換電式專用運輸車輛技術應用分析

湯國龍 彭永興

摘要：本文主要從應用場景、車輛總體布置特點、車載換電系統的主要結構、車輛的安全及防護等方面闡述了換電式專用運輸車輛的總體特性，同時講述了換電系統及頂部吊裝式換電站的解決方案。

關鍵詞：專用運輸車輛;換電系統;電池

中圖分類號：U469.72

收稿日期：2021-11-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.007

1前言

純電動專用工程車輛由于自身需要大功率用電，需攜帶較大電量的電池系統。電池自重及體積已嚴重影響整車的布置空間及運營效率，隨著電池能量密度提升，可布置電池電量雖有所增加，司機仍普遍擔心電量不足造成車輛拋錨。純電動汽車目前主要存在的問題包括：充電緩慢、里程焦慮、運營低效、裝載限制、價格高額、電池衰減等。

純電動專用汽車當前存在的痛點短期內無法得到徹底解決，換電模式將是未來純電動專用車的發展趨勢。政府在《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》中指出：將加快充換電基礎設施建設，形成慢充為主、應急快充為輔的充電網絡，鼓勵開展換電模式應用。受益于當前政策的支持，各種能解決一整套“換電”模式的企業迅速成立，并不斷探索各類車輛的換電模式，有效解決純電動專用汽車使用中的痛點。

2換電式專用運輸車型及應用場景

換電式專用運輸車型的應用場景，具備運輸距離短、頻次高、重復性強、點線放射式等特點，以便于布置換電站，進行短途多頻次運營。主要應用場景包括礦區運輸、公鐵聯運、城市渣土倒運、混凝土專線運輸、港口轉運、鋼鋁廠倒運的場內短倒運輸等，相關的換電式車輛包括自御車、混凝土攪拌車、牽引車等，如圖1所示。

3換電式專用車輛總體布置

3.1整車主要結構

本文主要以換電式混凝土攪拌運輸車為例進行車輛結構解析（圖2），其整車結構主要包括搭載電動化專用駕駛室的底盤、承載動力電池的換電系統、用于裝載混凝土的攪拌筒、驅動攪拌筒旋轉的電機驅動系統、用于固定攪拌筒的前、后臺裝置、用于清洗攪拌筒裝卸料殘留物的上裝清洗系統。其中換電系統是換電式攪拌車區別于其他類型攪拌車的主要特征。由于換電系統經常在不同車輛間更換，在進行整車布置時，需要將車載換電系統與整車其他部件間留一定的間隙，當抓取機構對換電系統進行換電作業時，避免碰撞和損壞其他部件。

3.2車載換電系統結構

車載換電系統是換電式專用汽車的核心部件。要滿足結構作為動力電池系統的載體，具有對電池系統充放電過程的熱管理功能，可快速更換的結構功能，具備可充電的功能，并且具有高可靠性。同時，由于電池內置于換電系統上部的電池框內，其電池框需為一個整體，否則在更換電池上框時會造成一定的困難。通常換電電池系統被布置在車輛駕駛室后端，俗稱“后背式”布置結構。

3.2.1車載換電系統上框

車載換電系統主要分為換電上框及換電底座（圖3）。換電上框作為承載電池系統的載體，必須具備足夠的強度，主要由方鋼等型材拼焊而成。當前換電電池系統普遍采用282kWh電量，一般由4個H型或8個C型電池包組成，電池系統自重達1.7t。電池高壓分線盒、電池控制系統BMS、電池熱管理系統被置于換電上框內部。換電上框根據單體電池包數量確定層數，對于H型電池包，每一個電池包占據1層空間;高壓盒、BMS、熱管理系統組件等通常被布置在同一層，以盡可能壓低整個換電上框的高度，滿足整車限高要求。當車載電池電量低需要更換時，通過特制的吊裝工具，將整個換電上框吊裝更換。

3.2.2車載換電系統底座

換電底座是承載和固定換電上框的載體，既要滿足一定的結構強度，又要滿足能夠使換電上框快速緊固及解鎖的結構，并且具有與換電上框輸出的線束插件對接的功能。換電底座技術當前主要分氣動和電控兩類，本文主要介紹氣動控制結構。如圖4所示，換電底座上固定有數個氣缸鎖止機構，通過車載氣源及電磁閥控制器控制氣缸伸縮，氣缸活塞伸出端與換電上框中預埋的孔位配合，實現換電上框在垂直方向的鎖止。換電上框在垂直方向有固定的銷軸，與換電底座上的定位孔進行配合，達到換電上框在水平方向的鎖止。為了滿足換電上框與換電底座在對接時的定位，換電底座上設置數個導向塊，一定程度上提高了兩者的使用壽命。換電底座與換電上框上都設置有快換連接器，連接器上固定有線束接插件，其中換電底座上的連接器具有浮動功能，一定程度上提高了線束接插件對接成功率及使用壽命。

4換電解決方案

換電式專用運輸車輛，根據其產品定義及應用場景，當車載電池系統需要補能時，需要有專用的設備進行電池更換，這就需要一整套的換電設備解決方案。當前對車載換電系統更換電池的解決方案主要有兩個研究方向：

A.從頂部對電池框進行吊裝，采用掛載在桁車上的吊具從電池框頂部進行吊裝更換;b.從側面對電池框進行抓取，類似叉車結構的機械臂，對電池框固定部件抓取更換。本文主要從頂部吊裝方案進行分析，如圖5所示。

4.1頂部吊裝換電解決方案

因車輛要在換電站進行電池更換，進而達到補能目的，換電站首先要解決給空電池進行充電的功能。以一個滿足30輛車日常運營的換電站為例，站內一般需要配備5～10塊備用電池及充電底座。當車載空電池更換掉后，將空電池置于站內的充電底座上進行補能。這些站內配備的充電底座需保持與車載換電上框接口匹配，標準統一。換電站充電系統如圖6所示。

頂部吊裝換電解決方案是換電站的核心技術。對需要更換電池的車輛，首先在專用APP上可以查找換電站的位置及當前站內的電池電量信息及車輛排隊等候情況。車輛到達換電站后，通過激光引導駛入指定的位置。開啟一鍵換電功能后，吊裝系統會自動修復停車誤差，待換電底座解鎖后，智能控制系統控制桁車用吊具抓取車載換電上框，將其置于站內的空充電座上。隨后選取一塊滿電電池并將其吊裝至所需更換的車輛上方，激光定位準確后，降落至車載換電底座上，底座鎖止機構工作并自動鎖緊。車輛自檢無誤后，駛離換電站。整個換電過程全自動完成，無需人為操作，大約用時5min，換電效率可滿足工程車輛日常運營需求。頂部吊裝換電系統如圖7所示。

4.2換電系統的可靠性

換電站采用高強度鋁合金外殼，耐腐蝕耐鹽霧，有效使用壽命超過20年。外觀殼體采用弧形外觀設計，有效減少風阻，最高抗風等級達到14級。全站密封設計，有效防塵，可有效延長設備使用壽命。另外獨特的整站熱管理設計，充分利用充電機排除熱量對整站電池保溫，有效節能，同時可提高電池系統在低溫地區的使用壽命。

車載換電系統經過嚴格的CAE仿真分析及臺架振動測試，均滿足結構強度要求，換電連接器經過1000次的插拔耐久測試，連接器可滿足5年以上的使用壽命。經過試驗場工況10000km里程的強化測試，換電系統在整車搭載后沒有出現結構損壞、功能喪失等狀況。換電式整車已完全可以滿足現階段工程車輛的使用需求。整車仿真及可靠性路試如圖8所示。

4.3換電車輛的安全及防護

換電式專用汽車與充電式汽車有相同的工作原理。因電池系統有數百伏的電壓，為保證人員與用電部件的安全，在每個高壓部件上均設置有維修開關MSD，并配備獨立的搭鐵線連接在車身上。高壓部件的外殼與車身進行了等電位均衡設計（圖9），保證了觸電電流流過車身而非人體。車輛在設計時采用高低壓隔離，保證低壓系統不受高壓系統影響。控制器等部件自帶的高壓絕緣電阻達到MΩ級別，確保人員不會因間接接觸用電部件而觸電。

全部用電部件具有高壓互鎖功能，互鎖由VCU、MCU、動力電池、四合一控制器等組成，高壓部件斷開時，不具有高壓電，確保設備和人員的安全。

對于電池系統等高壓部件，車輛設置有相關的防塵板進行遮擋，避免粉塵和雨水對線束接插件侵蝕。獨立的電池包的防塵防水等級達到IP68，線束接插件防塵防水等級達到IP67，車輛可在雨雪等惡劣天氣正常使用。

5結語

對于一些特殊的應用場景，因補能快捷、運營高效等優點，換電式專用工程車輛得以迅速發展。各大車輛生產企業近年來紛紛推出自己的換電式產品，對應的換電站布局已經在全國范圍內開展。隨著換電技術的發展和進步，各類換電站將會實現資源整合，滿足不同廠家車型的換電系統互換的需求。屆時換電式工程車輛發展將會更加規范，在純電動汽車領域所占比重將越來越大。參考文獻：

[1]林程.電動汽車工程手冊.M.北京：機械工業出版社，2019.

[2]GB1589-2016汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值[S]

作者簡介：

湯國龍，男，1989年生，工程師，研究方向為新能源專用車輛相關產品的研發。