纯电动乘用车换电技术方案分析

文章来源：东风商用车有限公司技术中心

在影响新能源汽车发展的诸多要素中，充电还是换电是两个同步探索的技术路线。充电（快充、慢充）有其局限性——充电时间、电池寿命影响等；换电同样有局限性——换电技术的成熟度、标准化和收益性（换电站、备用电池的投资回报）。充电与换电的技术也均在不断发展中。换电既能保障运营里程需要（换电所需要的时间短），又能保障电池的长寿命（集中慢充），更利于回收再利用（电池管理好，残值高）。换电的具体技术方案又可以分为多种。本文基于实际的纯电动乘用车换电的设计开发、示范运营工作，分析研究纯电动乘用车的多种换电技术方案。

1换电技术方案的演变历程

换电模式在新能源汽车上的尝试，可以追溯到2003年的以色列BetterPlace公司（简称BP公司），BP公司与法国雷诺合作，雷诺开发了换电车型FluenceEV，采用底盘换电方式进行换电。在当时的电动汽车发展大环境下，电动汽车的应用规模很有限，加之电池技术、换电技术以及换电站建设的高成本，使得该技术方案不具备竞争力，项目终止。中国的南方电网也引进过BP公司的方案，并曾在广州等地示范运营。

2009年，中国以“十城千辆”推进新能源汽车发展。2011年开始，以国家电网为主力，推进换电模式。先在国网杭州公司推行标准箱电池半自动换电。2013年，国网新乡公司牵头联合车企和出租车公司，推行底盘换电的出租车运营，但都未能推广。

2013年，在政策、技术发展的促进下，国内新能源发展加速。换电模式的尝试也在扩大范围。国网换电项目人员组建了独立的伯坦公司，在杭州、西安等地推进侧围换电和底盘换电；浙江新时空的侧围换电模式，通过较大规模的示范和运营，在技术验证方面取得了相对的进展。

2016年，奥动新能源加入换电运营，与北汽、广汽合作推进底盘换电，陆续在广州、厦门和北京等地进行了较大规模的换电运营。

整车企业如东风、北汽、广汽以及后来的新势力蔚来都在换电技术路线上进行尝试。

2多种换电技术方案

2.1后备箱换电：标准电池+后备箱布置+纵向更换

国网杭州换电站以20个标准电池箱为一组，每箱约5kWh的电量，装入电池转运箱进行集中充电，换电。实际运营情况如图1、图2所示。

杭州换电车型主要用于出租车和公务用车。换电设备有固定在换电车位旁边的机械平台和可移动叉车平台两种，通过人工将电动车后备箱中的电池箱拉出、推入。后备厢电池安装如图3所示。该方案基本上是国内初期的换电尝试。

2.2底盘+侧围换电：标准电池+底盘布置+垂直升降+横向更换

纯电动车电池箱布置于车底，左右各两箱电池，在车内进行控制电池升降之后，侧面再通过机器手取出电池。实车布置如图4、图5所示。

2.3侧围换电：标准电池+横向更换

该换电技术方案的特点是电池的换电口布置在侧围，通过控制电池舱门打开，再以机器手侧面取出和安装电池。该方案电池布置在底盘，使得车身高度变高，影响车辆性能。

2.4底盘换电：底盘布置+垂直升降

底盘换电方案可以再细分为两种：以国网公司上海电巴为代表的标准电池箱和以BP公司为代表的异形电池包。

BP公司的方案为车辆到位之后，车辆保持不动，由地面下的机构横向传送电池，上下升降电池来实现电池安装，并以伺服电机拧紧和松开电池锁止机构来完成整个换电动作，如图6所示。

底盘换电的异形电池“塔式”布置在后排座位与后备箱之间的底盘上，实物如图7所示。该方案对底盘骨架改动最小，但是仍然影响后排空间和后备箱容积。

3底盘换电的技术方案

各种换电技术方案中，底盘换电得到更多认可。目前采用最多的是扁平布置在底盘上的结构，基本不占用乘坐空间、后备箱空间和整车高度。电池包在底盘上的布置安装如图8所示，电池包固定在换电框架上，换电框架适配现有车身结构，安装在车身地板上。

换电时，电池包与换电框架作为一个整体进行拆装，其主要的零部件构成和关系如图9所示。

图9中，电池模组与下箱体总成、配电盒、电池管理系统和上箱盖组成电池组（PACK），再安装在换电机构总成上，形成整体的换电电池包。

目前底盘换电技术的差异主要在于锁止方式的不同。底盘换电技术方案中，快换电池包的更换动作分托举和锁止两步。托举的动作均为垂直方向运动；锁止的方案又分为旋转拧紧/松、前后平移两种。

3.1托举+旋转拧紧/松

BP公司、国网等都采用了该方案。换电的主要动作：通过机械手将电池包整体托举到位，然后锁止机构旋转，与底盘上的定位结合，卡位，拧紧，锁止。锁止点均有明显的定位槽。技术上锁止更可靠，锁止可以准确到位，如图10所示。

3.2托举+前后平移

主要结构如图11所示。换电的主要动作：通过机械手将电池包整体托举到位，然后电池包整体迁移，依靠底盘上的止口，卡位，锁止。该方案在实际运用中存在锁止不容易到位、锁止松动的问题。

3.3两种技术方案的对比

通过调研与技术方案设计，并经过计算分析，对两种技术方案的锁止机构和换电连接器做了性能、质量和成本方面的对比。

锁止机构的性能对比如表1所示。旋转锁止方案的重量更轻，锁止动作幅度更小，更能适应不同车型尺寸，对底盘骨架空间要求也更低。综合来看，旋转锁止方案更优。

换电连接器的性能对比如表2所示。可以看出，旋转锁止方案的换电连接器的可浮动范围更大，因此环境适应性更好，重量也轻，配合尺寸要求更低，而且可以拓展适应于不同的冷却方式的电池。综合比较，旋转锁止方案更优。

锁止机构、换电连接器的寿命成本对比如表3所示。可以看出，两种方案的关键部件的寿命差不多，但是综合成本方面，旋转锁止方案更优。

从以上三个方面的对比来看，旋转锁止方案更具优势，目前示范应用的也最多。

4总结

本文详细总结了纯电动乘用车换电各种技术方案特点、应用历程和示范应用显示出的优缺点；重点分析了底盘换电方案，对比分析了两种锁止方案的可靠性、性能和成本情况。通过方案设计、示范运营和综合对比，显示底盘换电方案与侧围换电等方案，对整车影响最小；同时，旋转锁止方案的各方面性能最优，从技术上验证了换电的可行性。

当然，换电模式的大规模可持续应用，除了技术可行之外，还需要进一步通过运营来验证其经济性，以及不同车型不同电池包的通用化问题。相信随着电池等技术的发展，成本的快速下降，换电模式（换电技术方案）将逐步占有特定市场，促进新能源汽车加速发展。