杨军，丁振龙，王东，杨志强

清华大学苏州汽车研究院 江苏苏州 215200

中国已制订了一系列有针对性的政策方针，来支持新能源汽车产业发展，如新能源汽车产业发展规划（2021—2035年），明确提出未来汽车的发展方向为新能源汽车。

新能源汽车发展多年，产量和销量一直在高速增长，但电池这一关键技术却未取得实质性突破，车主对续驶里程的焦虑问题也没有得到很好的解决。燃油车加一次油的时间在5min以内，而电动汽车慢充一般需要6～8h，快充也需要至少30min，排队的情况下时间更长，严重影响车主的用车体验。此外，快充会降低电池的使用寿命，增加用车成本[1]。

为了解决充电时间长、电池寿命短、存在安全隐患、现有换电方式投入成本高及场地要求高等行业痛点，本文提出了一种成本可控、随时随地、快速高效更换电池包的方法。通过理论和原理样机试验证明，该方法只需一人即可在9min内完成一台电动汽车动力电池包的更换，极大提升车辆用户的使用体验。

换电方案研究方向确定

1.换电模式

新能源汽车换电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务或者集电池的充电、物流调配以及换电服务于一体。此模式可以实现车电分离，车主可以采取电池租赁的方式降低整车的购买成本，并且可以解决充电时间过长的问题。但是电池的更换必须使用设备，车辆设计需要考虑换电的结构，还要考虑换电场地的要求[3，4]。

2.换电方案选择

换电模式作为近年来广受关注并持续优化和改善的新能源汽车能源补给方式，其优点和缺点都较为明显。现阶段市场上主要的换电方式有底盘换电、前舱/尾部换电和侧围换电三种[2]。

1）底盘换电是指从底盘下部拆下原有电池包并更换新电池包的方式，该方案主要应用在轿车、SUV、MPV及轻型物流车领域，目前主要是北汽、蔚来汽车、特斯拉等采用。此种方案易实现，更换电池用时较短，自动化程度高，但需要新建固定换电站，新增换电设备，现有换电投入较高，如图1所示。

图1 某车型底盘换电

图2 某车型尾部换电

3）侧围换电是指将电池包从侧面拆下并更换新的电池包，该方案主要应用在客车和货车领域，目前主要是新时空、电巴、许继等采用。此方案中电池布置最为合理，但侧围需要开口，影响整车外观，如图3所示。

图3 某车型侧围换电

通过各种换电方案的对比发现，底盘换电不占用车辆使用空间，不影响整车造型，是目前可行性较高的方案。基于此，本文拟采用卡托式的电池包固定装置，通过便携式坡道或轮胎千斤顶将车辆抬高后，使用换电小车在车身底部进行换电的方案，改善现有底盘换电方案设备精度要求高、投入成本高、换电场地固定的缺陷，满足车主随时随地、快捷高效换电的需求。

换电方案设计

新能源汽车换电包括旧电池包拆装、电池包转运及新电池包装配三个主要环节。为了保证各个环节之间能够无缝衔接，需要综合考虑电池包设计、电池转运机构设计、电池拆除与装配设计。下面以某款车型参数为例，对换电方案进行详细阐述。

1.换电流程

换电设计流程如下：前期准备，安装简易坡道/千斤顶→车辆开上坡道，拉手刹，拆除中间段→电池举升小车进入电池底部并上升拖住电池包→拆除电池包→电池举升小车带着旧电池包下降并离开车辆→电池举升小车运载新电池包进入车辆底部并上升→安装新电池包→电池举升小车撤离→车辆驶离换电区域，如图4所示。

图4 换电流程

2.换电电池包设计

现有的新能源汽车电池包主要通过螺栓联接在底盘下部，固定时需要使用专用工具，且螺栓固定需要满足一定的力矩要求。在换电模式下，若采用自动化设备，成本较高，若采用人工拆装，时间较长，而且经常拆装螺栓会导致螺栓失效，存在安全隐患。

本文采用卡托式的安装装置，其中安装装置上部和底盘下部通过螺栓联接，下部通过锁钩和电池包上的锁板连接，如图5和图6所示。

图5 卡托式安装装置

图6 电池包锁板

此外，传统的电池包安装方式在拆除电池包时需要先手动断开连接器和水管接头。如果采用换电方案，手动断开的方式会使操作流程更复杂，影响换电的时间。

本文对现有电池包进行了设计优化，采用了浮动连接器和快插水管接头，具有一定的随动性，可以实现电池包拆除与装配时的自动插接，如图7和图8所示。

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图7 换电电池包

图8 浮动连接器

3.换电小车设计

作为新能源汽车换电必不可少的一部分，动力电池转运装置的形式直接影响着换电成本及效率的高低。

本文基于叉车升降的原理和方便电池转运的原则，设计了一款换电小车。该小车结构简单，方便快捷，体积小，可升降，如图9所示。

图9 换电小车

4.旧电池包拆除

换电操作人员将空的换电小车推至车底，并举升至托住旧电池包，此时电池包重力产生的棘轮对逆止的压力消失，通过棘轮锁止机构可轻易解锁。电池包随小车下降，靠自身重力脱开线束和水管接插口，将旧电池包回收，如图10所示。

图10 电池包安装结构（6个）

5.新电池包定位

换电操作人员将装有新电池包的换电小车推至车底，举升至一定高度后，将电池包移动至与辅助定位支架A（以螺栓联接的方式固定在车身上，不需要较大的紧固力）完全接触，然后以同样的方式移动至与辅助定位支架B（以螺栓联接的方式固定在车身上，不需要较大的紧固力）完全接触，此时初定位完成。然后将电池包继续举升，使定位销（圆锥型）进入车身的定位孔，直至定位面贴合，新电池包终定位完成，如图11所示。

图11 新电池包定位

6.新电池包安装

新电池包终定位完成后，将电池包高度继续举升，举升过程中电池包上的6个锁板（两侧各有2个安装锁板，前后各有1个安装锁板）带动车身底部的锁钩（共有6个棘轮锁钩）旋转，直至提升至最大高度。此时锁板与锁钩平齐，操作棘轮锁止机构，棘轮锁死，同时线束接插头和水管快速接头自动完成插接，新电池包安装完成，如图12所示。

图12 新电池包安装

7.车身底部设计

为了满足换电方案的实施，车身底部需要进行适应性设计，新增方管及钣金件结构，6个卡托式安装装置以螺栓联接的方式固定在方管上，如图13所示。

图13 车身底部安装

换电方案试制试验验证

1.原理样机试制

选择某款SUV车型的尺寸和电池质量作为参考，试制一台满足转运要求的换电小车、一个模拟电池包和一台模拟样车，如图14所示。

图14 换电原理样机

2.试验方案设计

试验模拟车辆驾驶人换电的过程，先将换电小车推至模拟样车底部，举升至拖住模拟电池包，解锁棘轮锁止机构，模拟电池包随着换电小车下降，换电小车将模拟电池包运至电池存放点后，搭载模拟的新电池包，运送至模拟样车底部，举升电池包进行初定位、终定位和电池包锁止，然后换电小车下降并离开模拟车辆。试验采取换电时间评价的方法，进行多次试验，通过秒表记录操作时间并取平均值。

3.原理样机试验

（1）原理样机参数 原理样机基本参数见表1。

表1 原理样机基本参数

（2）原理样机测试 选择空旷的场地，假定前期准备安装简易坡道的时间为0.5min，车辆开上坡道，并拆除中间段的时间为1min，设定好各部分的初始位置及状态，应用秒表进行换电时间数据采集。

当换电操作人员做好准备工作后，试验记录人员示意开始，同时按下秒表记录键，操作人员开始换电操作。当新电池包安装完成，换电小车到达指定位置后，换电操作完成，试验记录人员按下暂停键，并记录操作时间。反复记录5次后，试验结束，试验人员将采集的5组数据记录并求平均值，结果见表2。

表2 换电时间统计 （单位：s）

通过数据分析可知，本文设计的换电方案平均每次换电时间为9min，虽高于燃油车加油的时间5min，但远低于目前的快充、慢充时间，可满足车辆人员换电快捷高效的使用要求。

（3）原理样机主观评价 从换电电池包、换电小车、电池包拆除/装配机构及换电简易坡道等新增换电成本角度考虑，本文的换电方案投入费用在1万元以内，远低于现有的换电站方案，有利于大规模推广。从方便性角度考虑，本文的换电方案对场地要求不高，只需要安装简易坡道或使用千斤顶，便可随时随地进行换电，增加了新能源汽车换电的使用场景，减少了新能源汽车使用人员的续驶里程焦虑。

结语

1）本文分析了现有不同换电方案的优缺点，提出了目前最可行的换电方案是底盘换电。

2）提出了一种可行的底盘换电流程和换电方案，通过理论分析的方法验证了方案可行。

3）设计了原理样机试制试验验证方案。通过客观测试指标和主观评价结果说明，本设计方案换电时间短、换电投入低、换电方式便捷，可满足用户使用要求，减少用户续驶里程焦虑，有利于大规模推广。

4）本文提出的换电方案原理适用于不同车型、不同规格的电池包，比如换电小车尺寸的调整、卡托式安装装置尺寸的调整，为新车型开发过程中换电方案的设计和换电设施的建设和推广提供了新思路，希望能为新能源汽车的持续发展和解决客户续驶里程焦虑提供借鉴。