電動(dòng)汽車換電模式與動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究＊

鮑瑩，覃俊樺，黃祖朋，鄧海文，趙小羽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

引言

在能源轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，發(fā)展新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車是整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。電動(dòng)汽車補(bǔ)充能源主要有兩種模式：充電模式和換電模式。換電模式因其用時(shí)少、幾乎可以同燃油車加油一樣便捷，因此具有很大的發(fā)展前景。換電電池的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使不同汽車生產(chǎn)企業(yè)、不同車型的新能源汽車都能夠共用同一型號(hào)的動(dòng)力電池包，則動(dòng)力電池就能夠得到最大化的利用，從而有效地降低換電成本，降低換電建設(shè)的門檻。

1 電動(dòng)汽車常用換電模式

1.1 底盤換電

新能源汽車底盤換電模式是指將電池安裝在汽車底盤位置，換電作業(yè)時(shí)汽車需準(zhǔn)確停在指定范圍，由換電平臺(tái)的舉升機(jī)將底盤上的電池拆卸和安裝。由于不同車企和不同車型的底盤差異很大，對(duì)汽車底盤進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的可能性微乎其微，因此底盤換電模式只能對(duì)汽車底盤結(jié)構(gòu)或動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行改制，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)比較困難。但是底盤換電也有一定好處，那就是可以將電池布置在保護(hù)殼內(nèi)，安全系數(shù)較高。目前底盤換電主要以北汽新能源汽車為代表，應(yīng)用在出租車上。

1.2 分箱換電

新能源汽車分箱換電模式是指將電池小塊化、模塊化、根據(jù)車型不同對(duì)電池進(jìn)行組合，電池可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙底或后排座位下，換電時(shí)需要工作人員操作機(jī)械臂分別對(duì)電池組進(jìn)行拆卸和安裝。分箱換電不改變汽車底盤結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

分箱換電的企業(yè)目前以力帆電動(dòng)汽車為代表，主要用在分時(shí)租賃汽車上。

2 電動(dòng)汽車換電站設(shè)計(jì)

未來(lái)?yè)Q電站的發(fā)展不可能局限于服務(wù)單一車型，而是多車型共同使用。應(yīng)用于多車型的換電站，至少包含以下五個(gè)模塊：定位系統(tǒng)、換電系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和物流系統(tǒng)。具體構(gòu)成如圖1。

圖1 多車型換電站設(shè)備組成

換電系統(tǒng)作為換電站的核心系統(tǒng)，由換電平臺(tái)、碼垛機(jī)、升降機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)、連接器等組成。其中，換電平臺(tái)和升降機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)就與電池密切相關(guān)，電池標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以使換電平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)也做到標(biāo)準(zhǔn)化，從而兼容各種車型換電。

定位系統(tǒng)由車輛識(shí)別、定位平臺(tái)、信號(hào)處理裝置等組成。定位系統(tǒng)能夠識(shí)別不同車型及車載電池信息，通過(guò)信號(hào)處理后下達(dá)指令引導(dǎo)車輛進(jìn)入指定換電區(qū)域開(kāi)始換電。

物流系統(tǒng)由車輛管理和運(yùn)輸機(jī)組成，負(fù)責(zé)對(duì)站內(nèi)電池進(jìn)行補(bǔ)充、清理。通過(guò)物流系統(tǒng)，可以將換電站與站外企業(yè)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電池梯次利用。

安全系統(tǒng)負(fù)責(zé)換電站的安全管理，包括視頻監(jiān)控、電池預(yù)警處置、消防安全檢測(cè)等各類安全監(jiān)控。安全系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)各類設(shè)施、操作實(shí)時(shí)監(jiān)控，為換電系統(tǒng)安全、可靠、有效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

運(yùn)維系統(tǒng)負(fù)責(zé)充電管理、移動(dòng)救援等工作，能夠分析站內(nèi)電池的情況自動(dòng)進(jìn)行充電，同時(shí)接收站外車輛換電需求，提供移動(dòng)救援的服務(wù)。運(yùn)維系統(tǒng)部分的充電管理、安全系統(tǒng)的電池檢測(cè)、物流系統(tǒng)的運(yùn)輸?shù)冉Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與使用，都與電池互相影響，互相作用。

3 電池標(biāo)準(zhǔn)化

3.1 電池標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外主流汽車生產(chǎn)企業(yè)都推出了新能源汽車，各車企的發(fā)展理念、設(shè)計(jì)理念相差巨大，導(dǎo)致新能源汽車的電池成分、接口、安放位置、規(guī)格、通訊協(xié)議等無(wú)法統(tǒng)一。這給新能源汽車的管理和發(fā)展增加的阻力，也給換電模式的發(fā)展增加了難度。

換電模式下電池的標(biāo)準(zhǔn)化是目前值得探索和改進(jìn)的方向。電池的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以參照國(guó)家對(duì)小轎車不同輪距與軸距尺寸范圍而劃分的四種型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（表1），換電站可以依照四種車型的底盤尺寸制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電池箱，滿足大部分電池需求[2]。

表1 電池箱分類

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化電池的作用

3.2.1 降低成本

毫無(wú)疑問(wèn)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的電池，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、維修、更換、梯次利用、報(bào)廢的全生命周期各環(huán)節(jié)都可以降低電池成本。同時(shí)，換電站與電池相關(guān)的各環(huán)節(jié)也能降低設(shè)計(jì)和使用成本。

3.2.2 降低換電門檻

電池標(biāo)準(zhǔn)化后，換電站的設(shè)計(jì)只需要考慮標(biāo)準(zhǔn)化的電池，不需要為繁雜不通用的各型號(hào)電池設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)。簡(jiǎn)化換電系統(tǒng)，可以降低新能源汽車行業(yè)換電的門檻，推動(dòng)換電模式的發(fā)展。

3.2.3 降低管理難度和安全風(fēng)險(xiǎn)

換電站必然會(huì)存放大量電池，電池連接智能電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以對(duì)電力資源進(jìn)行優(yōu)化。比如合理利用電力波谷時(shí)充電、進(jìn)行小倍率充電，可以大大提升電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本，從而降低管理難度和安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4 電池標(biāo)準(zhǔn)化難點(diǎn)

推行換電模式，電池標(biāo)準(zhǔn)化是必然趨勢(shì)。但以目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，電池標(biāo)準(zhǔn)化還有一定難度，具體表現(xiàn)如下。

4.1 行業(yè)不夠成熟

目前國(guó)內(nèi)電池行業(yè)不夠成熟，不同企業(yè)在電池選材、設(shè)計(jì)、連接等方面不能達(dá)成共識(shí),無(wú)法形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，車企對(duì)于新能源汽車的理解、設(shè)計(jì)理念也有很大區(qū)別，沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一目標(biāo)。

4.2 缺少國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)

因國(guó)內(nèi)換電站發(fā)展還未形成一定規(guī)模，國(guó)家也并未給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)引導(dǎo)市場(chǎng)和行業(yè)發(fā)展。各企業(yè)都在獨(dú)自探索著換電模式的運(yùn)行，沒(méi)有足夠的能力來(lái)主導(dǎo)整個(gè)行業(yè)的電池標(biāo)準(zhǔn)化難題。

4.3 重大難題還未解決

電池行業(yè)發(fā)展至今，電池能量密度或者說(shuō)新能源汽車的續(xù)航問(wèn)題一直都是行業(yè)的痛點(diǎn)，且在短時(shí)間內(nèi)難以解決[4]。在續(xù)航問(wèn)題還未解決的條件下，行業(yè)一般都以“電池服從底盤”的思路來(lái)開(kāi)發(fā)電池，換電電池的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題只能延后考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

在能源轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，換電模式自動(dòng)化、高效化、便捷化是推動(dòng)新能源汽車普及的有效途徑[5]。推動(dòng)電池的標(biāo)準(zhǔn)化，是發(fā)展換電模式至關(guān)重要的一部分。誠(chéng)然，在當(dāng)前的社會(huì)、行業(yè)條件下，換電電池的標(biāo)準(zhǔn)化還有很高的難度，沒(méi)有成熟的行業(yè)提供基礎(chǔ)，缺乏國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為引導(dǎo)，電池關(guān)鍵技術(shù)難題尚未解決等。但隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，換電站的普及一定會(huì)提上日程，屆時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化電池的必要性也會(huì)日益突出。探索標(biāo)準(zhǔn)化電池，必將大力推動(dòng)換電模式的發(fā)展。