基于專利監控的吉利商用車換電技術情報

李健明 馮乾隆 郭少杰 季南

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：吉利汽車 商用車換電技術 專利

1 引言

近日，吉利汽車掌舵人李書福作為獨立發明人的專利被公開，其中9件圍繞商用運輸車換電技術展開如圖1。李書福作為吉利重要領導人以獨立發明人的形式在商用車換電領域進行系列專利布局，反映出商用車換電技術在吉利發展戰略中的重要地位，或成為吉利集團重點布局商用車換電領域的信號。

圖1李書福商用車換電專利附圖

2 乘用商用換電模式雙線布局

2.1 換電技術專利快速發展，乘用車換電模式已發布

吉利從2017年開始布局新能源汽車換電技術，并于2018年成立吉智新能源公司專攻新能源汽車換電模式領域。前期研發以乘用車換電技術與換電基礎技術為主，研發團隊規模超千人。在大量市場調研與研發測試的基礎上，吉利于2020年9月發布其采用底部換電的乘用車換電模式如圖2。

圖2 吉利乘用車換電模式已發布

2.2 應用場景拓展，重卡換電開始布局

自2020年下半年起，吉利基于前期換電技術的研發積累與在乘用車領域的實踐基礎，開始對商用車換電的技術探索，并積極進行專利布局，截止當前，已公開的商用車領域換電專利接近20件，布局速度較快（圖3）。

圖3 吉利換電技術專利增長趨勢

3 重卡換電領域產業參與者較少，市場潛力巨大

2020年4月份，財政部等四部委聯合發布《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》中明確指出鼓勵“車電分離”新型商業模式的發展，為換電模式的推廣與發展奠定了政策基礎。而重卡換電在專線運輸、支線短倒、港口內倒、干線運輸等場景下效率優勢與成本優勢明顯，能夠有效提升商用車輛的經濟效益，具有較大的市場前景與潛力。

相較于乘用車換電領域，重卡換電領域的產業參與者明顯減少。重卡換電領域當前主要的技術方案提供商為玖行能源，其與華菱星馬、北汽福田等整車企業展開合作，針對重卡換電進行推廣（圖4）。而乘用車領域呈現整車車企業與技術方案提供商多方推廣競爭格局，整車企業方面蔚來、北汽新能源等針對換電技術進行大量的技術研發與推廣。在換電技術方案方面，奧動新能源、博眾精工等企業均具有較大的技術儲備與較為成熟的解決方案。乘用車換電領域的市場競爭明顯高于重卡換電領域。

圖4 當前重卡換電領域主要行業參與者

4 吉利瞄準干線物流場景，設計混動式換電重卡架構

與當前主流重卡換電在港口、礦區等短途場景進行應用不同，本次李書福作為獨立發明人的專利將換電重卡應用場景聚焦到干線運輸領域，李書福根據長途運輸對于續航里程的需求提出混動式重卡換電方案，同時針對長途運輸中車輛的充能方案、換電站運營管理方法以及換電站的設計提出相應對策如圖5。

圖5 李書福重卡換電系列專利布局

4.1 混動式換電重卡架構，提升重卡續駛里程

針對新能源汽車運輸的里程焦慮問題，李書福在專利CN112060971A[1]提出混動換電式車輛框架（圖6）。該方案包括由增程器和驅動電機構成的增程式驅動系統，以及由快換電池與該驅動電機構成的換電式驅動系統，快換電池可在換電站快速拆卸并更換。由于換電式驅動系統和增程式驅動系統可快速切換并單獨作為主動力系統，因此，可根據使用場景和經濟性自由靈活地切換以增程器為動力來源的增程式驅動系統或以快換電池為動力來源的換電式驅動系統驅動車輛行駛。該架構實現了商用車根據不用的運行場景選擇合適的動力模式，滿足運輸行業的里程需求與經濟性需求。

圖6 混動式換電車輛架構[1]

4.2 換電重卡電池布置

在傳統的換電重卡架構中，電池快換通常采用頂部安裝模式，但由于重卡的快換電池體積與重量較大，會導致動力電池重心過高、安裝不可靠問題。

針對上述問題，李書福分別提出優化快換電池的結構形式降低動力電池重心與改變快換電池安裝位置降低動力電池重心2種技術方案。

4.2.1 優化快換電池結構方案

李書福在專利CN112477573A[2]中提出基于倒凹字型電池的頂部安裝方案如圖7。該方案中用于換電重卡的換電電池采用凹字形結構設計，通過鎖止裝置以馬鞍狀安裝在運載車輛的縱梁上。倒凹字型快換電池結構設計使得位于兩側的部分快換電池位于車輛縱梁以下，有效降低了快換電池的安裝高度，實現減低動力電池重心，提升快換電池的安裝穩定性。

4.2.2 更改快換電池安裝位置方案

圖7 馬鞍型換電電池結構設計[2]

針對快換電池頂部安裝導致的動力電池重心過高問題，李書福提出采用動力電池底部安裝模式進行解決。但商用車動力驅動系統通常設置于車輛駕駛室下方利用傳動軸進行動力傳輸，傳動軸的存在限制了車輛底部的快換電池布置空間，因此李書福在專利CN112477686A[3]中提出一種無中間傳動軸的換電式運載車輛如圖8。該方案將車輛動力驅動系統直接后移到接近后車橋位置，使驅動系統能夠直接驅動車橋，從而為快換電池的底部安裝提供空間，同時無傳動軸設計也使動力傳遞效率提升。

圖8 無中間傳動軸換電車輛實現電池底部布置[3]

4.3 換電裝置設計方案

快換電池頂部安裝式換電重卡通常采用機械抓取式換電機構進行快換電池的更換，由于重卡快換電池體積于重量均較大，頂部抓取式換電裝置存在容易掉落的問題，具有一定的安全隱患。針對上述問題，李書福在專利李書福在專利CN112622731A[4]中提出具有插臂結構和框架結構的電池快換裝置以及對應的換電站如圖9。當換電重卡行駛至換電站的指定位置時，快換裝置的框架結構位于快換電池側方，滑動設置在框架結構內的插臂插入快換電池底部，帶動快換電池橫向移動至框架結構中，實現快換電池的拆裝，同時由于快換電池被放置與框架結構中進行轉運，可以有效避免電池掉落風險。

圖9 插臂式換電裝置與換電站設計[4]

4.4 重卡換電充能與管理運營

4.4.1 驅動模式與充能方案的確定

李書福提出的換電重卡方案采用換電+增程式混動雙動力源模式，因此為更有效的發揮車輛雙動力源設計的優勢，李書福在專利CN112060970A中提出換電式混動重卡充能管理方案[5]如圖10。該方案基于用戶的出行距離選擇車輛的驅動模式，在短途行駛且途經換電站時采用換電式驅動系統，途中無換電站則使用增程式驅動系統；在長途行駛時，則確定車輛的總預行駛量，并根據車輛即時信息和車輛長途行駛沿途的換電站和燃料補充站分布信息，采用云端服務器遠程決策的方案為重卡確定最合適驅動模式與能源補充方案，并將確定的方案推送給車輛用戶。

圖10 換電重卡充能策略確定[5]

4.4.2 換電重卡長途干線運輸的運營方案

為了更好的支撐換電重卡進行長途干線物流運輸的運營工作，李書福在專利CN112550027A中提出建立云平臺進行運營管理[6]如圖11。該方案在長途干線途中間隔設置多個換電站，通過云平臺連接各個換電站與換電車輛。云平臺包括換電方案處理模塊、換電站管理模塊以及車輛交互模塊，能夠獲取各個換電站的分布信息、站內電池信息與服務信息，以及車輛的載重量、目的地、車輛電池狀態等信息。換電方案處理模塊根據上述信息為車輛確定換電方案，并將換電方案推送至對應車輛。同時云平臺中還具有推廣模塊，其對在換電站中進行換電的車輛進行識別，若該車輛用戶是并未在云平臺中注冊的自行前往換電站的用戶，則向該車輛推送云平臺的推廣信息，邀請車主進行注冊；若該車輛用戶已經注冊使用云平臺則向用戶推送換電站附屬經營的餐飲、維修、購物、娛樂等其他推廣消息。通過云平臺的設計有效的提升了換電站與換電車輛的運營效率，降低運輸成本。

圖11 商用車換電站運營[6]

5 結束語

在換電重卡動力模式方面，吉利換電重卡采用快換電池驅動與增程式混動驅動2種動力模式，該方案既可以有效降低石油燃料的消耗量降低運輸成本，又可以有效緩解純電動車輛的歷程焦慮問題，同時雙動力源模式能夠有效提升重卡車輛的運輸里程，有助于換電重卡在長途干線中展開運營活動，有效減少干線沿途的換電站建設數量，降低建站成本。在商用車長途運輸領域值得借鑒，具有一定的發展潛力。

在快換電池的布置方案方面，為降低換電重卡快換電池的重心高度，李書福提出利用倒凹字型電池的頂部安裝模式與驅動系統后移的底部安裝模式。雖然底部電池安裝模式能夠更加有效的降低快換電池的重心高度，但快換電池底部安裝時需要對換電重卡底盤結構進行較大的改動，技術實現難度較大；另一方面由于重卡的快換電池體積與重量均較大，采用底部換電模式在換電站建設方面同樣存在較大的實施難度。結合吉利在重卡換電裝置領域的專利均以頂部換電模式展開布局，因此預測吉利的換電重卡在具體實施時將采用頂部換電模式，利用倒凹字型電池結構降低重心高度。

結合吉利汽車在換電領域的專利申請趨勢，吉利汽車在換電領域的專利申請量明顯提升，顯示出吉利汽車對于換電技術重視程度的提升。同時在李書福作為獨立發明人的換電專利中，相關專利圍繞商用車換電技術從車輛的動力模式設計、換電電池的安裝、換電裝置的設計以及換電運營管理等方面進行了較為全面系統的專利布局，預示吉利將在已有的乘用車換電技術產業化應用的基礎上，積極的探索商用車換電技術并域進行相應的產業化布局。