电动汽车快换电池研究
引言
电动汽车作为一种新兴的汽车产业,与传统汽车相比其绿色、高效、便捷和可持续发展的特点被世界各国列为国家发展战略,并得到快速发展;政府通过各项政策引导和驱动新能源汽车产业的发展, 《节能与新能源汽车产业发展规划》 (2012-20204)中明确指出,以纯电驱动为新能源汽车发展的主要战略取向,到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过500万辆: 《关于2016 - 2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》中明确对纯电对汽车,插电式混合动力汽车和燃料电池汽车给予财政补贴补助标准综合考虑节能减排效果,生产成本,规模效应,技术进步等因素逐步退坡;《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》对企业实施油耗权分和新能源积分制度,督促传统燃油车的技术升级及能源车的快速发展。目前,在国家利好政策驱动下,国内新能源汽车产业进入快速发展阶段,参与电动汽车研发的车企不断增多,国内自主品牌车企都陆续推出了纯电动车型,比亚迪、吉利、长安、江准的电动汽车产品不断增多:独资车企也开始酝酿，北汽、奇瑞、江铃将新能源公司独立并拿到了生产资质;零部件企业开始转型,拿到新能源生产资质的企业中,敏安,万向都以零部件配套业务为主;新兴的互联网车企也开始发力,蔚来汽车、小鹏汽车等以客户为导向,为用户定制开发高科技和高智能的电动车,其中蔚来汽车开发了充电模式和换电模式的电动汽车。然而,能源储存和补充方式不理想抑制了消费者的需求,减缓了电动汽车产业的发展。电动汽车的能源储存和补充方式仍不理想,电池的能量密度仍较低,车辆续驶里程短,快充面临较多技术瓶颈，同时导致电池寿命速减。目前来看,电动车补电方式的痛点如下:1)电动汽车的能源补给方式和传统汽车不同。电池的充电补给过程是一个电化学过程,在当前的电池技术下,短时间大功率充电无论在电网末端还是在车辆端均没有形成完整和较好的技术方案,现有电网体系也无法适应。2)与传统汽车在能源补给基础设施方面的巨大差距,是汽车电动化必须要克服的瓶颈,如同加油站一样,必须在用户和电网之间构建一个有效的分布式电能补给体系,才能让电动车真正像“车”一样可以自由驰骋,让客户丢掉与生俱来的里程焦虑。3)分布式电能补给体系,一定是一个共生生态,慢速充电、快速充电、无线充电、换电等,形成比较复杂的能源补给形式及价值链,而电动汽车电能补给体系,不应该是一个个单独的能源站或桩,而应该是一个能源互联网。因此,对换电模式的研究是非常有必要的,笔者结合多年电动汽车工程项目开发经验,具体就换电的发展历程、换电的技术要求,结合项目实践进行案例分享。1 换电的历程
国外早一点的电动汽车换电设备公司Better Place于2008年成立。为达到与传统汽车一样的补电效率,并让自己的国家摆脱对石油的依赖,夏嘉曦带领团队创建了Better Place公司,并致力于建立一个采用全新技术的补电充换电站。当用户居家或上班时,将车停放到指定地点,全自动化更换站可在5分钟内换好电池,并在车上安装Aut OS,随时跟踪电池寿命及国家电网的负荷,根据客户紧急度和电网负荷情况,综合调控在网的充电车辆,进行合理充电和换电,形成一个可持续发展的能源配电网。2013年6月,特斯拉Model S推出了换电技术,一次换电服务的价格为60 - 80美元,由于成本太高,导致运营困难,2015年6月正式切换为充电模式。2009年,我国由国家电网牵头,各部委,企业联合制定了“十城千辆工程”计划,并要求2012年电动汽车占到汽车市场份额的10%, 2011年,国家电网确定以换电为主插电为辅、集中充电、统一配送的方针。在换电模式中,由于电网改动工程较大,换电技术不成熟及各企业和单位间并未形成共同的意见和标准,国务院在2012年印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012 - 2020年)》,确立了以充电为主的电动汽车发展方向。2 换电方式和技术要求
2.1 换电方式
2.1.1 底盘换电式
这是电动汽车最常用的一种换电方式,通过换电设备快速将安装在底盘上的电池进行更换(图1)
图1 底盘换电式
2.1.2 前机舱或行李舱换电式
一般将电池设计成10kg左右快换小包,通过人工手提式或简易机械设备进行换电(图2),成本低,换电时间快。
2.1.3 侧面换电式
一般将电池设计成标准包,通过机械设备从侧面进行换电,适用于大型客车(图3)、货车。
2.2换电技术要求
2.2.1定位准确
巧妙的机械机构设计对车辆进行粗定位和三轴电气定位,对换电功能平台进行精确定位;若是手工换电的小包,需要有定位装置,依靠推力或电池自重进行安装。2.2.2联接可靠
多点分布式快速联接承载结构,最大程度避免整车因电池重量而产生对车身结构形成集中、载荷的情况,充分适应整车结构的联接技术、高压电联接技术、保持接触电阻长期的稳定性,具有一定的随动性。2.2.3锁止牢固
2.2.4电连接器
充电架每个仓位应具备充电连接器,宜采用浮动式充电连接器;充电架应具备强弱电分离设计,安装烟雾报警器[1]电池端连接器应具备对准导入功能,耦合时能自动修正位置偏差,导向机构轴向应能修正不小于1°的角度偏差,导向机构垂直方向应能修正不小于5毫米的位置偏差。3 换电案例
3.1标准电池小包设计
3.1.1参数设计
每个标准小包电压为60v,电量为2kW·h,重量为10kg,设计快换插座,快换与快充兼容,小包外形尺寸按标准机柜3U标准设计,即宽482.6毫米,高133.35毫米,换电后能放入储能机柜中进行储能或梯次应用(图4)。
3.1.2系统组成
标准小包包含上盖、下盖、模组、分板、容断器、电流传感器、快换插座、锁止机构和手把。分板用于采集和监控模组单体电压、温度和电流,并与车辆端的主板完成通信;快换插座完成小包与车辆端的快速安装和拆卸;锁止机构完成小包与车辆端的锁销机构间的锁止和解锁;手把用于用户解锁后拉动小包,并可手提移动到所需区域。3.2车辆端安装机构
小包需要固定到车辆端,需设计与之匹配的机械支架,完成小包的承重、固定和锁止，机械支架由滚筒、快换插头、解锁手把和锁止机构组成（图5）。
简易的锁止机构原理参考车辆四门锁机构，由锁座、锁柱和解锁手把构成（图6）。
3.4 换电插件
固定在车辆端的是插头,需要有浮动连接机构,满足车辆装配或车辆振动时在三维方向上产生的位置偏差,提高导电端子接触性能,防止插座受机械应力的冲击而损坏。固定在电池小包上的是插座,插座上带有导向柱,装配时防止误操作而损坏电池小包(图7)。
3.5应用案例
按以上方案设计,一共6个快换小包串联后,总电压为直流360v,总电量为12 kW·h，设计在行李舱图8,后排座下或前舱里,给车辆进行补电,同时可以将电池小包取下,放入储能站与电网进行并网,以降低电网的负荷,用小电流充电,延长电池寿命,达到能源的可持续发展。
4 总结
快换技术目前还在工程实践中,行业还无统一的标准,各企业实现的方案均不相同,因此在今后随着换电技术的成熟和车辆运行数量的增多,越来越多的企业会参与换电车辆的开发和市场运营,时机成熟时,换电标准也就会应运而生。换电模式有很多的优点,对用户而言,使用体验与常规车相当,能在5分钟内实现换电,补电体验比充电模式的好。
换电还能将电池与储能站标准机柜进行匹配,电动汽车、储能站,电网相互友好互联互通,借助大数据调控技术,能实现能源的可持续发展。
作者：阳应奎，雷应锋，李庆珉
重庆长安汽车股份有限公司
