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新能源汽車換電形式簡介與分析

2019-04-18 22:49:36·  來源：電車資源EV江湖 四川永貴  
　
劉大仟,郭亮,李統(tǒng)剛,聶輝(四川永貴科技有限公司,綿陽 621000)摘要:換電模式為新能源汽車的重要能源供給模式,本文介紹了換電模式的國內(nèi)外發(fā)展情,概述了換電模式的
劉大仟,郭亮,李統(tǒng)剛,聶輝
(四川永貴科技有限公司,綿陽 621000)
摘要:換電模式為新能源汽車的重要能源供給模式,本文介紹了換電模式的國內(nèi)外發(fā)展情,概述了換電模式的各種實現(xiàn)形式,并對各種換電實現(xiàn)形式的優(yōu)缺點進行了比較。文章最后分析總結(jié)了各種換電實現(xiàn)形式的特點,為后續(xù)換電模式的發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞:新能源汽車;換電模式;換電實現(xiàn)
 
Analysis and introduction on battery-swapping mode of
the new energy vehicle
Abstract:The battery-swapping mode is an important energy supply mode for the new energy vehicles,the domestic and international development of the battery-swapping mode are presented.Overviewed the various implementations of the battery-swapping mode,also compared the advantages and disadvantages of various forms of battery-swapping.Finally Analysis the characteristics of various forms of battery-swapping,providing reference for the subsequent development of battery-swapping modes.
Key words:new energy vehicle;battery-swapping mode;battery-swapping realization
 
0 引言
伴隨汽車工業(yè)的極速發(fā)展,及全世界環(huán)保意識的增強,加之世界范圍內(nèi)石油危機的加劇,新能源汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生。電動汽車以其低噪音、高能效、無移動廢料排放等優(yōu)點,已躍居為我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的戰(zhàn)略性支持產(chǎn)業(yè)之一[1-2]。
 
電動汽車的能源供給是其產(chǎn)業(yè)運營鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)今,電動汽車能源供應(yīng)模式可分為插充和換電兩種,插充又可分為慢充和快充。與插充模式相比,換電模式具有充電速度快和可優(yōu)化電池壽命等顯著特點;但相應(yīng)伴隨有如換電站建站成本劇增,設(shè)備可靠性和電池一致性不易保證,以及不易整合協(xié)調(diào)各方利益等障礙。隨著新能源汽車在出租車領(lǐng)域內(nèi)使用的不斷深化和換電網(wǎng)絡(luò)的日趨完善,人們對換電模式的認可亦不斷提高,這為換電模式在個人用車領(lǐng)域的使用提供了更大的可能性。換電模式將是新能源汽車領(lǐng)域近幾年發(fā)展的主要力量[3],對換電模式的研究也需緊跟汽車工業(yè)發(fā)展的腳步。
 
1 換電模式發(fā)展情況
1.1 國外發(fā)展情況
 
在國外,丹麥、以色列、澳大利亞和加拿大等國率先推廣使用換電模式,其中最具代表性的是總部設(shè)在美國加州的Better Place公司。該公司在首先與以色列政府合作,投資6億美金在以色列建成了38個換電站和少量充電樁[4]。公司相繼與丹麥、澳大利亞、加拿大、日本等國合作,大力推行旗下的換電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)項目。但在2013年5月,在巨額的建站成本和極低回報率的情況下,Better Place公司宣布破產(chǎn),其相應(yīng)的換電業(yè)務(wù)也宣告終止。
 
就在Better Place公司宣布破產(chǎn)不久,美國電動車制造商特斯拉總裁埃隆·馬斯克就在其公司的設(shè)計室高調(diào)演示了其公司旗下的耗時僅 90 秒的換電技術(shù)。但其實早在發(fā)布會召開的4年前,特斯拉就在其下屬的電動車型“Models”中設(shè)計了既支持插充也支持換電的模式[5]。特斯拉信心滿滿的展示旨在讓人們重新審視電動汽車的換電技術(shù)。遺憾的是,由于產(chǎn)業(yè)鏈整合難度大、建站投入高但收益極微,特斯拉最終也宣告放棄了換電模式。
 
其后,世界各國均未放棄對換電技術(shù)的研究。目前國外新能源汽車市場上插充和換電模式均占據(jù)一定的市場,但插充仍是主流,換電模式還有相當(dāng)長的一段路要走。
 
1.2 國內(nèi)發(fā)展情況
國內(nèi)新能源汽車從最初的插充模式到后來的換電模式,再到最終的充換電并舉的格局,經(jīng)歷了“十一五”末期、“十二五”再到“十三五”初期這三個時間段的發(fā)展。雖然現(xiàn)如今國內(nèi)新能源汽車的存量和增量均名列世界前茅,但仍存在諸如盈利模式不清、用戶體驗欠佳、電池成本較高等問題。目前國內(nèi)新能源汽車中電動汽車的能源供給方式主要以充電樁充電模式為主,截至2017年底,國內(nèi)充電樁的數(shù)量已達45萬個,已基本完成國標(biāo)的升級。與之相比,換電模式的發(fā)展緩和的多,主要應(yīng)用于出租、公交等領(lǐng)域。
 
按車企地域分布來看,其一是以比亞迪為代表,其出產(chǎn)的新能源汽車主要以插充模式為主,分布于深圳、太原、西安等地。而以北汽新能源、力帆、海馬為代表的車企所生產(chǎn)的新能源汽車部分采用換電模式,主要應(yīng)用于北京、重慶、鄭州和海口等地。北汽新能源在2017年發(fā)布了“擎天柱計劃”,預(yù)計到2022年將在全國范圍內(nèi)投入100億元人民幣建造3000座分布式儲換電站,累計投放換電車輛50萬臺,梯次儲能電池利用超過5GWh(500萬度電)[6]。
 
汲取了Better Place公司和美國特斯拉的經(jīng)驗教訓(xùn),國內(nèi)換電模式的發(fā)展穩(wěn)中求勝。首先在出租車領(lǐng)域這個天然市場站穩(wěn)腳跟,后向營運型車輛擴展,并逐步推向個人用車,為國家汽車工業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”保駕護航[7]。
 
2 換電的實現(xiàn)形式
根據(jù)換電時接觸和導(dǎo)向的方式,將換電實現(xiàn)形式分為對插式和端面式。
2.1 對插式換電
對插式換電即在換電時,由車身和電池上的插件導(dǎo)向孔和導(dǎo)向軸對插進行導(dǎo)向和定位,完成電池和車輛的連接。根據(jù)換電時,車身運行方向和電池行進方向的關(guān)系,將對插換電的形式分為垂直對插式和平行對插式。
2.1.1 垂直對插式換電
如圖1所示,垂直對插式換電即車身運行方向和電池的行進方向相互垂直。該方式的實現(xiàn)過程為:首先汽車按FC方向行進至指定位置后,換電裝置沿FB方向由下而上運行至車輛下方電池安裝位置,將原車輛底盤上的電池取下,并換上新充好的電池。
圖中,1:車身;2:電池安裝位置;3:電池;4:換電機構(gòu)
圖1 垂直對插式換電示意
換電過程中,由插件的導(dǎo)向孔和導(dǎo)向軸進行定位可有效地保證安裝精度,換電完成后通過螺釘固定電池。也有的新能源汽車生產(chǎn)廠商將電池安裝位置設(shè)計在前艙或后備箱,車輛運行到對應(yīng)位置后,電池由上而下進行對插。
2.1.2 平行對插式換電
如圖2所示,平行對插式換電即車身運行方向和電池的行進方向平行。
圖中,1:車身;2:電池安裝位置;3:電池;4:換電機構(gòu)
圖2 平行對插式換電示意
該方式的實現(xiàn)過程為:首先車輛行進至指定位置后,換電機構(gòu)從車輛后方向車輛方向行進,一般手動將原車輛電池取下,再由換電機構(gòu)將已充好的電池安裝上。
2.2 端面換電
端面換電的實現(xiàn)過程與對插式換電基本類似,電池仍安裝在底盤,但換電時由插件接觸面定位,而非通過導(dǎo)向的軸孔。
還有其他的換電實現(xiàn)形式,如康迪電動汽車采用的換電形式為手動,電池安裝好后手動連接電池和車輛的插件。但該形式換電過程相對麻煩,效率較低,應(yīng)用范圍較窄。

3 換電形式分析
3.1 對插式換電分析
對插式換電主要靠電池和車身上插件的插針和插孔進行導(dǎo)向定位,對插件的制造精度要求較高。接觸面為兩個圓柱面,接觸可靠性高。電池端插件固定,車身端插件浮動,便于對中和誤差修正。
垂直對插式換電電池通常安裝在車輛底盤,電池隱蔽性好,具有很高的安全性,不易被盜,并可在插件周圍增加端面和徑向密封,在換電導(dǎo)正后密封非?？煽?。但垂直對插式換電由于需要導(dǎo)正,換電機構(gòu)需要3個方向的自由度,換電機構(gòu)相對復(fù)雜,成本較高。使用該種方式的汽車生產(chǎn)廠家主要有國內(nèi)的蔚來汽車和美國的特斯拉汽車等。
平行對插式換電電池由后方插入,且電池以框架形式固定,電池安裝穩(wěn)固,電氣連接可靠。但此種換電方式的電池通常安裝在車輛的后備箱,電池的安全性低,容易被盜。電池的防護性依賴整車底盤的防護,密封性不易保證。由于需手動進行對正,操作工藝流程難以形成規(guī)范,換電時間較長。換電完成后,車輛在行駛過程中若突然加速,電池因慣性會對車身插件接合面產(chǎn)生一個與車輛行駛方向相反的作用力。由于電池本身的重量較大,此反作用力相應(yīng)較大,對插針有拉力,插針有脫出的風(fēng)險;同樣,若車輛突然急停,電池由于慣性會對車身產(chǎn)生沖擊力,對插件和車身均有危害。而垂直式換電由于插件接合面與車輛行駛方向垂直,車輛的加速和急停所產(chǎn)生的作用力不會對插件接合面有影響,不會使插針有脫出的隱患。采用平行對插式換電的汽車生產(chǎn)廠家主要為眾泰汽車和力帆汽車等。
3.2 端面換電分析
端面換電方式主要靠電池和車身上插件的接合面接合進行對正,插件本身的制造精度較高,插件較復(fù)雜,成本較高,對換電機構(gòu)卻更方便。但接合面需要完全密封,接觸和密封的可靠性難以保證。
與對插式換電相比,端面換電方式由于沒有導(dǎo)向的軸孔,換電時行程較短,接合區(qū)域緊密,相應(yīng)地車輛預(yù)留的換電位置和電池安裝空間更小。采用該種換電方式的汽車生產(chǎn)廠家主要為北汽新能源。
垂直對插式換電和端面換電形式由于自動化程度高和操作方便,易于形成系列化等優(yōu)點被廣泛使用,且為以后換電模式的主要發(fā)展方向。

4 結(jié)語
本文首先介紹了新能源汽車采用換電模式的優(yōu)勢和換電的原理,并對國內(nèi)外換電模式的發(fā)展和取得的成果進行了簡要介紹。目前采用的換電模式主要為對插式和端面式,對各種換電實現(xiàn)形式的工作過程進行了詳細描述。對各種換電實現(xiàn)形式的優(yōu)勢和存在的隱患進行了分析比較,確定垂直對插式換電和端面換電形式具有自動化程度高而被廣泛使用并為后續(xù)發(fā)展的主要研究方向。
參考文獻
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[2]滕耘,胡天軍,衛(wèi)振林.電動汽車充電電價定價分析[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2008(03):126-130.
[3]林洪怡. 純電動汽車換電模式的思考[N]. 新能源汽車報,2017-05-22(022).
[4]杜劍,謝東,吳濤,吳伯華,王法靖,張籍.國外電動汽車戰(zhàn)略及充換電業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].華中電力,2012,25(01):96-102.
[5]李忠東.特斯拉推出置換電池的“換電模式”[J].輕型汽車技術(shù),2013(09):38-39+54.
[6]胡立彪. 換電模式可以興盛起來嗎[N]. 中國質(zhì)量報,2018-08-08(007).
[7]高賜威,吳茜.電動汽車換電模式研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(04):891-898. 
 
 
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