电动汽车换电站的设计

□ 叶明瑞 □ 孙福禄 □ 辛庆锋 □ 姜军平 □ 盛春龙 □ 王亚星

浙江吉智新能源汽车科技有限公司 杭州 311228

1 设计背景

当前,石化能源紧缺,环境污染问题日益严重。电动汽车作为一种绿色交通工具,对减少碳排放、减轻环境污染、缓解能源危机具有不言而喻的作用。电动汽车以零排放、低噪声、能量转换效率高、能源来源广泛、使用经济性高等特点,迎来发展契机[1-2]。配合碳中和的战略,国家加大了对电动汽车的扶持政策,各大主机厂也全面进行电动汽车的研发。

随着电动汽车研发投入的增加,续航里程数成为制约电动汽车发展的瓶颈。不少主机厂将续航里程数作为电动汽车的主要指标,国家政策的补贴额度与电动汽车的续航里程数、电池组能量也具有强相关。实际情况是,电池能源技术的发展并未跟时电动汽车的发展脚步,最终只能在车辆设计时不断增加电池组,来达到长续航里程的要求[3-4]。

增加电池组,会使成本升高、整车质量增大、整车舒适性降低,严重影响用户的体验感受。另一方面,电池组不断增加还会大大提高车辆燃烧的风险。可见,无论基于安全角度还是用户体验角度,增加电池组都存在很大的弊端。

面对电动汽车发展中存在的问题,换电电动汽车应运而生。简单而言,换电电动汽车保留了传统电动汽车的充电功能,同时可以随时将电量不足的电池更换为电量充足的电池,这是一大创新点。采用换电模式,可以降低客户的用车成本,增加用车时间,具有更高的经济性和便捷性,对公交电动汽车、出租电动汽车、网约电动汽车而言,都有极大的经济效益[5]。

换电电动汽车的使用离不开换电站,换电站是能够提供更换电池以达到补充电能效果的设备或场所。采用换电方式进行电量补充,用户只需要开着电动汽车去换电站,将缺电量的电池卸下,更换为满电量的电池装上即可。换电站会对用户换下的缺电量电池进行充电,充满后可以更换到其它需要更换电池的电动汽车上[6]。

随着换电电动汽车市场供应量的增大,换电站的建设成为需要解决的问题。

换电站占地面积小,两个小型集装箱的占地面积即可容纳换电站。同时,换电站具备电池正常充电和快速充电的能力,有充好电量的备用电池,可以在短时间内完成换电工作。

笔者设计了电动汽车换电站,简介换电站的组成,重点介绍换电站设计的技术参数,以及换电站内部的车轮定位机构、车辆举升机构、加解锁机构。

2 换电电动汽车优势

换电电动汽车与传统电动汽车相比,具有多方面优势。

(1)兼顾换电与充电。换电电动汽车除了可以换电池外,还同时具有传统电动汽车的充电功能,使用灵活。

(2)购车成本低。购买换电电动汽车时,可以仅购买裸车,不包含电池,电池进行租赁使用,购车门槛较低[7]。

(3)充电成本低。换电站可以在用电低谷时给电池充电,避免负荷高峰期充电,有利于平衡电网负荷,优化电力资源配置,提高能量利用率[7]。

(4)时间成本低。充电电动汽车换电效率高,仅1～2 min即可完成电池更换,传统电动汽车即使快充,也需要30～60 min。

(5)使用灵活。用户日常上下班可以租用短续航里程的电池,出远门或周边游可以租用长续航里程的电池。换电电池可日租,也可长期租用,灵活方便。

(6)电池寿命长。传统电动汽车电池电量衰减至80%以后就需要更换新电池。采用换电模式,电池电量衰减至70%或者更低也可以使用,用户可以根据自己的行驶里程选择电池[8]。

(7)电池安全性高。在换电站中,换电电池通过恒温充电、恒温存储等方式消减外界高低温给电池带来的不利影响,统一存储,统一管理,保证电池的安全性[9]。

(8)使用范围广。在偏远山区,由于条件限制无法建立充电桩,换电站建设方便。

3 面临的问题

目前电动汽车换电站还处于初期发展阶段,而换电电动汽车的发展离不开换电站布局,因此,未来两者之间的匹配会是一个长期面临的问题[7-10]。当前,国内主机厂一汽、蔚来、吉智新能源等在开发自有品牌换电电动汽车的同时,正注重换电站的建设。

换电站需要解决的问题有三方面。

(1)加油站、充电站、换电站等汽车能源补充形式的规划,建议由政府主导统一进行规划。

(2)技术问题。包括车辆定位、举升、解锁,以及换电站的密封、防水、防尘等,都有一些比较关键的技术难关需要突破。

(3)联网问题。需要进行车、网、充电桩、换电站互联,方便用户查找或预订。

4 换电站组成

电动汽车换电站整体外貌如图1所示,包含的主要系统有充电系统、配电系统、环境检测系统、暖通系统、消防系统、换电系统、控制系统等[6]。其中,换电系统主要包含换电平台、车轮定位机构、车辆举升机构、加解锁机构、码垛机、电池仓、缓存系统、集装箱、消防沙箱、远动控制机构等,控制系统主要包含云平台通信设备、人机交互界面、监控及管理全站、控制管理间隔层设备。

5 设计参数

5.1 电池包尺寸

换电站在设计换电平台、车轮定位机构、车辆举升机构时,电池包的尺寸有决定性的意义。在同一主机厂内,电池包的尺寸是统一的。目前市场上主流电动汽车车型的电池包尺寸分布如图2所示。经对比分析,吉智新能源标准电池包尺寸设定为1 700 mm×1 360 mm×160 mm,如图3所示。

▲图1 电动汽车换电站

▲图2 主流电动汽车车型电池包尺寸分布

▲图3 吉智新能源标准电池包

5.2 换电站空间与换电平台尺寸

换电站的整体面积不大,物尽其用是换电站设计的关键。笔者通过几款电动汽车车型与换电站、换电平台的匹配研究,得出换电站、换电平台尺寸与电动汽车车型尺寸关系,如图4、表1所示。

表1 换电站、换电平台与电动汽车尺寸关系

换电站的设计除几何尺寸外,承载能力是重点,车辆举升电机载荷及浮动平台举升载荷均应大于车辆满载质量。

▲图4 换电站、换电平台尺寸与电动汽车尺寸关系

6 内部结构

电动汽车进入换电站后,首先进行车辆定位、固定。然后通过浮动平台举升车辆,进行换电。换电完成后,通过举升平台使车辆下降至原位,电动汽车驶出换电站。

6.1 车轮定位机构

车轮定位机构用于在规定时间内将车辆定位在指定位置,使车辆进行高精度换电。车轮定位机构包含抬车机构、上车斜坡、下车斜坡、前轮归中机构、后轮归中机构,如图5所示。前轮归中机构如图6所示。

车轮定位机构包含X向定位和Y向定位,X向、Y向、Z向依次为车辆的前后、左右、上下方向。车轮定位机构使用时,驾驶员驾驶车辆行至换电平台入口处。换电平台扫描车辆车牌,获取车辆信息。换电平台根据车辆信息,移动V形槽。驾驶员按指定方向行驶车辆至前轮轮胎停在V形槽内。X向、Y向定位机构以相同速率移动,与前后轮胎接触,对轮胎施加一个横向矫正力,使车辆实现X向、Y向对中。

▲图5 车辆定位机构

▲图6 前轮归中机构

6.2 车辆举升机构

车辆举升机构用于在规定时间内将车辆校平并举升到指定高度,确保车辆可以进行高精度换电。

车辆驶入V形槽,确认换电后,进行Y向定位与Z向举升,四个举升托臂由四个伺服电机带动同时工作,进行举升。Z向定位与Y向定位同时工作,在Y向定位完成之前,Z向举升块不能与车辆接触。举升块逐渐上升,与车辆举升点接触后,车辆逐渐抬高,直到举升高度满足设计条件。车辆举升至设定高度后,举升停止,进行换电步骤。换电步骤完成后,电机反转,举升机构复位,车辆落地,恢复初始状态,举升机构与伺服电机如图7所示,举升机构与浮动平台如图8所示。

▲图7 举升机构与伺服电机

▲图8 举升机构与浮动平台

6.3 加解锁机构

加解锁机构由控制系统实现信号交互控制,解锁升降车辆欠电电池、升降加锁满电电池到车辆,完成车辆的电池更换与加解锁功能。加解锁机构主要依托浮动平台实现功能。浮动平台包含一层平台、二层平台、三层平台、支撑块、传感器、定位销、解锁套筒、解锁电机等部件,如图9所示。

▲图9 浮动平台

一层平台是整个浮动平台的支撑受力层,刚性链条和浮动链条均固定在一层平台上。一层平台有剪刀叉平衡结构,承受整个浮动平台和车辆电池的质量,实现整个浮动平台的升降功能。二层平台是车辆电池的承载和浮动层,由六个支撑块承重。二层平台通过浮动链条悬挂在一层平台下,实现二层平台、三层平台的浮动功能。三层平台是解锁套筒和定位销的固定伸缩层, 由气缸完成升降,直线轴承辅助平衡,实现与二层平台的同步浮动及伸缩。

7 结束语

笔者介绍了换电站发展的必要性,分析了电动汽车换电的优势及目前存在的问题。在此基础上,设计了电动汽车换电站,简介换电站的组成,重点介绍换电平台的设计、空间尺寸参数,提出合理的尺寸范围,同时介绍换电站内部的车轮定位机构、车辆举升机构和加解锁机构,为其它换电站的设计提供参考。