换电车产品行业发展分析

摘要：商用车新能源化已成为一种发展趋势，针对电动商用车对补能方式要求快捷、方便的市场需求，介绍了换电车行业的发展现状、存在问题及结构形式，其中也包含重卡的动力电池系统的结构类型、固定式换电站的充换电运营平台及自动换电机器人系统；分析了换电车产品行业的发展问题。研究结论可为换电车产品行业提供帮助。

关键词：换电车；重卡；结构形式；管理平台；行业发展

中图分类号：U469 收稿日期：2024-01-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.001

1 前言

新能源汽车产业是未来汽车发展的重要方向，在国家多项政策的加持下，商用车新能源化将成为行业发展的长期主旋律[1]。然而该产业的发展一直受电池续航里程和电能补充方式的问题困扰。目前针对这两个问题，有两种不同的研究方向：一是提升电池的能量密度，充电功率和充电速度；二是研究快速换电技术。根据以上两个研究方向，进而提出充电补能方式和换电补能方式。相较于汽车充电补能，快速补电的换电方式，已经在各个领域有了较大的发展，该模式具备降低购车成本、提高补能效率两大优势[2]。本文以重卡为服务对象，分析当前换电车行业现状及发展存在的问题，并分析换电车主要结构组成。

2 换电车产品行业发展现状及问题

2.1 换电车发展现状

换电补能目前已经在各个领域有了较大的发展，换电模式可分为固定换电（换电站）和移动换电（换电服务车）两种。其中换电站为当前主要换电方式，可分为底盘换电、侧方换电、分箱换电（图1），其中底盘换电为市场主流换电模式。就当前移动充电和换电情况而言，移动充电车主要用于道路应急救援，整体规模较小，换电服务车受限技术和成本因素，整体尚未产业化，未来随着换电需求持续增长，换电服务车存在商业化的可能性［3］。

2.2 换电车行业问题

根据前期调研分析，换电车行业主要存在如下几点问题：

a.车辆作业过程中的安全性。重卡电池箱整体重量基本在3 t左右，换电过程也是电池箱的移动和装卸的过程。整个过程中移动换电车的重心会发生较大变化，在车辆设计过程中需考虑较大质量重载偏移问题，通过技术手段保证车辆在作业过程中的运行可靠性和安全性。

b.车辆标准的符合性。移动换电车作为移动车辆，也需要符合车辆的相关标准，比如尺寸、高度、重量、是否为危险品运输类车辆等。

c.换电装置的动力源。移动换电车上，吊装机构等其他辅助配置的电力消耗较大，需要有稳定的动力来源，通过电池供电、外接电源供电或底盘动力发电等也有比较大的难度。

d.动力电池箱的标准符合性及互换性。目前换电市场处于初始发展阶段，还没有统一的国家标准去规范电池动力箱的结构形式、外形尺寸、重量和电芯的结构，且各地的电芯厂家生产标准也不统一；另外动力电池箱的快插底座，即快插结构，也没有标准统一的结构形式，此结构形式目前集中控制在一些大型换电站的生产企业手里，大多换电重卡的电力动池箱也都是从这些企业中购买的。

e.亏电电池充电问题。换下来的亏电电池，是否需要通过换电车内置机组使用预留快接接口充电，还是需要通过转运车转运至规定地点进行充电，也是目前换电类车辆需要解决的问题。

f.换电技术路线问题。现有的换电站技术发展较为成熟，目前大多采用顶吊的方式，但是现在比如蔚来新能源汽车换电已经开始采取底部换电的方式，因此需要考虑好技术路线。

g.换电车的应用和推广。目前现有的换电类车辆主要以重卡为主，新能源重卡目前还是主要依靠国家政策，类似购买补贴和通过项目进行资质限制等手段，市场前景不太明确，尤其是现有的新能源技术路线并不仅仅是锂电方向，还有类似氢能的方向等。另外，目前购买换电重卡的方式有两种，一种是带动力电池箱，另一种是不带动力电池箱：带动力电池箱整体价格会高很多，车辆购买后，电池箱投放到电池银行中；不带动力电池箱的车辆需要到电池银行去租赁。移动换电站的主要作用仅仅作为应急，目前需求数量较少，具体使用的应用场景还有待开发。

3 换电车的主要结构

目前市场上用于换电的车辆，主要是满足换电重卡的需求，从结构形式上来讲，可以分为两种：一种是吊臂式；另一种是臂架式。

3.1 吊臂式换电车

常规的吊臂式移动换电车主要由半挂车厢、换电装置、控制系统三大部分组成。半挂车箱主要包括半挂底盘、厢体、翻转厢门；换电装置主要包括支架、抓取机构、导向机构。控制系统包括车辆引导系统、抓钩运行系统、电池包安放系统。

车辆的前部还带有不间断电源UPS，用于在底盘电源亏电时进行供电。底盘电源还用于吊装机构的运转。

车辆引导系统由各种传感器构成，并利用集成控制系统和视觉识别系统，引导并指示亏电车辆的停靠到位。

车辆的抓取结构由三节水平吊臂和多组勾爪组成，多组勾爪与吊臂是柔性连接，亏电车辆即使在离指导位置有偏差，且偏差不大的情况下，吊装机构也能很好地抓住亏电车辆上的电池包并进行更换。

这种车辆结构可以更好地实现换电全自动化，并且运行稳定可靠，且容纳的电池包数量足够多，换电效率高，是目前市场上主流的换电车形式，如图2所示。

3.2 臂架式换电车

臂架式换电车主要由底盘、伸缩臂和夹持机构组成。底盘不再选择半挂底盘，且不配置带顶厢体。起重伸缩臂由传统起重机中臂架改装而成，夹持机构安装在伸缩臂最外端可以做回转运动，从而方便地抓取亏电车辆上的电池包。此种形式换电车在随车起重车上改装而成，在使用时，将换电车开到亏电车辆旁，然后操控伸缩臂进行抓取。臂架式换电车成本较低，但全自动化程度不高，应用场景较低，不能满足多台车辆同时快速更换，如图3所示。

4 换电车的相关系统及平台

换电站的核心装置主要有动力电池总成（动力电池系统+标准化快插底架），全自动换电机器人系统和一体化综合管理平台（充换电运营平台+电池管理平台+综合运维平台），如图4所示。

4.1 动力电池系统

动力电池系统可分为标准结构、LHP结构和CVP等三种结构形式。这三种结构形式电量一致，结构数据、散热方式及底座形式有一定差异，从尺寸和重量上来说，标准结构的尺寸和重量最大，LHP次之，CVP尺寸最小且重量最轻，如图5、图6、图7所示。

4.2 一体化综合管理平台（软件平台）

电动重卡数字能源运营管理平台由电池管理平台、充换电运营平台和智能运维平台组成，如图8所示。

4.3 电池管理平台

电池管理平台是通过数据分析提供运营数据的细颗粒度概览，内容包括电池箱总数、累计减少碳排量、累计充电量、累计放电量、相关数据统计、电池箱分布、服务车辆品牌排名、故障提醒等。具有电池箱3D影像、电池VR、全方面监测电池状态等功能；在电池寿命预测上，能实时健康状态测算、衰减趋势预测；可以系统告警预判，如电气故障、电化学故障等；还可以进行可信电池残值评估，实现电池全生命过程数据区块链管理。

4.4 充换电运营平台

充换电运营管理平台是通过数据分析提供运营数据的细颗粒度概览，包括电量、累计接入车辆、服务车次、换电次数、设备数量等相关数据统计，以及换电站分布、区域及电量排名、分时段电量占比，并对电池的充电及换电自动机器人系统进行管理和状态监控［4］。

4.5 智能运维管理平台

智能运维管理平台通过大数据分析提供运营数据的细颗粒度概览，包括已完成和未完成工单统计，今日与昨日完成情况、工单状态、工单类型，以及人员当日、当周、当月完成情况统计等，如图9所示。

4.6 全自动换电机器人系统

重卡换电站系统中，作为关键核心设备的换电机器人是整套系统设备中技术难度最大、运行效率影响最高、设备维修维护最多的系统，系统的可靠性和执行速度直接影响换电的执行效率。目前换电机器人多采用双向三伸缩机构加吊具抓手结构，可以实现两侧交替换电，提高换电速度，并通过激光扫描电池位置和伺服自动补偿，可大大降低停车位置精度要求，如图10、图11所示。

目前重卡用的动力电池箱，整体重量大都在3 t左右，电池箱的整体高度约2 m。因此，固定式换电站不受重量和高度的限制，采用此种形式的换电装置比较合适；但是要将此装置应用到移动换电站，受限于重量和高度，难度还是非常大的［5］。

5 结语

随着新能源重卡销量的逐渐增加，在“双碳”政策下，各大主机厂都在积极布局新能源车辆和换电重卡的销售战略，目前市场上的换电重卡在新能源车型中占比将近一半。得益于换电重卡的快捷性，其市场占有率在未来会一直加大，对换电的需求也随之加大。

放眼于全国，各地都建立了换电站，换电站的厂商大多与国网达成合作。现有市面上，国家电投旗下的投资公司拥有70%的市场占有率，很多主机厂都是使用他们生产的电池包，因此换电站能换的车辆类型也很多。

目前换电市场属于新兴行业，市面上的换电站虽相对较多，但移动换电车却很少，全国只有零星的几台，东部地区基本没有。现阶段换电车目前的市场需求非常小，应用场景也不明朗，因此换电车的开发对公司的要求也相对较高。

目前换电行业基本上由国家电投公司主导，该公司有较好的资金实力，并且介入此行业较早，在核心技术、核心装置及核心标准方面处于绝对垄断地位。

综上分析，目前换电车行业对国家政策的依赖性比较高，前景不清晰，标准统一性较差，还存在较多的技术难点，进入该行业的技术人员及资金投入较大，短时间收益较小。目前进入该行业的公司较少，已经进入该行业的主要是一些国有大型企业，起着引导和规范该行业的作用。

参考文献：

[1]季恒宽，丁水汀，团国兴，等.移动换电或促电动汽车产业发展[J].中国科技财富，2010（21）：40-41.

[2]戴宝林.换电重卡电池运营市场发展分析[J].时代汽车，2024（1）：107-110.

[3]韦科举，张磊，李清，等.兼容多种AGV车型的自动换电系统[J].物流技术与应用，2020，25（8）：112-114.

[4]顾洪建，高越，戴淼.典型场景下重型载货车换电站运营经济性研究[J].汽车文摘，2024（1）：45-50.

[5]刘海波，李建祥，袁弘，等.电动汽车充换电设施信息互操作技术研究[J].电源技术，2016，40（12）：2449-2452.

作者简介：

侯超，男，1992年生，助理工程师，研究方向为专用汽车检测。