換電車產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展分析

摘要：商用車新能源化已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)電動(dòng)商用車對(duì)補(bǔ)能方式要求快捷、方便的市場(chǎng)需求，介紹了換電車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及結(jié)構(gòu)形式，其中也包含重卡的動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型、固定式換電站的充換電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)及自動(dòng)換電機(jī)器人系統(tǒng)；分析了換電車產(chǎn)品行業(yè)的發(fā)展問(wèn)題。研究結(jié)論可為換電車產(chǎn)品行業(yè)提供幫助。

關(guān)鍵詞：換電車；重卡；結(jié)構(gòu)形式；管理平臺(tái)；行業(yè)發(fā)展

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2024-01-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.001

1 前言

新能源汽車產(chǎn)業(yè)是未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向，在國(guó)家多項(xiàng)政策的加持下，商用車新能源化將成為行業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)期主旋律[1]。然而該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直受電池續(xù)航里程和電能補(bǔ)充方式的問(wèn)題困擾。目前針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，有兩種不同的研究方向：一是提升電池的能量密度，充電功率和充電速度；二是研究快速換電技術(shù)。根據(jù)以上兩個(gè)研究方向，進(jìn)而提出充電補(bǔ)能方式和換電補(bǔ)能方式。相較于汽車充電補(bǔ)能，快速補(bǔ)電的換電方式，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，該模式具備降低購(gòu)車成本、提高補(bǔ)能效率兩大優(yōu)勢(shì)[2]。本文以重卡為服務(wù)對(duì)象，分析當(dāng)前換電車行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展存在的問(wèn)題，并分析換電車主要結(jié)構(gòu)組成。

2 換電車產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題

2.1 換電車發(fā)展現(xiàn)狀

換電補(bǔ)能目前已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，換電模式可分為固定換電（換電站）和移動(dòng)換電（換電服務(wù)車）兩種。其中換電站為當(dāng)前主要換電方式，可分為底盤(pán)換電、側(cè)方換電、分箱換電（圖1），其中底盤(pán)換電為市場(chǎng)主流換電模式。就當(dāng)前移動(dòng)充電和換電情況而言，移動(dòng)充電車主要用于道路應(yīng)急救援，整體規(guī)模較小，換電服務(wù)車受限技術(shù)和成本因素，整體尚未產(chǎn)業(yè)化，未來(lái)隨著換電需求持續(xù)增長(zhǎng)，換電服務(wù)車存在商業(yè)化的可能性［3］。

2.2 換電車行業(yè)問(wèn)題

根據(jù)前期調(diào)研分析，換電車行業(yè)主要存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題：

a.車輛作業(yè)過(guò)程中的安全性。重卡電池箱整體重量基本在3 t左右，換電過(guò)程也是電池箱的移動(dòng)和裝卸的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中移動(dòng)換電車的重心會(huì)發(fā)生較大變化，在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮較大質(zhì)量重載偏移問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)手段保證車輛在作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)行可靠性和安全性。

b.車輛標(biāo)準(zhǔn)的符合性。移動(dòng)換電車作為移動(dòng)車輛，也需要符合車輛的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如尺寸、高度、重量、是否為危險(xiǎn)品運(yùn)輸類車輛等。

c.換電裝置的動(dòng)力源。移動(dòng)換電車上，吊裝機(jī)構(gòu)等其他輔助配置的電力消耗較大，需要有穩(wěn)定的動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)電池供電、外接電源供電或底盤(pán)動(dòng)力發(fā)電等也有比較大的難度。

d.動(dòng)力電池箱的標(biāo)準(zhǔn)符合性及互換性。目前換電市場(chǎng)處于初始發(fā)展階段，還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范電池動(dòng)力箱的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、重量和電芯的結(jié)構(gòu)，且各地的電芯廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一；另外動(dòng)力電池箱的快插底座，即快插結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式，此結(jié)構(gòu)形式目前集中控制在一些大型換電站的生產(chǎn)企業(yè)手里，大多換電重卡的電力動(dòng)池箱也都是從這些企業(yè)中購(gòu)買(mǎi)的。

e.虧電電池充電問(wèn)題。換下來(lái)的虧電電池，是否需要通過(guò)換電車內(nèi)置機(jī)組使用預(yù)留快接接口充電，還是需要通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至規(guī)定地點(diǎn)進(jìn)行充電，也是目前換電類車輛需要解決的問(wèn)題。

f.換電技術(shù)路線問(wèn)題。現(xiàn)有的換電站技術(shù)發(fā)展較為成熟，目前大多采用頂?shù)醯姆绞剑乾F(xiàn)在比如蔚來(lái)新能源汽車換電已經(jīng)開(kāi)始采取底部換電的方式，因此需要考慮好技術(shù)路線。

g.換電車的應(yīng)用和推廣。目前現(xiàn)有的換電類車輛主要以重卡為主，新能源重卡目前還是主要依靠國(guó)家政策，類似購(gòu)買(mǎi)補(bǔ)貼和通過(guò)項(xiàng)目進(jìn)行資質(zhì)限制等手段，市場(chǎng)前景不太明確，尤其是現(xiàn)有的新能源技術(shù)路線并不僅僅是鋰電方向，還有類似氫能的方向等。另外，目前購(gòu)買(mǎi)換電重卡的方式有兩種，一種是帶動(dòng)力電池箱，另一種是不帶動(dòng)力電池箱：帶動(dòng)力電池箱整體價(jià)格會(huì)高很多，車輛購(gòu)買(mǎi)后，電池箱投放到電池銀行中；不帶動(dòng)力電池箱的車輛需要到電池銀行去租賃。移動(dòng)換電站的主要作用僅僅作為應(yīng)急，目前需求數(shù)量較少，具體使用的應(yīng)用場(chǎng)景還有待開(kāi)發(fā)。

3 換電車的主要結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上用于換電的車輛，主要是滿足換電重卡的需求，從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)講，可以分為兩種：一種是吊臂式；另一種是臂架式。

3.1 吊臂式換電車

常規(guī)的吊臂式移動(dòng)換電車主要由半掛車廂、換電裝置、控制系統(tǒng)三大部分組成。半掛車箱主要包括半掛底盤(pán)、廂體、翻轉(zhuǎn)廂門(mén)；換電裝置主要包括支架、抓取機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。控制系統(tǒng)包括車輛引導(dǎo)系統(tǒng)、抓鉤運(yùn)行系統(tǒng)、電池包安放系統(tǒng)。

車輛的前部還帶有不間斷電源UPS，用于在底盤(pán)電源虧電時(shí)進(jìn)行供電。底盤(pán)電源還用于吊裝機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

車輛引導(dǎo)系統(tǒng)由各種傳感器構(gòu)成，并利用集成控制系統(tǒng)和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，引導(dǎo)并指示虧電車輛的停靠到位。

車輛的抓取結(jié)構(gòu)由三節(jié)水平吊臂和多組勾爪組成，多組勾爪與吊臂是柔性連接，虧電車輛即使在離指導(dǎo)位置有偏差，且偏差不大的情況下，吊裝機(jī)構(gòu)也能很好地抓住虧電車輛上的電池包并進(jìn)行更換。

這種車輛結(jié)構(gòu)可以更好地實(shí)現(xiàn)換電全自動(dòng)化，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且容納的電池包數(shù)量足夠多，換電效率高，是目前市場(chǎng)上主流的換電車形式，如圖2所示。

3.2 臂架式換電車

臂架式換電車主要由底盤(pán)、伸縮臂和夾持機(jī)構(gòu)組成。底盤(pán)不再選擇半掛底盤(pán)，且不配置帶頂廂體。起重伸縮臂由傳統(tǒng)起重機(jī)中臂架改裝而成，夾持機(jī)構(gòu)安裝在伸縮臂最外端可以做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而方便地抓取虧電車輛上的電池包。此種形式換電車在隨車起重車上改裝而成，在使用時(shí)，將換電車開(kāi)到虧電車輛旁，然后操控伸縮臂進(jìn)行抓取。臂架式換電車成本較低，但全自動(dòng)化程度不高，應(yīng)用場(chǎng)景較低，不能滿足多臺(tái)車輛同時(shí)快速更換，如圖3所示。

4 換電車的相關(guān)系統(tǒng)及平臺(tái)

換電站的核心裝置主要有動(dòng)力電池總成（動(dòng)力電池系統(tǒng)+標(biāo)準(zhǔn)化快插底架），全自動(dòng)換電機(jī)器人系統(tǒng)和一體化綜合管理平臺(tái)（充換電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)+電池管理平臺(tái)+綜合運(yùn)維平臺(tái)），如圖4所示。

4.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)

動(dòng)力電池系統(tǒng)可分為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、LHP結(jié)構(gòu)和CVP等三種結(jié)構(gòu)形式。這三種結(jié)構(gòu)形式電量一致，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、散熱方式及底座形式有一定差異，從尺寸和重量上來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的尺寸和重量最大，LHP次之，CVP尺寸最小且重量最輕，如圖5、圖6、圖7所示。

4.2 一體化綜合管理平臺(tái)（軟件平臺(tái)）

電動(dòng)重卡數(shù)字能源運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)由電池管理平臺(tái)、充換電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)和智能運(yùn)維平臺(tái)組成，如圖8所示。

4.3 電池管理平臺(tái)

電池管理平臺(tái)是通過(guò)數(shù)據(jù)分析提供運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的細(xì)顆粒度概覽，內(nèi)容包括電池箱總數(shù)、累計(jì)減少碳排量、累計(jì)充電量、累計(jì)放電量、相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、電池箱分布、服務(wù)車輛品牌排名、故障提醒等。具有電池箱3D影像、電池VR、全方面監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)等功能；在電池壽命預(yù)測(cè)上，能實(shí)時(shí)健康狀態(tài)測(cè)算、衰減趨勢(shì)預(yù)測(cè)；可以系統(tǒng)告警預(yù)判，如電氣故障、電化學(xué)故障等；還可以進(jìn)行可信電池殘值評(píng)估，實(shí)現(xiàn)電池全生命過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈管理。

4.4 充換電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)

充換電運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)是通過(guò)數(shù)據(jù)分析提供運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的細(xì)顆粒度概覽，包括電量、累計(jì)接入車輛、服務(wù)車次、換電次數(shù)、設(shè)備數(shù)量等相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以及換電站分布、區(qū)域及電量排名、分時(shí)段電量占比，并對(duì)電池的充電及換電自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行管理和狀態(tài)監(jiān)控［4］。

4.5 智能運(yùn)維管理平臺(tái)

智能運(yùn)維管理平臺(tái)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析提供運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的細(xì)顆粒度概覽，包括已完成和未完成工單統(tǒng)計(jì)，今日與昨日完成情況、工單狀態(tài)、工單類型，以及人員當(dāng)日、當(dāng)周、當(dāng)月完成情況統(tǒng)計(jì)等，如圖9所示。

4.6 全自動(dòng)換電機(jī)器人系統(tǒng)

重卡換電站系統(tǒng)中，作為關(guān)鍵核心設(shè)備的換電機(jī)器人是整套系統(tǒng)設(shè)備中技術(shù)難度最大、運(yùn)行效率影響最高、設(shè)備維修維護(hù)最多的系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性和執(zhí)行速度直接影響換電的執(zhí)行效率。目前換電機(jī)器人多采用雙向三伸縮機(jī)構(gòu)加吊具抓手結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)交替換電，提高換電速度，并通過(guò)激光掃描電池位置和伺服自動(dòng)補(bǔ)償，可大大降低停車位置精度要求，如圖10、圖11所示。

目前重卡用的動(dòng)力電池箱，整體重量大都在3 t左右，電池箱的整體高度約2 m。因此，固定式換電站不受重量和高度的限制，采用此種形式的換電裝置比較合適；但是要將此裝置應(yīng)用到移動(dòng)換電站，受限于重量和高度，難度還是非常大的［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源重卡銷量的逐漸增加，在“雙碳”政策下，各大主機(jī)廠都在積極布局新能源車輛和換電重卡的銷售戰(zhàn)略，目前市場(chǎng)上的換電重卡在新能源車型中占比將近一半。得益于換電重卡的快捷性，其市場(chǎng)占有率在未來(lái)會(huì)一直加大，對(duì)換電的需求也隨之加大。

放眼于全國(guó)，各地都建立了換電站，換電站的廠商大多與國(guó)網(wǎng)達(dá)成合作。現(xiàn)有市面上，國(guó)家電投旗下的投資公司擁有70%的市場(chǎng)占有率，很多主機(jī)廠都是使用他們生產(chǎn)的電池包，因此換電站能換的車輛類型也很多。

目前換電市場(chǎng)屬于新興行業(yè)，市面上的換電站雖相對(duì)較多，但移動(dòng)換電車卻很少，全國(guó)只有零星的幾臺(tái)，東部地區(qū)基本沒(méi)有。現(xiàn)階段換電車目前的市場(chǎng)需求非常小，應(yīng)用場(chǎng)景也不明朗，因此換電車的開(kāi)發(fā)對(duì)公司的要求也相對(duì)較高。

目前換電行業(yè)基本上由國(guó)家電投公司主導(dǎo)，該公司有較好的資金實(shí)力，并且介入此行業(yè)較早，在核心技術(shù)、核心裝置及核心標(biāo)準(zhǔn)方面處于絕對(duì)壟斷地位。

綜上分析，目前換電車行業(yè)對(duì)國(guó)家政策的依賴性比較高，前景不清晰，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性較差，還存在較多的技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)入該行業(yè)的技術(shù)人員及資金投入較大，短時(shí)間收益較小。目前進(jìn)入該行業(yè)的公司較少，已經(jīng)進(jìn)入該行業(yè)的主要是一些國(guó)有大型企業(yè)，起著引導(dǎo)和規(guī)范該行業(yè)的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

侯超，男，1992年生，助理工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚈z測(cè)。