重型商用车电池快换方案研究

杨卓帆，李延庆，王林林

重型商用车电池快换方案研究

杨卓帆，李延庆，王林林

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

电动车能量补充问题一直是制约其发展的关键因素，文章主要研究在重型商用车上通过电池快换方案实现快速的能量补充的技术路线，最大化提高车辆运行效率。通过国内外换电方案的探索和技术路线分析，研究各种方案的利弊，分析换电模式推广需要考虑的因素，提出针对换电技术发展的建议。

新能源；纯电动；电池框架；成本

前言

作为电动汽车运营的能量来源，能源供给系统是电动汽车的重要基础，当车辆上剩余电量不足时，如何补充电量，是电动汽车必须要考虑的一个问题。一直以来新能源纯电动车的充电和换电路线之争都没有停止过。

充电路线目前被广泛采用，充电模式分为快充和慢充两种方式，慢充需要8-10小时，快充1-2小时。由于商用车对出勤率要求比较高，一般不允许因为充电时间过长而影响车辆运行，因此商用车充电方式只有快充，而快充1-2小时的充电时间，在渣土、港口等细分市场也很难被客户接受，在任务繁忙的时间段，车辆必须得保持长时间的运行。因此，在这种工况换电模式有非常强的竞争力。换电模式是通过机械方式将电动车上电池取出，再装上已经充好电的电池，换电模式非常快速便捷地完成了车辆能量的补充。

1 国内外换电模式发展情况

新能源充换电模式之争最早开始于国外，换电模式风靡海外，以色列，丹麦等国家都曾大力推广过，其中以Better Place最为出名。

Better place的换电模式是通用型的换电方案，Better place公司提供标准式的换电策略和方式提供给整车企业使用，不管是哪个品牌的汽车，只要采用了Better place的标准即可享受Better Place为电动车车主提供的电池的维护、更换和充电服务。而主推业务为换电模式，车主进入Better Place换电站可以通过机械手在三分钟内完成自动换电业务。

Better place是坚定的换电派，该公司认为这种模式一方面将电动车中最贵的部分——电池，从车身剥离出来，降低购车成本，从而加速电动车的推广。另一方面，换电比充电更省时，尤其对集团客户而言，可以更有效地控制充电成本，当一辆车废弃时，也并不意味着电池也必须要一起被丢弃。

图1

然而，2013年5月26日， Better Place宣布破产清算决定，并向以色列LOD区法院提交了清算文件。这家知名的电动汽车充换电服务商正式走向破产。分析Better Place的失败原因，大量基础设施建设和维护与低使用率的矛盾为失败的直接原因，深层次的原因是Better Place的换电标准不被各企业广泛认可和推广。

国外研究换电模式的同时，国内好多企业也看好换电市场。国内推广换电模式的主要企业有国家电网、振华重机、北汽新能源、蔚来汽车等。

换电模式是目前纯电动新能源车解决充电时间长、续航里程短的唯一方式。换电方式在私人乘用车推广上困难重重，阻力不断，但是没有影响其在商用领域的遍地开花。杭州的换电出租车运营时间和运营收入高于深圳的充电出租车，青岛的换电公交车比较快充方案，可减少购置车辆的数量，不受里程限制，保证了车辆运营需求。上海洋山港四期工程无人化智能码头最后选用了换电方案解决AGV码头车的供电问题。特定市场的商用车换电模式散发着迷人的魅力。

2 换电模式分析

通过国内外换电企业发展情况，分析出换电模式需要思考的问题有4个方面：（1）换电站建设、运营和归属问题；（2）电池的归属问题；（3）换电技术归属问题；（4）换电方式问题。

（1）换电站建设、运营和归属问题。第一种方案为整车企业进行换电站建设、运营，其优点在于换电站和车辆匹配的换电技术掌握在整车企业中，技术上相对容易实现。然而整车企业往往不擅长运营管理，实际运营过程中需要投入大量的人力物力。第二种方案为由第三方运营公司进行换电站建设和运营。第三方运营公司一般资本充足，擅长运营和寻找赢利点。然而他们面临的问题是整合不同整车企业采用标准换电模式比较难以实现，换电站和整车换电技术较难掌握在自己手中，需要引入换电站建设设备公司。第三种方案为客户进行换电站建设和运营。此方案的优点在于换电利润掌握在客户自己手中，但是前期换电站建设费用较高，缺乏换电技术和换电站建设技术，需要引入设备公司，因此也有一定的难度。

（2）电池的归属问题。第一种方案为整车企业出售完整整车，包括电池，可拿到国家补贴和公告。对于换电站来说，不同的整车企业电池型号无法统一，需要准备好不同厂家的电池，对于整车企业来说，需要考虑两个换电站之间电池互换问题，避免出现必须去指定的换电站才能换电的情况。第二种方案为换电电池包归属为换电站，车辆出售时无电池，需要整车企业根据换电站的电池规格进行整车的布置匹配，而整车企业受底盘结构限制，布置已经确定结构的电池框架难度一般比较大，同时电池框架在整车上的振动可靠性也是一个非常大的隐患问题。

（3）换电技术归属问题。换电核心技术为换电框架与整车相连方式、换电站换电方式标准，连接方式不同和换电方式不同的车与换电站不能进行换电操作。换电技术有采用整车企业换电技术标准，采用第三方换电技术标准，采用换电运营商方换电技术标准三种方式。第一种方式整车企业造车、建设换电站并运营换电站，换电技术为整车企业所有，无论对其他车企释放还是不释放技术，其他车企都很难愿意跟随采用，形成独家戏局面，换电站利用率和通用性下降，势必影响换电技术路线的推广。第二种方案整车企业造车，车辆使用客户建设和运营换电站，一般客户没有换电站建设技术和换电技术，必须引入第三方建设换电站，换电技术标准采用整车企业换电技术还是第三方换电技术标准需要商务探索。第三种方案换电站运营商提供换电标准，整车企业采用后，核心技术由换电运营商掌握，容易形成垄断，客户和整车企业利润较难把控。三种方案各有利弊，最终客户的倾向态度决定上述方案走向。

（4）换电方式问题。换电方式同样有三种，第一种是初级换电方式，通过简单机械锁止，手动换电，人工定位，这种方式目前采用较少，换电效率低下，安全性较低。力帆换电出租车采用初级换电方式。第二种是半自动化换电方式，策略控制气动锁止，自动识别换电方式策略，辅助人工定位。换电效率较高，可实现5分钟内换电完成，自动化程度高，控制精细，核心策略在于换电站给整车换电操作过程的操作手臂的智能识别、与整车的控制交互、以及换电站充电策略管理。第三种是全自动化换电方式，策略控制气动锁止，自动识别换电方式策略，辅助加自动驾驶定位。整车与换电站全交互，车辆停止后，可启动车辆自动驾驶，完成精准定位，进行换电操作，蔚来采用全自动化换电方式。

3 重型商用车换电方案分析

国内重型商用车换电方案推广力度较大的企业是国家电投，国家电投既是换电运营公司，又是客户，同时也是换电标准的提供者，专门为重卡设计换电方案。

国家电投的方案为电池箱整体布置于驾驶后方，通过锁止机构将电池箱和整车相连，实现运行过程中电池和车辆的有效固定。换电过程中，首先司机将车停在一定误差允许的范围内，通过电控系统将锁止机构打开，换电站通过吊架将电池箱体吊起来并移到慢充的位置，再将已充满点的电池箱体移动到车辆上方，通过车辆上电池底座和电池箱体之间的导向机构实现前后左右方向的定位，电池箱体缓慢落下后闭合锁止机构，完成换电过程。

图2

该方案的优点是换电速度快、可以通过慢充延长电池寿命，然而受限于电池箱吊装结构，电池箱只能布置于驾驶室后方，整车电量匹配不会太大，车辆续航里程较短。同时，国家电投设计的电池框架能否满足重卡的各种工况，也是一大隐患。

4 结论

通过以上分析，重型商用车电池换电方案在特定市场有很大的优势，技术上完全可以实现，也被很多企业所看好，但市场的占有率不高，导致换电站的换电成本和维护成本昂贵，因此，换电方案大范围推广还有很长的路要走。

建议政府、整车企业、运营车队联合推动换电方案的落地，加速新能源车型的推广，减少燃油车辆造成的环境污染。

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Research on Battery Quick Replacement Scheme for Heavy Commercial Vehicles

Yang Zhuofan, Li Yanqing, Wang Linlin

（Shaanxi Heavy Duty Auomobile CO., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

The energy supplement of electric vehicles has always been the key factor restricting their development, this paper mainly studies the technical route of realizing fast energy replenishment in heavy commercial vehicles by fast battery replacement scheme,maximizing vehicle operating efficiency. Exploration and technical route analysis of electricity exchange schemes at home and abroad,analysis the pros and cons of various schemes,suggestions for the development of power exchange technology are put forward.

New Energy;Pure Electricity;Battery Frame;Cost

U469.7

A

1671-7988(2019)18-40-03

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杨卓帆，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.014