关于电动两轮车换电模式的研究

吴兴强 ， 高 鹏 ， 张 晨

（长安大学，陕西 西安 710064）

0 前言

“换电”最早是为解决电动汽车充电时间过长提出的新兴技术，电动汽车换电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务或者集电池的充电、物流调配以及换电服务于一体[1]。电动汽车用户可以在任意换电站内将没能量的动力电池快速地更换为满能量的动力电池，从而解决充电时间较长的问题。

电动两轮车和电动汽车都以车载电源为动力，具有很多相似之处，例如电动两轮车也有充电耗时长、行驶里程短、电池更换成本高等问题，然而很少有学者对电动两轮车进行换电方面的研究。据统计2020年国内电动两轮车销量大幅度增长[2]，所以对电动两轮车进行换电模式研究有很大意义。本文在以电动汽车换电模式作为参考，研究电动两轮车的换电模式，首先分析电动两轮车换电模式的科学性，然后对电动两轮车电池进行模块化设计[3]，在此基础上进行换电模式研究，最后得出结论。

1 模块化设计中的科学性问题分析

目前市场上电动两轮车大多数使用铅酸蓄电池，而且95%的电动两轮车使用36V或48V电池进行供电，统计市场上各大电池生产厂家单体电池的外形尺寸和重量，得表1数据。

表1 单体电池外形尺寸及重量

根据统计发现不同厂家同型号单体电池的外形尺寸十分相似，而且重量都不大，为设计电池模块提供了良好的前提条件。

2 电池模块化设计

2.1 模块化设计原则

1）在模块层面上要保证可以相互代换，即模块的均衡性原则。

2）电池模块尺寸不宜太大，其重量也不宜太重，人工容易搬动原则。

2.2 电池模块结构设计

根据上述原则，本文选取两个12V12AH单体电池为研究对象，在此基础上进行模块化设计。如图1和图2所示，电池模块结构包括电池模块上箱体、把手和两个铅酸蓄电池等部件，其线路连接如图3所示，两个铅酸蓄电池串联组成电池组，图中的数字代表相应的部件。

根据图1和图2所示，正极接电柱和负极接电柱具有放电和充电功能，且正极接电孔和负极接电孔的孔径与正极接电柱和负极接电柱的直径大小相等，如果将正极接电柱和负极接电柱对应插入负极接电孔和正极接电孔，下面电池模块的开关按钮会因为受到上面电池模块的压力而断开连接，结合图3所示，便将四个铅酸蓄电池串联起来，从而满足电动两轮车对电压的要求。

图1 电池模块内部结构示意图

图2 电池模块外部结构示意图

图3 电池模块线路连接示意图

对电池进行模块化设计，不仅便于生产和使用，还有助于促进单体电池在外形尺寸上标准化，从而降低电池制造成本。

3 电动两轮车换电模式

参考电动汽车换电模式，电动二轮车换电模式也可采用电池租赁方式[4]，降低用户的初始购车费用，因为电池模块重量不大，而且电动二轮车相比于电动汽车对电池安全性能要求较低，使用人工方式就可完成更换电池模块。当电动两轮车电池需要补充能量时，用户可自行在附近的换电站内完成更换电池模块工作，大大缩短能源补给时间，从而提高电动二轮车利用率。该模式对电池进行集中充电管理不仅有利于延长电池寿命，还可避免大规模电动二轮车随机充电对电网运行带来的不利影响。

4 结语

本次研究基于统计市场上主流电池单体的相关数据，设计一种便于快速更换的电池模块，在此基础上对电动两轮车进行换电模式研究，并得到以下结论。

1）不同厂家同型号的电池单体的外形尺寸大小近似相同，重量也不大，为设计电池模块提供了良好的前提条件。

2）对电池进行模块化设计，在模块层面上要保证可以相互代换，便于生产和使用。

3）换电模式大大缩短能源补给时间，而且电池租赁方式降低用户的初始购车费用，有助于促进电动两轮车行业发展。