換電模式下電動汽車電池移動板的研制與應用

鐘恒堅， 戴詠夏

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電動汽車服務分公司，杭州 310012）

換電模式下電動汽車電池移動板的研制與應用

鐘恒堅1，2， 戴詠夏1，2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電動汽車服務分公司，杭州 310012）

動力電池置換是電動汽車日常換電工作的一項重要程序。針對電動汽車后備箱內(nèi)電池移動缺乏輔助工具、后備箱飾件極易摩擦破損等問題，分析了后備箱輔助移動板的主體板材及減少摩擦力部件材料，研制了新型的蜂窩式電池移動板。實際應用表明，應用該電池移動板可使換電工作更為輕松省力，提高了安全性和工作效率，減少了車輛后備箱檢修維護成本。

電動汽車；換電模式；電池移動板；研制；應用

隨著氣候變化、能源短缺等問題的日益凸顯，電動汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)未來的發(fā)展方向[1]。目前電動汽車能源供給方式有充電模式和換電模式2種[2-4]。充電模式指電動汽車采用整車充電的方式，按充電功率的大小又可分為常規(guī)充電和快速充電。換電模式是指將車輛和電池分開考慮，用戶只購買汽車，由電池租賃公司負責電池的更換、充電、保養(yǎng)和回收的方式。這2種模式在國際上已經(jīng)得到不同程度的嘗試和應用，其中對充電模式的研究、設備開發(fā)[5]相對較多。中國國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司于2011年提出了以換電為主的商業(yè)模式。但是在電動汽車更換電池過程中，因電動汽車電池從電池倉移至電池轉(zhuǎn)運車時，在車輛后備廂內(nèi)存在視角盲區(qū)，導致車輛后備廂地毯容易產(chǎn)生摩擦破損。為此，有必要研制便捷的動力電池移動板。

1 現(xiàn)狀

目前，在將電動汽車電池從車上運輸?shù)诫姵剞D(zhuǎn)運車之間的過程中，尚缺乏可以輔助電池運輸移動的工具，電池在移動中直接放置在車后備廂地毯上，而地毯是汽車廠商鋪設的較為美觀的棉絨材料，摩擦力較大且極易破損。經(jīng)測量，拉動每箱電池至少需要312 N的拉力，即使使用防刮布進行保護，對后備廂地毯的保護作用也很有限。

考慮到電動出租汽車的工作特性，其電池更換更為頻繁，往往正常行駛數(shù)月后車輛后備廂地毯便出現(xiàn)破損現(xiàn)象。通過對運營中的40輛電動出租汽車的車輛破損情況調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)進入充換電站換電車輛的內(nèi)飾件破損率高達100%，盡管司機定期到4S店保養(yǎng)維修，換電池時輕拿輕放，但也僅能減緩車輛破損，無法有效避免車輛因換電引起的破損問題。破損的后備廂不僅影響車輛的換電效率及正常運行，也有損電動出租汽車的形象。

2 動力電池移動板的設計與開發(fā)

2.1 可行性分析

為避免電動汽車后備廂飾件因換電而導致破損，提出了研制開發(fā)電池輔助移動工具的3種方案（見表1）。經(jīng)分析評估，確定“車輛后備廂臨時鋪設保護板”的方案為最終方案，該方案為電動出租汽車量身定制了摩擦力小且保護性好的電池移動板，在換電時鋪設上去，可有效避免車輛地毯及護板破損，還能使換電更為省力。

2.2 設計方案的確定

2.2.1 主體板材的選擇與確定

電動汽車是新興產(chǎn)業(yè)，市場上尚未見生產(chǎn)或銷售類似換電設備，需要對便攜移動板的主體板材和減少摩擦力部件材料予以選擇和確認。

根據(jù)表2所列的各種主體板材方案，考慮到重量、強度、易加工性等因素，通過模擬試驗，確定采用工程塑料作為主體板材。

2.2.2 減少摩擦力的部件

根據(jù)表3所列的減少摩擦力部件的多種方案，通過模擬試驗，滾珠和防刮條均可采用。

2.3 實施方案確定

表1 可行性方案分析評估

表2 主體板材方案比較

表3 減少摩擦力部件方案比較

便攜移動板的主體板材確定采用工程塑料，減少摩擦力部件采用滾珠或防刮條均可，但哪種材料更有效還有待驗證。

2.3.1 滾珠的選擇和使用

通過對多種材料的對比研究，發(fā)現(xiàn)PA6聚酸胺材料更適合制作移動板。該材料的機械強度、剛性、韌性、耐磨性都很優(yōu)秀，且加工方便。采用重量輕、體積小的UFO形滾珠并使用拉鉚釘固定，組合方式如圖1所示。為了使?jié)L珠的使用效果最好，根據(jù)電池長725 mm、寬220 mm的實測尺寸，經(jīng)過反復試驗調(diào)試，最終確定在保護板上鑲嵌32顆滾珠，滾珠之間的橫向軸距小于100 mm。

圖1 滾珠組合方式

設定安全系數(shù)為5倍、滾珠可承受重量為45 kg，所以縱向滾珠不得少于4顆。移動板分為2個部分，使用合頁連接，并在移動板兩邊鏤空制作拉手，以方便攜帶與鋪設，如圖2所示。

圖2 板材上固定滾珠設計圖

2.3.2 防刮條的選擇和使用

防刮條采用PTFE聚四氟乙烯，該材料具有極低的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性能，以及極好的化學穩(wěn)定性，可減少電池與移動板之間的接觸面積，從而達到省力的效果，設計圖如圖3所示。因防刮條和主體板材極性較小，為了能更好地粘合，在需粘合的表面進行了活化能處理，再使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑與主體板材連接。

2.3.3 組合后的蜂窩式移動板

采用圓柱形滾珠，將電池對移動板的作用力集中在滾珠上，板材厚度降為5 mm，并采用蜂窩式理念對移動板作鏤空處理，以減輕整體重量。同時，在滾珠的柱體上開出凹槽，依靠凹槽加卡簧將滾珠固定在移動板上，方便損壞后的更換。制作完成后的蜂窩式移動板如圖4所示。

圖3 板材上固定防刮條設計圖

圖4 蜂窩式移動板

3 應用效果分析

3.1 板材上固定滾珠的應用效果

板材上固定滾珠的方案設計完成后，在西溪充換電站進行了實驗驗證。實際使用情況表明：電池通過移動板輸送時更為輕松快捷，經(jīng)測試僅需49 N的拉力就可以拉動電池，與沒有使用移動板相比省力6倍，提高了換電效率。然而，該保護板過大、過重，攜帶、鋪設較為費力；拉鉚釘固定在移動板底部，會對汽車后備廂地毯造成損傷。此外，硬質(zhì)拉手在實際使用中也不太方便。固定滾珠移動板鋪設后的效果如圖5所示。

圖5 固定滾珠移動板的應用

3.2 板材上固定防刮條的應用效果

板材上固定防刮條的方案設計完成后，也在西溪充換電站進行實驗驗證。實際使用情況表明：對后備廂地毯能起到全面保護；電池表面的綠色油漆碎屑也會隨移動板的移除一并帶走；輕軟質(zhì)拉手使用方便，移動板自身重量也較輕。但是防刮條使用聚四氟乙烯材料，在移動電池時仍比較費力，通過測量至少需要145 N的拉力才能拉取電池。固定防刮條移動板鋪設后的效果如圖6所示。

圖6 固定防刮條移動板的應用

3.3 蜂窩式移動板的應用

上述2種移動板各有優(yōu)缺點，帶滾珠的移動板對汽車的保護能力較差，但移動電池較為省力；帶防刮條的保護板保護性好，但費力。蜂窩式移動板方案設計完成后，在西溪充換電站的應用情況表明：移動板在做到了輕量化的同時，對車輛的保護性能也非常優(yōu)秀。因移動板使用了卡簧固定，維修十分方便。移動電池時輕松省力，效果與板材上固定滾珠方案相當。蜂窩式移動板的應用效果如圖7所示。

經(jīng)過對連續(xù)使用蜂窩式移動板達4個月的車輛的調(diào)查統(tǒng)計，車輛后備廂均沒有出現(xiàn)破損，損壞率從原先的100%降到了1%以下。

4 結(jié)語

（1）電池移動板是簡單、便攜、實用的換電工具。實際使用情況表明，移動板解決了電動汽車電池在換電移動時損壞車輛后備廂的問題，同時使電動車輛換電更為輕松省力。目前，該成果已被推廣使用。

（2）電池移動板的研制符合環(huán)保要求，使用壽命長，大大減少了車輛后備廂檢修次數(shù)，降低了維護成本，提高了工作效率，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖7 蜂窩式移動板的應用

[1]SONG Y H，YANG X，LU Z X．Integration of plug－in hybrid and electric vehicles：experience from China[C]// Proceedings of Power&Engineering Society General Meeting．Minneapolis，Minnesota，USA：IEEE，2010：1－5．

[2]張文亮，武斌，李武峰，等．我國純電動汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討[J]．電網(wǎng)技術，2009，33（4）∶1－5．

[3]陳良亮，張浩，倪峰，等．電動汽車能源供給設施建設現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J]．電力系統(tǒng)自動化，2011，35（14）∶11－17．

[4]SISTERNES F D．Plug－in electric vehicle introduction in the EU．SM thesis[D]．Cambridge，MA：MIT，2010．

[5]BHATTACHARYA T，GIRI V S，MATHEW K，et al．Multiphase bidirectional flyback converter topology for hybrid electric vehicles[J]．IEEE Trans．on Industrial Electronics，2009，56（1）∶78－84．

（本文編輯：龔 皓）

Development and Application of the Battery Moving Plate on Electric Vehicles Under Battery Swapping Modes

ZHONG Hengjian1，2，DAI Yongxia1，2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China；2.State Grid Zhejiang Electric Vehicle Company，Hangzhou 310012，China）

Battery replacement is an important program for daily swapping of electric vehicles.For it lacks appurtenance to move batteries in boots of electric vehicles and ornaments of the boots can easily be damaged, this paper analyzes the main board and component materials reducing friction force of auxiliary moving plates in the boots.A new type of cellular battery moving plate is developed.Practical application shows that the battery moving plate enables easier battery replacement，improves safety and work efficiency and reduces boot overhaul and maintenance cost of electric vehicles.

electric vehicle；battery swapping mode；battery moving plate；development；application

U469.72

B

1007-1881（2015）04-0029-04

2014-09-19

鐘恒堅（1974），男，助理政工師，從事電動汽車充換電運營管理工作。