韓新江 王建排 秦永

河北中能高聚新能源科技有限公司 河北省石家莊市 050899

1 引言

2017年4月工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷能力達(dá)200萬(wàn)輛，受益于新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新能源汽車動(dòng)力電池、電機(jī)、整車控制三大核心部件，在產(chǎn)銷方面也延續(xù)了超高的增速。尤其是動(dòng)力電池，根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2017年中國(guó)動(dòng)力電池出貨量44.5GWh，同比增長(zhǎng)44.5%，產(chǎn)值725億元，同比增長(zhǎng)12%。

然而，2017年新能源汽車實(shí)際銷量?jī)H為78萬(wàn)輛，距離目標(biāo)仍有很大的差距，尤其純電動(dòng)汽車由于充電時(shí)間長(zhǎng)、安全隱患多、購(gòu)置與建站成本高、依賴于國(guó)家補(bǔ)貼等問(wèn)題凸顯，已經(jīng)成為阻礙新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共性瓶頸問(wèn)題，亟待解決。同時(shí)，‘雙積分’管理辦法實(shí)施在即，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正面臨產(chǎn)能急劇擴(kuò)張、產(chǎn)業(yè)鏈存在短板、回收利用滯后等難題，居高不下的成本和難以突破的能量密度水平已然成為動(dòng)力電池行業(yè)急需邁過(guò)的兩道坎。本文以純電動(dòng)汽車供能系統(tǒng)為對(duì)象展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)“換電供能系統(tǒng)”在新能源純電動(dòng)汽車推廣方面具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 新能源純電動(dòng)汽車存在的問(wèn)題研究

2.1 純電動(dòng)汽車“三電”和安全技術(shù)分析

2.1.1 電池技術(shù)

現(xiàn)在的電動(dòng)汽車均采用兩種電能存儲(chǔ)技術(shù)：化學(xué)電池技術(shù)和電容技術(shù)。化學(xué)技術(shù)包括鋰電池技術(shù)、燃料電池技術(shù)，目前純電動(dòng)車輛使用最多的是鋰電池，但是由于技術(shù)尚未突破，目前鋰電池的比能量比較低、成本高，相對(duì)于整車來(lái)說(shuō)，電池成本占到了車輛的40%，這也是國(guó)家通過(guò)補(bǔ)貼的方式進(jìn)行車輛推廣的原因。

目前，能量密度最高的要算三元材料鋰電池了，雖然能量密度優(yōu)勢(shì)很明顯，但是熱穩(wěn)定性差。

2.1.2 電機(jī)及控制技術(shù)

電機(jī)主要使用異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種。異步電機(jī)使用鼠籠電機(jī)和變頻技術(shù)控制，變頻控制方面使用IGBT數(shù)字技術(shù)控制電機(jī)。

2.1.3 安全技術(shù)

無(wú)論是化學(xué)電池還是電容電池，各家汽車廠均采用安裝滅火彈裝置以防止電池起火，尚未研發(fā)出完全可靠的安全技術(shù)。

2.2 目前純電動(dòng)汽車充電存在的問(wèn)題

2.2.1 插電式純電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、充電難

目前市場(chǎng)所用純電動(dòng)汽車電池以磷酸鐵鋰、三元鋰為主，由于電池特性和技術(shù)問(wèn)題，在充電方面有快充和慢充兩種方式，根據(jù)電池特性正常充電時(shí)間為6-8小時(shí)，快充1.5-2小時(shí)，慢充時(shí)間長(zhǎng)用戶很難接受，快充一方面削減電池壽命，在時(shí)間上仍然不能滿足用戶使用純電動(dòng)汽車的意愿。充電接口標(biāo)準(zhǔn)、充電時(shí)間長(zhǎng)、成本高問(wèn)題也有待破解。目前純電動(dòng)汽車普遍存在接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、充電時(shí)間長(zhǎng)、使用成本高的共性問(wèn)題，既制約了電動(dòng)汽車車的普及，也提高了使用成本。與此同時(shí)，市面上電動(dòng)汽車車的充電方式分成直流電和交流電兩種。直流電的特點(diǎn)是功率大，半小時(shí)僅充滿80%的電，而交流電的功率小，充電時(shí)間需要8-9小時(shí)，從價(jià)格上看，前者是后者的好幾倍。

從充電設(shè)施規(guī)?？?，截至2017年6月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共充電樁171609個(gè)，而2017年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量已超過(guò)78萬(wàn)輛，充電樁無(wú)法滿足電動(dòng)汽車車的發(fā)展需求，充電樁利用率還是比較低，從充電樁運(yùn)營(yíng)方面來(lái)看，中國(guó)充電設(shè)備運(yùn)營(yíng)發(fā)展的主要痛點(diǎn)來(lái)自場(chǎng)地/電力供應(yīng)、盈利困難，互聯(lián)互通水平低等方面；充電設(shè)施市場(chǎng)仍處于探索期，商業(yè)模式不成熟。

我國(guó)目前較為主流的電動(dòng)車能源補(bǔ)給方式是“充電式”，由南方電網(wǎng)和國(guó)家電網(wǎng)提供電源，地方政府規(guī)劃用地建設(shè)充電站，電動(dòng)車用戶可以到充電站進(jìn)行充電。但是建設(shè)成本過(guò)高、用戶過(guò)少、電池標(biāo)準(zhǔn)的缺失使充電站的推廣在我國(guó)遇到了瓶頸。

3 底盤中置換電供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

根據(jù)行業(yè)和各汽車企業(yè)純電動(dòng)汽車所面臨的電池占比高、難以推廣的問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題仍然有良好的解決方案，針對(duì)目前純電動(dòng)汽車充電難等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共性瓶頸問(wèn)題，我們認(rèn)為底盤中置換電供能系統(tǒng)可以有效解決純電動(dòng)汽車推廣所面臨的各種問(wèn)題。

3.1 研究思路

（1）基于車輛車架結(jié)構(gòu)與性能，運(yùn)用動(dòng)平衡原理，在不改變車架結(jié)構(gòu)的前提下，將電池倉(cāng)設(shè)計(jì)布局在車架中軸線、電池形態(tài)設(shè)計(jì)為單節(jié)方柱形插拔式。選擇整車中軸（縱梁）位置將設(shè)計(jì)緊湊的長(zhǎng)條體電池倉(cāng)通過(guò)滑行軌道放置并抽出更換，中置就是中心位置，是整車的“原點(diǎn)”，它既獲得了整車最小的翻車力矩，也使電池倉(cāng)在中心位置的抽拉非常容易，這一技術(shù)使得換電成為可能，同時(shí)此位置內(nèi)相對(duì)比較大的空間能夠容納更大容量動(dòng)力電池組，從而使續(xù)航里程加長(zhǎng)。

（2）基于低成本功能原則，研發(fā)出低成本快速換電裝備、充電與電池管理系統(tǒng)、高效供能系統(tǒng)。換電主要涉及四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，定位、鎖止、緊固、連接。其中，定位功能能夠幫助換電設(shè)備精準(zhǔn)地確定電池的位置；鎖止技術(shù)能夠通過(guò)換電設(shè)備與電池箱之間的通信，使得電池在更換過(guò)程中被牢牢鎖緊，并在適當(dāng)?shù)奈恢帽环畔?；而緊固則是保證電池能夠更穩(wěn)定地搭載在汽車上；連接技術(shù)，保證了電池與電控系統(tǒng)、充電設(shè)備之間電氣連接的穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)原始創(chuàng)新技術(shù)集成，形成純電動(dòng)車快速換電與低成本充換電建站技術(shù)支撐體系，通過(guò)換電站對(duì)電池充電速度的把控，換電車輛與儲(chǔ)備電池的數(shù)量比設(shè)定為1：1.24，“換電站以0.5C-1C（電池充放電倍率）的速度對(duì)電池進(jìn)行充電，延長(zhǎng)電池壽命，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊。

3.2 底盤中置換電供能系統(tǒng)解決的主要問(wèn)題

3.2.1 改充電為“充換電”解決充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題

電池艙中軸對(duì)稱設(shè)計(jì)就可以使得整個(gè)車輛的所有電池組有機(jī)緊湊設(shè)計(jì)成一個(gè)長(zhǎng)條體，在電池艙內(nèi)設(shè)置滑行軌道，動(dòng)力電池就可簡(jiǎn)單快速的換電作業(yè)；可充可換。

3.2.2 整車科學(xué)布局設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)續(xù)航里程

由電池倉(cāng)兼做縱梁使用，使車體不但可減輕自重，更有足夠的空間儲(chǔ)藏大容量動(dòng)力電池組。且長(zhǎng)條一體化設(shè)計(jì)可以更緊湊的擺放電池，更可以實(shí)現(xiàn)電池組的無(wú)線連接，使得整個(gè)電池箱的儲(chǔ)能潛力大幅提升；能源包的長(zhǎng)條一體化設(shè)計(jì)使得電流走向清晰避開(kāi)電磁互擾，無(wú)線連接保障了電池間溫度的梯級(jí)差異最小化和連接內(nèi)阻一致最小化，使得能源包的高壓放電效率相對(duì)提升。

3.2.3 “車電分離”模式大大降低車輛購(gòu)置成本。

由于可快速換電，使得此概念的電動(dòng)汽車“車和電池”的分離銷售成為可能，動(dòng)力電池由電池運(yùn)營(yíng)商提供或租賃，這樣消費(fèi)者就會(huì)以比同等級(jí)別的燃油汽車價(jià)格還低購(gòu)得純電動(dòng)汽車，由于能源包的長(zhǎng)條一體化使得各種車型通換成為可能，電池運(yùn)營(yíng)商像中石化經(jīng)營(yíng)石油一樣經(jīng)營(yíng)電池，從而將液態(tài)的石油“加油模式”變?yōu)楣虘B(tài)的電能“加電模式”成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.4 密閉式電池倉(cāng)更加安全

由于電池艙作為中梁設(shè)計(jì)，關(guān)閉艙門就是一密閉的金屬箱體，能源包與之形成環(huán)狀風(fēng)道，智能控制引入空調(diào)冷熱風(fēng)，有效保障純電動(dòng)汽車在極冷、極熱環(huán)境中正常運(yùn)營(yíng)，且防塵、防水、防電磁輻射；同時(shí)它又與能源包形成了雙金屬層間隔動(dòng)力電池，防爆、隔氧阻燃，基本杜絕爆燃傷人事故。

3.2.5 底盤中置換電系統(tǒng)利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化

“底盤中置換電結(jié)構(gòu)”和“電池包系統(tǒng)”具有廣泛的使用通用性，能夠被主流汽車制造商和運(yùn)營(yíng)商接受，并有上升為“可換電式”電動(dòng)汽車底盤和電池包“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”的條件，而與該電動(dòng)汽車底盤結(jié)構(gòu)配套的標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)力電源，除可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電源快速換電和易于集中維護(hù)、充電管理外，還有對(duì)不同類型動(dòng)力電池（鋰電、固體燃料等）適應(yīng)性的特點(diǎn)，有利于新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化推廣進(jìn)程中采用更為先進(jìn)的電池解決方案。

該設(shè)計(jì)技術(shù)很好的解決了車電分離問(wèn)題，其換電作業(yè)由機(jī)器自動(dòng)化完成，用戶買車不買電池、用車不用充電，能夠從根本上解決純電動(dòng)汽車在推廣過(guò)程中所遇到的充電時(shí)間長(zhǎng)、充電設(shè)施不完善、購(gòu)買成本高的問(wèn)題，隨著換電站的不斷增加，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，未來(lái)購(gòu)買和使用純電動(dòng)汽車也將不再擔(dān)心出遠(yuǎn)門、跑長(zhǎng)途的顧慮。

4 結(jié)語(yǔ)

近兩年來(lái)新能源汽車的發(fā)展速度有目共睹，新能源汽車目前已經(jīng)成為我國(guó)領(lǐng)先世界的行業(yè)之一。2017 年我國(guó)新能源產(chǎn)銷量分別達(dá)到 79.4萬(wàn)輛和 77.7 萬(wàn)輛，累計(jì)保有量達(dá)到 180 萬(wàn)輛，占全球市場(chǎng)保有量50%以上，連續(xù)三年位居世界第一。 新能源汽車中九成皆為需要充電的電動(dòng)汽車，因此充電設(shè)施成為了新能源汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與此同時(shí)，充電設(shè)施也成為了制約新能源汽車快速推進(jìn)的最大短板。近兩年來(lái)， 諸如充電樁等基礎(chǔ)配套設(shè)施的相對(duì)滯后現(xiàn)象正日益突出。雖然充電樁數(shù)量在快速增加，但不可忽視的是新能源汽車的增長(zhǎng)規(guī)模仍然大幅高于充電樁數(shù)量的增長(zhǎng)規(guī)模，也就意味著車樁之間的缺口仍在不斷擴(kuò)大。根據(jù)調(diào)查，用戶在購(gòu)買電動(dòng)車時(shí)，充電設(shè)施的配置是否齊全、充電是否足夠便捷、自行安裝充電樁是否可行等問(wèn)題成為了用戶購(gòu)買電動(dòng)汽車時(shí)所顧慮的重要因素。因此如果不能徹底解決純電動(dòng)汽車在能量供應(yīng)方便、實(shí)惠的問(wèn)題，其推廣也必將受阻。

當(dāng)前，國(guó)家對(duì)新能源汽車實(shí)行補(bǔ)貼機(jī)制，目的是讓我國(guó)新能源汽車技術(shù)與國(guó)際技術(shù)同步發(fā)展，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)汽車落后的局面，同時(shí)環(huán)境的壓力也促使新能源汽車迎來(lái)高速發(fā)展時(shí)機(jī)，但國(guó)際的補(bǔ)貼是扶持企業(yè)走一程，而不是永遠(yuǎn)，目前我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)還沒(méi)有完全形成，產(chǎn)業(yè)化水平較低，關(guān)鍵技術(shù)、電池性能和成本仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間?！艾F(xiàn)有的價(jià)格成本完全靠補(bǔ)貼支撐，就像孩子斷奶就沒(méi)法活一樣，新能源汽車產(chǎn)業(yè)還需要整個(gè)行業(yè)共同呵護(hù)，只有把步伐走穩(wěn)才不會(huì)摔跤。隨著補(bǔ)貼的退坡直至2020取消，喪失價(jià)格保護(hù)的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)還是將直面殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，只有不到3年的時(shí)間，能否打破電池的技術(shù)瓶頸、成功降低成本，制造出消費(fèi)者需要和喜歡的新能源車產(chǎn)品恐怕是當(dāng)務(wù)之急，“由于續(xù)航能力不足，現(xiàn)在我們不是在充電，就是在去充電的路上”這句話成了純電動(dòng)汽車出行的代名詞。中國(guó)工程院院士楊裕生也曾表示，新能源汽車的發(fā)展必須要盡快解決里程焦慮，續(xù)航能力已然成為動(dòng)力電池競(jìng)爭(zhēng)力的制高點(diǎn)，再加上原材料成本持續(xù)上漲，而電池售價(jià)因國(guó)家政策影響不斷下調(diào)，電池企業(yè)的成本壓力巨大，在電池能量密度、制造成本、充電技術(shù)得到徹底解決之前，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看，用戶低成本購(gòu)買純電動(dòng)汽車，運(yùn)營(yíng)平臺(tái)公司負(fù)責(zé)集中充電配送到換電站，用戶通過(guò)換電租賃電池，實(shí)現(xiàn)電池共享使用的“換電式供能系統(tǒng)”模式的應(yīng)用是目前純電動(dòng)汽車在推廣和使用過(guò)程中實(shí)用且有效的解決方案。