電動汽車集約型換電設施的設計研究

蔣燕萍，陳佩軍，陳海燕

電動汽車集約型換電設施的設計研究

蔣燕萍，陳佩軍，陳海燕

（國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江省 杭州市 310009）

為解決電動汽車換電站施工周期長、換電效率低、存在安全隱患等問題，提出了一種集約型換電設施的設計思路及方案。通過對集裝箱合理改造，并集成電池緩存、自動取放、充電控制、安全防護等系統，從而構成一種具備電池取放自動化、均衡充電及自動保護功能的集約型換電設施。詳述了該集約型換電設施各系統的功能及設計方案，實踐證明該換電設施可提高土地利用率、降低換電站建設成本，并可提高換電效率及服務質量，達到預期效果，同時具有較高的市場潛力。

電動汽車；模塊集成；換電設施；動力電池

0 引言

汽車驅動的電能替代對環境，尤其是對交通密集區空氣質量的提升具有重要的意義，而完善的充電、換電設施是城市電動汽車的發展基礎和重要保障[1-3]。近年來，動力電池換電服務站在國內陸續建設和投入使用，為周圍電動汽車用戶提供極大方便[4-5]，但大部分換電站的動力電池甄選和取放需要借助電動叉車，換電便利性和自動化水平較低。因此，提高換電站自動化服務水平、實現全自動換電已成為國內外城市電動汽車換電設施的研究方向[6-7]。此外，城市規劃用地日趨減少，逐漸成為制約電動汽車充換電站建設的另一個制約因素，緊湊型、集約型的充換電站更適合城市需求[8-11]?；谏鲜?點，研發低成本、易建設、模塊化的換電技術和關鍵設備成為推動電動汽車發展、實現電能替代的重要方向。

本文提出了一種集約型換電設施的設計思路及方案：通過對電動汽車集約型換電設施設備的研究和開發，減少建站時對土地的要求，提高土地利用率；另外，通過取放設備與電池進行通信，實現電池自動取放功能，提高換電自動化水平。文中根據設計的各功能模塊具體介紹對應的子系統功能。

1 集約型換電設施設計思路

1.1 換電設施現狀

目前在用的換電設施主要分為室內型和室外型。室內型換電設施基本采用充電架模式，需要附加建筑對充電架進行防護，工程投入和實施成本較高，施工周期較長。室外型換電設施多采用移動充電倉與電池轉運箱配對的模式，由于箱體體積的限制，每對倉僅能設計20個充電工位，一對組合設備占地約10m2，土地利用率較低，且由于防護等級的要求，需要遮擋物或雨棚對倉體進行防護。以上2種模式均需要輔助設備(電池揀選車或小推車)對電池進行人工甄選和取放，存在一定的安全隱患。

隨著換電業務的快速發展，電動汽車、動力電池和換電設施的運營和生產管理亟需更大力度的數據通信與信息監控[12]，目前大部分取放電池過程中，電池狀態需要換電人員根據指示燈狀態進行選擇，且充電數據上傳僅停留在充電站層面，電動汽車充換電服務站設施已不能滿足充換電服務網絡多維度信息交換和集約化管理的要求。

按照目前電池存放的高度，電池取放轉運車取放便利性不足，需要借助電動叉車進行取放，更換效率較低，且安全性有待提高。換電設施作為電動汽車電源補給的基礎設施，是直接影響電動汽車大范圍推廣應用的重要因素[13-15]，提高換電自動化，可以實現少人參與的乘用車換電，從而節約換電的人力成本，降低換電人員的勞動強度，提高換電服務質量和設備通用性。如何將充換電設施集約化是新型充電基礎設施設計的重要技術之一。

1.2 研究思路

電動汽車充換電服務網絡面臨降低建設和運營成本的壓力[16]，因集裝箱具有良好的物理性能和足夠的強度，能長期反復使用(壽命可長達30年)，為電池充換電提供一個使用可靠、定位精確、運行穩定的電池存取空間，是集約型電動汽車換電設施的結構基礎。設計基于集約型、模塊化、高效率為核心的技術研發思路，提出一種集成式換電設備，對集裝箱箱體內部進行一體化充換電系統設計、電氣模塊化設計，對功能子系統集成優化，采用信息監控和多工位集約化，實現電池充換電自動甄選和存取，提高自動化水平，并提供超過100個充電工位，從而提高土地利用率。

另外，集裝箱自帶吊裝功能，可從一種運輸工具直接換裝到另一種運輸工具上，集成式充換電設備在工廠完成安裝和調試后，可直接吊裝前往用戶所在地，實現接插式服務，減少現場工作量和縮短工程建設周期，降低建設成本。

2 集約型換電設施設計

2.1 總體功能設計

通過對集裝箱合理改造，將充電、緩存、取放、監控等功能集約化，設計形成集約型換電設施，功能系統主要分為箱體改造系統、電池緩存系統、自動取放系統、充電系統、控制系統、安全防護系統等，功能設計如表1所示。

表1 集約型換電設施功能設計

2.2 箱體改造

采用內尺寸為12.032m×2.352m×2.69m標準規格的高箱集裝箱，為提高土地利用率，設計成多個電池工位的充放電條件。箱體改造主要包括底座改造和外殼改造。

集裝箱底座改造主要根據工作人員操作高度，基于人體工程學原理，在整個箱體外底部加裝底座。因熱軋H鋼結構具有成本低、精度高、殘余應力小等優勢，且與焊接工字鋼、傳統鋼結構和砼結構相比，同截面負荷下節約鋼結構制作成本30%左右。綜合上述，底座高設計為50 cm，選用H型鋼材搭建，底座用板材焊接封閉，整體用綠色油漆美化，其結構如圖1所示。底座的設計不僅為工作人員提供了更加方便的操作條件，而且避免了集裝箱直接與地面接觸，防止積水倒灌，保障電氣設備可靠運行。

集裝箱外殼改造主要包括風機口改造、側門改造、正門改造、緩存電池口改造、雨棚改造等工作。正常運行時該設備內部有100臺電池充電機同時工作，箱內會產生較大的熱量，為了能更好地散熱，在箱體背部加裝風機口，并在箱體內部安裝空調內機，保障電池安放在相對恒定的溫濕度環境。為方便設備前期安裝和后期維護檢修，在集裝箱2個側面分別安裝人員進出門戶。正門改造是在集裝箱正面用卷閘門將電池架封閉的設計，關閉時可以起到防雨、防塵、防火的作用。在設備維修時卷閘門打開，方便工作人員觀察電池狀態和查找故障。緩存電池口即緩存架的電池出口，用于人工取放電池。雨棚改造是在取放電池的出口上方設計雨棚，防止最大60°傾角的雨水從電池取放出口進入集裝箱，滿足淋水防護等級3IPX3。箱體改造設計效果如圖2所示。

圖1 底座結構的2D及3D示意圖

圖2 箱體改造效果圖

2.3 電池緩存架和電池自動取放系統

電池緩存架是電池在電動汽車與電池架之間的中轉平臺，通過設定約束條件和Matlab軟件編程計算得出緩存架數量為4時換電效率和充電效率最優，其初始位置與電池架電池倉在箱內最底層，如圖3所示。通過加裝3節導軌裝置結合電機螺桿驅動的推拉機構，使得緩存架托盤能延伸至集裝箱人工取放平臺，方便工作人員取放電池。

圖3 電池緩存架效果圖

緩存架的推拉機構是通過初始接近開關和結束接近開關的信號狀態來完成限位功能，當電池緩存架得到控制子系統的輸出命令后，推拉機構啟動，步進電機開始驅動螺桿，使3節導軌以一定速度向人工取放平臺方向層層推出，直至將電池托盤整個推出電池架，最終電機得到結束開關信號后停止工作，此時托盤邊緣與集裝箱的邊緣齊平，便于工作人員將滿電電池取走。當空電電池放置于電池緩存架之后，電池緩存架反向操作。電池取放機構和電池緩存架的位置示意圖如圖4所示。

圖4 電池取放系統示意圖

為提高自動化水平，設計自動取放系統，包含自動取放裝置和定位系統。自動取放裝置作為該系統的核心，由水平行走機構、豎直行走機構以及電池取放裝置3個功能機構組成。自動取放裝置通過伺服電機實現集裝箱內水平和豎直2個方向的移動，通過節拍時間估算法，設計移動的平均速度為0.3~0.5m/s。通過伺服定位模塊與標簽定位模塊組成的定位系統完成對電池的精確定位。電池取放裝置通過吸盤完成對電池的抓取與推放動作，單節電池取(放)時間為20 s，負重達到200kg以上，能夠同時取放2組電池，與現有技術相比，大幅提高了換電工作效率和安全性。

2.4 充電系統

充電系統包含電池架、充電架、交流配電柜等裝置。電池架用以存放一定數量的動力電池，按照電池外形尺寸和集裝箱體空間余量設置電池格位數量，每個電池格位與電池箱之間用導向式均衡電池插座連接。電池架通過電纜與充電機完成電氣連接，形成可充電的集成裝置，并設有通信、監控等功能。充電架用以存放均衡充電機，根據均衡策略對電池組進行均衡充電，同時完成各單體電池狀態信息的監測、采集和通信。另外，專為集裝箱式換電設施設計交流電源配電裝置，除了為集裝箱內充電系統和控制系統提供電源外，還提供室內照明和民用插座，方便工作人員檢修 作業。

2.5 控制系統

控制系統完成對自動取放裝置、電池緩存架、安全防護系統以及溫控模塊的控制任務，并通過與電池設備通信，檢測電池充電狀態，從而實現電池換電過程的自動化管理?？刂葡到y工作原理是采用觸摸屏作為上位機，各執行機構位置布置檢測傳感器對信息進行檢測和通信，通過主控制器PLC進行邏輯控制，完成對各功能區的控制動作。

其中溫控系統是采用空調來調節集裝箱內部的溫度。其核心部件包含空調、溫度傳感器以及系統主控制器PLC，控制器檢測到溫度傳感器的溫度反饋之后，完成相應的權重計算，得到集裝箱內部當前溫度，再根據溫度值調節室內空調啟動程序，基于保證電池在合適、安全的條件下充電，將集裝箱內部溫度控制在10~40℃。

2.6 安全防護系統

基于以往人力操作的實踐經驗，設計安全防護子系統，主要通過設備本身的安全設計和配套安全防護設施，用于保證工作人員人身安全和電池換電系統運行安全，安全防護系統功能設計見表2。

該集約型換電設施的安全防護系統網絡，以工控機觸摸屏作為上位機，并通過C++通用編程語言進行人機交互。下位機以PLC進行組態，通過安全控制器將安全光幕、安全繼電器、安全開關等進行通信，并作為PLC的輸入信號，用于控制自動取放裝置、電池緩存系統、電池架電池的狀態，達到安全、可靠作業的目的，系統框架如圖5所示。

表2 安全防護系統功能設計

圖5 安全防護系統框架圖

3 集約型換電設施的優點

集約型電動汽車換電設施在土地利用率、建設便捷性、充換電服務水平以及設備通用性方面較現有充電設備具有較大的優勢：

1）提高土地利用率：尺寸為12.032m× 2.352m×2.69m的集裝箱改造后，20個充電工位平均使用面積約為4m2，提高了設備集成化程度，相比常用的充、換電池倉減少了50%以上的占地面積。

2）降低建站成本：由于充電設備集成度提高，整個換電設施在工廠建設完成后，可一次性運輸、吊裝到位，減少了現場施工作業量，滿足了快速建站的要求。

3）提高換充電服務的質量：集約型換電設施采用自動取放方式，可以實現少人參與，且安全可靠性好、自動化程度高，從而降低換電人員的勞動強度，提高換電服務的質量。

4）市場通用性好：集約型電池取放裝置可通過更換夾具方式適應不同尺寸的電動汽車動力電池存取，具有良好的設備通用性。

4 結論

在能源轉型的大背景下，推進換電設施自動化、高效化、便捷化是推動電動汽車普及的有效途徑，是清潔低碳路線的有效實踐。在集裝箱固有鋼結構和吊裝便利性的基礎上，設計完成一套可吊裝的集約型充換電設施，該設施由箱體改造系統、電池緩存系統、自動取放系統、充電系統、控制系統、安全防護系統等部分組成，通過一體化的充換電系統設計和電氣模塊化設計，提高電動汽車換電服務站的土地利用率、建設便捷性、充換電效率。集約型換電設施具有較高的安全可靠性和設備通用性，該方案的研究可以推動城市電動汽車基礎設施建設，對汽車動力行業能源轉型將起到積極的推進作用。

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Research and Design on Intensive Power Exchange Facility of Electric Vehicles

JIANG Yanping, CHEN Peijun, CHEN Haiyan

(Hangzhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Power Co., Ltd., Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China)

In order to solve the problems of electric vehicles power exchange station such as long construction period, low-efficiency and potential safety hazard etc., this paper proposed a design mentality and scheme of intensive power exchange facility. By reasonably transforming of container and integration of battery buffer, auto pick-and-place, charge control and safety protection systems, the intensive power exchange facility is constituted with automatization of battery pick-and-place, equalizing charge and auto protection function. The function and design scheme of every systems was demonstrated detailly. The practice proves that this facility can improve land utilization, reduce the building costs, improve power battery exchange efficiency and service quality, achieve design objective and possess high market potential.

electric vehicle; module integration; power exchange facility; power battery

10.12096/j.2096-4528.pgt.19063

2019-04-23。

(責任編輯 楊陽)