电动汽车换电模式与动力电池标准化设计研究＊

鲍莹，覃俊桦，黄祖朋，邓海文，赵小羽

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

引言

在能源转型的时代背景下，发展新能源汽车特别是纯电动汽车是整个汽车行业的发展趋势[1]。电动汽车补充能源主要有两种模式：充电模式和换电模式。换电模式因其用时少、几乎可以同燃油车加油一样便捷，因此具有很大的发展前景。换电电池的标准化设计，使不同汽车生产企业、不同车型的新能源汽车都能够共用同一型号的动力电池包，则动力电池就能够得到最大化的利用，从而有效地降低换电成本，降低换电建设的门槛。

1 电动汽车常用换电模式

1.1 底盘换电

新能源汽车底盘换电模式是指将电池安装在汽车底盘位置，换电作业时汽车需准确停在指定范围，由换电平台的举升机将底盘上的电池拆卸和安装。由于不同车企和不同车型的底盘差异很大，对汽车底盘进行标准化设计的可能性微乎其微，因此底盘换电模式只能对汽车底盘结构或动力电池结构进行改制，标准化设计比较困难。但是底盘换电也有一定好处，那就是可以将电池布置在保护壳内，安全系数较高。目前底盘换电主要以北汽新能源汽车为代表，应用在出租车上。

1.2 分箱换电

新能源汽车分箱换电模式是指将电池小块化、模块化、根据车型不同对电池进行组合，电池可以安装在发动机舱底或后排座位下，换电时需要工作人员操作机械臂分别对电池组进行拆卸和安装。分箱换电不改变汽车底盘结构，易实现标准化。

分箱换电的企业目前以力帆电动汽车为代表，主要用在分时租赁汽车上。

2 电动汽车换电站设计

未来换电站的发展不可能局限于服务单一车型，而是多车型共同使用。应用于多车型的换电站，至少包含以下五个模块：定位系统、换电系统、运维系统、安全系统和物流系统。具体构成如图1。

图1 多车型换电站设备组成

换电系统作为换电站的核心系统，由换电平台、码垛机、升降机构、锁止机构、连接器等组成。其中，换电平台和升降机构等的设计就与电池密切相关，电池标准化设计可以使换电平台在设计时也做到标准化，从而兼容各种车型换电。

定位系统由车辆识别、定位平台、信号处理装置等组成。定位系统能够识别不同车型及车载电池信息，通过信号处理后下达指令引导车辆进入指定换电区域开始换电。

物流系统由车辆管理和运输机组成，负责对站内电池进行补充、清理。通过物流系统，可以将换电站与站外企业联系起来，实现电池梯次利用。

安全系统负责换电站的安全管理，包括视频监控、电池预警处置、消防安全检测等各类安全监控。安全系统对站内各类设施、操作实时监控，为换电系统安全、可靠、有效运行提供坚实的基础。

运维系统负责充电管理、移动救援等工作，能够分析站内电池的情况自动进行充电，同时接收站外车辆换电需求，提供移动救援的服务。运维系统部分的充电管理、安全系统的电池检测、物流系统的运输等结构的设计与使用，都与电池互相影响，互相作用。

3 电池标准化

3.1 电池标准化现状

目前国内外主流汽车生产企业都推出了新能源汽车，各车企的发展理念、设计理念相差巨大，导致新能源汽车的电池成分、接口、安放位置、规格、通讯协议等无法统一。这给新能源汽车的管理和发展增加的阻力，也给换电模式的发展增加了难度。

换电模式下电池的标准化是目前值得探索和改进的方向。电池的标准化设计可以参照国家对小轿车不同轮距与轴距尺寸范围而划分的四种型号标准（表1），换电站可以依照四种车型的底盘尺寸制定相应标准电池箱，满足大部分电池需求[2]。

表1 电池箱分类

3.2 标准化电池的作用

3.2.1 降低成本

毫无疑问，统一标准化的电池，在生产、运输、使用、维修、更换、梯次利用、报废的全生命周期各环节都可以降低电池成本。同时，换电站与电池相关的各环节也能降低设计和使用成本。

3.2.2 降低换电门槛

电池标准化后，换电站的设计只需要考虑标准化的电池，不需要为繁杂不通用的各型号电池设计相应的系统。简化换电系统，可以降低新能源汽车行业换电的门槛，推动换电模式的发展。

3.2.3 降低管理难度和安全风险

换电站必然会存放大量电池，电池连接智能电网进行统一管理，可以对电力资源进行优化。比如合理利用电力波谷时充电、进行小倍率充电，可以大大提升电池的循环次数和使用寿命，降低运营成本，从而降低管理难度和安全风险[3]。

4 电池标准化难点

推行换电模式，电池标准化是必然趋势。但以目前的发展状况来看，电池标准化还有一定难度，具体表现如下。

4.1 行业不够成熟

目前国内电池行业不够成熟，不同企业在电池选材、设计、连接等方面不能达成共识,无法形成统一的标准。同时，车企对于新能源汽车的理解、设计理念也有很大区别，没有达成统一目标。

4.2 缺少国家标准引导

因国内换电站发展还未形成一定规模，国家也并未给出统一的标准规范来引导市场和行业发展。各企业都在独自探索着换电模式的运行，没有足够的能力来主导整个行业的电池标准化难题。

4.3 重大难题还未解决

电池行业发展至今，电池能量密度或者说新能源汽车的续航问题一直都是行业的痛点，且在短时间内难以解决[4]。在续航问题还未解决的条件下，行业一般都以“电池服从底盘”的思路来开发电池，换电电池的标准化问题只能延后考虑。

5 结语

在能源转型的时代背景下，换电模式自动化、高效化、便捷化是推动新能源汽车普及的有效途径[5]。推动电池的标准化，是发展换电模式至关重要的一部分。诚然，在当前的社会、行业条件下，换电电池的标准化还有很高的难度，没有成熟的行业提供基础，缺乏国际标准作为引导，电池关键技术难题尚未解决等。但随着新能源汽车的不断发展，换电站的普及一定会提上日程，届时标准化电池的必要性也会日益突出。探索标准化电池，必将大力推动换电模式的发展。