重型商用車電池快換方案研究

楊卓帆，李延慶，王林林

重型商用車電池快換方案研究

楊卓帆，李延慶，王林林

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

電動(dòng)車能量補(bǔ)充問題一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，文章主要研究在重型商用車上通過電池快換方案實(shí)現(xiàn)快速的能量補(bǔ)充的技術(shù)路線，最大化提高車輛運(yùn)行效率。通過國內(nèi)外換電方案的探索和技術(shù)路線分析，研究各種方案的利弊，分析換電模式推廣需要考慮的因素，提出針對(duì)換電技術(shù)發(fā)展的建議。

新能源；純電動(dòng)；電池框架；成本

前言

作為電動(dòng)汽車運(yùn)營的能量來源，能源供給系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的重要基礎(chǔ)，當(dāng)車輛上剩余電量不足時(shí)，如何補(bǔ)充電量，是電動(dòng)汽車必須要考慮的一個(gè)問題。一直以來新能源純電動(dòng)車的充電和換電路線之爭都沒有停止過。

充電路線目前被廣泛采用，充電模式分為快充和慢充兩種方式，慢充需要8-10小時(shí)，快充1-2小時(shí)。由于商用車對(duì)出勤率要求比較高，一般不允許因?yàn)槌潆姇r(shí)間過長而影響車輛運(yùn)行，因此商用車充電方式只有快充，而快充1-2小時(shí)的充電時(shí)間，在渣土、港口等細(xì)分市場也很難被客戶接受，在任務(wù)繁忙的時(shí)間段，車輛必須得保持長時(shí)間的運(yùn)行。因此，在這種工況換電模式有非常強(qiáng)的競爭力。換電模式是通過機(jī)械方式將電動(dòng)車上電池取出，再裝上已經(jīng)充好電的電池，換電模式非常快速便捷地完成了車輛能量的補(bǔ)充。

1 國內(nèi)外換電模式發(fā)展情況

新能源充換電模式之爭最早開始于國外，換電模式風(fēng)靡海外，以色列，丹麥等國家都曾大力推廣過，其中以Better Place最為出名。

Better place的換電模式是通用型的換電方案，Better place公司提供標(biāo)準(zhǔn)式的換電策略和方式提供給整車企業(yè)使用，不管是哪個(gè)品牌的汽車，只要采用了Better place的標(biāo)準(zhǔn)即可享受Better Place為電動(dòng)車車主提供的電池的維護(hù)、更換和充電服務(wù)。而主推業(yè)務(wù)為換電模式，車主進(jìn)入Better Place換電站可以通過機(jī)械手在三分鐘內(nèi)完成自動(dòng)換電業(yè)務(wù)。

Better place是堅(jiān)定的換電派，該公司認(rèn)為這種模式一方面將電動(dòng)車中最貴的部分——電池，從車身剝離出來，降低購車成本，從而加速電動(dòng)車的推廣。另一方面，換電比充電更省時(shí)，尤其對(duì)集團(tuán)客戶而言，可以更有效地控制充電成本，當(dāng)一輛車廢棄時(shí)，也并不意味著電池也必須要一起被丟棄。

圖1

然而，2013年5月26日， Better Place宣布破產(chǎn)清算決定，并向以色列LOD區(qū)法院提交了清算文件。這家知名的電動(dòng)汽車充換電服務(wù)商正式走向破產(chǎn)。分析Better Place的失敗原因，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)與低使用率的矛盾為失敗的直接原因，深層次的原因是Better Place的換電標(biāo)準(zhǔn)不被各企業(yè)廣泛認(rèn)可和推廣。

國外研究換電模式的同時(shí)，國內(nèi)好多企業(yè)也看好換電市場。國內(nèi)推廣換電模式的主要企業(yè)有國家電網(wǎng)、振華重機(jī)、北汽新能源、蔚來汽車等。

換電模式是目前純電動(dòng)新能源車解決充電時(shí)間長、續(xù)航里程短的唯一方式。換電方式在私人乘用車推廣上困難重重，阻力不斷，但是沒有影響其在商用領(lǐng)域的遍地開花。杭州的換電出租車運(yùn)營時(shí)間和運(yùn)營收入高于深圳的充電出租車，青島的換電公交車比較快充方案，可減少購置車輛的數(shù)量，不受里程限制，保證了車輛運(yùn)營需求。上海洋山港四期工程無人化智能碼頭最后選用了換電方案解決AGV碼頭車的供電問題。特定市場的商用車換電模式散發(fā)著迷人的魅力。

2 換電模式分析

通過國內(nèi)外換電企業(yè)發(fā)展情況，分析出換電模式需要思考的問題有4個(gè)方面：（1）換電站建設(shè)、運(yùn)營和歸屬問題；（2）電池的歸屬問題；（3）換電技術(shù)歸屬問題；（4）換電方式問題。

（1）換電站建設(shè)、運(yùn)營和歸屬問題。第一種方案為整車企業(yè)進(jìn)行換電站建設(shè)、運(yùn)營，其優(yōu)點(diǎn)在于換電站和車輛匹配的換電技術(shù)掌握在整車企業(yè)中，技術(shù)上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。然而整車企業(yè)往往不擅長運(yùn)營管理，實(shí)際運(yùn)營過程中需要投入大量的人力物力。第二種方案為由第三方運(yùn)營公司進(jìn)行換電站建設(shè)和運(yùn)營。第三方運(yùn)營公司一般資本充足，擅長運(yùn)營和尋找贏利點(diǎn)。然而他們面臨的問題是整合不同整車企業(yè)采用標(biāo)準(zhǔn)換電模式比較難以實(shí)現(xiàn)，換電站和整車換電技術(shù)較難掌握在自己手中，需要引入換電站建設(shè)設(shè)備公司。第三種方案為客戶進(jìn)行換電站建設(shè)和運(yùn)營。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于換電利潤掌握在客戶自己手中，但是前期換電站建設(shè)費(fèi)用較高，缺乏換電技術(shù)和換電站建設(shè)技術(shù)，需要引入設(shè)備公司，因此也有一定的難度。

（2）電池的歸屬問題。第一種方案為整車企業(yè)出售完整整車，包括電池，可拿到國家補(bǔ)貼和公告。對(duì)于換電站來說，不同的整車企業(yè)電池型號(hào)無法統(tǒng)一，需要準(zhǔn)備好不同廠家的電池，對(duì)于整車企業(yè)來說，需要考慮兩個(gè)換電站之間電池互換問題，避免出現(xiàn)必須去指定的換電站才能換電的情況。第二種方案為換電電池包歸屬為換電站，車輛出售時(shí)無電池，需要整車企業(yè)根據(jù)換電站的電池規(guī)格進(jìn)行整車的布置匹配，而整車企業(yè)受底盤結(jié)構(gòu)限制，布置已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)的電池框架難度一般比較大，同時(shí)電池框架在整車上的振動(dòng)可靠性也是一個(gè)非常大的隱患問題。

（3）換電技術(shù)歸屬問題。換電核心技術(shù)為換電框架與整車相連方式、換電站換電方式標(biāo)準(zhǔn)，連接方式不同和換電方式不同的車與換電站不能進(jìn)行換電操作。換電技術(shù)有采用整車企業(yè)換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用第三方換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用換電運(yùn)營商方換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)三種方式。第一種方式整車企業(yè)造車、建設(shè)換電站并運(yùn)營換電站，換電技術(shù)為整車企業(yè)所有，無論對(duì)其他車企釋放還是不釋放技術(shù)，其他車企都很難愿意跟隨采用，形成獨(dú)家戲局面，換電站利用率和通用性下降，勢必影響換電技術(shù)路線的推廣。第二種方案整車企業(yè)造車，車輛使用客戶建設(shè)和運(yùn)營換電站，一般客戶沒有換電站建設(shè)技術(shù)和換電技術(shù)，必須引入第三方建設(shè)換電站，換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用整車企業(yè)換電技術(shù)還是第三方換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要商務(wù)探索。第三種方案換電站運(yùn)營商提供換電標(biāo)準(zhǔn)，整車企業(yè)采用后，核心技術(shù)由換電運(yùn)營商掌握，容易形成壟斷，客戶和整車企業(yè)利潤較難把控。三種方案各有利弊，最終客戶的傾向態(tài)度決定上述方案走向。

（4）換電方式問題。換電方式同樣有三種，第一種是初級(jí)換電方式，通過簡單機(jī)械鎖止，手動(dòng)換電，人工定位，這種方式目前采用較少，換電效率低下，安全性較低。力帆換電出租車采用初級(jí)換電方式。第二種是半自動(dòng)化換電方式，策略控制氣動(dòng)鎖止，自動(dòng)識(shí)別換電方式策略，輔助人工定位。換電效率較高，可實(shí)現(xiàn)5分鐘內(nèi)換電完成，自動(dòng)化程度高，控制精細(xì)，核心策略在于換電站給整車換電操作過程的操作手臂的智能識(shí)別、與整車的控制交互、以及換電站充電策略管理。第三種是全自動(dòng)化換電方式，策略控制氣動(dòng)鎖止，自動(dòng)識(shí)別換電方式策略，輔助加自動(dòng)駕駛定位。整車與換電站全交互，車輛停止后，可啟動(dòng)車輛自動(dòng)駕駛，完成精準(zhǔn)定位，進(jìn)行換電操作，蔚來采用全自動(dòng)化換電方式。

3 重型商用車換電方案分析

國內(nèi)重型商用車換電方案推廣力度較大的企業(yè)是國家電投，國家電投既是換電運(yùn)營公司，又是客戶，同時(shí)也是換電標(biāo)準(zhǔn)的提供者，專門為重卡設(shè)計(jì)換電方案。

國家電投的方案為電池箱整體布置于駕駛后方，通過鎖止機(jī)構(gòu)將電池箱和整車相連，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中電池和車輛的有效固定。換電過程中，首先司機(jī)將車停在一定誤差允許的范圍內(nèi)，通過電控系統(tǒng)將鎖止機(jī)構(gòu)打開，換電站通過吊架將電池箱體吊起來并移到慢充的位置，再將已充滿點(diǎn)的電池箱體移動(dòng)到車輛上方，通過車輛上電池底座和電池箱體之間的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后左右方向的定位，電池箱體緩慢落下后閉合鎖止機(jī)構(gòu)，完成換電過程。

圖2

該方案的優(yōu)點(diǎn)是換電速度快、可以通過慢充延長電池壽命，然而受限于電池箱吊裝結(jié)構(gòu)，電池箱只能布置于駕駛室后方，整車電量匹配不會(huì)太大，車輛續(xù)航里程較短。同時(shí)，國家電投設(shè)計(jì)的電池框架能否滿足重卡的各種工況，也是一大隱患。

4 結(jié)論

通過以上分析，重型商用車電池?fù)Q電方案在特定市場有很大的優(yōu)勢，技術(shù)上完全可以實(shí)現(xiàn)，也被很多企業(yè)所看好，但市場的占有率不高，導(dǎo)致?lián)Q電站的換電成本和維護(hù)成本昂貴，因此，換電方案大范圍推廣還有很長的路要走。

建議政府、整車企業(yè)、運(yùn)營車隊(duì)聯(lián)合推動(dòng)換電方案的落地，加速新能源車型的推廣，減少燃油車輛造成的環(huán)境污染。

[1] 潘章惠,高賜威.電動(dòng)汽車換電網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015,30（12）.

[2] 安實(shí),趙曉晨,王健.電動(dòng)汽車租賃換電設(shè)施布局研究[J].公路與汽運(yùn),2016,1.

[3] 張宇欣,朱忠烈.洋山四期自動(dòng)化碼頭AGV自動(dòng)換電站系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2018,2.

[4] 劉文峰,朱聰,李斌,等.我國電動(dòng)汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和發(fā)展建議[J].交通運(yùn)輸研究,2015,1（6）.

Research on Battery Quick Replacement Scheme for Heavy Commercial Vehicles

Yang Zhuofan, Li Yanqing, Wang Linlin

（Shaanxi Heavy Duty Auomobile CO., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

The energy supplement of electric vehicles has always been the key factor restricting their development, this paper mainly studies the technical route of realizing fast energy replenishment in heavy commercial vehicles by fast battery replacement scheme,maximizing vehicle operating efficiency. Exploration and technical route analysis of electricity exchange schemes at home and abroad,analysis the pros and cons of various schemes,suggestions for the development of power exchange technology are put forward.

New Energy;Pure Electricity;Battery Frame;Cost

U469.7

A

1671-7988(2019)18-40-03

U469.7

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楊卓帆，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.014