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新能源汽车换电形式简介与分析
2019-04-18 22:49:36· 来源：电车资源EV江湖 四川永贵
刘大仟,郭亮,李统刚,聂辉(四川永贵科技有限公司,绵阳 621000)摘要:换电模式为新能源汽车的重要能源供给模式,本文介绍了换电模式的国内外发展情,概述了换电模式的
刘大仟,郭亮,李统刚,聂辉
(四川永贵科技有限公司,绵阳 621000)
摘要:换电模式为新能源汽车的重要能源供给模式,本文介绍了换电模式的国内外发展情,概述了换电模式的各种实现形式,并对各种换电实现形式的优缺点进行了比较。文章最后分析总结了各种换电实现形式的特点,为后续换电模式的发展提供参考。
关键词:新能源汽车;换电模式;换电实现
Analysis and introduction on battery-swapping mode of
the new energy vehicle
Abstract:The battery-swapping mode is an important energy supply mode for the new energy vehicles,the domestic and international development of the battery-swapping mode are presented.Overviewed the various implementations of the battery-swapping mode,also compared the advantages and disadvantages of various forms of battery-swapping.Finally Analysis the characteristics of various forms of battery-swapping,providing reference for the subsequent development of battery-swapping modes.
Key words:new energy vehicle;battery-swapping mode;battery-swapping realization
0 引言
伴随汽车工业的极速发展,及全世界环保意识的增强,加之世界范围内石油危机的加剧,新能源汽车产业应运而生。电动汽车以其低噪音、高能效、无移动废料排放等优点,已跃居为我国新能源汽车产业中的战略性支持产业之一[1-2]。
电动汽车的能源供给是其产业运营链中的关键环节。现今,电动汽车能源供应模式可分为插充和换电两种,插充又可分为慢充和快充。与插充模式相比,换电模式具有充电速度快和可优化电池寿命等显著特点;但相应伴随有如换电站建站成本剧增,设备可靠性和电池一致性不易保证,以及不易整合协调各方利益等障碍。随着新能源汽车在出租车领域内使用的不断深化和换电网络的日趋完善,人们对换电模式的认可亦不断提高,这为换电模式在个人用车领域的使用提供了更大的可能性。换电模式将是新能源汽车领域近几年发展的主要力量[3],对换电模式的研究也需紧跟汽车工业发展的脚步。
1 换电模式发展情况
1.1 国外发展情况
在国外,丹麦、以色列、澳大利亚和加拿大等国率先推广使用换电模式,其中最具代表性的是总部设在美国加州的Better Place公司。该公司在首先与以色列政府合作,投资6亿美金在以色列建成了38个换电站和少量充电桩[4]。公司相继与丹麦、澳大利亚、加拿大、日本等国合作,大力推行旗下的换电网络服务项目。但在2013年5月,在巨额的建站成本和极低回报率的情况下,Better Place公司宣布破产,其相应的换电业务也宣告终止。
就在Better Place公司宣布破产不久,美国电动车制造商特斯拉总裁埃隆·马斯克就在其公司的设计室高调演示了其公司旗下的耗时仅 90 秒的换电技术。但其实早在发布会召开的4年前,特斯拉就在其下属的电动车型“Models”中设计了既支持插充也支持换电的模式[5]。特斯拉信心满满的展示旨在让人们重新审视电动汽车的换电技术。遗憾的是,由于产业链整合难度大、建站投入高但收益极微,特斯拉最终也宣告放弃了换电模式。
其后,世界各国均未放弃对换电技术的研究。目前国外新能源汽车市场上插充和换电模式均占据一定的市场,但插充仍是主流,换电模式还有相当长的一段路要走。
1.2 国内发展情况
国内新能源汽车从最初的插充模式到后来的换电模式,再到最终的充换电并举的格局,经历了“十一五”末期、“十二五”再到“十三五”初期这三个时间段的发展。虽然现如今国内新能源汽车的存量和增量均名列世界前茅,但仍存在诸如盈利模式不清、用户体验欠佳、电池成本较高等问题。目前国内新能源汽车中电动汽车的能源供给方式主要以充电桩充电模式为主,截至2017年底,国内充电桩的数量已达45万个,已基本完成国标的升级。与之相比,换电模式的发展缓和的多,主要应用于出租、公交等领域。
按车企地域分布来看,其一是以比亚迪为代表,其出产的新能源汽车主要以插充模式为主,分布于深圳、太原、西安等地。而以北汽新能源、力帆、海马为代表的车企所生产的新能源汽车部分采用换电模式,主要应用于北京、重庆、郑州和海口等地。北汽新能源在2017年发布了“擎天柱计划”,预计到2022年将在全国范围内投入100亿元人民币建造3000座分布式储换电站,累计投放换电车辆50万台,梯次储能电池利用超过5GWh(500万度电)[6]。
汲取了Better Place公司和美国特斯拉的经验教训,国内换电模式的发展稳中求胜。首先在出租车领域这个天然市场站稳脚跟,后向营运型车辆扩展,并逐步推向个人用车,为国家汽车工业实现“弯道超车”保驾护航[7]。
2 换电的实现形式
根据换电时接触和导向的方式,将换电实现形式分为对插式和端面式。
2.1 对插式换电
对插式换电即在换电时,由车身和电池上的插件导向孔和导向轴对插进行导向和定位,完成电池和车辆的连接。根据换电时,车身运行方向和电池行进方向的关系,将对插换电的形式分为垂直对插式和平行对插式。
2.1.1 垂直对插式换电
如图1所示,垂直对插式换电即车身运行方向和电池的行进方向相互垂直。该方式的实现过程为:首先汽车按FC方向行进至指定位置后,换电装置沿FB方向由下而上运行至车辆下方电池安装位置,将原车辆底盘上的电池取下,并换上新充好的电池。
图中,1:车身;2:电池安装位置;3:电池;4:换电机构
图1 垂直对插式换电示意
换电过程中,由插件的导向孔和导向轴进行定位可有效地保证安装精度,换电完成后通过螺钉固定电池。也有的新能源汽车生产厂商将电池安装位置设计在前舱或后备箱,车辆运行到对应位置后,电池由上而下进行对插。
2.1.2 平行对插式换电
如图2所示,平行对插式换电即车身运行方向和电池的行进方向平行。
图中,1:车身;2:电池安装位置;3:电池;4:换电机构
图2 平行对插式换电示意
该方式的实现过程为:首先车辆行进至指定位置后,换电机构从车辆后方向车辆方向行进,一般手动将原车辆电池取下,再由换电机构将已充好的电池安装上。
2.2 端面换电
端面换电的实现过程与对插式换电基本类似,电池仍安装在底盘,但换电时由插件接触面定位,而非通过导向的轴孔。
还有其他的换电实现形式,如康迪电动汽车采用的换电形式为手动,电池安装好后手动连接电池和车辆的插件。但该形式换电过程相对麻烦,效率较低,应用范围较窄。
3 换电形式分析
3.1 对插式换电分析
对插式换电主要靠电池和车身上插件的插针和插孔进行导向定位,对插件的制造精度要求较高。接触面为两个圆柱面,接触可靠性高。电池端插件固定,车身端插件浮动,便于对中和误差修正。
垂直对插式换电电池通常安装在车辆底盘,电池隐蔽性好,具有很高的安全性,不易被盗,并可在插件周围增加端面和径向密封,在换电导正后密封非常可靠。但垂直对插式换电由于需要导正,换电机构需要3个方向的自由度,换电机构相对复杂,成本较高。使用该种方式的汽车生产厂家主要有国内的蔚来汽车和美国的特斯拉汽车等。
平行对插式换电电池由后方插入,且电池以框架形式固定,电池安装稳固,电气连接可靠。但此种换电方式的电池通常安装在车辆的后备箱,电池的安全性低,容易被盗。电池的防护性依赖整车底盘的防护,密封性不易保证。由于需手动进行对正,操作工艺流程难以形成规范,换电时间较长。换电完成后,车辆在行驶过程中若突然加速,电池因惯性会对车身插件接合面产生一个与车辆行驶方向相反的作用力。由于电池本身的重量较大,此反作用力相应较大,对插针有拉力,插针有脱出的风险;同样,若车辆突然急停,电池由于惯性会对车身产生冲击力,对插件和车身均有危害。而垂直式换电由于插件接合面与车辆行驶方向垂直,车辆的加速和急停所产生的作用力不会对插件接合面有影响,不会使插针有脱出的隐患。采用平行对插式换电的汽车生产厂家主要为众泰汽车和力帆汽车等。
3.2 端面换电分析
端面换电方式主要靠电池和车身上插件的接合面接合进行对正,插件本身的制造精度较高,插件较复杂,成本较高,对换电机构却更方便。但接合面需要完全密封,接触和密封的可靠性难以保证。
与对插式换电相比,端面换电方式由于没有导向的轴孔,换电时行程较短,接合区域紧密,相应地车辆预留的换电位置和电池安装空间更小。采用该种换电方式的汽车生产厂家主要为北汽新能源。
垂直对插式换电和端面换电形式由于自动化程度高和操作方便,易于形成系列化等优点被广泛使用,且为以后换电模式的主要发展方向。
4 结语
本文首先介绍了新能源汽车采用换电模式的优势和换电的原理,并对国内外换电模式的发展和取得的成果进行了简要介绍。目前采用的换电模式主要为对插式和端面式,对各种换电实现形式的工作过程进行了详细描述。对各种换电实现形式的优势和存在的隐患进行了分析比较,确定垂直对插式换电和端面换电形式具有自动化程度高而被广泛使用并为后续发展的主要研究方向。
参考文献
[1]张文亮,武斌,李武峰,来小康.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨[J].电网技术,2009,33(04):1-5.
[2]滕耘,胡天军,卫振林.电动汽车充电电价定价分析[J].交通运输系统工程与信息,2008(03):126-130.
[3]林洪怡. 纯电动汽车换电模式的思考[N]. 新能源汽车报,2017-05-22(022).
[4]杜剑,谢东,吴涛,吴伯华,王法靖,张籍.国外电动汽车战略及充换电业务发展现状[J].华中电力,2012,25(01):96-102.
[5]李忠东.特斯拉推出置换电池的“换电模式”[J].轻型汽车技术,2013(09):38-39+54.
[6]胡立彪. 换电模式可以兴盛起来吗[N]. 中国质量报,2018-08-08(007).
[7]高赐威,吴茜.电动汽车换电模式研究综述[J].电网技术,2013,37(04):891-898.
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