，只保留一個充放電公用的主回路，依靠2對（高壓正極和高壓負極）換電插件連通換電底座和換電電池上框總成。

2.2" 模式識別與互鎖功能的實現(xiàn)

在換電連接器的低壓信號接口里設(shè)置一個信號針腳，作為站內(nèi)充電模式的識別信號輸入，換電站電池底座的換電接口對應(yīng)針腳位置提供識別信號，用于電池系統(tǒng)進入站內(nèi)充電模式。車輛換電底座的換電插件對應(yīng)針腳無該識別信號，則可通過該模式識別信號讓動力電池的BMS控制系統(tǒng)可以有效識別整車放電和站內(nèi)充電狀態(tài)，達成充放電互鎖功能，實現(xiàn)高壓系統(tǒng)的充放電安全保護。

2.3" 接觸器工作原理及插件降本效果

換電總成內(nèi)部的電池主正和主負接觸器在放電模式下，起到將電池的電能與整車負載回路連通的功能。在站內(nèi)充電模式下，電池主正和主負接觸器起到將電池與換電站的充電樁充電回路相連通的功能，實現(xiàn)高壓充放電的公用主回路功能，并節(jié)省2對直流正負充電接觸器，縮短線纜和銅排，單車可節(jié)省物料成本約千元，降本效果顯著。

2.4" 換電插件的位置設(shè)計與兼容性

具備充換電公用主回路功能的車輛和其換電電池總成，設(shè)計時可將主回路正負換電插件設(shè)置在原技術(shù)下四插件中的正負充電插座的位置，實現(xiàn)公用主回路的電池可以使用相同的換電站等基礎(chǔ)設(shè)施的通用性，如圖3所示。圖3中，公用主回路技術(shù)的換電底托和上框總成，兩組公用換電插件布置在原四插件布局的充電插件對應(yīng)位置（偏置方案）。

而換電站可通過程序控制策略設(shè)置，實現(xiàn)對采用兩種技術(shù)的車輛VIN碼和電池序列號進行識別，并針對性地做匹配綁定，確保新技術(shù)電池與相應(yīng)的底盤對應(yīng)匹配。也可采用將2對公用換電插件直接居中布置的方式，不過需要專用換電站適配其中置式的插件位置，在通用性上略有缺陷，見圖4。圖4為公用主回路技術(shù)的換電底托及換電電池上框，兩組公用換電插件布置在居中位置（中置方案）。

3" 充換兩用、站內(nèi)充電模式和離車充電功能

3.1" 充換兩用模式的結(jié)構(gòu)原理

在取消2對充電用換電連接器后，將兩組充電插座的安裝位置設(shè)計布置在換電電池本體上，側(cè)面偏下部位，線路直接向上接入電池的BDU配電柜內(nèi)。這樣，充電座和充電回路變成換電電池總成內(nèi)部的一部分，在充電插座處預(yù)留BMS工作電的供電低壓插件，BDU內(nèi)仍然保留完整的充電接觸器和相關(guān)控制功能，使得電池上框總成的本體實質(zhì)上也具備了獨立的充電功能所需的所有硬件基礎(chǔ)條件，因此使用本技術(shù)的換電電池上框總成能夠同時具備充電補能和換電補能的兩種途徑，即充換兩用模式。圖5為現(xiàn)有技術(shù)和公用主回路技術(shù)關(guān)于高壓回路上的充/放電接觸器及其換電連接器的高壓原理拓撲圖。

3.2" 站內(nèi)充電模式的補能操作

在具備充換兩用模式基礎(chǔ)上，除了可以進一步實現(xiàn)在換電站內(nèi)通過換電底座直接補能外，也可以在換電站的充電底座上通過充電座進行普通充電補能，車輛也可以利用換電站的對外充電槍頭直接充電，即針對換電電池總成和車輛級別的站內(nèi)充電模式。圖6展示了換電歐標攪拌車采用公用主回路技術(shù)，實現(xiàn)站內(nèi)樁對電池在整車的狀態(tài)進行歐標雙槍直流快充的應(yīng)用場景。

3.3" 離車充電功能的原理及其實用性

因為電池本體具備了充電底座和全套充電回路所需的電源、能量通路和接觸器控制部件，所以換電上框總成在離開換電站和車輛的時候，在BMS低壓供電口提供工作電源情況下，可以通過普通匹配的充電樁直接進行充電補能。因為脫離了對車輛和換電站的依賴，實現(xiàn)了離車充電功能，這是換電電池系統(tǒng)的一個重要技術(shù)功能提升，可以極大提高工況環(huán)境適應(yīng)性，降低基礎(chǔ)設(shè)施投資拓展應(yīng)用范圍（換電站的投資規(guī)模在百萬級別，降本和應(yīng)用拓展效果極其明顯），降低維修保養(yǎng)和補能的設(shè)備條件難度和資金要求，提高維修保養(yǎng)便利性，更加有利于換電整體生態(tài)的推廣和應(yīng)用。我司海外某區(qū)域廣泛采用本技術(shù)，由代理商利用簡便設(shè)備進行換電和離車充實施補能租售業(yè)務(wù)，具有極其靈活的運營模式，解決了終端客戶充電樁不足以及不便投建大規(guī)模換電站的局限。圖7展示了采用本技術(shù)的換電電池進行離車充電功能應(yīng)用的場景，采用簡易吊裝設(shè)備進行非換電站內(nèi)的吊裝作業(yè)。

4" 換電電池總成的快慢充一體化功能

4.1" 商用車用充電樁的性能要求

隨著中國新能源車的逐步推廣，充電樁作為配套設(shè)施已提前在全國范圍內(nèi)全面建設(shè)普及。但由于乘用車和商用新能源重卡對動力電池的性能要求存在較大差異，導(dǎo)致兩類車輛的動力電池總電量、電壓范圍上下限、充電功率、充電樁類型等存在較大差異，不能完全兼容通用。其中，乘用車充電樁輸出電壓通常在550V以內(nèi)，而商用車充電樁通常在750V以內(nèi)，且有逐步提高電壓平臺、降低充電電流、提升充電功率的趨勢。而乘用車樁功率一般在12～44kW左右，商用車充電樁通常在60～300kW左右，商用車充電樁與乘用車樁在輸出電壓和功率上的差距將繼續(xù)拉大。

4.2" 充電樁建設(shè)現(xiàn)狀及商用車應(yīng)急補能需求

市面上乘用車所用的低電壓平臺小功率的快充和慢充樁布點建設(shè)更為密集常見，適合商用車用的高壓平臺大功率直流充電樁暫時不能做到隨處可見。因此，電動重卡往往采用定點專門配套大功率直流充電樁的方式來滿足運營需求，但難免會出現(xiàn)臨時變更運營區(qū)域和運營路線的情況，以及車輛電量續(xù)航管控不當(dāng)導(dǎo)致的續(xù)航里程不足以回到規(guī)定補能點的突發(fā)情況。重卡用直流快充樁可以為乘用車補能，但是乘用車的低電壓平臺的直流充電樁無法為重卡補能，此時電動重卡將面臨里程不足和無樁可補能的窘境。

重卡出于大功率充電需求的原因而在設(shè)計時沒有考慮過慢充功能，尤其對換電重卡而言，換電插件內(nèi)不具備慢充所需的線纜針腳空位，難于借用周邊眾多的乘用車慢充樁進行應(yīng)急補能。

4.3" 海外市場商用電動重卡的慢充需求

對于海外市場，國外電動重卡起步晚，推廣進度慢，加上地廣人稀充電樁布置密度不足，現(xiàn)有市面上重卡用高電壓平臺大功率充電樁則更為稀少。且國外車輛極少全天運行，具備夜間充電的工況條件，加之國外20～40kW的大功率慢充樁較為普及，且部分地區(qū)存在交流樁用電成本低于直流樁的情況，存在明顯交直流用電差價和峰谷電價。因此海外市場對于重卡交流充電功能的需求更為明顯。

4.4" 慢充集成實現(xiàn)快慢充一體化

對于國標充電，可以將慢充插座與快充插座同時布設(shè)在換電電池總成側(cè)面偏下位置，供電線纜和信號線接入BDU，內(nèi)設(shè)慢充接觸器，并在換電電池總成內(nèi)部安裝車載慢充機（OBC），見圖8。圖8為換電電池總成上框內(nèi)的交流車載充電機及公用主回路下的BDU高壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

慢充機功能按應(yīng)急充電或者夜間補能等不同需求，可選擇從6.6～40kW不等的設(shè)備類型，20kW以上因功率較大，需要采用水冷散熱模式，利用換電總成內(nèi)的電池水冷機組及冷卻液循環(huán)管路對OBC進行冷卻控制。對于歐標CCS2等非國標充電標準，充電座為交流和直流一體的COMB式集成插座，更便于交流接口的布置，在設(shè)置EVCC通信標準轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)上實現(xiàn)充電功能兼容。換電電池總成集成慢充后，實現(xiàn)換電電池總成的快慢充一體化功能，提高對使用工況環(huán)境的適應(yīng)性，更利于在不同工況場景下的推廣應(yīng)用。

5" 結(jié)論

本文基于換電重卡的現(xiàn)有換電體系技術(shù)特點和應(yīng)用中體現(xiàn)出的一些不足，貼合實際工況場景的需求，旨在探討對換電電池總成的高壓電能傳輸回路的時分復(fù)用方法，并基于此技術(shù)拓展實現(xiàn)公用主回路、充換兩用、快慢充一體化、站內(nèi)充電和離車充電等具體功能，分析了換電電池總成進一步設(shè)計降本并提高兼容性和工況適應(yīng)性的可行性。研究結(jié)果表明本研究方向的諸多新技術(shù)均有較好的匹配應(yīng)用效果，具備良好的工況適應(yīng)性和環(huán)境兼容性，能大幅度降低對換電站等昂貴重資產(chǎn)設(shè)備的依賴度，彌補各地充電樁資源不足，降低電池總成對車輛的捆綁，提高車輛的運行率，對電池系統(tǒng)的維修保養(yǎng)和補能的設(shè)備要求更低，可以極大降低建設(shè)投入，充分發(fā)揮車電分離模式的效果，助推換電技術(shù)的大范圍推廣，對擴充換電車型及其生態(tài)圈的適用場景和區(qū)域輻射能力具有重要意義。盡管本研究提供了幾項新的技術(shù)方法，并進行了一定的實踐應(yīng)用，但我們也認識到存在一些局限性，例如簡陋環(huán)境下缺乏換電站的數(shù)據(jù)采集匯總能力，缺乏對離車充電池的充電補能參數(shù)采集，不利于對車輛運營工況的詳細統(tǒng)計分析等，這將是后續(xù)需要繼續(xù)優(yōu)化完善的研究方向。

參考文獻

[1] 高鵬，莊明興.電池總成、電動汽車、換電站和充電方法：中國，202210200560.6[P].2022-05-31.

[2] 高鵬，莊明興.電池換電總成及其控制方法、換電車、換電系統(tǒng)：中國，202111621806.9[P].2024-03-15.

（編輯" 凌" 波）