商用电动汽车动力电池换装系统研究现状及展望.doc

分类号： 学校代码：10079 密级：华北电力大学工商管理硕士 学位论文中外文摘要 题 目：商用电动汽车动力电池换装系统研究现状及展望英 文 题目：Research Situation and Prospect of commercial electric vehicle battery changing system 研 究 生：梁璐 专 业: 工商管理（MBA）指 导 教 师： 职称： 论文提交日期：2012年9月29日华 北 电 力 大 学商用电动汽车动力电池换装系统研究现状及展望梁飞宇 梁璐（华北电力大学 工商管理学院 MBA0953班级）摘要：在全球能源环境问题的巨大挑战下，发展新能源产业已在国际上形成广泛共识。随着我国政府支持政策的陆续出台和新能源技术的不断发展，电动汽车产业面临巨大的发展机遇。而与之配套应运而生的电动汽车服务业也步入战略发展期。本篇文章通过对电动汽车动力电池换装系统研究现状的分析，介绍了电池换装系统的发展轨迹。并分别对一步式、二步式换装系统进行了优劣分析，从理论上肯定了两步式换装系统的优势地位。文章还对换装系统运行模式的潜在问题进行了探讨，对未来发展前景作出了展望。关键词：新能源，换装系统，一步式，两步式一、序言以动力电池换装的形式为电动汽车进行电能补充的模式最早由以色列的BetterPlace公司提出。由于该模式为电动汽车进行电能补充具有堪比油车的方便快捷以及低廉的行驶成本的优势，使得该模式具有极强的市场前景。美国、日本、以色列等多个国家先后建立了示范运行的电动汽车换电站，并取得了良好的运行效果。中国作为国际新能源战略的重要参与国，积极投身电动汽车产业。自2008年起，以熊猫环岛公交车充换电站运营为基点，正式拉开了中国电动汽车换装系统研究的序幕。随着国家电网公司、许继集团、南方电网公司等大型企业的加盟，极大推动了换装系统的发展速度，并成功的在国内各大中型城市成功应用。本文将结合换装系统的实际应用情况，对换装系统的研究现状进行系统性分析。二、一步式换装系统作为最早出现的动力电池换装系统，一步式换装系统被广泛地应用于电动公交车运营领域。例如北京熊猫环岛充换电站，青岛薛家岛充换电站都是典型的一步式换装系统。 图 1熊猫环岛换装系统实物图（一） 标准的一步式换装系统图2 标准一步式换装系统标准的一步式换装系统是通过一台电池更换设备将电池从车上取放，然后将电池安放在电池充电货架上充电。该种换装系统结构简单，易于实现，但是在实际应用过程中也暴露出一些问题。1. 电池的充电环境温度无法有效保证一步式换装系统需要对货架的所有电池充电位置进行操作，所以充电货架无法有效进行封闭，充电温度无法保证。在北方地区的冬季，采用一步式换装系统的充换电站无法依照设计倍率对电池进行充电。2. 电池的换装效率受系统规模限制由于在一步式换装系统中，换装设备除了将电池从电动汽车上取下外，还承担了一部分电池管理工作，即将待充电池安放于货架和将满充电池从货架上取出。随着充换电站规模的增大和充电货架的扩充，整体换装效率会受到影响。3. 系统的通用性受到限制一步式换装系统多采用一次更换多块的换装设备，对电池在车上的布置和分布要求比较严格。但由于每款电动汽车的结构和设计不同，电池的安装位置的差异导致很难做到一台换装设备适应多款电动车型。（二） 改进型一步式换装系统针对标准的一步式换装系统存在的问题，最早提出改进设计的是北京航天桥充换电站采用的环形RGV换装系统。该系统的整体结构如下图所示：图3 航天桥换装系统实物图图4 改进型一步式换装系统环形RGV换装系统通过环形轨道和两台明确分工的换装机器人解决了标准一步式系统的部分问题：由于两台换装机器人分别负责待充电池的卸车和满充电池的上车，可以独立并行工作，增加了换装效率；电池充电货架底部加装了加热通风系统，一定程度上缓解了北京地区冬季充电的降效问题。但是改进型一步式换装系统的加热系统并不是精确的温度控制，放置在敞开的充电货架上的电池也容易受到灰尘、污水的影响，减少使用寿命。另一方面，该系统的占地面积较大、自动化设备数量较多，所以初期建设成本高，整套系统的运行可靠性低。三、两步式换装系统随着换装系统研究的发展，采取有效措施对电池进行管理和充电控制成为所有换装系统设计的一致共识。因此两步式换装系统应运而生，并成为北方地区广泛采用的换装系统模式。（一）标准的两步式换装系统标准的两步式换装系统包括电池管理区、电池中转区和电池换装区三个部分。前部的电池换装区，使用专用的换装设备，负责对电动汽车进行电池的安装和卸载。后部的电池管理区为标准的恒温物流系统，对电池的充电和调度进行有效的管理。电池中转区作为电池换装区和电池管理区的互动操作平台，不间断进行电池换装。由于电池从充电货架到安装到车体上需要两步完成，故称为两步式换装系统。 图5 标准两步式换装系统示意图两步式换装系统通过电池管理区与电池换装区的分立设计，有效的改进了一步式换装系统主要问题，极大的提高了充换电站的运行服务水平。其优点如下所述：1.优化系统效率分立的功能区域提高了换装系统效率。在电池换装区内，根据车侧换装的要求，可以为换装设备配置准确的定位机构和随动机构，增加换装可靠性。在电池箱管理模块内，可以采用定位精度适中、工作效率较高的堆垛机设备，提高电池管理的效率。由于换装设备在两步式换装系统内不进行电池管理而只负责电池换装，其工作面由原来的全货架平面缩减到电池中转区平面，换装路径大幅度缩减，增加了实际换装的效率。电池箱管理区使原来的电池管理时间从换装过程中独立出来，可以在准备时间内进行，也可以与电池换装区独立并行工作，增加电池管理的效率。2.适用性广泛专用的电池换装区显著地增强了换装系统的适用性，减小了换装设备的体积和生产成本，在换装系统建设时可以根据车辆车型的不同选择对应的换装设备。由于中转机构作为满充电池的准备区域，而同组电池的选择完全由电池箱管理区调控完成，对于不同电池数量的车型，只需通过改变中转机构的结构和电池充电架的区域划分就可以实现系统之间的兼容，所以电池箱管理区可以完全适应各种车辆。通过两步式模块化换装系统的改进，使系统的运行维护成本下降，整套系统的各部分零部件都可以进行规模化生产，并能够适用于各类车型的换电站设备，彻底改变目前一车一系统、定制定做的换装系统运行模式。3.良好的充电环境由于电池中转区的设置减小了换装设备的工作面，使电池箱管理区可以得到良好的封闭，只通过中转机构的接口与外界换装区进行对接。根据充电温度需求，为电池箱管理区搭建恒温隔音的密封环境，可以有效提高电池的充电效率，显著延长电池寿命。同时，良好的密封环境可以最大程度减少灰尘、污水等工况环境对电池、锁紧机构、精密传感器和充电设备的影响。将充电机纳入密封环境内还可以最大程度的减少噪音污染。北京地区的北土城公交车充换电站和马家楼充换电站均采用了标准的两步式换装系统模式。图6 北京马家楼电动环卫车充换电站（二）集约型两步式换装系统虽然两步式换装系统解决了一步式换装系统的诸多问题，但由于系统结构的复杂化，使系统的占地面积显著增加。在北京、上海等大中型城市，会增加充换电站的建设投资。所以进一步对换装系统进行集约化设计成为换装系统研究的新方向。下面介绍一种典型的集约型两步式换装系统。图7 集约型两步式换装系统示意图集约型两步式换装系统采取将中转区内嵌于电池管理区的方法，实现对两步式换装系统的集约化改进。该种设计具有以下优点：1.保留了两步式换装系统的全部特点：由于该种设计使换装系统仍然保留电池更换区、电池中转区和电池管理区三个部分，所以两步式换装系统的高效性、广泛适用性和良好的充电环境等特点得到了有效的延续。2.减小了系统的占地面积将中转区内嵌于电池管理区内部，将使整体换装系统的占地面积减少约四分之一。该种设计使换装系统的结构更为紧凑，保温效果也延伸至中转区域，进一步加强了电池使用的温度控制。3.优化了换装流程以往的一步式和两步式换装系统，在进行电池换装的过程中，均需完成将电池旋转180度的动作。该动作对换装设备或堆垛设备的载重要求较高，完成过程的可靠性较差，会明显影响换装过程的效率。集约型两步式换装系统采用反向的充电货架，电池的朝向与车侧一致，整个换装过程中电池不发生旋转，克服了原有换装流程的问题。北京高安屯的2吨环卫车换装系统和临沂的公交车换装系统均采用集约型两步式换装系统。图8 高安屯2吨环卫车集约型两步式换装系统四、换装系统研究的展望电动汽车换装系统运营模式相比传统的充电模式虽然具有明显的市场竞争力，但是其特殊的运行方式也对运营过程提出了诸多要求。首先，需要建立电池标准化体系作为支撑。由于换装模式下电池作为通用设备为用户提供服务，因此要保证电池之间的可互换性和高可靠性，需要建立一套涵盖电池外形、电极、结构、安全防护等各项内容的完整的标准化体系。并且该套体系应作大面积推广普及，才能保证电动汽车的行驶范围和行驶安全。其次，需要建立一套完备的结算机制。相比充电服务运营模式而言，换电服务模式中用户除了使用电能以外，还接受了换装服务、电池维护等附加服务。建立合理准确的计量结算系统，为用户提供最方便快捷的服务，是换装模式生存延续的关键。此外，对不固定服务对象的客户支撑能力不足是换装模式的一项弊端。换电站内的电池货位数量及服务能力与被服务车辆的运行规律、换装效率以及充电速度关系密切。如北土城公交车换电站，其服务车辆数量、车辆行驶里程、电池充电速度及换装效率等相对稳定，可以准确的对换装系统进行设计。但是对于私人用户一类的随机性较强的用户群体，换装系统的设计就相对困难。而运营商因为需要购置相当规模数量的电池来保障运营服务的可靠性，在成本测算方面也增加了相当的难度。根据上述内容，未来换装系统的研究发展方向主要有以下几个方面：1.电池箱标准的统一标准电池箱的区域性统一是换装模式下电动汽车大规模应用的前提，也是未来换装系统的研究重点。它需要集合电池箱设计、车体设计和换装设备设计等多方面因素，是全面推广换装模式的关键所在。2.与智能电网技术的融合私人乘用车用户是电动汽车最大的用户群体，它的需求的不确定性会导致单体换电站规模无法进行准确估计，造成电能利用效率下降。未来的换装运营系统将会与智能电网技术进行有效的融合，利用电价峰谷差价、VtoG（Vehcle to Grid）技术以及微网控制技术实现对电能的有效利用。 3.与现代物流系统的融合未来的区域性换装系统不再是一个个独立换电站的概念，而是通过物联网技术和物流系统的有效结合使其成为一个有机的整体。利用物联网和物流系统，使各独立换电站间可以进行有效的电池配送，满足区域换装需求的动态变化。参考文献：1 孙逢春 王震坡 孙立清 电动汽车技术经济性分析与研究 电动汽车的研究与开发 2002年2 行征 高岩 董进 电动汽车充换电系统的SD模型研究 交通运输系统工程与信息 2012年第三期 180186页说明：出版的有关事项通知如下：一、增刊征稿范围主要面向我校中青年科研人员和博、硕士研究生，适当吸收校外高质量稿件。栏目设置与正刊相同，即：“电力经济研究”、“能源资源环境问题研究”、“经济与管理”、“法律与政治”、“哲学与文化”、“语言文学研究”、“教育理论与实践” “高校工作论坛”等，超此范围概不刊载。二、文章要求论点新颖，论据充分，字体规范，标点正确，引文无误；电子文稿和打印文稿务必