基于專利分析的汽車換電站建設研究

劉桂金，申華磊，李福輝

（東平一建建筑有限公司）

1 引言

換電技術是指通過電池更換的方式實現電動汽車的能量補充，同時實現替換電池的統一管理、存儲與充電，具有充能速度快，效率高的特點[1]。換電技術的推廣應用依托于換電站的建設[2]，本文依托專利分析技術，針對電動汽車換電站發展歷程進行分析，總結換電站建設發展規律，實現指導換電站建設的目的。

2 換電站建設相關專利快速發展，具有較大市場潛力

換電站相關專利發展經歷了萌芽期、初步發展期及快速發展期三大階段（見圖1），2008年之前換電站建設技術處于探索階段，專利申請量較小；2009年起，在國家鼓勵以充換電方式進行新能源汽車充能的背景下，換電站建設技術得到初步發展，專利申請量得到一定提升；2017年以來，隨著乘用車領域換電技術的推廣及換電模式充能速度快等特點的凸顯，我國換電站建設領域專利快速提升，進入快速發展期。

圖1 換電技術專利年度申請態勢

3 換電站建設向集成化小型化路線發展，提升快速部署能力與換電效率為重點設計方向

本文針對不同時期換電站相關專利，從三個維度十個指標進行典型專利篩選，歸納出換電站建設的技術發展路線，總結其發展規律。評分體系如下：①技術維度四個指標（被引證頻次、同族專利個數、技術先進性、保護范圍）；②法律維度兩個指標（技術穩定性、運營情況）；③其他維度四個指標（合享價值度、申請人重要性、權利要求數量、說明書頁數）。

通過對不同時期換電站技術相關專利的篩選評分，本文篩選10個換電站建設技術發展路線圖（見圖2）。總體來看，我國換電站建設發展規律為：從集中化、大型換電站向簡約化、小型換電站發展，提升換電站的快速部署能力、提升換電站的空間利用率與工作效率為主要設計方向。

圖2 換電站建設技術發展路線

4 換電站建設典型專利方案解讀

4.1 早期換電站建設

我國早期的換電站建設以服務公交車的大型換電為主，采用側部換電的方式對電動公交進行換電服務。2008年服務北京奧運會的電動公交換電站是典型方案，對應專利公開號為CN101284524A[3]。

該換電站方案（見圖3左側），包括換電設備T、待換電車輛B以及電池存儲充電架。換電設備位于換電車輛與電池充電架之間，換電裝置T通過機械手將電池取出，并通過轉盤T5將電池旋轉至充電架一側，換電裝置T通過導軌T2進行移動，將缺電電池移動并放至充電架中的空閑位置，同時取出充電架中的滿電電池運送至換電車處，經轉盤旋轉后安裝至車輛B。該方案中，換電設備位于車輛與充電架之間，需要通過沿電池架縱向移動，對場地需求大，導致換電站總體占地面積較大（見圖3右側）。

圖3 用于公交車輛的大型換電站專利方案及實際建設情況

4.2 具有快速部署能力的換電站建設

早期換電站建設對場地需求大，建設成本高，不利于換電技術的大規模推廣。北京理工大學聯合上海電巴在專利CN102259639A[4]中提出了集成在集裝箱中的快捷換電站建設方案。

該方案中（見圖4），電池充電架設置在集裝箱中，通過集裝箱沿長度方向的開口，實現電池的取放，同時在集裝箱中設置換電裝置存儲區域。使用該方案進行換電站部署時，將具有充電架、動力電池及換電裝置的集裝箱移動至目標地點后，僅需在集裝箱外側建立供換電裝置運行的軌道，即可進行換電作業，大大提升了換電站建設的便捷程度。

圖4 具有快速部署能力的集裝箱式換電站建設方案

4.3 模塊化換電建設

隨著我國換電技術的發展，換電技術發展的方向逐漸向乘用車領域發展。面向乘用車的換電站在快速部署能力與換電效率需求方面得到提升。蔚來汽車有限公司針對乘用車換電需求，在CN10604 3246A[5]中提出一種模塊化小型換電站建設方案（見圖5），進一步解決了換電站建設占地面積大、需要土建、難以運輸的問題。

圖5 小型模塊化換電站建設方案及部署效果

在該方案中，換電站整體裝置由電池集裝箱與換電集裝箱兩部分構成。換電車輛進行換電時，將車固定在換電集裝箱內的換電平臺區域，換電平臺中設有舉升設備，能夠將車輛進行舉升，為換電裝置在車輛底部進行電池更換留下足夠空間。同時，換電集裝箱與電池集裝箱相鄰并相互連通，使換電裝置能夠在兩個集裝箱內穿梭，實現缺電電池與滿電電池的轉運。在無需土建的情況下完成換電站的建設，使換電站的位置可以根據需求進行靈活布置和擴展部署，推動了換電模式的發展。

5 結語

換電模式的推廣依賴換電站的大規模建設，建議在后續的建設發展中，繼續提升換電站的結構集成能力，關注換電站內部的空間利用率與換電裝置的工作效率，實現具有快速部署能力的高效換電站建設。