电动汽车集约型换电设施的设计研究

蒋燕萍，陈佩军，陈海燕

电动汽车集约型换电设施的设计研究

蒋燕萍，陈佩军，陈海燕

（国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江省 杭州市 310009）

为解决电动汽车换电站施工周期长、换电效率低、存在安全隐患等问题，提出了一种集约型换电设施的设计思路及方案。通过对集装箱合理改造，并集成电池缓存、自动取放、充电控制、安全防护等系统，从而构成一种具备电池取放自动化、均衡充电及自动保护功能的集约型换电设施。详述了该集约型换电设施各系统的功能及设计方案，实践证明该换电设施可提高土地利用率、降低换电站建设成本，并可提高换电效率及服务质量，达到预期效果，同时具有较高的市场潜力。

电动汽车；模块集成；换电设施；动力电池

0 引言

汽车驱动的电能替代对环境，尤其是对交通密集区空气质量的提升具有重要的意义，而完善的充电、换电设施是城市电动汽车的发展基础和重要保障[1-3]。近年来，动力电池换电服务站在国内陆续建设和投入使用，为周围电动汽车用户提供极大方便[4-5]，但大部分换电站的动力电池甄选和取放需要借助电动叉车，换电便利性和自动化水平较低。因此，提高换电站自动化服务水平、实现全自动换电已成为国内外城市电动汽车换电设施的研究方向[6-7]。此外，城市规划用地日趋减少，逐渐成为制约电动汽车充换电站建设的另一个制约因素，紧凑型、集约型的充换电站更适合城市需求[8-11]。基于上述2点，研发低成本、易建设、模块化的换电技术和关键设备成为推动电动汽车发展、实现电能替代的重要方向。

本文提出了一种集约型换电设施的设计思路及方案：通过对电动汽车集约型换电设施设备的研究和开发，减少建站时对土地的要求，提高土地利用率；另外，通过取放设备与电池进行通信，实现电池自动取放功能，提高换电自动化水平。文中根据设计的各功能模块具体介绍对应的子系统功能。

1 集约型换电设施设计思路

1.1 换电设施现状

目前在用的换电设施主要分为室内型和室外型。室内型换电设施基本采用充电架模式，需要附加建筑对充电架进行防护，工程投入和实施成本较高，施工周期较长。室外型换电设施多采用移动充电仓与电池转运箱配对的模式，由于箱体体积的限制，每对仓仅能设计20个充电工位，一对组合设备占地约10m2，土地利用率较低，且由于防护等级的要求，需要遮挡物或雨棚对仓体进行防护。以上2种模式均需要辅助设备(电池拣选车或小推车)对电池进行人工甄选和取放，存在一定的安全隐患。

随着换电业务的快速发展，电动汽车、动力电池和换电设施的运营和生产管理亟需更大力度的数据通信与信息监控[12]，目前大部分取放电池过程中，电池状态需要换电人员根据指示灯状态进行选择，且充电数据上传仅停留在充电站层面，电动汽车充换电服务站设施已不能满足充换电服务网络多维度信息交换和集约化管理的要求。

按照目前电池存放的高度，电池取放转运车取放便利性不足，需要借助电动叉车进行取放，更换效率较低，且安全性有待提高。换电设施作为电动汽车电源补给的基础设施，是直接影响电动汽车大范围推广应用的重要因素[13-15]，提高换电自动化，可以实现少人参与的乘用车换电，从而节约换电的人力成本，降低换电人员的劳动强度，提高换电服务质量和设备通用性。如何将充换电设施集约化是新型充电基础设施设计的重要技术之一。

1.2 研究思路

电动汽车充换电服务网络面临降低建设和运营成本的压力[16]，因集装箱具有良好的物理性能和足够的强度，能长期反复使用(寿命可长达30年)，为电池充换电提供一个使用可靠、定位精确、运行稳定的电池存取空间，是集约型电动汽车换电设施的结构基础。设计基于集约型、模块化、高效率为核心的技术研发思路，提出一种集成式换电设备，对集装箱箱体内部进行一体化充换电系统设计、电气模块化设计，对功能子系统集成优化，采用信息监控和多工位集约化，实现电池充换电自动甄选和存取，提高自动化水平，并提供超过100个充电工位，从而提高土地利用率。

另外，集装箱自带吊装功能，可从一种运输工具直接换装到另一种运输工具上，集成式充换电设备在工厂完成安装和调试后，可直接吊装前往用户所在地，实现接插式服务，减少现场工作量和缩短工程建设周期，降低建设成本。

2 集约型换电设施设计

2.1 总体功能设计

通过对集装箱合理改造，将充电、缓存、取放、监控等功能集约化，设计形成集约型换电设施，功能系统主要分为箱体改造系统、电池缓存系统、自动取放系统、充电系统、控制系统、安全防护系统等，功能设计如表1所示。

表1 集约型换电设施功能设计

2.2 箱体改造

采用内尺寸为12.032m×2.352m×2.69m标准规格的高箱集装箱，为提高土地利用率，设计成多个电池工位的充放电条件。箱体改造主要包括底座改造和外壳改造。

集装箱底座改造主要根据工作人员操作高度，基于人体工程学原理，在整个箱体外底部加装底座。因热轧H钢结构具有成本低、精度高、残余应力小等优势，且与焊接工字钢、传统钢结构和砼结构相比，同截面负荷下节约钢结构制作成本30%左右。综合上述，底座高设计为50 cm，选用H型钢材搭建，底座用板材焊接封闭，整体用绿色油漆美化，其结构如图1所示。底座的设计不仅为工作人员提供了更加方便的操作条件，而且避免了集装箱直接与地面接触，防止积水倒灌，保障电气设备可靠运行。

集装箱外壳改造主要包括风机口改造、侧门改造、正门改造、缓存电池口改造、雨棚改造等工作。正常运行时该设备内部有100台电池充电机同时工作，箱内会产生较大的热量，为了能更好地散热，在箱体背部加装风机口，并在箱体内部安装空调内机，保障电池安放在相对恒定的温湿度环境。为方便设备前期安装和后期维护检修，在集装箱2个侧面分别安装人员进出门户。正门改造是在集装箱正面用卷闸门将电池架封闭的设计，关闭时可以起到防雨、防尘、防火的作用。在设备维修时卷闸门打开，方便工作人员观察电池状态和查找故障。缓存电池口即缓存架的电池出口，用于人工取放电池。雨棚改造是在取放电池的出口上方设计雨棚，防止最大60°倾角的雨水从电池取放出口进入集装箱，满足淋水防护等级³IPX3。箱体改造设计效果如图2所示。

图1 底座结构的2D及3D示意图

图2 箱体改造效果图

2.3 电池缓存架和电池自动取放系统

电池缓存架是电池在电动汽车与电池架之间的中转平台，通过设定约束条件和Matlab软件编程计算得出缓存架数量为4时换电效率和充电效率最优，其初始位置与电池架电池仓在箱内最底层，如图3所示。通过加装3节导轨装置结合电机螺杆驱动的推拉机构，使得缓存架托盘能延伸至集装箱人工取放平台，方便工作人员取放电池。

图3 电池缓存架效果图

缓存架的推拉机构是通过初始接近开关和结束接近开关的信号状态来完成限位功能，当电池缓存架得到控制子系统的输出命令后，推拉机构启动，步进电机开始驱动螺杆，使3节导轨以一定速度向人工取放平台方向层层推出，直至将电池托盘整个推出电池架，最终电机得到结束开关信号后停止工作，此时托盘边缘与集装箱的边缘齐平，便于工作人员将满电电池取走。当空电电池放置于电池缓存架之后，电池缓存架反向操作。电池取放机构和电池缓存架的位置示意图如图4所示。

图4 电池取放系统示意图

为提高自动化水平，设计自动取放系统，包含自动取放装置和定位系统。自动取放装置作为该系统的核心，由水平行走机构、竖直行走机构以及电池取放装置3个功能机构组成。自动取放装置通过伺服电机实现集装箱内水平和竖直2个方向的移动，通过节拍时间估算法，设计移动的平均速度为0.3~0.5m/s。通过伺服定位模块与标签定位模块组成的定位系统完成对电池的精确定位。电池取放装置通过吸盘完成对电池的抓取与推放动作，单节电池取(放)时间为20 s，负重达到200kg以上，能够同时取放2组电池，与现有技术相比，大幅提高了换电工作效率和安全性。

2.4 充电系统

充电系统包含电池架、充电架、交流配电柜等装置。电池架用以存放一定数量的动力电池，按照电池外形尺寸和集装箱体空间余量设置电池格位数量，每个电池格位与电池箱之间用导向式均衡电池插座连接。电池架通过电缆与充电机完成电气连接，形成可充电的集成装置，并设有通信、监控等功能。充电架用以存放均衡充电机，根据均衡策略对电池组进行均衡充电，同时完成各单体电池状态信息的监测、采集和通信。另外，专为集装箱式换电设施设计交流电源配电装置，除了为集装箱内充电系统和控制系统提供电源外，还提供室内照明和民用插座，方便工作人员检修 作业。

2.5 控制系统

控制系统完成对自动取放装置、电池缓存架、安全防护系统以及温控模块的控制任务，并通过与电池设备通信，检测电池充电状态，从而实现电池换电过程的自动化管理。控制系统工作原理是采用触摸屏作为上位机，各执行机构位置布置检测传感器对信息进行检测和通信，通过主控制器PLC进行逻辑控制，完成对各功能区的控制动作。

其中温控系统是采用空调来调节集装箱内部的温度。其核心部件包含空调、温度传感器以及系统主控制器PLC，控制器检测到温度传感器的温度反馈之后，完成相应的权重计算，得到集装箱内部当前温度，再根据温度值调节室内空调启动程序，基于保证电池在合适、安全的条件下充电，将集装箱内部温度控制在10~40℃。

2.6 安全防护系统

基于以往人力操作的实践经验，设计安全防护子系统，主要通过设备本身的安全设计和配套安全防护设施，用于保证工作人员人身安全和电池换电系统运行安全，安全防护系统功能设计见表2。

该集约型换电设施的安全防护系统网络，以工控机触摸屏作为上位机，并通过C++通用编程语言进行人机交互。下位机以PLC进行组态，通过安全控制器将安全光幕、安全继电器、安全开关等进行通信，并作为PLC的输入信号，用于控制自动取放装置、电池缓存系统、电池架电池的状态，达到安全、可靠作业的目的，系统框架如图5所示。

表2 安全防护系统功能设计

图5 安全防护系统框架图

3 集约型换电设施的优点

集约型电动汽车换电设施在土地利用率、建设便捷性、充换电服务水平以及设备通用性方面较现有充电设备具有较大的优势：

1）提高土地利用率：尺寸为12.032m× 2.352m×2.69m的集装箱改造后，20个充电工位平均使用面积约为4m2，提高了设备集成化程度，相比常用的充、换电池仓减少了50%以上的占地面积。

2）降低建站成本：由于充电设备集成度提高，整个换电设施在工厂建设完成后，可一次性运输、吊装到位，减少了现场施工作业量，满足了快速建站的要求。

3）提高换充电服务的质量：集约型换电设施采用自动取放方式，可以实现少人参与，且安全可靠性好、自动化程度高，从而降低换电人员的劳动强度，提高换电服务的质量。

4）市场通用性好：集约型电池取放装置可通过更换夹具方式适应不同尺寸的电动汽车动力电池存取，具有良好的设备通用性。

4 结论

在能源转型的大背景下，推进换电设施自动化、高效化、便捷化是推动电动汽车普及的有效途径，是清洁低碳路线的有效实践。在集装箱固有钢结构和吊装便利性的基础上，设计完成一套可吊装的集约型充换电设施，该设施由箱体改造系统、电池缓存系统、自动取放系统、充电系统、控制系统、安全防护系统等部分组成，通过一体化的充换电系统设计和电气模块化设计，提高电动汽车换电服务站的土地利用率、建设便捷性、充换电效率。集约型换电设施具有较高的安全可靠性和设备通用性，该方案的研究可以推动城市电动汽车基础设施建设，对汽车动力行业能源转型将起到积极的推进作用。

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Research and Design on Intensive Power Exchange Facility of Electric Vehicles

JIANG Yanping, CHEN Peijun, CHEN Haiyan

(Hangzhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Power Co., Ltd., Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China)

In order to solve the problems of electric vehicles power exchange station such as long construction period, low-efficiency and potential safety hazard etc., this paper proposed a design mentality and scheme of intensive power exchange facility. By reasonably transforming of container and integration of battery buffer, auto pick-and-place, charge control and safety protection systems, the intensive power exchange facility is constituted with automatization of battery pick-and-place, equalizing charge and auto protection function. The function and design scheme of every systems was demonstrated detailly. The practice proves that this facility can improve land utilization, reduce the building costs, improve power battery exchange efficiency and service quality, achieve design objective and possess high market potential.

electric vehicle; module integration; power exchange facility; power battery

10.12096/j.2096-4528.pgt.19063

2019-04-23。

(责任编辑 杨阳)