摘 要：目前，当电动汽车行驶一定里程，汽车内动力电池电量降低，进行电量补充分主要为充电和换电两大类模式。相比较于充电模式，换电模式是直接采取对车内电池进行快速更换，能够使电动汽车在相对较短的时间内得到电量补充。采用换电模式时，整个换电时间通常都在10分钟以内，而常规充电模式，根据充电电流倍率不同分快充慢充，一般需要30分钟至3小时不等。换电完成后，车辆可以继续行驶，对于需要长途行驶或者持续性运营的车辆，换电模式相对来说会合适的多。

关键词：电动汽车；换电站；发展

1 换电设备设计的变更和改善

1.1 两步式电池更换系统（早期设计）

两步式电池更换系统电池更换设备在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1组、有轨巷道堆垛机1台、机械手2台、摆渡穿梭车2台及控制柜系统1套。更换过程：有轨巷道堆垛机、机械手和摆渡穿梭车配合共同完成。其中，有轨巷道堆垛机和机械手各在电池架的一侧，穿梭车在电池架下方。有轨巷道堆垛机负责从电池架上取放电池，机械手负责从车上取放电池，而摆渡穿梭车位于电池架的下方，作为在两者之间传递电池的通道。三种设备互相配合，流水线操作，完成大巴车电池的更换。取放电池能力方面，堆垛机、机械手每次最多取放1箱电池，穿梭车上有2个电池位，用于堆垛机和机械手电池的交换。堆垛机、机械手都具有升降、沿轨道行走和取放电池三个方向动作，穿梭车只有沿轨道行走一个方向动作。

1.2 一步式自旋转更换系统（中期设计）

一步式自旋转更换系统电池更换设备也是在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1组、自旋转换电机器人1套。更换过程：自旋转换电机器人可独立完成整个换电过程。自旋转换电机器人可依次从电池架上和车上取电池，每次最多可以取4箱，取完后，除底座外，整体在水平方向旋转180°，然后依次把电池存入电池架上或装入电动大巴车内。取放电池能力方面，自旋转换电机器人每次最多可以同时取放4箱电池，而且车上取下后，还可以继续从电池架上取，也就是说，换电机器人上最多可以同时有8箱电池。自旋转机器人具有升降、沿轨道行走、取放电池和水平方向旋转四个方向动作。

1.3 一步式内旋转更换系统（终期设计）

一步式內旋转更换系统电池更换设备也是在换电车辆两侧各一套，对称布置，每套设备包括：电池架1组、内旋转换电机器人1套。更换过程：内旋转换电机器人独立完成整个换电过程。内旋转换电机器人有两个取放电池格位，每个格位都可以独立旋转。内旋转机器人凭借这两个格位的取放电池和旋转，使电池得以从电池架和车辆之间更换。取放电池能力方面，内旋转换电机器人每次最多可以取放2箱电池，即每次在车辆侧或者电池架侧，最多可以完成2箱电池的更换。内旋转机器人具有升降、沿轨道行走、取放电池和电池格位水平方向旋转四个方向动作。

2 三种设计方案技术经济性比较

换电站主要目的是使电动汽车快速得到电能的补充，最关心的主要有几个要素：整体换电时间、设备占地面积、设备造价等。以下从换电时间、设备占地面积、设备造价等三方面进行分析。

2.1换电效率

根据设计方案，经换电流程分析，以及换电设备行走、升降、取放电池速度等数据，进行测算可得出三种设计需要换电时间，具体见表1。

原因分析如下：两步式方案，需要三种设备之间互相配合，且堆垛机和机械手每次在电池架侧或者车辆侧都只能取放1箱电池，虽然单箱电池换电时定位、取放速度都较快，但是整个换电过程步骤太多，流程复杂，按车辆单侧电池有5箱（电动大巴车单侧典型电池箱数）算，需要设备完成完整的5个往返取放流程才能完成换电过程。测算总时间需要近10分钟；一步式自旋转方案，设备单次最多可以取放4箱电池，按车辆单侧电池有5箱算，设备也只要在电池架和车辆之间往返取放2个流程即可完成换电过程。但是该设备设计一次抓取多箱电池，定位过程慢，设备抓取电池前需要通过多个传感器协调配合，完成精确定位调整，耗时较多。相比早期方案，换电流程减少很多，测算总体换电时间在8分钟左右；一步式内旋转方案，换电设备上有两个电池取放格位，可独立动作，单箱取放电池，但是单次在电池架侧和车辆侧都可以完成2箱电池的更换。按车辆单侧电池有5箱算，完成换电过程换电设备需往返取放3个流程。但是其两个换电格位相互独立，定位过程简单，取放速度快，单次测算时间仅需不到6分钟。红谷滩换电站目前已经完成建设，经现场实测，完成一次电动大巴车换电，平均时间仅为5分53秒。

2.2 设备占地面积

换电站一半选址位于城市交通枢纽附件或中心区域，因此换电设备的占地面积对换电站的选址及整体方案布置至关重要。另外，在土地成本日益高涨的今天，如果能减少换电设备的占地面积，能够大大提高项目整体经济性。

需要说明的是，一步式内旋转方案虽然轨道需要17.61m，如果按此长度计算的话，占地面积为187m2。不过，长于集装箱12.2m的部分占地设计可以同时作为检修通道，检修通道宽为3m，该区域其他方案设计也一样需要，因而一步式内旋转方案长度仍按12.2m算，占地面积为129.61m2。由上表可以看出，一步式内旋转方案比早期两步式方案节省用地约39%。

2.3 设备造价

换电设备中，分硬件成本和软件成本。硬件中，造价最高的部件主要有进口的伺服电机、主控制器、变频器等。其中变频器和伺服电机一一对应，以下简称其为伺服电机系统。本文中，仅以伺服电机系统进行简单分析。两步式方案中，单套换电设备包含1台堆垛机、2台转运车、2台机械手组成，其中堆垛机可以三个方向运动，需要3套伺服电机系统，2台转运车一个方向运动，共需要2套伺服电机系统，2台机械手也是三个方向运动，共需要6套伺服电机系统。因而，总计需要11套伺服电机系统。一步式自旋转方案中，自旋转、行走和升降各需要1套伺服电机系统，取放电池需要8套伺服电机系统，总计也需要11套伺服电机系统。一步式内旋转方案中，行走和升降各需要1套伺服电机系统，取放电池和内旋转各需要2套伺服电机系统，总计需要8套伺服电机系统。

仅从电机系统看，一步式内旋转方案造价最低，加之其结构最简单，所需的传感器也最少，控制逻辑相对简单，软件和主控制器成本也更低。

2.4小结

以上从换电效率、占地面积及设备造价等方面综合比较了两步式、一步式自旋转和一步式内旋转三个方案，最终的一步式内旋转方案在效率上比早期的两步式方案提高了约40%，占地面积缩减了约39%，节省了设备一次性投资，运维成本上也有所降低。所以，红谷滩换电站项目通过不断探索和改进，最终取得了显著的成绩。

作者简介：寇亮（1982-），男，江西，工程师，本科，研究方向：电气工程自动化。