電動汽車換電站的完善與發展

摘 要：目前，當電動汽車行駛一定里程，汽車內動力電池電量降低，進行電量補充分主要為充電和換電兩大類模式。相比較于充電模式，換電模式是直接采取對車內電池進行快速更換，能夠使電動汽車在相對較短的時間內得到電量補充。采用換電模式時，整個換電時間通常都在10分鐘以內，而常規充電模式，根據充電電流倍率不同分快充慢充，一般需要30分鐘至3小時不等。換電完成后，車輛可以繼續行駛，對于需要長途行駛或者持續性運營的車輛，換電模式相對來說會合適的多。

關鍵詞：電動汽車；換電站；發展

1 換電設備設計的變更和改善

1.1 兩步式電池更換系統（早期設計）

兩步式電池更換系統電池更換設備在換電車輛兩側各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1組、有軌巷道堆垛機1臺、機械手2臺、擺渡穿梭車2臺及控制柜系統1套。更換過程：有軌巷道堆垛機、機械手和擺渡穿梭車配合共同完成。其中，有軌巷道堆垛機和機械手各在電池架的一側，穿梭車在電池架下方。有軌巷道堆垛機負責從電池架上取放電池，機械手負責從車上取放電池，而擺渡穿梭車位于電池架的下方，作為在兩者之間傳遞電池的通道。三種設備互相配合，流水線操作，完成大巴車電池的更換。取放電池能力方面，堆垛機、機械手每次最多取放1箱電池，穿梭車上有2個電池位，用于堆垛機和機械手電池的交換。堆垛機、機械手都具有升降、沿軌道行走和取放電池三個方向動作，穿梭車只有沿軌道行走一個方向動作。

1.2 一步式自旋轉更換系統（中期設計）

一步式自旋轉更換系統電池更換設備也是在換電車輛兩側各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1組、自旋轉換電機器人1套。更換過程：自旋轉換電機器人可獨立完成整個換電過程。自旋轉換電機器人可依次從電池架上和車上取電池，每次最多可以取4箱，取完后，除底座外，整體在水平方向旋轉180°，然后依次把電池存入電池架上或裝入電動大巴車內。取放電池能力方面，自旋轉換電機器人每次最多可以同時取放4箱電池，而且車上取下后，還可以繼續從電池架上取，也就是說，換電機器人上最多可以同時有8箱電池。自旋轉機器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和水平方向旋轉四個方向動作。

1.3 一步式內旋轉更換系統（終期設計）

一步式內旋轉更換系統電池更換設備也是在換電車輛兩側各一套，對稱布置，每套設備包括：電池架1組、內旋轉換電機器人1套。更換過程：內旋轉換電機器人獨立完成整個換電過程。內旋轉換電機器人有兩個取放電池格位，每個格位都可以獨立旋轉。內旋轉機器人憑借這兩個格位的取放電池和旋轉，使電池得以從電池架和車輛之間更換。取放電池能力方面，內旋轉換電機器人每次最多可以取放2箱電池，即每次在車輛側或者電池架側，最多可以完成2箱電池的更換。內旋轉機器人具有升降、沿軌道行走、取放電池和電池格位水平方向旋轉四個方向動作。

2 三種設計方案技術經濟性比較

換電站主要目的是使電動汽車快速得到電能的補充，最關心的主要有幾個要素：整體換電時間、設備占地面積、設備造價等。以下從換電時間、設備占地面積、設備造價等三方面進行分析。

2.1換電效率

根據設計方案，經換電流程分析，以及換電設備行走、升降、取放電池速度等數據，進行測算可得出三種設計需要換電時間，具體見表1。

原因分析如下：兩步式方案，需要三種設備之間互相配合，且堆垛機和機械手每次在電池架側或者車輛側都只能取放1箱電池，雖然單箱電池換電時定位、取放速度都較快，但是整個換電過程步驟太多，流程復雜，按車輛單側電池有5箱（電動大巴車單側典型電池箱數）算，需要設備完成完整的5個往返取放流程才能完成換電過程。測算總時間需要近10分鐘；一步式自旋轉方案，設備單次最多可以取放4箱電池，按車輛單側電池有5箱算，設備也只要在電池架和車輛之間往返取放2個流程即可完成換電過程。但是該設備設計一次抓取多箱電池，定位過程慢，設備抓取電池前需要通過多個傳感器協調配合，完成精確定位調整，耗時較多。相比早期方案，換電流程減少很多，測算總體換電時間在8分鐘左右；一步式內旋轉方案，換電設備上有兩個電池取放格位，可獨立動作，單箱取放電池，但是單次在電池架側和車輛側都可以完成2箱電池的更換。按車輛單側電池有5箱算，完成換電過程換電設備需往返取放3個流程。但是其兩個換電格位相互獨立，定位過程簡單，取放速度快，單次測算時間僅需不到6分鐘。紅谷灘換電站目前已經完成建設，經現場實測，完成一次電動大巴車換電，平均時間僅為5分53秒。

2.2 設備占地面積

換電站一半選址位于城市交通樞紐附件或中心區域，因此換電設備的占地面積對換電站的選址及整體方案布置至關重要。另外，在土地成本日益高漲的今天，如果能減少換電設備的占地面積，能夠大大提高項目整體經濟性。

需要說明的是，一步式內旋轉方案雖然軌道需要17.61m，如果按此長度計算的話，占地面積為187m2。不過，長于集裝箱12.2m的部分占地設計可以同時作為檢修通道，檢修通道寬為3m，該區域其他方案設計也一樣需要，因而一步式內旋轉方案長度仍按12.2m算，占地面積為129.61m2。由上表可以看出，一步式內旋轉方案比早期兩步式方案節省用地約39%。

2.3 設備造價

換電設備中，分硬件成本和軟件成本。硬件中，造價最高的部件主要有進口的伺服電機、主控制器、變頻器等。其中變頻器和伺服電機一一對應，以下簡稱其為伺服電機系統。本文中，僅以伺服電機系統進行簡單分析。兩步式方案中，單套換電設備包含1臺堆垛機、2臺轉運車、2臺機械手組成，其中堆垛機可以三個方向運動，需要3套伺服電機系統，2臺轉運車一個方向運動，共需要2套伺服電機系統，2臺機械手也是三個方向運動，共需要6套伺服電機系統。因而，總計需要11套伺服電機系統。一步式自旋轉方案中，自旋轉、行走和升降各需要1套伺服電機系統，取放電池需要8套伺服電機系統，總計也需要11套伺服電機系統。一步式內旋轉方案中，行走和升降各需要1套伺服電機系統，取放電池和內旋轉各需要2套伺服電機系統，總計需要8套伺服電機系統。

僅從電機系統看，一步式內旋轉方案造價最低，加之其結構最簡單，所需的傳感器也最少，控制邏輯相對簡單，軟件和主控制器成本也更低。

2.4小結

以上從換電效率、占地面積及設備造價等方面綜合比較了兩步式、一步式自旋轉和一步式內旋轉三個方案，最終的一步式內旋轉方案在效率上比早期的兩步式方案提高了約40%，占地面積縮減了約39%，節省了設備一次性投資，運維成本上也有所降低。所以，紅谷灘換電站項目通過不斷探索和改進，最終取得了顯著的成績。

作者簡介：寇亮（1982-），男，江西，工程師，本科，研究方向：電氣工程自動化。