基于专利分析的汽车换电站建设研究

2021-07-08刘桂金申华磊李福辉

智能建筑与智慧城市 2021年6期

刘桂金，申华磊，李福辉

（东平一建建筑有限公司）

1 引言

换电技术是指通过电池更换的方式实现电动汽车的能量补充，同时实现替换电池的统一管理、存储与充电，具有充能速度快，效率高的特点[1]。换电技术的推广应用依托于换电站的建设[2]，本文依托专利分析技术，针对电动汽车换电站发展历程进行分析，总结换电站建设发展规律，实现指导换电站建设的目的。

2 换电站建设相关专利快速发展，具有较大市场潜力

换电站相关专利发展经历了萌芽期、初步发展期及快速发展期三大阶段（见图1），2008年之前换电站建设技术处于探索阶段，专利申请量较小；2009年起，在国家鼓励以充换电方式进行新能源汽车充能的背景下，换电站建设技术得到初步发展，专利申请量得到一定提升；2017年以来，随着乘用车领域换电技术的推广及换电模式充能速度快等特点的凸显，我国换电站建设领域专利快速提升，进入快速发展期。

图1 换电技术专利年度申请态势

3 换电站建设向集成化小型化路线发展，提升快速部署能力与换电效率为重点设计方向

本文针对不同时期换电站相关专利，从三个维度十个指标进行典型专利筛选，归纳出换电站建设的技术发展路线，总结其发展规律。评分体系如下：①技术维度四个指标（被引证频次、同族专利个数、技术先进性、保护范围）；②法律维度两个指标（技术稳定性、运营情况）；③其他维度四个指标（合享价值度、申请人重要性、权利要求数量、说明书页数）。

通过对不同时期换电站技术相关专利的筛选评分，本文筛选10个换电站建设技术发展路线图（见图2）。总体来看，我国换电站建设发展规律为：从集中化、大型换电站向简约化、小型换电站发展，提升换电站的快速部署能力、提升换电站的空间利用率与工作效率为主要设计方向。

图2 换电站建设技术发展路线

4 换电站建设典型专利方案解读

4.1 早期换电站建设

我国早期的换电站建设以服务公交车的大型换电为主，采用侧部换电的方式对电动公交进行换电服务。2008年服务北京奥运会的电动公交换电站是典型方案，对应专利公开号为CN101284524A[3]。

该换电站方案（见图3左侧），包括换电设备T、待换电车辆B以及电池存储充电架。换电设备位于换电车辆与电池充电架之间，换电装置T通过机械手将电池取出，并通过转盘T5将电池旋转至充电架一侧，换电装置T通过导轨T2进行移动，将缺电电池移动并放至充电架中的空闲位置，同时取出充电架中的满电电池运送至换电车处，经转盘旋转后安装至车辆B。该方案中，换电设备位于车辆与充电架之间，需要通过沿电池架纵向移动，对场地需求大，导致换电站总体占地面积较大（见图3右侧）。

图3 用于公交车辆的大型换电站专利方案及实际建设情况

4.2 具有快速部署能力的换电站建设

早期换电站建设对场地需求大，建设成本高，不利于换电技术的大规模推广。北京理工大学联合上海电巴在专利CN102259639A[4]中提出了集成在集装箱中的快捷换电站建设方案。

该方案中（见图4），电池充电架设置在集装箱中，通过集装箱沿长度方向的开口，实现电池的取放，同时在集装箱中设置换电装置存储区域。使用该方案进行换电站部署时，将具有充电架、动力电池及换电装置的集装箱移动至目标地点后，仅需在集装箱外侧建立供换电装置运行的轨道，即可进行换电作业，大大提升了换电站建设的便捷程度。

图4 具有快速部署能力的集装箱式换电站建设方案

4.3 模块化换电建设

随着我国换电技术的发展，换电技术发展的方向逐渐向乘用车领域发展。面向乘用车的换电站在快速部署能力与换电效率需求方面得到提升。蔚来汽车有限公司针对乘用车换电需求，在CN10604 3246A[5]中提出一种模块化小型换电站建设方案（见图5），进一步解决了换电站建设占地面积大、需要土建、难以运输的问题。

图5 小型模块化换电站建设方案及部署效果

在该方案中，换电站整体装置由电池集装箱与换电集装箱两部分构成。换电车辆进行换电时，将车固定在换电集装箱内的换电平台区域，换电平台中设有举升设备，能够将车辆进行举升，为换电装置在车辆底部进行电池更换留下足够空间。同时，换电集装箱与电池集装箱相邻并相互连通，使换电装置能够在两个集装箱内穿梭，实现缺电电池与满电电池的转运。在无需土建的情况下完成换电站的建设，使换电站的位置可以根据需求进行灵活布置和扩展部署，推动了换电模式的发展。