“底盤中置換電供能系統”在新能源純電動汽車上的設計應用研究

韓新江 王建排 秦永

河北中能高聚新能源科技有限公司 河北省石家莊市 050899

1 引言

2017年4月工業和信息化部、發展改革委、科技部聯合印發《汽車產業中長期發展規劃》，預計到2020年，我國新能源汽車產銷能力達200萬輛，受益于新能源汽車市場規模的不斷擴大，新能源汽車動力電池、電機、整車控制三大核心部件，在產銷方面也延續了超高的增速。尤其是動力電池，根據高工產研鋰電研究所（GGII）調研數據顯示，2017年中國動力電池出貨量44.5GWh，同比增長44.5%，產值725億元，同比增長12%。

然而，2017年新能源汽車實際銷量僅為78萬輛，距離目標仍有很大的差距，尤其純電動汽車由于充電時間長、安全隱患多、購置與建站成本高、依賴于國家補貼等問題凸顯，已經成為阻礙新能源汽車產業發展的共性瓶頸問題，亟待解決。同時，‘雙積分’管理辦法實施在即，新能源汽車產業正面臨產能急劇擴張、產業鏈存在短板、回收利用滯后等難題，居高不下的成本和難以突破的能量密度水平已然成為動力電池行業急需邁過的兩道坎。本文以純電動汽車供能系統為對象展開研究，發現“換電供能系統”在新能源純電動汽車推廣方面具有良好的市場應用前景。

2 新能源純電動汽車存在的問題研究

2.1 純電動汽車“三電”和安全技術分析

2.1.1 電池技術

現在的電動汽車均采用兩種電能存儲技術：化學電池技術和電容技術。化學技術包括鋰電池技術、燃料電池技術，目前純電動車輛使用最多的是鋰電池，但是由于技術尚未突破，目前鋰電池的比能量比較低、成本高，相對于整車來說，電池成本占到了車輛的40%，這也是國家通過補貼的方式進行車輛推廣的原因。

目前，能量密度最高的要算三元材料鋰電池了，雖然能量密度優勢很明顯，但是熱穩定性差。

2.1.2 電機及控制技術

電機主要使用異步電機和永磁同步電機兩種。異步電機使用鼠籠電機和變頻技術控制，變頻控制方面使用IGBT數字技術控制電機。

2.1.3 安全技術

無論是化學電池還是電容電池，各家汽車廠均采用安裝滅火彈裝置以防止電池起火，尚未研發出完全可靠的安全技術。

2.2 目前純電動汽車充電存在的問題

2.2.1 插電式純電動汽車充電時間長、充電難

目前市場所用純電動汽車電池以磷酸鐵鋰、三元鋰為主，由于電池特性和技術問題，在充電方面有快充和慢充兩種方式，根據電池特性正常充電時間為6-8小時，快充1.5-2小時，慢充時間長用戶很難接受，快充一方面削減電池壽命，在時間上仍然不能滿足用戶使用純電動汽車的意愿。充電接口標準、充電時間長、成本高問題也有待破解。目前純電動汽車普遍存在接口標準不統一、充電時間長、使用成本高的共性問題，既制約了電動汽車車的普及，也提高了使用成本。與此同時，市面上電動汽車車的充電方式分成直流電和交流電兩種。直流電的特點是功率大，半小時僅充滿80%的電，而交流電的功率小，充電時間需要8-9小時，從價格上看，前者是后者的好幾倍。

從充電設施規模看，截至2017年6月，聯盟內成員單位總計上報公共充電樁171609個，而2017年我國新能源汽車產量已超過78萬輛，充電樁無法滿足電動汽車車的發展需求，充電樁利用率還是比較低，從充電樁運營方面來看，中國充電設備運營發展的主要痛點來自場地/電力供應、盈利困難，互聯互通水平低等方面；充電設施市場仍處于探索期，商業模式不成熟。

我國目前較為主流的電動車能源補給方式是“充電式”，由南方電網和國家電網提供電源，地方政府規劃用地建設充電站，電動車用戶可以到充電站進行充電。但是建設成本過高、用戶過少、電池標準的缺失使充電站的推廣在我國遇到了瓶頸。

3 底盤中置換電供能系統的設計研究

根據行業和各汽車企業純電動汽車所面臨的電池占比高、難以推廣的問題，我們經過研究，發現這一問題仍然有良好的解決方案，針對目前純電動汽車充電難等制約產業發展的共性瓶頸問題，我們認為底盤中置換電供能系統可以有效解決純電動汽車推廣所面臨的各種問題。

3.1 研究思路

（1）基于車輛車架結構與性能，運用動平衡原理，在不改變車架結構的前提下，將電池倉設計布局在車架中軸線、電池形態設計為單節方柱形插拔式。選擇整車中軸（縱梁）位置將設計緊湊的長條體電池倉通過滑行軌道放置并抽出更換，中置就是中心位置，是整車的“原點”，它既獲得了整車最小的翻車力矩，也使電池倉在中心位置的抽拉非常容易，這一技術使得換電成為可能，同時此位置內相對比較大的空間能夠容納更大容量動力電池組，從而使續航里程加長。

（2）基于低成本功能原則，研發出低成本快速換電裝備、充電與電池管理系統、高效供能系統。換電主要涉及四個關鍵技術，定位、鎖止、緊固、連接。其中，定位功能能夠幫助換電設備精準地確定電池的位置；鎖止技術能夠通過換電設備與電池箱之間的通信，使得電池在更換過程中被牢牢鎖緊，并在適當的位置被放下；而緊固則是保證電池能夠更穩定地搭載在汽車上；連接技術，保證了電池與電控系統、充電設備之間電氣連接的穩定性。

（3）通過原始創新技術集成，形成純電動車快速換電與低成本充換電建站技術支撐體系，通過換電站對電池充電速度的把控，換電車輛與儲備電池的數量比設定為1：1.24，“換電站以0.5C-1C（電池充放電倍率）的速度對電池進行充電，延長電池壽命，減少對電網沖擊。

3.2 底盤中置換電供能系統解決的主要問題

3.2.1 改充電為“充換電”解決充電時間長的問題

電池艙中軸對稱設計就可以使得整個車輛的所有電池組有機緊湊設計成一個長條體，在電池艙內設置滑行軌道，動力電池就可簡單快速的換電作業；可充可換。

3.2.2 整車科學布局設計，延長續航里程

由電池倉兼做縱梁使用，使車體不但可減輕自重，更有足夠的空間儲藏大容量動力電池組。且長條一體化設計可以更緊湊的擺放電池，更可以實現電池組的無線連接，使得整個電池箱的儲能潛力大幅提升；能源包的長條一體化設計使得電流走向清晰避開電磁互擾，無線連接保障了電池間溫度的梯級差異最小化和連接內阻一致最小化，使得能源包的高壓放電效率相對提升。

3.2.3 “車電分離”模式大大降低車輛購置成本。

由于可快速換電，使得此概念的電動汽車“車和電池”的分離銷售成為可能，動力電池由電池運營商提供或租賃，這樣消費者就會以比同等級別的燃油汽車價格還低購得純電動汽車，由于能源包的長條一體化使得各種車型通換成為可能，電池運營商像中石化經營石油一樣經營電池，從而將液態的石油“加油模式”變為固態的電能“加電模式”成為現實。

3.2.4 密閉式電池倉更加安全

由于電池艙作為中梁設計，關閉艙門就是一密閉的金屬箱體，能源包與之形成環狀風道，智能控制引入空調冷熱風，有效保障純電動汽車在極冷、極熱環境中正常運營，且防塵、防水、防電磁輻射；同時它又與能源包形成了雙金屬層間隔動力電池，防爆、隔氧阻燃，基本杜絕爆燃傷人事故。

3.2.5 底盤中置換電系統利于實現標準化

“底盤中置換電結構”和“電池包系統”具有廣泛的使用通用性，能夠被主流汽車制造商和運營商接受，并有上升為“可換電式”電動汽車底盤和電池包“行業標準”的條件，而與該電動汽車底盤結構配套的標準化動力電源，除可實現動力電源快速換電和易于集中維護、充電管理外，還有對不同類型動力電池（鋰電、固體燃料等）適應性的特點，有利于新能源電動汽車產業化推廣進程中采用更為先進的電池解決方案。

該設計技術很好的解決了車電分離問題，其換電作業由機器自動化完成，用戶買車不買電池、用車不用充電，能夠從根本上解決純電動汽車在推廣過程中所遇到的充電時間長、充電設施不完善、購買成本高的問題，隨著換電站的不斷增加，國家標準的制定和實施，未來購買和使用純電動汽車也將不再擔心出遠門、跑長途的顧慮。

4 結語

近兩年來新能源汽車的發展速度有目共睹，新能源汽車目前已經成為我國領先世界的行業之一。2017 年我國新能源產銷量分別達到 79.4萬輛和 77.7 萬輛，累計保有量達到 180 萬輛，占全球市場保有量50%以上，連續三年位居世界第一。 新能源汽車中九成皆為需要充電的電動汽車，因此充電設施成為了新能源汽車發展的重要基礎設施，與此同時，充電設施也成為了制約新能源汽車快速推進的最大短板。近兩年來， 諸如充電樁等基礎配套設施的相對滯后現象正日益突出。雖然充電樁數量在快速增加，但不可忽視的是新能源汽車的增長規模仍然大幅高于充電樁數量的增長規模，也就意味著車樁之間的缺口仍在不斷擴大。根據調查，用戶在購買電動車時，充電設施的配置是否齊全、充電是否足夠便捷、自行安裝充電樁是否可行等問題成為了用戶購買電動汽車時所顧慮的重要因素。因此如果不能徹底解決純電動汽車在能量供應方便、實惠的問題，其推廣也必將受阻。

當前，國家對新能源汽車實行補貼機制，目的是讓我國新能源汽車技術與國際技術同步發展，以彌補傳統汽車落后的局面，同時環境的壓力也促使新能源汽車迎來高速發展時機，但國際的補貼是扶持企業走一程，而不是永遠，目前我國新能源汽車市場還沒有完全形成，產業化水平較低，關鍵技術、電池性能和成本仍有相當大的發展空間。“現有的價格成本完全靠補貼支撐，就像孩子斷奶就沒法活一樣，新能源汽車產業還需要整個行業共同呵護，只有把步伐走穩才不會摔跤。隨著補貼的退坡直至2020取消，喪失價格保護的電動汽車產業還是將直面殘酷的市場競爭，只有不到3年的時間，能否打破電池的技術瓶頸、成功降低成本，制造出消費者需要和喜歡的新能源車產品恐怕是當務之急，“由于續航能力不足，現在我們不是在充電，就是在去充電的路上”這句話成了純電動汽車出行的代名詞。中國工程院院士楊裕生也曾表示，新能源汽車的發展必須要盡快解決里程焦慮，續航能力已然成為動力電池競爭力的制高點，再加上原材料成本持續上漲，而電池售價因國家政策影響不斷下調，電池企業的成本壓力巨大，在電池能量密度、制造成本、充電技術得到徹底解決之前，通過實際運行結果看，用戶低成本購買純電動汽車，運營平臺公司負責集中充電配送到換電站，用戶通過換電租賃電池，實現電池共享使用的“換電式供能系統”模式的應用是目前純電動汽車在推廣和使用過程中實用且有效的解決方案。