電動(dòng)汽車換電站的設(shè)計(jì)

□ 葉明瑞 □ 孫福祿 □ 辛慶鋒 □ 姜軍平 □ 盛春龍 □ 王亞星

浙江吉智新能源汽車科技有限公司 杭州 311228

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前,石化能源緊缺,環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。電動(dòng)汽車作為一種綠色交通工具,對(duì)減少碳排放、減輕環(huán)境污染、緩解能源危機(jī)具有不言而喻的作用。電動(dòng)汽車以零排放、低噪聲、能量轉(zhuǎn)換效率高、能源來(lái)源廣泛、使用經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn),迎來(lái)發(fā)展契機(jī)[1-2]。配合碳中和的戰(zhàn)略,國(guó)家加大了對(duì)電動(dòng)汽車的扶持政策,各大主機(jī)廠也全面進(jìn)行電動(dòng)汽車的研發(fā)。

隨著電動(dòng)汽車研發(fā)投入的增加,續(xù)航里程數(shù)成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。不少主機(jī)廠將續(xù)航里程數(shù)作為電動(dòng)汽車的主要指標(biāo),國(guó)家政策的補(bǔ)貼額度與電動(dòng)汽車的續(xù)航里程數(shù)、電池組能量也具有強(qiáng)相關(guān)。實(shí)際情況是,電池能源技術(shù)的發(fā)展并未跟時(shí)電動(dòng)汽車的發(fā)展腳步,最終只能在車輛設(shè)計(jì)時(shí)不斷增加電池組,來(lái)達(dá)到長(zhǎng)續(xù)航里程的要求[3-4]。

增加電池組,會(huì)使成本升高、整車質(zhì)量增大、整車舒適性降低,嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn)感受。另一方面,電池組不斷增加還會(huì)大大提高車輛燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。可見,無(wú)論基于安全角度還是用戶體驗(yàn)角度,增加電池組都存在很大的弊端。

面對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展中存在的問(wèn)題,換電電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)單而言,換電電動(dòng)汽車保留了傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的充電功能,同時(shí)可以隨時(shí)將電量不足的電池更換為電量充足的電池,這是一大創(chuàng)新點(diǎn)。采用換電模式,可以降低客戶的用車成本,增加用車時(shí)間,具有更高的經(jīng)濟(jì)性和便捷性,對(duì)公交電動(dòng)汽車、出租電動(dòng)汽車、網(wǎng)約電動(dòng)汽車而言,都有極大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

換電電動(dòng)汽車的使用離不開換電站,換電站是能夠提供更換電池以達(dá)到補(bǔ)充電能效果的設(shè)備或場(chǎng)所。采用換電方式進(jìn)行電量補(bǔ)充,用戶只需要開著電動(dòng)汽車去換電站,將缺電量的電池卸下,更換為滿電量的電池裝上即可。換電站會(huì)對(duì)用戶換下的缺電量電池進(jìn)行充電,充滿后可以更換到其它需要更換電池的電動(dòng)汽車上[6]。

隨著換電電動(dòng)汽車市場(chǎng)供應(yīng)量的增大,換電站的建設(shè)成為需要解決的問(wèn)題。

換電站占地面積小,兩個(gè)小型集裝箱的占地面積即可容納換電站。同時(shí),換電站具備電池正常充電和快速充電的能力,有充好電量的備用電池,可以在短時(shí)間內(nèi)完成換電工作。

筆者設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車換電站,簡(jiǎn)介換電站的組成,重點(diǎn)介紹換電站設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù),以及換電站內(nèi)部的車輪定位機(jī)構(gòu)、車輛舉升機(jī)構(gòu)、加解鎖機(jī)構(gòu)。

2 換電電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)

換電電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車相比,具有多方面優(yōu)勢(shì)。

(1)兼顧換電與充電。換電電動(dòng)汽車除了可以換電池外,還同時(shí)具有傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的充電功能,使用靈活。

(2)購(gòu)車成本低。購(gòu)買換電電動(dòng)汽車時(shí),可以僅購(gòu)買裸車,不包含電池,電池進(jìn)行租賃使用,購(gòu)車門檻較低[7]。

(3)充電成本低。換電站可以在用電低谷時(shí)給電池充電,避免負(fù)荷高峰期充電,有利于平衡電網(wǎng)負(fù)荷,優(yōu)化電力資源配置,提高能量利用率[7]。

(4)時(shí)間成本低。充電電動(dòng)汽車換電效率高,僅1～2 min即可完成電池更換,傳統(tǒng)電動(dòng)汽車即使快充,也需要30～60 min。

(5)使用靈活。用戶日常上下班可以租用短續(xù)航里程的電池,出遠(yuǎn)門或周邊游可以租用長(zhǎng)續(xù)航里程的電池。換電電池可日租,也可長(zhǎng)期租用,靈活方便。

(6)電池壽命長(zhǎng)。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車電池電量衰減至80%以后就需要更換新電池。采用換電模式,電池電量衰減至70%或者更低也可以使用,用戶可以根據(jù)自己的行駛里程選擇電池[8]。

(7)電池安全性高。在換電站中,換電電池通過(guò)恒溫充電、恒溫存儲(chǔ)等方式消減外界高低溫給電池帶來(lái)的不利影響,統(tǒng)一存儲(chǔ),統(tǒng)一管理,保證電池的安全性[9]。

(8)使用范圍廣。在偏遠(yuǎn)山區(qū),由于條件限制無(wú)法建立充電樁,換電站建設(shè)方便。

3 面臨的問(wèn)題

目前電動(dòng)汽車換電站還處于初期發(fā)展階段,而換電電動(dòng)汽車的發(fā)展離不開換電站布局,因此,未來(lái)兩者之間的匹配會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期面臨的問(wèn)題[7-10]。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)主機(jī)廠一汽、蔚來(lái)、吉智新能源等在開發(fā)自有品牌換電電動(dòng)汽車的同時(shí),正注重?fù)Q電站的建設(shè)。

換電站需要解決的問(wèn)題有三方面。

(1)加油站、充電站、換電站等汽車能源補(bǔ)充形式的規(guī)劃,建議由政府主導(dǎo)統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃。

(2)技術(shù)問(wèn)題。包括車輛定位、舉升、解鎖,以及換電站的密封、防水、防塵等,都有一些比較關(guān)鍵的技術(shù)難關(guān)需要突破。

(3)聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題。需要進(jìn)行車、網(wǎng)、充電樁、換電站互聯(lián),方便用戶查找或預(yù)訂。

4 換電站組成

電動(dòng)汽車換電站整體外貌如圖1所示,包含的主要系統(tǒng)有充電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、換電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等[6]。其中,換電系統(tǒng)主要包含換電平臺(tái)、車輪定位機(jī)構(gòu)、車輛舉升機(jī)構(gòu)、加解鎖機(jī)構(gòu)、碼垛機(jī)、電池倉(cāng)、緩存系統(tǒng)、集裝箱、消防沙箱、遠(yuǎn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)等,控制系統(tǒng)主要包含云平臺(tái)通信設(shè)備、人機(jī)交互界面、監(jiān)控及管理全站、控制管理間隔層設(shè)備。

5 設(shè)計(jì)參數(shù)

5.1 電池包尺寸

換電站在設(shè)計(jì)換電平臺(tái)、車輪定位機(jī)構(gòu)、車輛舉升機(jī)構(gòu)時(shí),電池包的尺寸有決定性的意義。在同一主機(jī)廠內(nèi),電池包的尺寸是統(tǒng)一的。目前市場(chǎng)上主流電動(dòng)汽車車型的電池包尺寸分布如圖2所示。經(jīng)對(duì)比分析,吉智新能源標(biāo)準(zhǔn)電池包尺寸設(shè)定為1 700 mm×1 360 mm×160 mm,如圖3所示。

▲圖1 電動(dòng)汽車換電站

▲圖2 主流電動(dòng)汽車車型電池包尺寸分布

▲圖3 吉智新能源標(biāo)準(zhǔn)電池包

5.2 換電站空間與換電平臺(tái)尺寸

換電站的整體面積不大,物盡其用是換電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。筆者通過(guò)幾款電動(dòng)汽車車型與換電站、換電平臺(tái)的匹配研究,得出換電站、換電平臺(tái)尺寸與電動(dòng)汽車車型尺寸關(guān)系,如圖4、表1所示。

表1 換電站、換電平臺(tái)與電動(dòng)汽車尺寸關(guān)系

換電站的設(shè)計(jì)除幾何尺寸外,承載能力是重點(diǎn),車輛舉升電機(jī)載荷及浮動(dòng)平臺(tái)舉升載荷均應(yīng)大于車輛滿載質(zhì)量。

▲圖4 換電站、換電平臺(tái)尺寸與電動(dòng)汽車尺寸關(guān)系

6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車進(jìn)入換電站后,首先進(jìn)行車輛定位、固定。然后通過(guò)浮動(dòng)平臺(tái)舉升車輛,進(jìn)行換電。換電完成后,通過(guò)舉升平臺(tái)使車輛下降至原位,電動(dòng)汽車駛出換電站。

6.1 車輪定位機(jī)構(gòu)

車輪定位機(jī)構(gòu)用于在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將車輛定位在指定位置,使車輛進(jìn)行高精度換電。車輪定位機(jī)構(gòu)包含抬車機(jī)構(gòu)、上車斜坡、下車斜坡、前輪歸中機(jī)構(gòu)、后輪歸中機(jī)構(gòu),如圖5所示。前輪歸中機(jī)構(gòu)如圖6所示。

車輪定位機(jī)構(gòu)包含X向定位和Y向定位,X向、Y向、Z向依次為車輛的前后、左右、上下方向。車輪定位機(jī)構(gòu)使用時(shí),駕駛員駕駛車輛行至換電平臺(tái)入口處。換電平臺(tái)掃描車輛車牌,獲取車輛信息。換電平臺(tái)根據(jù)車輛信息,移動(dòng)V形槽。駕駛員按指定方向行駛車輛至前輪輪胎停在V形槽內(nèi)。X向、Y向定位機(jī)構(gòu)以相同速率移動(dòng),與前后輪胎接觸,對(duì)輪胎施加一個(gè)橫向矯正力,使車輛實(shí)現(xiàn)X向、Y向?qū)χ小?/p>

▲圖5 車輛定位機(jī)構(gòu)

▲圖6 前輪歸中機(jī)構(gòu)

6.2 車輛舉升機(jī)構(gòu)

車輛舉升機(jī)構(gòu)用于在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將車輛校平并舉升到指定高度,確保車輛可以進(jìn)行高精度換電。

車輛駛?cè)隫形槽,確認(rèn)換電后,進(jìn)行Y向定位與Z向舉升,四個(gè)舉升托臂由四個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)同時(shí)工作,進(jìn)行舉升。Z向定位與Y向定位同時(shí)工作,在Y向定位完成之前,Z向舉升塊不能與車輛接觸。舉升塊逐漸上升,與車輛舉升點(diǎn)接觸后,車輛逐漸抬高,直到舉升高度滿足設(shè)計(jì)條件。車輛舉升至設(shè)定高度后,舉升停止,進(jìn)行換電步驟。換電步驟完成后,電機(jī)反轉(zhuǎn),舉升機(jī)構(gòu)復(fù)位,車輛落地,恢復(fù)初始狀態(tài),舉升機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)如圖7所示,舉升機(jī)構(gòu)與浮動(dòng)平臺(tái)如圖8所示。

▲圖7 舉升機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)

▲圖8 舉升機(jī)構(gòu)與浮動(dòng)平臺(tái)

6.3 加解鎖機(jī)構(gòu)

加解鎖機(jī)構(gòu)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互控制,解鎖升降車輛欠電電池、升降加鎖滿電電池到車輛,完成車輛的電池更換與加解鎖功能。加解鎖機(jī)構(gòu)主要依托浮動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能。浮動(dòng)平臺(tái)包含一層平臺(tái)、二層平臺(tái)、三層平臺(tái)、支撐塊、傳感器、定位銷、解鎖套筒、解鎖電機(jī)等部件,如圖9所示。

▲圖9 浮動(dòng)平臺(tái)

一層平臺(tái)是整個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)的支撐受力層,剛性鏈條和浮動(dòng)鏈條均固定在一層平臺(tái)上。一層平臺(tái)有剪刀叉平衡結(jié)構(gòu),承受整個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)和車輛電池的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)整個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)的升降功能。二層平臺(tái)是車輛電池的承載和浮動(dòng)層,由六個(gè)支撐塊承重。二層平臺(tái)通過(guò)浮動(dòng)鏈條懸掛在一層平臺(tái)下,實(shí)現(xiàn)二層平臺(tái)、三層平臺(tái)的浮動(dòng)功能。三層平臺(tái)是解鎖套筒和定位銷的固定伸縮層, 由氣缸完成升降,直線軸承輔助平衡,實(shí)現(xiàn)與二層平臺(tái)的同步浮動(dòng)及伸縮。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了換電站發(fā)展的必要性,分析了電動(dòng)汽車換電的優(yōu)勢(shì)及目前存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車換電站,簡(jiǎn)介換電站的組成,重點(diǎn)介紹換電平臺(tái)的設(shè)計(jì)、空間尺寸參數(shù),提出合理的尺寸范圍,同時(shí)介紹換電站內(nèi)部的車輪定位機(jī)構(gòu)、車輛舉升機(jī)構(gòu)和加解鎖機(jī)構(gòu),為其它換電站的設(shè)計(jì)提供參考。