關于電動兩輪車換電模式的研究

吳興強 ， 高 鵬 ， 張 晨

（長安大學，陜西 西安 710064）

0 前言

“換電”最早是為解決電動汽車充電時間過長提出的新興技術，電動汽車換電模式是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統一配送，并在電池配送站內對電動汽車進行電池更換服務或者集電池的充電、物流調配以及換電服務于一體[1]。電動汽車用戶可以在任意換電站內將沒能量的動力電池快速地更換為滿能量的動力電池，從而解決充電時間較長的問題。

電動兩輪車和電動汽車都以車載電源為動力，具有很多相似之處，例如電動兩輪車也有充電耗時長、行駛里程短、電池更換成本高等問題，然而很少有學者對電動兩輪車進行換電方面的研究。據統計2020年國內電動兩輪車銷量大幅度增長[2]，所以對電動兩輪車進行換電模式研究有很大意義。本文在以電動汽車換電模式作為參考，研究電動兩輪車的換電模式，首先分析電動兩輪車換電模式的科學性，然后對電動兩輪車電池進行模塊化設計[3]，在此基礎上進行換電模式研究，最后得出結論。

1 模塊化設計中的科學性問題分析

目前市場上電動兩輪車大多數使用鉛酸蓄電池，而且95%的電動兩輪車使用36V或48V電池進行供電，統計市場上各大電池生產廠家單體電池的外形尺寸和重量，得表1數據。

表1 單體電池外形尺寸及重量

根據統計發現不同廠家同型號單體電池的外形尺寸十分相似，而且重量都不大，為設計電池模塊提供了良好的前提條件。

2 電池模塊化設計

2.1 模塊化設計原則

1）在模塊層面上要保證可以相互代換，即模塊的均衡性原則。

2）電池模塊尺寸不宜太大，其重量也不宜太重，人工容易搬動原則。

2.2 電池模塊結構設計

根據上述原則，本文選取兩個12V12AH單體電池為研究對象，在此基礎上進行模塊化設計。如圖1和圖2所示，電池模塊結構包括電池模塊上箱體、把手和兩個鉛酸蓄電池等部件，其線路連接如圖3所示，兩個鉛酸蓄電池串聯組成電池組，圖中的數字代表相應的部件。

根據圖1和圖2所示，正極接電柱和負極接電柱具有放電和充電功能，且正極接電孔和負極接電孔的孔徑與正極接電柱和負極接電柱的直徑大小相等，如果將正極接電柱和負極接電柱對應插入負極接電孔和正極接電孔，下面電池模塊的開關按鈕會因為受到上面電池模塊的壓力而斷開連接，結合圖3所示，便將四個鉛酸蓄電池串聯起來，從而滿足電動兩輪車對電壓的要求。

圖1 電池模塊內部結構示意圖

圖2 電池模塊外部結構示意圖

圖3 電池模塊線路連接示意圖

對電池進行模塊化設計，不僅便于生產和使用，還有助于促進單體電池在外形尺寸上標準化，從而降低電池制造成本。

3 電動兩輪車換電模式

參考電動汽車換電模式，電動二輪車換電模式也可采用電池租賃方式[4]，降低用戶的初始購車費用，因為電池模塊重量不大，而且電動二輪車相比于電動汽車對電池安全性能要求較低，使用人工方式就可完成更換電池模塊。當電動兩輪車電池需要補充能量時，用戶可自行在附近的換電站內完成更換電池模塊工作，大大縮短能源補給時間，從而提高電動二輪車利用率。該模式對電池進行集中充電管理不僅有利于延長電池壽命，還可避免大規模電動二輪車隨機充電對電網運行帶來的不利影響。

4 結語

本次研究基于統計市場上主流電池單體的相關數據，設計一種便于快速更換的電池模塊，在此基礎上對電動兩輪車進行換電模式研究，并得到以下結論。

1）不同廠家同型號的電池單體的外形尺寸大小近似相同，重量也不大，為設計電池模塊提供了良好的前提條件。

2）對電池進行模塊化設計，在模塊層面上要保證可以相互代換，便于生產和使用。

3）換電模式大大縮短能源補給時間，而且電池租賃方式降低用戶的初始購車費用，有助于促進電動兩輪車行業發展。