電動汽車換電模式與動力電池標準化設計研究＊

鮑瑩，覃俊樺，黃祖朋，鄧海文，趙小羽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

引言

在能源轉型的時代背景下，發展新能源汽車特別是純電動汽車是整個汽車行業的發展趨勢[1]。電動汽車補充能源主要有兩種模式：充電模式和換電模式。換電模式因其用時少、幾乎可以同燃油車加油一樣便捷，因此具有很大的發展前景。換電電池的標準化設計，使不同汽車生產企業、不同車型的新能源汽車都能夠共用同一型號的動力電池包，則動力電池就能夠得到最大化的利用，從而有效地降低換電成本，降低換電建設的門檻。

1 電動汽車常用換電模式

1.1 底盤換電

新能源汽車底盤換電模式是指將電池安裝在汽車底盤位置，換電作業時汽車需準確停在指定范圍，由換電平臺的舉升機將底盤上的電池拆卸和安裝。由于不同車企和不同車型的底盤差異很大，對汽車底盤進行標準化設計的可能性微乎其微，因此底盤換電模式只能對汽車底盤結構或動力電池結構進行改制，標準化設計比較困難。但是底盤換電也有一定好處，那就是可以將電池布置在保護殼內，安全系數較高。目前底盤換電主要以北汽新能源汽車為代表，應用在出租車上。

1.2 分箱換電

新能源汽車分箱換電模式是指將電池小塊化、模塊化、根據車型不同對電池進行組合，電池可以安裝在發動機艙底或后排座位下，換電時需要工作人員操作機械臂分別對電池組進行拆卸和安裝。分箱換電不改變汽車底盤結構，易實現標準化。

分箱換電的企業目前以力帆電動汽車為代表，主要用在分時租賃汽車上。

2 電動汽車換電站設計

未來換電站的發展不可能局限于服務單一車型，而是多車型共同使用。應用于多車型的換電站，至少包含以下五個模塊：定位系統、換電系統、運維系統、安全系統和物流系統。具體構成如圖1。

圖1 多車型換電站設備組成

換電系統作為換電站的核心系統，由換電平臺、碼垛機、升降機構、鎖止機構、連接器等組成。其中，換電平臺和升降機構等的設計就與電池密切相關，電池標準化設計可以使換電平臺在設計時也做到標準化，從而兼容各種車型換電。

定位系統由車輛識別、定位平臺、信號處理裝置等組成。定位系統能夠識別不同車型及車載電池信息，通過信號處理后下達指令引導車輛進入指定換電區域開始換電。

物流系統由車輛管理和運輸機組成，負責對站內電池進行補充、清理。通過物流系統，可以將換電站與站外企業聯系起來，實現電池梯次利用。

安全系統負責換電站的安全管理，包括視頻監控、電池預警處置、消防安全檢測等各類安全監控。安全系統對站內各類設施、操作實時監控，為換電系統安全、可靠、有效運行提供堅實的基礎。

運維系統負責充電管理、移動救援等工作，能夠分析站內電池的情況自動進行充電，同時接收站外車輛換電需求，提供移動救援的服務。運維系統部分的充電管理、安全系統的電池檢測、物流系統的運輸等結構的設計與使用，都與電池互相影響，互相作用。

3 電池標準化

3.1 電池標準化現狀

目前國內外主流汽車生產企業都推出了新能源汽車，各車企的發展理念、設計理念相差巨大，導致新能源汽車的電池成分、接口、安放位置、規格、通訊協議等無法統一。這給新能源汽車的管理和發展增加的阻力，也給換電模式的發展增加了難度。

換電模式下電池的標準化是目前值得探索和改進的方向。電池的標準化設計可以參照國家對小轎車不同輪距與軸距尺寸范圍而劃分的四種型號標準（表1），換電站可以依照四種車型的底盤尺寸制定相應標準電池箱，滿足大部分電池需求[2]。

表1 電池箱分類

3.2 標準化電池的作用

3.2.1 降低成本

毫無疑問，統一標準化的電池，在生產、運輸、使用、維修、更換、梯次利用、報廢的全生命周期各環節都可以降低電池成本。同時，換電站與電池相關的各環節也能降低設計和使用成本。

3.2.2 降低換電門檻

電池標準化后，換電站的設計只需要考慮標準化的電池，不需要為繁雜不通用的各型號電池設計相應的系統。簡化換電系統，可以降低新能源汽車行業換電的門檻，推動換電模式的發展。

3.2.3 降低管理難度和安全風險

換電站必然會存放大量電池，電池連接智能電網進行統一管理，可以對電力資源進行優化。比如合理利用電力波谷時充電、進行小倍率充電，可以大大提升電池的循環次數和使用壽命，降低運營成本，從而降低管理難度和安全風險[3]。

4 電池標準化難點

推行換電模式，電池標準化是必然趨勢。但以目前的發展狀況來看，電池標準化還有一定難度，具體表現如下。

4.1 行業不夠成熟

目前國內電池行業不夠成熟，不同企業在電池選材、設計、連接等方面不能達成共識,無法形成統一的標準。同時，車企對于新能源汽車的理解、設計理念也有很大區別，沒有達成統一目標。

4.2 缺少國家標準引導

因國內換電站發展還未形成一定規模，國家也并未給出統一的標準規范來引導市場和行業發展。各企業都在獨自探索著換電模式的運行，沒有足夠的能力來主導整個行業的電池標準化難題。

4.3 重大難題還未解決

電池行業發展至今，電池能量密度或者說新能源汽車的續航問題一直都是行業的痛點，且在短時間內難以解決[4]。在續航問題還未解決的條件下，行業一般都以“電池服從底盤”的思路來開發電池，換電電池的標準化問題只能延后考慮。

5 結語

在能源轉型的時代背景下，換電模式自動化、高效化、便捷化是推動新能源汽車普及的有效途徑[5]。推動電池的標準化，是發展換電模式至關重要的一部分。誠然，在當前的社會、行業條件下，換電電池的標準化還有很高的難度，沒有成熟的行業提供基礎，缺乏國際標準作為引導，電池關鍵技術難題尚未解決等。但隨著新能源汽車的不斷發展，換電站的普及一定會提上日程，屆時標準化電池的必要性也會日益突出。探索標準化電池，必將大力推動換電模式的發展。