劉濤 李峰 何云飛 沈艷虹

摘要：換電式重卡以其高效的補(bǔ)能方式，實(shí)現(xiàn)了3 min補(bǔ)充電量到滿電狀態(tài)，補(bǔ)能時(shí)間幾乎同于燃油車加油時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益顯著。當(dāng)前影響換電式重卡大規(guī)模應(yīng)用最關(guān)鍵的問題是電池系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)多品牌間的互換，制約了換電式重卡的運(yùn)營(yíng)范圍。基于此，從影響電池系統(tǒng)互換性的主要幾個(gè)方面出發(fā)，并結(jié)合已發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)重卡換電互換性因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：換電式重卡；換電電池系統(tǒng)；互換性；標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：U4636? 收稿日期：2024-03-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406001

1 前言

重卡保有量只占機(jī)動(dòng)車的204%左右，但氮氧化物和顆粒物分別達(dá)到汽車排放總量的七成和五成以上。重卡是石油消耗、污染物及碳排放的大戶，發(fā)展電動(dòng)重卡節(jié)油減排效益顯著，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的必然要求。

電動(dòng)重卡補(bǔ)能方式目前有三種技術(shù)路線，即超充模式、快充模式和換電模式。2021年10月工信部印發(fā)《關(guān)于啟動(dòng)新能源汽車換電模式應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》，決定啟動(dòng)新能源汽車換電模式應(yīng)用試點(diǎn)工作。其中健全標(biāo)準(zhǔn)體系是7個(gè)試點(diǎn)內(nèi)容之一，建立重卡換電互換性標(biāo)準(zhǔn)率先被提上制定日程。

當(dāng)前換電式重卡由于各品牌換電電池系統(tǒng)間物理結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議不同，不支持品牌間的互換，從而限制了換電式重卡的運(yùn)營(yíng)范圍，制約了換電式重卡的發(fā)展［1］。面對(duì)這些問題，早在2021年汽標(biāo)委就已組建換電式重卡互換性標(biāo)準(zhǔn)起草組，開展互換性標(biāo)準(zhǔn)制定工作。2023年12月工信部發(fā)布首批換電重卡互換性系列標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1201—2023《純電動(dòng)商用車車載換電系統(tǒng)互換性》（所有部分），致力于解決互換性問題，讓電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨品牌流通，讓各品牌換電站內(nèi)動(dòng)力電池系統(tǒng)可互換，擴(kuò)大換電式重卡運(yùn)營(yíng)使用范圍，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。

2 換電式重卡運(yùn)營(yíng)路線

換電式重卡為采用可更換的動(dòng)力蓄電池的電動(dòng)重卡。當(dāng)電動(dòng)重卡動(dòng)力電池電量較低時(shí)，駕駛員將車輛開到換電站內(nèi)換電工位上，換電工位上的定位平臺(tái)識(shí)別換電車輛信息，與車輛和電池進(jìn)行信息交互，引導(dǎo)車輛，并進(jìn)行初步定位。初定位后換電控制平臺(tái)與車輛換電控制器通信，發(fā)出解鎖車載底托鎖機(jī)構(gòu)指令，此時(shí)鎖機(jī)構(gòu)打開，吊裝工具對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，自動(dòng)拆卸低電量電池，裝載滿電量電池。低電量電池進(jìn)入電池充電間，放入充電架上對(duì)其進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)電池狀況進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)。換電站配置了消防系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器，對(duì)整站進(jìn)行全方位監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，站內(nèi)換電可實(shí)現(xiàn)無人值守操作［2］。圖1所示為重卡換電運(yùn)行路線。

換電完成后電動(dòng)重卡處于滿電狀態(tài)，即可駛出換電站進(jìn)入作業(yè)場(chǎng)所。整個(gè)換電過程約3 min，換電效率高，車輛從低電量到滿電量的時(shí)間之短，是當(dāng)前充電模式無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

3 互換性影響因素

換電式重卡按照電池系統(tǒng)在車輛上的安裝位置，可以分為后背式換電、底部換電等類型。后背式換電結(jié)構(gòu)如圖2所示，后背式車載換電系統(tǒng)如圖3所示。由于后背式換電電池系統(tǒng)位于車輛上方，有利于換電吊裝工具直接抓取，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單技術(shù)成熟，是應(yīng)用最廣泛的一種方案。底部換電因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)位置低，加上重卡側(cè)下和后下部需要加裝防護(hù)裝置來防止小型車輛碰撞卷入，造成底部換電布置困難。另外，重卡在復(fù)雜工地路面作業(yè)，增大了碰撞損壞電池的風(fēng)險(xiǎn)，目前底部換電還未大規(guī)模應(yīng)用［3］。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1201—2023《純電動(dòng)商用車車載換電系統(tǒng)互換性》（所有部分）采用了后背式換電方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)從影響電池系統(tǒng)互換的五大因素，分別制定了五部分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

31 換電電氣接口

該部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了換電電氣連接基本要求、信號(hào)定義、觸電耦合順序、連接界面、端子排布和尺寸參數(shù)。為了保證換電接口的互換性，標(biāo)準(zhǔn)要求電氣連接器各互換性界面尺寸一致，并給出了詳細(xì)的公差要求，保證從物理結(jié)構(gòu)上具有互換性。同時(shí)電氣連接器各個(gè)針腳的功能也進(jìn)行了定義。電氣連接器采用了兩路主電源的結(jié)構(gòu)布置，單端子持續(xù)最大電流支持400 A，對(duì)于電氣連接器即可實(shí)現(xiàn)800 A持續(xù)工作電流。同時(shí)具有1路100 A高壓輔助電源，用于連接車載冷卻機(jī)組與電池系統(tǒng)。額定工作電壓支持1 500 V，符合超級(jí)快充技術(shù)指標(biāo)。

對(duì)于電氣連接器布置方案大致分為兩種：a在充電和放電模式下通過電池系統(tǒng)內(nèi)部電路接觸器的開閉，轉(zhuǎn)換電路連接方式，實(shí)現(xiàn)充電和放電使用同一個(gè)連接器，即單連接器方案，如圖4所示。b充電和放電電路完全分離，各司其職，充電連接器僅在電池充電時(shí)使用，而放電連接器僅在車輛行駛電池放電時(shí)使用，即雙連接器方案，如圖5所示。在使用單連接器方案時(shí)低壓信號(hào)區(qū)域A負(fù)責(zé)行車信號(hào)，區(qū)域B負(fù)責(zé)充電信號(hào)。當(dāng)使用雙連接器方案時(shí)，多余的低壓信號(hào)區(qū)域?qū)⒘艨辗舛?，不定義其功能。

電氣連接器上下端面采用浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，在水平各方向可實(shí)現(xiàn)最大8 mm移動(dòng)，在垂直方向可實(shí)現(xiàn)最大10 mm的上下移動(dòng)，彌補(bǔ)了電池系統(tǒng)與換電底座的定位偏差，也保證了電氣連接器具有一定的傾斜導(dǎo)正能力。

32 換電冷卻接口

該部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了冷卻接口基本性能要求，冷卻接口總成、電池端以及車端的結(jié)構(gòu)和尺寸。圖6所示為冷卻接口結(jié)構(gòu)。接口耦合后通過位于電池端接口內(nèi)部的密封圈與車輛端接口外圓面密封。兩端接口內(nèi)都設(shè)有閥芯，接口耦合后相互頂開，此時(shí)管路連通冷卻液流動(dòng)，接口分離后閥芯自動(dòng)封閉，保證每次耦合插拔冷卻液泄漏量不大于05 mL。車輛端4個(gè)安裝螺柱上都配有彈簧，彈簧托起接口安裝板，壓縮彈簧時(shí)接口安裝板可以實(shí)現(xiàn)最大10 mm的上下移動(dòng)，螺柱與安裝板孔之間留有較大活動(dòng)間隙，可以在水平任意方向?qū)崿F(xiàn)最大8 mm的移動(dòng)。接口與安裝板的連接也采用了彈性支撐連接，具有一定的傾斜導(dǎo)正能力。

換電式重卡動(dòng)力電池普遍采用280 kW·h以上大電量電池，換電站內(nèi)單個(gè)充電位充電功率約300 kW，是電池發(fā)熱和冷卻系統(tǒng)工作的主要場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下要求冷卻接口額定流量不小于50 L/min以保證冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

33 換電機(jī)構(gòu)

該部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了換電電池系統(tǒng)換電機(jī)構(gòu)，包括抓取接口、承載面、導(dǎo)向定位、鎖止等機(jī)械接口形式及尺寸，以及電氣接口和冷卻接口安裝位置。對(duì)于車載換電系統(tǒng)來說，換電機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化是解決互換性問題的關(guān)鍵，也是各企業(yè)核心技術(shù)所在，產(chǎn)品差異化大。換電機(jī)構(gòu)需要解決的是吊裝工具能抓取、電池系統(tǒng)放得下、鎖機(jī)構(gòu)鎖得住、電氣接口和冷卻接口耦合正確等問題。

吊裝工具采用頂部鋼索吊裝，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定可靠，但由于鋼索是柔性連接，吊裝過程中晃動(dòng)大，因此要求換電機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較高的尺寸偏差導(dǎo)正能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了換電機(jī)構(gòu)三級(jí)導(dǎo)正能力，即電池系統(tǒng)在吊裝下降過程中先接觸粗導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)導(dǎo)向，最大可接受導(dǎo)正的尺寸偏差為±100 mm；電池系統(tǒng)繼續(xù)下落接觸精導(dǎo)向銷，進(jìn)入第二級(jí)精確導(dǎo)向，最大可接受導(dǎo)正的尺寸偏差為±20 mm；電池系統(tǒng)繼續(xù)下落，電氣接口與冷卻接口通過自身導(dǎo)向柱實(shí)現(xiàn)三級(jí)精確導(dǎo)向，最大可接受導(dǎo)正的尺寸偏差為±9 mm；導(dǎo)正完成后各接口正確耦合達(dá)到工作狀態(tài)。

對(duì)于鎖機(jī)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)也只規(guī)定了電池系統(tǒng)鎖止壓塊形狀和尺寸以及鎖機(jī)構(gòu)最大尺寸空間。圖7為鎖機(jī)構(gòu)壓緊方式示意圖。鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、壓頭形式等不作要求，能實(shí)現(xiàn)鎖緊要求即可，大大提高了鎖機(jī)構(gòu)創(chuàng)新空間。

34 換電電池系統(tǒng)

該部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了換電電池系統(tǒng)的一般要求、結(jié)構(gòu)和尺寸。對(duì)于不同類型的重卡，因行駛需求的里程不同，其電量也不同，電量不同則重量不同。換電電池系統(tǒng)電量和重量如表2所示。換電作業(yè)時(shí)應(yīng)選擇相同電量的換電電池系統(tǒng)進(jìn)行換電，但即使電量相同因各制造商的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，其換電電池系統(tǒng)重量也有很大差別。標(biāo)準(zhǔn)給出了不同電量下系統(tǒng)最大重量的要求，為鎖機(jī)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，鎖機(jī)構(gòu)按照最大承載重量設(shè)計(jì)鎖緊力，能夠兼容重量更輕的電池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)互換后安全鎖止。

基于對(duì)重卡外廓尺寸，以及電池系統(tǒng)內(nèi)部電池包尺寸，對(duì)電池系統(tǒng)外形尺寸做了限制，避免換電后由于左右偏移使得整車寬度超出GB 1589—2016中2 550 mm的寬度限值，以及4 000 mm的高度限值。

35 通信協(xié)議

該部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了車輛與電池系統(tǒng)的通信。通過規(guī)定高壓架構(gòu)、上下電邏輯及交互信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)不同廠家車輛與不同廠家的電池互換后無障礙通信。

為了實(shí)現(xiàn)互換后可用，通信協(xié)議還詳細(xì)規(guī)定了總線物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層的要求，以及各類報(bào)文信號(hào)名稱、信號(hào)長(zhǎng)度、編碼定義、信號(hào)定義、信號(hào)具體位置定義。

4 重卡換電面臨的挑戰(zhàn)

換電模式在補(bǔ)能效率和對(duì)電池的安全性保護(hù)方面相對(duì)于充電模式更勝一籌。在用戶購車成本方面也有較大優(yōu)勢(shì)，受益于“車電分離”政策，用戶購置換電式車型只需購買不含動(dòng)力電池的車輛即可，降低了初始購車成本。在使用成本上，油電差價(jià)越大，換電重卡能耗成本低的優(yōu)勢(shì)就會(huì)愈發(fā)凸顯。用戶租用運(yùn)營(yíng)商電池也避免了電池使用中衰減、損壞、維修等風(fēng)險(xiǎn)。但要真正實(shí)現(xiàn)電池互換，僅對(duì)車載換電系統(tǒng)的互換性作出規(guī)范還不夠，車輛與換電站的通信、換電后車輛的安全檢查監(jiān)控、電費(fèi)結(jié)算、電池流通管理、電池?fù)p毀責(zé)任界定、朔源管理等問題仍然待解決。

另一方面，由于電池技術(shù)涉及企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，從企業(yè)利益角度來看電池廠不愿意電池通用化。重卡換電產(chǎn)業(yè)相關(guān)利益方眾多，涉及設(shè)備制造商、換電站運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)、技術(shù)供應(yīng)商、電池供應(yīng)商、電池銀行、車企、用戶（企業(yè)/個(gè)人）、運(yùn)力商、金融服務(wù)商等多個(gè)方面，缺乏權(quán)威主導(dǎo)，難以尋求能平衡各方利益的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

為解決以上問題，需要各利益相關(guān)方以開放融合的態(tài)度，推動(dòng)換電行業(yè)整體向可互換方向發(fā)展，讓換電重卡在任何換電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)能，擴(kuò)大運(yùn)營(yíng)范圍，真正推動(dòng)換電行業(yè)進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：

劉濤，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚇?biāo)準(zhǔn)法規(guī)。