换电式专用运输车辆技术应用分析

汤国龙 彭永兴

摘要：本文主要从应用场景、车辆总体布置特点、车载换电系统的主要结构、车辆的安全及防护等方面阐述了换电式专用运输车辆的总体特性，同时讲述了换电系统及顶部吊装式换电站的解决方案。

关键词：专用运输车辆;换电系统;电池

中图分类号：U469.72

收稿日期：2021-11-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.007

1前言

纯电动专用工程车辆由于自身需要大功率用电，需携带较大电量的电池系统。电池自重及体积已严重影响整车的布置空间及运营效率，随着电池能量密度提升，可布置电池电量虽有所增加，司机仍普遍担心电量不足造成车辆抛锚。纯电动汽车目前主要存在的问题包括：充电缓慢、里程焦虑、运营低效、装载限制、价格高额、电池衰减等。

纯电动专用汽车当前存在的痛点短期内无法得到彻底解决，换电模式将是未来纯电动专用车的发展趋势。政府在《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中指出：将加快充换电基础设施建设，形成慢充为主、应急快充为辅的充电网络，鼓励开展换电模式应用。受益于当前政策的支持，各种能解决一整套“换电”模式的企业迅速成立，并不断探索各类车辆的换电模式，有效解决纯电动专用汽车使用中的痛点。

2换电式专用运输车型及应用场景

换电式专用运输车型的应用场景，具备运输距离短、频次高、重复性强、点线放射式等特点，以便于布置换电站，进行短途多频次运营。主要应用场景包括矿区运输、公铁联运、城市渣土倒运、混凝土专线运输、港口转运、钢铝厂倒运的场内短倒运输等，相关的换电式车辆包括自御车、混凝土搅拌车、牵引车等，如图1所示。

3换电式专用车辆总体布置

3.1整车主要结构

本文主要以换电式混凝土搅拌运输车为例进行车辆结构解析（圖2），其整车结构主要包括搭载电动化专用驾驶室的底盘、承载动力电池的换电系统、用于装载混凝土的搅拌筒、驱动搅拌筒旋转的电机驱动系统、用于固定搅拌筒的前、后台装置、用于清洗搅拌筒装卸料残留物的上装清洗系统。其中换电系统是换电式搅拌车区别于其他类型搅拌车的主要特征。由于换电系统经常在不同车辆间更换，在进行整车布置时，需要将车载换电系统与整车其他部件间留一定的间隙，当抓取机构对换电系统进行换电作业时，避免碰撞和损坏其他部件。

3.2车载换电系统结构

车载换电系统是换电式专用汽车的核心部件。要满足结构作为动力电池系统的载体，具有对电池系统充放电过程的热管理功能，可快速更换的结构功能，具备可充电的功能，并且具有高可靠性。同时，由于电池内置于换电系统上部的电池框内，其电池框需为一个整体，否则在更换电池上框时会造成一定的困难。通常换电电池系统被布置在车辆驾驶室后端，俗称“后背式”布置结构。

3.2.1车载换电系统上框

车载换电系统主要分为换电上框及换电底座（图3）。换电上框作为承载电池系统的载体，必须具备足够的强度，主要由方钢等型材拼焊而成。当前换电电池系统普遍采用282kWh电量，一般由4个H型或8个C型电池包组成，电池系统自重达1.7t。电池高压分线盒、电池控制系统BMS、电池热管理系统被置于换电上框内部。换电上框根据单体电池包数量确定层数，对于H型电池包，每一个电池包占据1层空间;高压盒、BMS、热管理系统组件等通常被布置在同一层，以尽可能压低整个换电上框的高度，满足整车限高要求。当车载电池电量低需要更换时，通过特制的吊装工具，将整个换电上框吊装更换。

3.2.2车载换电系统底座

换电底座是承载和固定换电上框的载体，既要满足一定的结构强度，又要满足能够使换电上框快速紧固及解锁的结构，并且具有与换电上框输出的线束插件对接的功能。换电底座技术当前主要分气动和电控两类，本文主要介绍气动控制结构。如图4所示，换电底座上固定有数个气缸锁止机构，通过车载气源及电磁阀控制器控制气缸伸缩，气缸活塞伸出端与换电上框中预埋的孔位配合，实现换电上框在垂直方向的锁止。换电上框在垂直方向有固定的销轴，与换电底座上的定位孔进行配合，达到换电上框在水平方向的锁止。为了满足换电上框与换电底座在对接时的定位，换电底座上设置数个导向块，一定程度上提高了两者的使用寿命。换电底座与换电上框上都设置有快换连接器，连接器上固定有线束接插件，其中换电底座上的连接器具有浮动功能，一定程度上提高了线束接插件对接成功率及使用寿命。

4换电解决方案

换电式专用运输车辆，根据其产品定义及应用场景，当车载电池系统需要补能时，需要有专用的设备进行电池更换，这就需要一整套的换电设备解决方案。当前对车载换电系统更换电池的解决方案主要有两个研究方向：

A.从顶部对电池框进行吊装，采用挂载在桁车上的吊具从电池框顶部进行吊装更换;b.从侧面对电池框进行抓取，类似叉车结构的机械臂，对电池框固定部件抓取更换。本文主要从顶部吊装方案进行分析，如图5所示。

4.1顶部吊装换电解决方案

因车辆要在换电站进行电池更换，进而达到补能目的，换电站首先要解决给空电池进行充电的功能。以一个满足30辆车日常运营的换电站为例，站内一般需要配备5～10块备用电池及充电底座。当车载空电池更换掉后，将空电池置于站内的充电底座上进行补能。这些站内配备的充电底座需保持与车载换电上框接口匹配，标准统一。换电站充电系统如图6所示。

顶部吊装换电解决方案是换电站的核心技术。对需要更换电池的车辆，首先在专用APP上可以查找换电站的位置及当前站内的电池电量信息及车辆排队等候情况。车辆到达换电站后，通过激光引导驶入指定的位置。开启一键换电功能后，吊装系统会自动修复停车误差，待换电底座解锁后，智能控制系统控制桁车用吊具抓取车载换电上框，将其置于站内的空充电座上。随后选取一块满电电池并将其吊装至所需更换的车辆上方，激光定位准确后，降落至车载换电底座上，底座锁止机构工作并自动锁紧。车辆自检无误后，驶离换电站。整个换电过程全自动完成，无需人为操作，大约用时5min，换电效率可满足工程车辆日常运营需求。顶部吊装换电系统如图7所示。

4.2换电系统的可靠性

换电站采用高强度铝合金外壳，耐腐蚀耐盐雾，有效使用寿命超过20年。外观壳体采用弧形外观设计，有效减少风阻，最高抗风等级达到14级。全站密封设计，有效防尘，可有效延长设备使用寿命。另外独特的整站热管理设计，充分利用充电机排除热量对整站电池保温，有效节能，同时可提高电池系统在低温地区的使用寿命。

车载换电系统经过严格的CAE仿真分析及台架振动测试，均满足结构强度要求，换电连接器经过1000次的插拔耐久测试，连接器可满足5年以上的使用寿命。经过试验场工况10000km里程的强化测试，换电系统在整车搭载后没有出现结构损坏、功能丧失等状况。换电式整车已完全可以满足现阶段工程车辆的使用需求。整车仿真及可靠性路试如图8所示。

4.3换电车辆的安全及防护

换电式专用汽车与充电式汽车有相同的工作原理。因电池系统有数百伏的电压，为保证人员与用电部件的安全，在每个高压部件上均设置有维修开关MSD，并配备独立的搭铁线连接在车身上。高压部件的外壳与车身进行了等电位均衡设计（图9），保证了触电电流流过车身而非人体。车辆在设计时采用高低压隔离，保证低压系统不受高压系统影响。控制器等部件自带的高压绝缘电阻达到MΩ级别，确保人员不会因间接接触用电部件而触电。

全部用电部件具有高压互锁功能，互锁由VCU、MCU、动力电池、四合一控制器等组成，高压部件断开时，不具有高压电，确保设备和人员的安全。

对于电池系统等高压部件，车辆设置有相关的防尘板进行遮挡，避免粉尘和雨水对线束接插件侵蚀。独立的电池包的防尘防水等级达到IP68，线束接插件防尘防水等级达到IP67，车辆可在雨雪等惡劣天气正常使用。

5结语

对于一些特殊的应用场景，因补能快捷、运营高效等优点，换电式专用工程车辆得以迅速发展。各大车辆生产企业近年来纷纷推出自己的换电式产品，对应的换电站布局已经在全国范围内开展。随着换电技术的发展和进步，各类换电站将会实现资源整合，满足不同厂家车型的换电系统互换的需求。届时换电式工程车辆发展将会更加规范，在纯电动汽车领域所占比重将越来越大。参考文献：

[1]林程.电动汽车工程手册.M.北京：机械工业出版社，2019.

[2]GB1589-2016汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值[S]

作者简介：

汤国龙，男，1989年生，工程师，研究方向为新能源专用车辆相关产品的研发。