用于电动汽车动态改变车载电池容量的更换电池系统和方法与流程

本发明涉及一种用于电动汽车动态改变车载电池容量的更换电池系统和方法，将换电模式与充电模式结合起来，将换电模式用于动态改变车载电池容量、以适应个性化的需求；并且通过车电分离，降低事故风险，实现对电池不定期的维护和保养，属于电动汽车系统设计的技术领域。

背景技术：

一直以来，电动汽车的电能补给是一个棘手的问题。为改善使用性能和提升便利性，现有应用中采用的技术手段主要包括两个，即快速充电技术和换电技术（更换电池技术，如参考资料1）。上述两种技术手段，对于基础设施的建设都有一定的要求；并且其重点都是在于提升电能补给的便利性、并没有从根本上解决个性化需求的问题。

对于具有强烈的个性化需求特征的乘用车/家用车领域，其主要需求包括：

1、日常性短途行驶需求：日均行驶里程较短，通常为50-100公里；对电池续航里程要求较低；

2、间歇性长途行驶需求：在某些相对集中的时间段内，有长途行驶的需求，包括出差、旅游、走访亲友等；对电池续航里程要求较高；

由此可见，上述两种需求差异的核心是对电池的容量和特性有不同的要求，因此单纯提升电能补给的便利性只能治标，不能治本。

随着动力电池技术的发展，也许在不久的将来就可以在电动汽车上配备能够续航里程500公里以上的电池，虽然这样可以基本解决里程焦虑，但是对于日均行驶里程较短的乘用车而言，也将造成极大的资源闲置和浪费。而且，电动汽车的环境相对比较复杂和恶劣，因此长期存放在电动汽车之中的动力电池，其日历寿命也会缩短很多、明显低于电池的理论寿命，这也就必然加重资源浪费的程度。当续航里程增加时，车载动力电池的充电频率降低，理论上即使使用8-10年仍然有一定的循环次数可以利用，但实际上电动汽车所处的外部环境复杂多变，若不进行合理的养护车载电池是否能坚持使用8年都是未知的，而退役之后的电池剩余的可直接利用价值也所剩无几。

还有一点，电动汽车很多事故都是在夜间停车的时间段发生的、尤其是进行夜间充电的情况下。由于夜间管理难度大、且不易及时发现问题，往往导致事故升级造成严重后果。当车载电池的数量增多时，诱发事故的概率也随之升高。

虽然有很多人支持“换电模式”，但“换电模式”的弊端依然很明显：

一是“换电模式”需要大量的电池储备，投资高、产业规模巨大、产业链协调较难；

二是“换电模式”会增加电池与电动汽车连接结构的不稳定性风险，引发安全问题，并且频繁拆装电池会产生机械变形或损伤。

因此，“换电模式”适合出租车、公交车和有车队的单位等集团用户、并且在公交车领域已经有很多成功案例；而“充电模式”更适合乘用车/家用车等散户、以补充电能为目的的“换电模式”并不适合此类应用。

参考资料：

1、中国专利：申请号2016108904412，用于电动汽车的底盘式换电站及其换电方法。

技术实现要素：

针对现有的技术的问题，本发明的技术方案是，将现有的换电模式与充电模式结合起来，更换电池的目的不再是补充电能、而是动态改变车载电池容量、以适应个性化的需求；并且通过车电分离，降低事故风险，实现对电池不定期的维护和保养。

本发明的用于电动汽车动态改变车载电池容量的更换电池系统，包括固定电池组、可更换电池组，以及与固定电池组、可更换电池组分别对应的第一预留空间和第二预留空间；具体的：

第一，在电动汽车中预先设定用于安装电池的预留空间；

第二，将电池分为固定电池组和可更换电池组，相应的将预留空间划分为第一预留空间和第二预留空间；

第三，在电动汽车的生产过程中，将固定电池组（静态）安装到电动汽车之中的第一预留空间之中，再与电动汽车连接并固定；第二预留空间为空闲状态；此时，由固定电池组为电动汽车提供电能，用于满足短途行驶需求；

第四，当需要满足长途行驶需求时，将可更换电池组（动态）安装到电动汽车之中的第二预留空间之中，再与电动汽车连接并固定；此时，由固定电池组与可更换电池组共同为电动汽车提供电能，用于满足长途行驶需求；

第五，当长途行驶需求结束后，将可更换电池组从电动汽车之中取出；第二预留空间恢复为空闲状态；此时，由固定电池组为电动汽车提供电能，用于满足短途行驶需求。

需要指出的是，所述的短途行驶单程距离与固定电池组的电池容量相关联；所述的长途行驶单程距离与固定电池组和可更换电池组的电池容量总和相关联。

进一步的，所述的固定电池组采用磷酸铁锂正极电池或锰酸锂正极电池；其优点是安全性能较高、适应于电动汽车的复杂应用环境、缺点是能量密度偏低；由于固定电池组长期处于电动汽车之内，因此应优先选用安全性能较高的电池类型。并且，固定电池组只承担电池总容量中较小的部分，因此能量密度偏低的弱点并不是非常突出。

进一步的，所述的可更换电池组采用三元材料正极电池或其他高能量密度的电池；用于满足长途行驶需求。

需要指出的是，可更换电池组具体可分为两种，一种是专用电池、即电池由用户购买拥有产权；另一种是共享电池，由运营商统一购置，用户租赁使用。

对于专用电池运营商提供的是暂时代为保管、维护、保养、充电的服务，按保管时间计价和按充电电量计价；对于共享电池运营商提供的租赁服务，按租赁时间计价；从而形成两种不同的盈利模式。

进一步的，可更换电池组中包含电池身份验证模块，用于确认电池的身份、并用于记录和追踪可更换电池组的使用过程。

本发明的优点：

1、给用户更多的选择方案，有利于开展共享电池模式，降低电池的总体使用量，提高使用率、减少资源闲置和浪费；

2、对于短途行驶需求占比较高的乘用车/家用车意义重大；在约占总行驶里程70-80%的短途行驶模式下，电动汽车的总重量减轻，有利于节能；同时大部分时间中车载电池的数量较少，一定程度上做到车电分离，降低了发生安全事故的风险；

3、固定电池组和可更换电池组可以更有侧重的进行类型和特性选择、并进行混搭，充分满足了用户的个性化需求；短途行驶使用的是排除能量密度因素之后综合性能较好的磷酸铁锂正极电池或锰酸锂正极电池，安全性和耐久性都得到保障；长途行驶主要使用能量密度较高的三元材料正极电池，因此长途行驶的性能也可以得到保障、同时可更换电池组会经常性的进行离线维护，其寿命和安全性也将有所提升；

4、从一定程度上解除用户对更换电池模式的不信任问题，因为当对可更换电池组发生故障或问题时，系统可以报警并迅速切换到相对更安全的固定电池组为电动汽车提供电力，而不至于完全失去动力或导致严重后果；

5、本发明的换电操作的目的是改变车载电池容量，对于大多数长途行驶需求较少的用户，更换操作的频率通常低于30天/次；由此，用户的租赁意向比较明确，可以通过提前预约的方式，提高运营商的运行效率；并且，通过降低换电的频率，使得运营商和用户都可以接受较长的换电时间（当然也并不排斥快速换电技术），由此有更充足的时间对可更换电池组进行更严格的固定和校验、实现更安全和稳固的连接，并可以校正长期运行后的机械变形等等；

6、作为配套设施的分散布置的换电站的主要功能是进行电池更换、并改变车载电池容量，对替换下来的电池进行检测和保养即可，而并不一定需要对电池补充电能，因此换电站的成本大幅下降、安全性也更高。

附图说明

附图1：现有电动汽车底盘和电池结构示意图（俯视图）；

附图2：现有电动汽车底盘和电池结构示意图（a-a截面图）；

附图3：本发明的底盘换电模式待装载可更换电池组时的结构示意图（俯视图）；

附图4：本发明的底盘换电模式待装载可更换电池组时的结构示意图（a-a截面图）；

附图5：本发明的底盘换电模式已装载可更换电池组时的结构示意图（俯视图）；

附图6：本发明的底盘换电模式已装载可更换电池组时的结构示意图（a-a截面图）；

附图7：本发明的电动汽车充电/换电网络系统结构图（一级网络）；

附图8：本发明的电动汽车充电/换电网络系统结构图（两级网络）；

其中，图1、2展示的现有方案中，10为电池。

具体实施方式

以下，结合实施例及附图对本发明的方案进行进一步说明。

实施例1：

本实施例介绍本发明的底盘换电模式的技术方案。

如图1、2所示，为现有方案的电动汽车电池装配方案；电池10安装固定在底盘5上。

如图3、4、5、6所示，为本发明的底盘换电模式的技术方案：

可更换电池组2的更换采用底盘更换的结构形式，第二预留空间4设置于电动汽车9的底盘5的中间区域，使得可更换电池组2的重心位置与电动汽车9的重心位置基本重合；

可更换电池组2固定安装在可拆卸式底板6之上，再通过可拆卸式底板6与底盘5连接并固定、同时将可更换电池组2安装到第二预留空间4的位置；

如图3、4所示，当可更换电池组2从电动汽车9中取出时，另外准备一个空白的可拆卸式底板6安装到第二预留空间4的对应位置，起到密封的作用；

如图5、6所示，当需要将可更换电池组2安装到电动汽车9之中时，应首先将对应位置的空白的可拆卸式底板6取出。

实施例2：

本实施例，介绍电动汽车充电/换电网络系统及其运行方法。

电动汽车充电/换电网络系统，是基于使用动态改变车载电池容量的更换电池系统的电动汽车而建立，包括若干个用于更换电池的换电站7、所述的更换电池的过程在换电站7完成，换电站7包括集中式充换电站7a、分散式换电站7b中的一种或两种的组合，其中：

集中式充换电站7a中至少包括电池充/放电中心、电池更换装置、电池调度装置；

分散式换电站7b中至少包括电池更换装置、电池检测装置和电池保养装置。

上述的集中式充换电站7a和分散式换电站7b中所使用的装置均为现有技术，另外也可以采用移动式换电的技术方案。

进一步的，集中式充换电站的选址原则是，交通便利和靠近电网接入点（如变电站），这样有利于降低成本、提高效率。但现有技术中，很难按上述原则进行选址，因为集中式充换电站7a的选址存在一些矛盾：

如果采用充电模式，则对电动汽车用户的便利性降低、并且要建立大规模的配套停车场和充电桩；

如果采用换电模式，则需要储备大量的备用电池，投资过高，资源利用率较低。

本发明的电动汽车充电/换电网络系统的运行方法具体包括以下两种，两种运行方法可以单独使用或组合应用：

第一、集中充换电方法：其中包括一个或多个集中式充换电站7a；

当电动汽车9在未来一段时间处于停止或短途行驶状态时，电动汽车9前往集中式充换电站7a，通过电池更换装置将可更换电池组2从电动汽车9中拆卸下来，然后通过电池调度装置将可更换电池组2送入电池充/放电中心进行统一管理；此时，电动汽车9离开集中式充换电站7a，可以行驶一段距离并停车进入停止运行状态、或者继续进行短途行驶；

当电动汽车9有长途行驶需求时前往集中式充换电站7a，通过电池调度装置将可更换电池组2从电池充/放电中心中取出，再通过电池更换装置将可更换电池组2安装到电动汽车9之中；此时，电动汽车9离开集中式充换电站7a，并可以进行长途行驶；

第二、分散换电方法：其中包括若干个分散式换电站7b；（可以根据地理区域和区域内电动汽车活跃度均匀分布）

当电动汽车9有长途行驶需求时前往分散式换电站7b，再通过电池更换装置将分散式换电站7b内存放的可更换电池组2安装到电动汽车9之中；此时，电动汽车9离开分散式换电站7b，并可以进行长途行驶；

当电动汽车9在未来一段时间没有长途行驶需求时，电动汽车9前往分散式换电站7b，通过电池更换装置将可更换电池组2从电动汽车9中拆卸下来并存放在分散式充换电站7b之中；分散式换电站7b通过电池检测装置和电池保养装置对可更换电池组2进行检测和保养；此时，电动汽车9离开分散式充换电站7b，进行短途行驶。

进一步的，由于各个分散式换电站7b的储存容量有限，因此需要通过调度车辆8对可更换电池组2进行调度管理，具体的：

第一、分散管理（如图7所示）：将存放量饱和的分散式换电站7b中的一部分可更换电池组2取出、放入调度车辆8，由调度车辆8将可更换电池组2运送到存量不足的分散式换电站7b中存放；

第二、通过集中式充换电站7a进行统一调度（如图8所示）：将存放量饱和的分散式换电站7b中的一部分可更换电池组2取出、放入调度车辆8，由调度车辆8将可更换电池组2运送到集中式充换电站7a存放；同时，从集中式充换电站7a中取出一部分可更换电池组2放入调度车辆8，由调度车辆8将可更换电池组2运送到各个存量不足的分散式换电站7b中存放。

需要指出的是，从分散式换电站7b送出的可更换电池组2以电力余量不足的电池为优先；从集中式充换电站7a送出的可更换电池组2通常是充满电的。并且，用户从分散式换电站7b处获取的可更换电池组2不一定是充满电的状态，用户可以自行选择更经济的充电方式，例如利用家用充电桩的谷电充电的方式等。

以下举两个应用案例进行说明。

第一，以私家车的应用（日均行驶里程较短）为例：

首先，将私家车的固定电池组和可更换电池组的电池容量比例按1：2配置（也可以按其他配置）；

在共享模式下，用户购买电动汽车时不购买可更换电池组，只购买满足短途行驶需求的固定电池组；当用户有长途行驶需求时，再从共享电池运营商处临时租用可更换电池组。

假设有80%的私家车用户选择共享模式。共享电池运营商所需储备的可更换电池组数量按用户数量的40%的比例进行储备即可满足应用需求。

私家车用户的年平均租用可更换电池组的时间约为40-100天，即按平均60天计算；即约有80%的行驶里程为短途行驶；

假设可更换电池组售价为6万元，按使用年限10年计算，则用户购买动力电池自用的情况下，折算到每年需支出6000元；其中，并未计算利息因素、也不包括电池未到使用年限就产生衰减或损坏的问题，实际使用成本远高于6000元/年。

若采用共享电池模式，共享电池运营商按40%比例进行电池储备，即对于每个服务对象储备电池方面的投入为2.4万元；私家车用户租用可更换电池组的价格设定为80元/天，则用户年支付费用约为3200-8000元，平均为4800元/年；用户享受了良好的服务，不用担心电池衰减或损坏的问题，费用方面基本也在可以接受的范围之内。

需要指出的是，在长途行驶需求量处于低谷的时期，大量可更换电池组将处于闲置状态，将闲置的可更换电池组组织起来用于储能调峰的应用。

对于，共享电池运营商出租电池的投资回收期约为5年；同时，可更换电池组的平均闲置天数约为(365-60/40%)=215天，在这些时间段中，可以将闲置的可更换电池组组织起来用于其他应用（如储能调峰的应用）。

因此在考虑到集中式充换电站和分散式换电站等等其他投入的基础上，共享电池运营商的总体投资回收期可以控制在4年左右，而可更换电池组的合理使用寿命则可以达到8年以上。

与传统用户购买电池自用的模式相比，本发明方案的电池使用总量为：

1-(2/3*(100%-40%))*80%=68%，即至少可以节约32%的电池的总使用量，节约社会资源、有利于电动汽车的推广；电池的总使用量减少，意味着电池的总体闲置率降低，可以更好的协调电池循环次数与日历寿命不匹配的矛盾。

综上所述，通过减少电池的总使用量，提高使用效率，使得用户和运营商都能够获得良好的收益。

第二，以出租车、物流车的应用（日均行驶里程较长）为例：

在每天正常运行过程中，可以沿用现有方案的快速充电或快速换电的电能补充方案；

当每天正常运行结束后，可将电动汽车行驶到换电站7处，将可更换电池组2从电动汽车9中拆卸下来并存放在换电站7之中，进行保养和补充电能；此时，电动汽车9可以驶离换电站7，经过短途行驶到达目的地休息；

在次日正常运行开始时，经过一段时间的短途行驶将电动汽车9行驶到换电站7处，将可更换电池组2从换电站7中取出并安装到电动汽车9之中；此时，电动汽车9可以驶离换电站7，开始正常的长途行驶过程。

上述方案中所述的换电站7，可以是集中式充换电站7a或分散式换电站7b，此时分散式换电站7b也具有充电的功能。

该方案的优点在于：

换电站无须建设配套的停车场和充电桩、并且选址更加灵活，从而降低成本；即使某些应用中已有配套的停车场用于车辆集中停放，也无须建立配套的充电桩，并且在停运的时间段基本做到车电分离；

换电站基本没有电池储备方面的投入，建设成本进一步降低；

换电站采用离线式充电，可以充分利用谷电进行充电；

电动汽车在将可更换电池组卸载之后，仍有一定的运行里程，不影响短时间内的使用；

在电动汽车停运的时间段基本做到车电分离、并且可以不进行充电，减少了很多的事故隐患、各个电动汽车可以自由选择方便的停车位置。

需要指出的是，对于日均行驶里程较长的电动汽车9，来往换电站7所需要的里程数和时间不会成为很大的负担。

本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。