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底盘中置换电供能系统在新能源纯电动汽车上的设计应用
韩新江 王建排 秦永
河北中能高聚新能源科技有限公司 河北省石家庄市 050899
摘 要： 随着全球汽车产业发展的步伐,新能源汽车已成为汽车产业升级换代的主要发展方向,世界各国正在竞相淘汰汽油和柴油车,各国也纷纷推出了禁售燃油车时间表,比如挪威和荷兰计划于 2025 年前全面禁售燃油车,德国和印度给出的时间是 2030 年,英国和法国则是 2040 年.作为世界最大汽车市场,中国也正在研究最终禁止内燃发动机汽车,从而使这股不断发展的全球趋势得到一个提振.基于目前全球汽车市场的基本结构,虽然想要在短时期内让燃油汽车“全面退出”几无可能,但新能源汽车的发展已经成为趋势,车企们备战新战场的号角早已吹响,纷纷加入到纯电动汽车研发的行业大军之中,毋庸置疑,未来出行交通工具必定是纯电动汽车,因此研发何种类型的纯电动汽车、采用何种推广方式能够让大众用户所能接受,是推广纯电动汽车最为关键的因素,也是涉及到节能环保、造福子孙后代的核心问题.
关键词：纯电动汽车；动力电池技术；供能模式；换电技术
1 引言
2017年4月、发展改革委、科技部联合印发《汽车产业中长期发展规划》,预计到2020年,我国新能源汽车产销能力达200万辆,受益于新能源汽车市场规模的不断扩大,新能源汽车动力电池、电机、整车控制三大核心部件,在产销方面也延续了超高的增速.尤其是动力电池,根据高工产研锂电研究所（GGII）调研数据显示,2017年中国动力电池量44.5GWh,同比增长44.5%,产值725亿元,同比增长12%.
然而,2017年新能源汽车实际销量仅为78万辆,距离目标仍有很大的差距,尤其纯电动汽车由于充电时间长、安全隐患多、购置与建站成本高、依赖于国家补贴等问题凸显,已经成为阻碍新能源汽车产业发展的共性瓶颈问题,亟待解决.同时,‘双积分’管理办法实施在即,新能源汽车产业正面临产能急剧扩张、产业链存在短板、回收利用滞后等难题,居高不下的成本和难以突破的能量密度水平已然成为动力电池行业急需迈过的两道坎.本文以纯电动汽车供能系统为对象展开研究,发现“换电供能系统”在新能源纯电动汽车推广方面具有良好的市场应用前景.
2 新能源纯电动汽车存在的问题研究
2.1 纯电动汽车“三电”和安全技术分析2.1.1 电池技术
现在的电动汽车均采用两种电能存储技术：化学电池技术和电容技术.化学技术包括锂电池技术、燃料电池技术,目前纯电动车辆使用最多的是锂电池,但是由于技术尚未突破,目前锂电池的比能量比较低、成本高,相对于整车来说,电池成本占到了车辆的40%,这也是国家通过补贴的方式进行车辆推广的原因.
目前,能量密度最高的要算三元材料锂电池了,虽然能量密度优势很明显,但是热稳定性差.
2.1.2 电机及控制技术
电机主要使用异步电机和永磁同步电机两种.异步电机使用鼠笼电机和变频技术控制,变频控制方面使用IGBT数字技术控制电机.
2.1.3 安全技术
无论是化学电池还是电容电池,各家汽车厂均采用安装灭火弹装置以防止电池起火,尚未研发出完全可靠的安全技术.
2.2 目前纯电动汽车充电存在的问题
2.2.1 插电式纯电动汽车充电时间长、充电难
目前市场所用纯电动汽车电池以磷酸铁锂、三元锂为主,由于电池特性和技术问题,在充电方面有快充和慢充两种方式,根据电池特性正常充电时间为6-8小时,快充1.5-2小时,慢充时间长用户很难接受,快充一方面削减电池寿命,在时间上仍然不能满足用户使用纯电动汽车的意愿.充电接口标准、充电时间长、成本高问题也有待.目前纯电动汽车普遍存在接口标准不统一、充电时间长、使用成本高的共性问题,既制约了电动汽车车的普及,也提高了使用成本.与此同时,市面上电动汽车车的充电方式分成直流电和交流电两种.直流电的特点是功率大,半小时仅充满80%的电,而交流电的功率小,充电时间需要8-9小时,从上看,前者是后者的好几倍.
从充电设施规模看,截至2017年6月,联盟内成员单位总计上报公共充电桩171609个,而2017年我国新能源汽车产量已超过78万辆,充电桩无法满足电动汽车车的发展需求,充电桩利用率还是比较低,从充电桩运营方面来看,中国充电设备运营发展的主要痛点来自场地/电力供应、盈利困难,互联互通水平低等方面；充电设施市场仍处于探索期,商业模式不成熟.
我国目前较为主流的电动车能源补给方式是“充电式”,由南方电网和国家电网提供电源,地方政府规划用地建设充电站,电动车用户可以到充电站进行充电.但是建设成本过高、用户过少、电池标准的缺失使充电站的推广在我国遇到了瓶颈.
3 底盘中置换电供能系统的设计研究根据行业和各汽车企业纯电动汽车所面临的电池占比高、难以推广的问题,我们经过研究,发现这一问题仍然有良好的解决方案,针对目前纯电动汽车充电难等制约产业发展的共性瓶颈问题,我们认为底盘中置换电供能系统可以有效解决纯电动汽车推广所面临的各种问题.
3.1 研究思路
（1）基于车辆车架结构与性能,运用动平衡原理,在不改变车架结构的前提下,将电池仓设计布局在车架中轴线、电池形态设计为单节方柱形插拔式.选择整车中轴（纵梁）位置将设计紧凑的长条体电池仓通过滑行轨道放置并抽出更换,中置就是中心位置,是整车的“原点”,它既获得了整车最小的翻车力矩,也使电池仓在中心位置的抽拉非常容易,这一技术使得换电成为可能,同时此位置内相对比较大的空间能够容纳更大容量动力电池组,从而使续航里程加长.
（2）基于低成本功能原则,研发出低成本快速换电装备、充电与电池管理系统、高效供能系统.换电主要涉及四个关键技术,定位、锁止、紧固、连接.其中,定位功能能够帮助换电设备精准地确定电池的位置；锁止技术能够通过换电设备与电池箱之间的通信,使得电池在更换过程中被牢牢锁紧,并在适当的位置被放下；而紧固则是保证电池能够更稳定地搭载在汽车上；连接技术,保证了电池与电控系统、充电设备之间电气连接的稳定性.
（3）通过原始创新技术集成,形成纯电动车快速换电与低成本充换电建站技术支撑体系,通过换电站对电池充电速度的把控,换电车辆与储备电池的数量比设定为1：1.24,“换电站以0.5C-1C（电池充放电倍率）的速度对电池进行充电,延长电池寿命,减少对电网冲击.
3.2 底盘中置换电供能系统解决的主要问题
3.2.1 改充电为“充换电”解决充电时间长的问题
电池舱中轴对称设计就可以使得整个车辆的所有电池组有机紧凑设计成一个长条体,在电池舱内设置滑行轨道,动力电池就可简单快速的换电作业；可充可换.
3.2.2 整车科学布局设计,延长续航里程由电池仓兼做纵梁使用,使车体不但可减轻自重,更有足够的空间储藏大容量动力电池组.且长条一体化设计可以更紧凑的摆放电池,更可以实现电池组的无线连接,使得整个电池箱的储能潜力大幅提升；能源包的长条一体化设计使得电流走向清晰避开电磁互扰,无线连接保障了电池间温度的梯级差异最小化和连接内阻一致最小化,使得能源包的高压放电效率相对提升.
3.2.3 “车电分离”模式大大降低车辆购置成本.
由于可快速换电,使得此概念的电动汽车“车和电池”的分离销售成为可能,动力电池由电池运营商提供或租赁,这样消费者就会以比同等级别的燃油汽车还低购得纯电动汽车,由于能源包的长条一体化使得各种车型通换成为可能,电池运营商像中石化经营石油一样经营电池,从而将液态的石油“加油模式”变为固态的电能“加电模式”成为现实.
3.2.4 密闭式电池仓更加安全
由于电池舱作为中梁设计,关闭舱门就是一密闭的金属箱体,能源包与之形成环状风道,智能控制引入空调冷热风,有效保障纯电动汽车在极冷、极热环境中正常运营,且防尘、防水、防电磁辐射；同时它又与能源包形成了双金属层间隔动力电池,防爆、隔氧阻燃,基本杜绝爆燃伤人事故.
3.2.5 底盘中置换电系统利于实现标准化
“底盘中置换电结构”和“电池包系统”具有广泛的使用通用性,能够被主流汽车制造商和运营商接受,并有上升为“可换电式”电动汽车底盘和电池包“行业标准”的条件,而与该电动汽车底盘结构配套的标准化动力电源,除可实现动力电源快速换电和易于集中维护、充电管理外,还有对不同类型动力电池（锂电、固体燃料等）适应性的特点,有利于新能源电动汽车产业化推广进程中采用更为先进的电池解决方案.
该设计技术很好的解决了车电分离问题,其换电作业由机器自动化完成,用户买车不买电池、用车不用充电,能够从根本上解决纯电动汽车在推广过程中所遇到的充电时间长、充电设施不完善、购买成本高的问题,随着换电站的不断增加,国家标准的制定和实施,未来购买和使用纯电动汽车也将不再担心出远门、跑长途的顾虑.
4 结语
近两年来新能源汽车的发展速度有目共睹,新能源汽车目前已经成为我国领先世界的行业之一.2017 年我国新能源产销量分别达到 79.4万辆和 77.7 万辆,累计保有量达到 180 万辆,占全球市场保有量50%以上,连续三年位居世界第一. 新能源汽车中九成皆为需要充电的电动汽车,因此充电设施成为了新能源汽车发展的重要基础设施,与此同时,充电设施也成为了制约新能源汽车快速推进的最大短板.近两年来, 诸如充电桩等基础配套设施的相对滞后现象正日益突出.虽然充电桩数量在快速增加,但不可忽视的是新能源汽车的增长规模仍然大幅高于充电桩数量的增长规模,也就意味着车桩之间的缺口仍在不断扩大.根据调查,用户在购买电动车时,充电设施的配置是否齐全、充电是否足够便捷、自行安装充电桩是否可行等问题成为了用户购买电动汽车时所顾虑的重要因素.因此如果不能彻底解决纯电动汽车在能量供应方便、实惠的问题,其推广也必将受阻.
当前,国家对新能源汽车实行补贴机制,目的是让我国新能源汽车技术与国际技术同步发展,以弥补传统汽车落后的局面,同时环境的压力也促使新能源汽车迎来高速发展时机,但国际的补贴是扶持企业走一程,而不是永远,目前我国新能源汽车市场还没有完全形成,产业化水平较低,关键技术、电池性能和成本仍有相当大的发展空间.“现有的成本完全靠补贴支撑,就像孩子断奶就没法活一样,新能源汽车产业还需要整个行业共同呵护,只有把步伐走稳才不会摔跤.随着补贴的退坡直至2020取消,丧失保护的电动汽车产业还是将直面残酷的市场竞争,只有不到3年的时间,能否打破电池的技术瓶颈、成功降低成本,制造出消费者需要和喜欢的新能源车产品恐怕是当务之急,“由于续航能力不足,现在我们不是在充电,就是在去充电的路上”这句话成了纯电动汽车出行的代名词.中国工程院院士杨裕生也曾表示,新能源汽车的发展必须要尽快解决里程焦虑,续航能力已然成为动力电池竞争力的制高点,再加上原材料成本持续上涨,而电池售价因国家政策影响不断下调,电池企业的成本压力巨大,在电池能量密度、制造成本、充电技术得到彻底解决之前,通过实际运行结果看,用户低成本购买纯电动汽车,运营平台公司负责集中充电配送到换电站,用户通过换电租赁电池,实现电池共享使用的“换电式供能系统”模式的应用是目前纯电动汽车在推广和使用过程中实用且有效的解决方案.
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