基于共享电池实现的电动车快速换电体系及其运行方法与流程

本发明涉及一种基于共享电池实现的电动车快速换电体系及该电动车快速换电体系的运行方法，属于电动车电池更换技术领域。

背景技术：

目前，电动车，包括纯电动车、混合动力电动车，大多使用锂系列电池，以插电的方式来进行充电，这种“插电”的充电方式需要基于“车电一体”、“一车一桩”、“长停充电”、“分散充电”等模式建立起来。从如今推广电动车的现状来看，上述这种“插电”充电方式已严重地阻碍了电动车的制造与生产，无法实现大规模的商业化，归其原因在于，“插电”充电方式主要存在以下几个方面的弊端：

第一，车辆与电池绑定为一体的“车电一体”模式使得车辆在充电时必须依靠“充电桩”。

第二，充电时，每辆车必须占用一个充电桩，即“一车一桩”。而安装设置充电桩一定要配有固定停车位，这便使得在土地资源、停车位资源极度紧张和电力改造极为困难的城市，设置足够数量的充电桩是难以实现的，因此往往造成司机在驾车途中因找不到充电桩充电而感到焦虑。

第三，“长停充电”的问题是不仅要停车充电，还要长时间地占位停车进行充电。这会致使即便司机找到了充电桩，其也不得不停下来耐心等待漫长的充电过程(还可能涉及长时间排队等待的时间)。

第四，“分散充电”是指司机需要自己寻找充电桩或安设价格高的充电桩，自己动手插电充电。这种自己充电操作的方式无疑存在极大的用电安全隐患。

由此可见，设计出一种可替代上述“插电”的充电方式，使电动车在充电方面不再费力、费时、费精神的技术方案，是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于共享电池实现的电动车快速换电体系及该电动车快速换电体系的运行方法，这种电动车快速换电体系通过快速“换电”的工业化集中充电方式彻底打破与解决了传统电动车“插电”充电方式所遇到的困境。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于共享电池实现的电动车快速换电体系，其特征在于：它包括：

电动车，其上设有用于安放共享电池的电池仓，电池与电动车各自独立、可互相分离，电池从电动车的侧面取出与放入；

换电站点，其包括用于存放满电电池和缺电电池的电池存储室，以及将电动车上的缺电电池快速更换为满电电池的换电设备；

电池工厂，从电动车换下的缺电电池通过物流网络送至电池工厂进行集中充电，电池工厂充电完毕的满电电池通过物流网络送至各换电站点，以及电池工厂对问题电池进行维护、回收、再造；

电厂，其将借由风、水或光发电设备产生的电能输送给电池工厂，为电池工厂提供电能源。

一种所述的基于共享电池实现的电动车快速换电体系的运行方法，其特征在于，它包括步骤：

所述电厂将自产电能送往所述电池工厂，所述电池工厂对缺电电池进行集中充电作业，然后通过物流网络将满电电池送往各所述换电站点，其中：

当司机收到电池缺电提醒时，驾驶车辆来到所述换电站点；

所述换电站点通过所述换电设备采取从车辆侧面推/拉更换电池的方式，将所述电动车上的缺电电池快速更换为满电电池；

所述换电站点的缺电电池通过物流网络送往所述电池工厂进行集中充电。

本发明的优点是：

本发明彻底解决了传统电动车“插电”充电方式的“车电一体”、“一车一桩”、“长停充电”、“分散充电”所带来的各种弊端，基于共享电池，采用快速“换电”的电池，经过工业化集中充电方式，通过物流网络送到基于低价格换电设备所建立的各种路段都有的换电站点，实现了电动车随时随地地快速更换电池，有路就有接力换电站点，以达到无限续航的目的，使电动车实现了“随机换电”、“立等换满”、“即刻出发”、“无限续航”的特点，使电动车成为人们喜欢的交通工具，为新能源电动车的发展提供了一种可行方案。

附图说明

图1是本发明电动车快速换电体系的组成示意图。

图2是无石墨烯的镍锌电池与本发明石墨烯镍锌电池的放电容量曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于共享电池实现的电动车快速换电体系包括：

电动车10，电动车10上设有用于安放共享电池的电池仓，电池与电动车10各自独立、可互相分离，电池可从电动车10的侧面取出与放入；

换电站点20，换电站点20可遍布路边街角合理设置，换电站点20包括用于存放满电电池(充满电力的共享电池)和缺电电池(电力不满的共享电池)的电池存储室，以及将电动车10上的缺电电池快速更换为满电电池的换电设备；

电池工厂30，从电动车10换下的缺电电池通过物流网络送至电池工厂30进行集中充电，电池工厂30充电完毕的满电电池通过物流网络送至各换电站点20，以及电池工厂30对问题电池(不能正常使用的共享电池)进行维护、回收、再造；

电厂40，电厂40将借由风或水或光发电设备产生的电能(自产电)输送给电池工厂30，为电池工厂30提供电能源。

在实际应用时，根据城市换电需求，在城市路边街角合理设置若干换电站点20，在城市周边设置至少一个电池工厂30以及至少一个电厂40。换电站点20的成本主要为电池存储室及换电设备，建设及运营成本在几千元，因此可普遍推广，其数量的合理设计是本发明电动车快速换电体系运行起来的关键因素之一。

在实际实施中，销售的电动车10本身不带有电池，但电池以押金形式免费提供给车主，换句话说，车主花费的仅为电池押金费用以及充电的电费。

在本发明中，共享电池可为锂系列电池(如三元锂电池、磷酸铁锂电池等)或铅酸电池或镍氢电池或镍镉电池或镍锌电池，优选为石墨烯镍锌电池，当然使用其它类型的电池也是可以的。

进一步来说，石墨烯镍锌电池包括正、负电极板，正、负电极板通过电极板材料制备工艺生产出的电极板材料制成，其中：电极板材料制备工艺包括如下步骤：

1)将电极板活性材料与石墨烯混合，然后将得到的混合材料加入蒸馏水中进行稀释搅拌均匀；

2)将稀释后的混合材料放入球磨机制备仓；

3)在制备仓抽真空、保持恒温的条件下循环进行若干次变速球磨处理，其中：逐级升高转速再逐级降低转速为一周期(即逐级升高转速再逐级降低转速为一次变速球磨处理过程)，逐级升速过程的速度变化次数与逐级降速过程的速度变化次数相同或不同；

4)将变速球磨处理得到的产物进行脱水、干燥，得到石墨烯均匀、充分包覆活性材料的复合电极板材料，待制作电极板使用。

在本发明中，逐级是指转速按设定的若干等级(每一等级对应有一预定的转速范围)呈阶梯地逐步提高或降低。

在实际制备中：当制备正电极板材料时，电极板活性材料包括氢氧化镍；当制备负电极板材料时，电极板活性材料包括氧化锌。

在电池领域，制备正电极板材料的电极板活性材料除了主要材料氢氧化镍外，还可添加氧化亚钴(CoO)、羧甲基纤维素(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)等辅助材料，辅助材料可根据实际制备需求来合理选择，不受局限。类似地，制备负电极板材料的电极板活性材料除了主要材料氧化锌外，还可添加氧化铋、氧化铅、氢氧化钙、羧甲基纤维素(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)等辅助材料，辅助材料可根据实际制备需求来合理选择，不受局限。

对于混合材料：当制备正电极板材料时，电极板活性材料占混合总重量的95％～98.5％，石墨烯占混合总重量的5％～1.5％；当制备负电极板材料时，电极板活性材料占混合总重量的97％～98.5％，石墨烯占混合总重量的3％～1.5％。

举例说明：

当制备正电极板材料时：电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的95％、5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98.5％、1.5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的96％、4％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的97.5％、2.5％。

当制备负电极板材料时：电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的97％、3％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98.5％、1.5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98％、2％。

而对于制备正、负电极板时的电极板活性材料中各种材料之间的混合比例，这是本领域的熟知技术，主要材料与辅助材料之间的比例关系应视实际需要而定，不受局限。

需要提及的是，在将电极板活性材料与石墨烯混合时，电极板活性材料的主要材料、辅助材料与石墨烯一起加入蒸馏水进行均匀混合即可。

在步骤3)中，一周期可定义为：

以A1％的临界转速运行T1时间，然后以A2％的临界转速运行T2时间，然后以A3％的临界转速运行T3时间，最后以A4％的临界转速运行T4时间，完成逐级升速过程，而后，以B1％的临界转速运行T5时间，然后以B2％的临界转速运行T6时间，然后以B3％的临界转速运行T7时间，最后以B4％的临界转速运行T8时间，完成逐级降速过程；

其中：

A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4为大于0且小于100的正实数，A1＜A2＜A3＜A4，B1＞B2＞B3＞B4，在实际实施时，A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4之间可相等或不等，A1与B4、A2与B3、A3与B2、A4与B1可相等或不等，

T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8为大于0的正实数，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8之间可相等或不等，T1与T8、T2与T7、T3与T6、T4与T5可相等或不等。

在实际设计中，较佳的设定如下：A1＝B4，A2＝B3，A3＝B2，A4＝B1，T1＝T8，T2＝T7，T3＝T6，T4＝T5，这样便于操作与控制，另外，T1～T8设定为30分钟左右为宜，整个变速球磨处理时间持续4～8小时为宜。

在本发明中，临界转速为公知设备球磨机的固有参数，故在这里不再赘述。

举例说明：较佳地，一周期可进行如下设定：以15％的临界转速运行30分钟，然后以30％的临界转速运行30分钟，然后以50％的临界转速运行30分钟，最后以70％的临界转速运行30分钟，完成逐级升速过程，以及，以70％的临界转速运行30分钟，然后以50％的临界转速运行30分钟，然后以30％的临界转速运行30分钟，最后以15％的临界转速运行30分钟，完成逐级降速过程。

需要说明的是，较佳地，逐级升速过程中每次速度升高的幅度相同，同样地，逐级降速过程中每次速度降低的幅度相同。并且进一步较佳地，对于逐级升速过程和逐级降速过程中的相同等级，每个等级的速度升高幅度与和其处于相同等级的速度降低幅度相同。

在本发明中，制备仓的温度在40度至50度之间，优选保持为48度。

下表列出了经由电极板材料制备工艺制备出的电极板材料制造得到的石墨烯镍锌电池所具有的各项性能，其中，循环执行两次如下变速球磨处理过程(一周期)：15％的临界转速运行30分钟→30％的临界转速运行30分钟→50％的临界转速运行30分钟→70％的临界转速运行30分钟→70％的临界转速运行30分钟→50％的临界转速运行30分钟→30％的临界转速运行30分钟→15％的临界转速运行30分钟。

表 镍锌电池和石墨烯镍锌电池性能对比表

由上表可以看出，石墨烯镍锌电池与无石墨烯的镍锌电池相比，其在比能量、比功率、充电速度、放电倍率、放电容量、循环使用寿命等方面都具有极佳的性能。石墨烯镍锌电池的能量密度可达到90Wh/Kg～110Wh/Kg，循环使用寿命不小于1000次。

另外，图2示出了无石墨烯的镍锌电池与石墨烯镍锌电池的放电容量曲线图。从图2可以看出，石墨烯镍锌电池与无石墨烯的镍锌电池相比，放电容量明显增大，放电持续时间变长，显著地提高了电池使用性能。

需要提及的是：石墨烯应用于电池领域是基于石墨烯所具有的诸多特性，如其具有良好的导电导热性能，其电导率可达10⁸Ω/m，面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m²)，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料，其比表面积大(2630m²/g，用其制做的电池有很好的电容性能，可实现快速充电)，热导率(室温下5000W·m^-1·K^-1)是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜(室温下401W·m·K)的十倍多，并且其具有极高的强度与柔韧性，还具有良好的光学特性，在物理学、材料学上被广泛使用。

石墨烯镍锌电池是以镍锌电池为基础研发的，其具有快速充电，良好的深度放电、高放电倍率、循环使用寿命长(由石墨烯所具有的导电性能实现)等优点，且其成本低于镍锌材料。

但是，正因为石墨烯具有良好的强度、柔韧，因此如何令石墨烯对氢氧化镍、氧化锌电极板材料实现有效、均匀与充分包覆，是一个很难解决的问题，这需要对石墨烯材料做到均匀、充分地分散处理，而电极板材料制备工艺便很好地解决了这个难题。

这里需要说明的是，由于石墨烯镍锌电池具有极安全、无污染、低造价、高回收率、高功率密度、高循环使用寿命等优点，因此其使本发明构建起来的这种快速“换电”的工业化集中充电方式可以有效、合理地实施运营起来。

进一步来说，对于换电站点20，换电设备可包括可移动行走、高低调节的装卸电池平台，装卸电池平台上设有推拉机构，推拉机构对电动车10电池仓内安置的若干电池进行电池更换操作，电池更换操作为同时执行缺电电池取出与满电电池放入，其中：缺电电池通过推或拉的方式取出而满电电池通过拉或推的方式放入。

在这里需要说明的是，这种换电设备的采用使得快速换电成为可能，通常换电在几分钟之内，甚至1分钟内便可完成，省时省力。

关于换电设备的具体结构，可参见专利号为201310164242.X，名称为“一种车底侧向连动换电池的电动车及其取换电池的装置”的中国发明专利中公开的内容。

优选地，本发明中的“自产电”可使用专利号为200910210773.1、名称为“多级叶轮风力发电机”的中国发明专利中公开的发电机来实现，这种多级叶轮风力发电机在风速为2m/s的微风下即可运行发电，在强风下也能够安全发电，适应性极强，可根据电厂情况安装使用。

如图1，本发明电动车快速换电体系还包括互联网信息平台50，互联网信息平台50分别与电动车10内设置的车载监控设备、换电站点20内设置的换电监控设备、电池工厂30设置的工厂监控系统以及电厂40设置的输电监控系统互相通讯，其中：

电池内可安装有用于监测电池性能(电量、温度等)的智能芯片，智能芯片与车载监控设备通讯；车载监控设备对电池的电量进行显示与电池缺电提醒；

通过互联网信息平台50，车载监控设备对符合司机需求的换电站点20进行显示及导航；

司机通过刷卡操作或移动终端(如手机)APP程序确认换电后，换电站点20的换电监控设备启动换电设备执行电池更换操作，或者站点工作人员通过换电监控设备启动换电设备执行电池更换操作，以及电池更换完毕后通过互联网信息平台50为司机完成电费结算；

电池工厂30的工厂监控系统通过互联网信息平台50确定满电电池用完或即将用完的换电站点20后，电池工厂30通过物流网络将满电电池送往换电站点20以及将缺电电池送回电池工厂30进行集中充电；

电池工厂30的工厂监控系统通过互联网信息平台50统计所有换电站点20的电池更换情况，以通过互联网信息平台50向电厂40的输电监控系统请求输送自产电能，来安排电池充电作业。

在实际设计中，电池上的智能芯片还可根据实际需求设计跟踪定位、检测并反馈电池工作状况等功能。

本发明针对上述电动车快速换电体系，还提出了一种运行方法，包括如下步骤：

电厂40将自产电能送往电池工厂30，电池工厂30对缺电电池进行集中充电作业，然后通过物流网络将满电电池送往各换电站点20，其中：

当司机收到电池缺电提醒时，驾驶车辆来到某个换电站点20；

换电站点20通过换电设备采取从车辆侧面推/拉更换电池的方式，将电动车10上的缺电电池快速更换为满电电池；

换电站点20的缺电电池通过物流网络送往电池工厂30进行集中充电。

由此形成了一个节能环保自循环的能源供给新生态。

在实际实施中，司机可通过互联网信息平台50查找并导航到达符合自己需求(例如距离最近的换电站点)的换电站点20。而电池内可安装有用于监测电池性能(电量、温度等)的智能芯片，以便向司机发出电池缺电提醒。

在实际实施中，司机通过刷卡操作或移动终端(如手机)APP程序来确认换电后，换电设备便可随即启动电池更换操作，而在电池更换完毕后，司机可通过刷卡或移动终端APP程序操作来完成电费结算。

本发明的优点是：

1、本发明彻底解决了传统电动车“插电”充电方式的“车电一体”、“一车一桩”、“长停充电”、“分散充电”所带来的各种弊端，基于共享电池，采用快速“换电”的工业化集中充电方式实现了电动车随时随地地快速更换电池，达到无限续航的目的，且一次充电续驶里程不用要求太高。

1)“车电分离”。本发明使用的“共享电池”是与电动车可相分离的电池，所有电动车，或者说是所有品牌的电动车可共同共享电池。

2)在本发明中，“共享”通过在换电站点自由“更换”来完成，即电动车在互联网信息平台所提供的信息指导下，找到自己所需要的换电站点，使用换电设备快捷地替换掉缺电电池，更换上满电电池，以实现续航里程无极限。这种在换电站点更换电池的做法不再需要“一车一桩”，缓解了土地资源、停车位资源极度紧张的现状。

3)“立等换满”替代了“长停充电”。本发明采取的这种更换电池的充电方式以及采用换电设备进行快速换电的措施，使得换电在几分钟之内，甚至1分钟内便可完成，极大地为司机带来了便利，省时省力。

4)“集中充电”替代了“分散充电”，避免了车主自行充电操作存在的用电安全隐患，且可有效保障电池的充电效率，延长电池使用寿命。

2、本发明构建并实现了一种产电→充电→换电的自循环商业模式，与现行纯电动车市场相比，其具有低成本、高效益、规模化和市场化的新生态特点。

在本发明中，为了降低生产成本，使用了通过风、水、光等发电设备所产生的“自产电”，自产电的优点在于它是完全的清洁能源，其使电动车快速换电体系更加环保，具有能源节省、减排的优点。

另外，本发明建立了电池工厂，确保了在电池充电、维护、回收、再造以及制造等方面可以做到高效率、低成本、质量有保障。

3、在本发明中，购车时电动车是不带电池的，但电池不用车主花钱购买，是完全免费提供给车主的。但是在实际实施中，为了避免电池丢失、损坏或以次充好、假冒伪劣等问题，可收取一定的电池押金。

4、本发明采用了具有极安全、无污染、低造价、高回收率、高功率密度、高循环使用寿命等优点的石墨烯镍锌电池，石墨烯镍锌电池使得本发明的这种快速“换电”的工业化集中充电方式有效、合理地实施运营起来。石墨烯镍锌电池的回收再造率可达到95％以上，而其造价仅是锂系列电池的三分之一，锂系列电池的回收再造率只有15％。

5、本发明的“换电”须具备“通用性”的电池以及“通用性”的电池仓，电动车上的电池仓可实现电池安置与快速更换功能，以便实现快速换电。

6、互联网信息平台让“信息化”、“智能化”成为本发明这种快速“换电”的工业化集中充电模式的灵魂和大脑，互联网信息平台可对整个体系进行实时地监管、控制和操作，以确保整个体系的正常与稳定运行。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。