李健明 馮乾隆 郭少杰 季南

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：吉利汽車 商用車換電技術(shù) 專利

1 引言

近日，吉利汽車掌舵人李書福作為獨(dú)立發(fā)明人的專利被公開，其中9件圍繞商用運(yùn)輸車換電技術(shù)展開如圖1。李書福作為吉利重要領(lǐng)導(dǎo)人以獨(dú)立發(fā)明人的形式在商用車換電領(lǐng)域進(jìn)行系列專利布局，反映出商用車換電技術(shù)在吉利發(fā)展戰(zhàn)略中的重要地位，或成為吉利集團(tuán)重點(diǎn)布局商用車換電領(lǐng)域的信號。

圖1李書福商用車換電專利附圖

2 乘用商用換電模式雙線布局

2.1 換電技術(shù)專利快速發(fā)展，乘用車換電模式已發(fā)布

吉利從2017年開始布局新能源汽車換電技術(shù)，并于2018年成立吉智新能源公司專攻新能源汽車換電模式領(lǐng)域。前期研發(fā)以乘用車換電技術(shù)與換電基礎(chǔ)技術(shù)為主，研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模超千人。在大量市場調(diào)研與研發(fā)測試的基礎(chǔ)上，吉利于2020年9月發(fā)布其采用底部換電的乘用車換電模式如圖2。

圖2 吉利乘用車換電模式已發(fā)布

2.2 應(yīng)用場景拓展，重卡換電開始布局

自2020年下半年起，吉利基于前期換電技術(shù)的研發(fā)積累與在乘用車領(lǐng)域的實(shí)踐基礎(chǔ)，開始對商用車換電的技術(shù)探索，并積極進(jìn)行專利布局，截止當(dāng)前，已公開的商用車領(lǐng)域換電專利接近20件，布局速度較快（圖3）。

圖3 吉利換電技術(shù)專利增長趨勢

3 重卡換電領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)參與者較少，市場潛力巨大

2020年4月份，財(cái)政部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》中明確指出鼓勵(lì)“車電分離”新型商業(yè)模式的發(fā)展，為換電模式的推廣與發(fā)展奠定了政策基礎(chǔ)。而重卡換電在專線運(yùn)輸、支線短倒、港口內(nèi)倒、干線運(yùn)輸?shù)葓鼍跋滦蕛?yōu)勢與成本優(yōu)勢明顯，能夠有效提升商用車輛的經(jīng)濟(jì)效益，具有較大的市場前景與潛力。

相較于乘用車換電領(lǐng)域，重卡換電領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)參與者明顯減少。重卡換電領(lǐng)域當(dāng)前主要的技術(shù)方案提供商為玖行能源，其與華菱星馬、北汽福田等整車企業(yè)展開合作，針對重卡換電進(jìn)行推廣（圖4）。而乘用車領(lǐng)域呈現(xiàn)整車車企業(yè)與技術(shù)方案提供商多方推廣競爭格局，整車企業(yè)方面蔚來、北汽新能源等針對換電技術(shù)進(jìn)行大量的技術(shù)研發(fā)與推廣。在換電技術(shù)方案方面，奧動(dòng)新能源、博眾精工等企業(yè)均具有較大的技術(shù)儲(chǔ)備與較為成熟的解決方案。乘用車換電領(lǐng)域的市場競爭明顯高于重卡換電領(lǐng)域。

圖4 當(dāng)前重卡換電領(lǐng)域主要行業(yè)參與者

4 吉利瞄準(zhǔn)干線物流場景，設(shè)計(jì)混動(dòng)式換電重卡架構(gòu)

與當(dāng)前主流重卡換電在港口、礦區(qū)等短途場景進(jìn)行應(yīng)用不同，本次李書福作為獨(dú)立發(fā)明人的專利將換電重卡應(yīng)用場景聚焦到干線運(yùn)輸領(lǐng)域，李書福根據(jù)長途運(yùn)輸對于續(xù)航里程的需求提出混動(dòng)式重卡換電方案，同時(shí)針對長途運(yùn)輸中車輛的充能方案、換電站運(yùn)營管理方法以及換電站的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)對策如圖5。

圖5 李書福重卡換電系列專利布局

4.1 混動(dòng)式換電重卡架構(gòu)，提升重卡續(xù)駛里程

針對新能源汽車運(yùn)輸?shù)睦锍探箲]問題，李書福在專利CN112060971A[1]提出混動(dòng)換電式車輛框架（圖6）。該方案包括由增程器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成的增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及由快換電池與該驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成的換電式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，快換電池可在換電站快速拆卸并更換。由于換電式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可快速切換并單獨(dú)作為主動(dòng)力系統(tǒng)，因此，可根據(jù)使用場景和經(jīng)濟(jì)性自由靈活地切換以增程器為動(dòng)力來源的增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或以快換電池為動(dòng)力來源的換電式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了商用車根據(jù)不用的運(yùn)行場景選擇合適的動(dòng)力模式，滿足運(yùn)輸行業(yè)的里程需求與經(jīng)濟(jì)性需求。

圖6 混動(dòng)式換電車輛架構(gòu)[1]

4.2 換電重卡電池布置

在傳統(tǒng)的換電重卡架構(gòu)中，電池快換通常采用頂部安裝模式，但由于重卡的快換電池體積與重量較大，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池重心過高、安裝不可靠問題。

針對上述問題，李書福分別提出優(yōu)化快換電池的結(jié)構(gòu)形式降低動(dòng)力電池重心與改變快換電池安裝位置降低動(dòng)力電池重心2種技術(shù)方案。

4.2.1 優(yōu)化快換電池結(jié)構(gòu)方案

李書福在專利CN112477573A[2]中提出基于倒凹字型電池的頂部安裝方案如圖7。該方案中用于換電重卡的換電電池采用凹字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過鎖止裝置以馬鞍狀安裝在運(yùn)載車輛的縱梁上。倒凹字型快換電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得位于兩側(cè)的部分快換電池位于車輛縱梁以下，有效降低了快換電池的安裝高度，實(shí)現(xiàn)減低動(dòng)力電池重心，提升快換電池的安裝穩(wěn)定性。

4.2.2 更改快換電池安裝位置方案

圖7 馬鞍型換電電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

針對快換電池頂部安裝導(dǎo)致的動(dòng)力電池重心過高問題，李書福提出采用動(dòng)力電池底部安裝模式進(jìn)行解決。但商用車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常設(shè)置于車輛駕駛室下方利用傳動(dòng)軸進(jìn)行動(dòng)力傳輸，傳動(dòng)軸的存在限制了車輛底部的快換電池布置空間，因此李書福在專利CN112477686A[3]中提出一種無中間傳動(dòng)軸的換電式運(yùn)載車輛如圖8。該方案將車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接后移到接近后車橋位置，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠直接驅(qū)動(dòng)車橋，從而為快換電池的底部安裝提供空間，同時(shí)無傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)也使動(dòng)力傳遞效率提升。

圖8 無中間傳動(dòng)軸換電車輛實(shí)現(xiàn)電池底部布置[3]

4.3 換電裝置設(shè)計(jì)方案

快換電池頂部安裝式換電重卡通常采用機(jī)械抓取式換電機(jī)構(gòu)進(jìn)行快換電池的更換，由于重卡快換電池體積于重量均較大，頂部抓取式換電裝置存在容易掉落的問題，具有一定的安全隱患。針對上述問題，李書福在專利李書福在專利CN112622731A[4]中提出具有插臂結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的電池快換裝置以及對應(yīng)的換電站如圖9。當(dāng)換電重卡行駛至換電站的指定位置時(shí)，快換裝置的框架結(jié)構(gòu)位于快換電池側(cè)方，滑動(dòng)設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的插臂插入快換電池底部，帶動(dòng)快換電池橫向移動(dòng)至框架結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)快換電池的拆裝，同時(shí)由于快換電池被放置與框架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，可以有效避免電池掉落風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 插臂式換電裝置與換電站設(shè)計(jì)[4]

4.4 重卡換電充能與管理運(yùn)營

4.4.1 驅(qū)動(dòng)模式與充能方案的確定

李書福提出的換電重卡方案采用換電+增程式混動(dòng)雙動(dòng)力源模式，因此為更有效的發(fā)揮車輛雙動(dòng)力源設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，李書福在專利CN112060970A中提出換電式混動(dòng)重卡充能管理方案[5]如圖10。該方案基于用戶的出行距離選擇車輛的驅(qū)動(dòng)模式，在短途行駛且途經(jīng)換電站時(shí)采用換電式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，途中無換電站則使用增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；在長途行駛時(shí)，則確定車輛的總預(yù)行駛量，并根據(jù)車輛即時(shí)信息和車輛長途行駛沿途的換電站和燃料補(bǔ)充站分布信息，采用云端服務(wù)器遠(yuǎn)程決策的方案為重卡確定最合適驅(qū)動(dòng)模式與能源補(bǔ)充方案，并將確定的方案推送給車輛用戶。

圖10 換電重卡充能策略確定[5]

4.4.2 換電重卡長途干線運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營方案

為了更好的支撐換電重卡進(jìn)行長途干線物流運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營工作，李書福在專利CN112550027A中提出建立云平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)營管理[6]如圖11。該方案在長途干線途中間隔設(shè)置多個(gè)換電站，通過云平臺(tái)連接各個(gè)換電站與換電車輛。云平臺(tái)包括換電方案處理模塊、換電站管理模塊以及車輛交互模塊，能夠獲取各個(gè)換電站的分布信息、站內(nèi)電池信息與服務(wù)信息，以及車輛的載重量、目的地、車輛電池狀態(tài)等信息。換電方案處理模塊根據(jù)上述信息為車輛確定換電方案，并將換電方案推送至對應(yīng)車輛。同時(shí)云平臺(tái)中還具有推廣模塊，其對在換電站中進(jìn)行換電的車輛進(jìn)行識(shí)別，若該車輛用戶是并未在云平臺(tái)中注冊的自行前往換電站的用戶，則向該車輛推送云平臺(tái)的推廣信息，邀請車主進(jìn)行注冊；若該車輛用戶已經(jīng)注冊使用云平臺(tái)則向用戶推送換電站附屬經(jīng)營的餐飲、維修、購物、娛樂等其他推廣消息。通過云平臺(tái)的設(shè)計(jì)有效的提升了換電站與換電車輛的運(yùn)營效率，降低運(yùn)輸成本。

圖11 商用車換電站運(yùn)營[6]

5 結(jié)束語

在換電重卡動(dòng)力模式方面，吉利換電重卡采用快換電池驅(qū)動(dòng)與增程式混動(dòng)驅(qū)動(dòng)2種動(dòng)力模式，該方案既可以有效降低石油燃料的消耗量降低運(yùn)輸成本，又可以有效緩解純電動(dòng)車輛的歷程焦慮問題，同時(shí)雙動(dòng)力源模式能夠有效提升重卡車輛的運(yùn)輸里程，有助于換電重卡在長途干線中展開運(yùn)營活動(dòng)，有效減少干線沿途的換電站建設(shè)數(shù)量，降低建站成本。在商用車長途運(yùn)輸領(lǐng)域值得借鑒，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在快換電池的布置方案方面，為降低換電重卡快換電池的重心高度，李書福提出利用倒凹字型電池的頂部安裝模式與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后移的底部安裝模式。雖然底部電池安裝模式能夠更加有效的降低快換電池的重心高度，但快換電池底部安裝時(shí)需要對換電重卡底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大；另一方面由于重卡的快換電池體積與重量均較大，采用底部換電模式在換電站建設(shè)方面同樣存在較大的實(shí)施難度。結(jié)合吉利在重卡換電裝置領(lǐng)域的專利均以頂部換電模式展開布局，因此預(yù)測吉利的換電重卡在具體實(shí)施時(shí)將采用頂部換電模式，利用倒凹字型電池結(jié)構(gòu)降低重心高度。

結(jié)合吉利汽車在換電領(lǐng)域的專利申請趨勢，吉利汽車在換電領(lǐng)域的專利申請量明顯提升，顯示出吉利汽車對于換電技術(shù)重視程度的提升。同時(shí)在李書福作為獨(dú)立發(fā)明人的換電專利中，相關(guān)專利圍繞商用車換電技術(shù)從車輛的動(dòng)力模式設(shè)計(jì)、換電電池的安裝、換電裝置的設(shè)計(jì)以及換電運(yùn)營管理等方面進(jìn)行了較為全面系統(tǒng)的專利布局，預(yù)示吉利將在已有的乘用車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，積極的探索商用車換電技術(shù)并域進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化布局。