純電動乘用車換電技術方案分析

劉 青

（東風商用車有限公司 技術中心，湖北 武漢 430056）

在影響新能源汽車發展的諸多要素中，充電還是換電是兩個同步探索的技術路線。充電（快充、慢充）有其局限性——充電時間、電池壽命影響等；換電同樣有局限性——換電技術的成熟度、標準化和收益性（換電站、備用電池的投資回報）。充電與換電的技術也均在不斷發展中。換電既能保障運營里程需要（換電所需要的時間短），又能保障電池的長壽命（集中慢充），更利于回收再利用（電池管理好，殘值高）。換電的具體技術方案又可以分為多種。本文基于實際的純電動乘用車換電的設計開發、示范運營工作，分析研究純電動乘用車的多種換電技術方案。

1 換電技術方案的演變歷程

換電模式在新能源汽車上的嘗試，可以追溯到2003年的以色列Better Place公司（簡稱BP公司），BP公司與法國雷諾合作，雷諾開發了換電車型Fluence EV，采用底盤換電方式進行換電。在當時的電動汽車發展大環境下，電動汽車的應用規模很有限，加之電池技術、換電技術以及換電站建設的高成本，使得該技術方案不具備競爭力，項目終止。中國的南方電網也引進過BP公司的方案，并曾在廣州等地示范運營。

2009年，中國以“十城千輛”推進新能源汽車發展。2011年開始，以國家電網為主力，推進換電模式。先在國網杭州公司推行標準箱電池半自動換電。2013年，國網新鄉公司牽頭聯合車企和出租車公司，推行底盤換電的出租車運營，但都未能推廣。

2013年，在政策、技術發展的促進下，國內新能源發展加速。換電模式的嘗試也在擴大范圍。國網換電項目人員組建了獨立的伯坦公司，在杭州、西安等地推進側圍換電和底盤換電；浙江新時空的側圍換電模式，通過較大規模的示范和運營，在技術驗證方面取得了相對的進展。

2016年，奧動新能源加入換電運營，與北汽、廣汽合作推進底盤換電，陸續在廣州、廈門和北京等地進行了較大規模的換電運營。

整車企業如東風、北汽、廣汽以及后來的新勢力蔚來都在換電技術路線上進行嘗試。

2 多種換電技術方案

2.1 后備箱換電：標準電池+后備箱布置+縱向

更換

國網杭州換電站以20個標準電池箱為一組，每箱約5 kWh的電量，裝入電池轉運箱進行集中充電，換電。實際運營情況如圖1、圖2所示。

杭州換電車型主要用于出租車和公務用車。換電設備有固定在換電車位旁邊的機械平臺和可移動叉車平臺兩種，通過人工將電動車后備箱中的電池箱拉出、推入。后備廂電池安裝如圖3所示。該方案基本上是國內初期的換電嘗試。

2.2 底盤+側圍換電：標準電池+底盤布置+垂直升降+橫向更換

純電動車電池箱布置于車底，左右各兩箱電池，在車內進行控制電池升降之后，側面再通過機器手取出電池。實車布置如圖4、圖5所示。

2.3 側圍換電：標準電池+橫向更換

該換電技術方案的特點是電池的換電口布置在側圍，通過控制電池艙門打開，再以機器手側面取出和安裝電池。該方案電池布置在底盤，使得車身高度變高，影響車輛性能。

2.4 底盤換電：底盤布置+垂直升降

底盤換電方案可以再細分為兩種：以國網公司上海電巴為代表的標準電池箱和以BP公司為代表的異形電池包。

BP公司的方案為車輛到位之后，車輛保持不動，由地面下的機構橫向傳送電池，上下升降電池來實現電池安裝，并以伺服電機擰緊和松開電池鎖止機構來完成整個換電動作，如圖6所示。

底盤換電的異形電池“塔式”布置在后排座位與后備箱之間的底盤上，實物如圖7所示。該方案對底盤骨架改動最小，但是仍然影響后排空間和后備箱容積。

3 底盤換電的技術方案

各種換電技術方案中，底盤換電得到更多認可。目前采用最多的是扁平布置在底盤上的結構，基本不占用乘坐空間、后備箱空間和整車高度。電池包在底盤上的布置安裝如圖8所示，電池包固定在換電框架上，換電框架適配現有車身結構，安裝在車身地板上。

換電時，電池包與換電框架作為一個整體進行拆裝，其主要的零部件構成和關系如圖9所示。

圖9中，電池模組與下箱體總成、配電盒、電池管理系統和上箱蓋組成電池組（PACK），再安裝在換電機構總成上，形成整體的換電電池包。

目前底盤換電技術的差異主要在于鎖止方式的不同。底盤換電技術方案中，快換電池包的更換動作分托舉和鎖止兩步。托舉的動作均為垂直方向運動；鎖止的方案又分為旋轉擰緊/松、前后平移兩種。

3.1 托舉+旋轉擰緊/松

BP公司、國網等都采用了該方案。換電的主要動作：通過機械手將電池包整體托舉到位，然后鎖止機構旋轉，與底盤上的定位結合，卡位，擰緊，鎖止。鎖止點均有明顯的定位槽。技術上鎖止更可靠，鎖止可以準確到位，如圖10所示。

3.2 托舉+前后平移

主要結構如圖11所示。換電的主要動作：通過機械手將電池包整體托舉到位，然后電池包整體遷移，依靠底盤上的止口，卡位，鎖止。該方案在實際運用中存在鎖止不容易到位、鎖止松動的問題。

3.3 兩種技術方案的對比

通過調研與技術方案設計，并經過計算分析，對兩種技術方案的鎖止機構和換電連接器做了性能、質量和成本方面的對比。

鎖止機構的性能對比如表1所示。旋轉鎖止方案的重量更輕，鎖止動作幅度更小，更能適應不同車型尺寸，對底盤骨架空間要求也更低。綜合來看，旋轉鎖止方案更優。

換電連接器的性能對比如表2所示。可以看出，旋轉鎖止方案的換電連接器的可浮動范圍更大，因此環境適應性更好，重量也輕，配合尺寸要求更低，而且可以拓展適應于不同的冷卻方式的電池。綜合比較，旋轉鎖止方案更優。

鎖止機構、換電連接器的壽命成本對比如表3所示。可以看出，兩種方案的關鍵部件的壽命差不多，但是綜合成本方面，旋轉鎖止方案更優。

從以上三個方面的對比來看，旋轉鎖止方案更具優勢，目前示范應用的也最多。

4 總結

本文詳細總結了純電動乘用車換電各種技術方案特點、應用歷程和示范應用顯示出的優缺點；重點分析了底盤換電方案，對比分析了兩種鎖止方案的可靠性、性能和成本情況。通過方案設計、示范運營和綜合對比，顯示底盤換電方案與側圍換電等方案，對整車影響最小；同時，旋轉鎖止方案的各方面性能最優，從技術上驗證了換電的可行性。

當然，換電模式的大規模可持續應用，除了技術可行之外，還需要進一步通過運營來驗證其經濟性，以及不同車型不同電池包的通用化問題。相信隨著電池等技術的發展，成本的快速下降，換電模式（換電技術方案）將逐步占有特定市場，促進新能源汽車加速發展。