“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目五大创新点发挥作用

智能充换电，让电动汽车走得更远

特约记者 魏众 朱选杰  记者 董光耀

充换电站怎样才有“高智商”？有了“高智商”的充换电站能做什么？国家电网许继集团有限公司（文内称“许继集团”）牵头完成的“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目给出了自己的答案。项目组研发出完全自主知识产权成套智能充换电设备，包括电池循环寿命提升技术、通用快换电池箱技术、充换储放一体化技术、网络运营监控技术等。项目的5个技术创新点，也为电动汽车智能充换电服务网络建设奠定了更加广泛的实用化基础。

【创新】1 利用电池“剩余价值”

不能满足电动汽车要求的动力蓄电池，在一定条件下可以作为储能蓄电池来利用，或作为低速电动车的动力源。不能再继续使用后，才会被回收、拆解、再生。

在日常生活中，会过日子的主妇常常会把电池“多用”：儿童玩具用过的电池，可以再装在闹钟、遥控器里。作为电动汽车的核心部件之一，成本相对较高的电池如何得到充分的利用，也是“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目组关心的问题。

陈天锦是许继集团电动汽车充换电事业部总工程师，也是该项目的参与者。陈天锦介绍，电动汽车的动力电池有一定使用寿命。以锂离子蓄电池为例，业内公认的是，当电池只能充满原有电容量80%的时候，就不再适合继续在电动汽车上作为动力电池使用，这个时间为5年左右。“如果直接报废、回收处理，显然不能实现物尽其用，后来我们就研究，从电动汽车上退下来的动力蓄电池，能不能在其他地方继续发挥作用，或者能否延长动力电池的使用时间。”陈天锦说。

在研究动力电池的损耗规律后，项目组提出对电动汽车废旧动力蓄电池的“梯次利用”。不能满足电动汽车要求的动力蓄电池，在外观完好、没有破损、各功能元件有效的情况下，可以作为储能蓄电池来利用，或作为电动场地车等低速电动车的动力源。当动力蓄电池在这些场合使用一段时间不能再继续使用后，才会被成批回收、拆解、再生。

理念简单，但需要一整套的系统来支持。项目组研发出“电动汽车充换电站充换储放一体化系统”，利用双向的智能化充放电装置，实现动力电池的充放储一体化控制。在此基础上，项目组依据电动汽车行驶需求和动力电池充放电特性，建立动力电池在包括电动汽车、不间断电源、储能等不同应用场景的梯次利用策略，使动力电池使用效率最大化。这套系统和对电池的梯次利用，使得如今电动汽车对动力电池剩余容量的要求，由80%降低到60%，动力电池使用成本降低50%。

【创新】2 设备自己上报状态

无线射频、红外感应、全球定位系统等技术，将具有身份标识的电动汽车、动力电池、充电设施、换电设备等相关主体互联，让它们可以主动将状态信息实时传输到监控系统中。

根据电池的“梯次利用”方案，在电池只能充满原有电容量80%甚至于60%时，会被用在其他地方，那么我们首先必须知道，电池的状态何时已达到了从电动汽车上退役的标准。

一个充换电站有几百、几千个电池，依次一一检测并不容易，这就需要物联网技术了。

许继集团技术中心工程师李洪峰介绍说，应用“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目成果的充换电站，采用无线射频技术，通过部署于车辆和电池箱上的电子标签，实现身份标识与自动感知。

利用网络化的信息台账、充电过程中的自动故障检测、配送过程的追踪与追溯等手段，充换电站可实现动力电池的采购、仓储、充电、换电、使用、配送、检修、维护、报废等全寿命周期管理。通过这套系统，一旦有电池不再适于在电动汽车上使用，它自己就会“告诉”系统，十分快捷、准确。

同时，项目组研发了电池物流调配的自动优化调度的数学模型，以及衍生出的一体化调度的辅助决策算法。在电池终端的自动识别、出入库管理、远程无线监控的基础上，同时考虑电池配送站配送能力、充换电站的需求、充电中心的充电能力，交通运行状况等多个领域进行一体化协同调度。

当然，项目所应用的物联网技术可不仅是电池感知这一点。无线射频、红外感应、全球定位系统等技术，将具有身份标识的电动汽车、动力电池、充电设施、换电设备等相关主体互联，让它们自己将状态实时传输到监控系统中，一目了然。

【创新】3 机器人帮咱换电池

只要把车开进换电车道，剩下的就交给换电机器人吧。换电机器人遵循智能、高效、便捷、安全的设计原则，一次可以更换4箱电池，能够在短时间完成换电。

2011年7月11日，薛家岛智能充换储放一体化示范电站（下称“薛家岛站”）投入试运行。这座位于山东省青岛市胶州湾海底隧道黄岛侧出口的充换电站，应用了“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目成果，主要为电动公交车提供充换电服务。司机将车开进换电车道，剩下的交给换电机器人就可以了。

“在运行过程中，换电工位无需人工干预，即可实现电动汽车的电池更换。”许继电源公司总工程师董新生介绍说，项目组研发出的换电机器人，遵循智能、高效、便捷、安全的设计原则，整个换电过程由两部分组成，分别是全过程车辆自动导引系统和全自动无人换电系统。

全过程车辆自动导引系统是由物联网感知导引系统和地面导引系统组成。当车辆驶入换电站入口时，它就会被射频识别系统感知，系统就会“认出”这辆车的身份，后台监控通过对电池和工位的有序调度，用站外导引屏通知司机驶入第几通道、第几工位进行换电。地面导引系统通过斑马线、车道线、减速带尽可能地引导车辆的停靠姿态。

当汽车停靠后，换电操作员或司机将电池舱门打开，然后发出准备就绪信号，全自动无人换电系统就开始工作。“如果今后电池舱门设计成气动的，舱门都不需要人去打开，整个换电过程完全无人化。”董新生说。

项目组研发出的换电机器人，有一个最大的特点，就是自适应性，即换电过程对司机没有特殊要求，对车辆停靠姿态也没有特殊要求。要换电的电动汽车，每箱电池重约275公斤，在抽取和放置电池的过程中，车身会上下浮动。换电机器人利用高速机械视觉定位系统和换电架随动控制系统，能够自己调整电池架来适应这种浮动，保证精准换电。

为保证电池箱在车载电池舱和电池架之间的可靠锁止和可靠抓取，项目组设计出一套独特的全机械推拉锁止机构，保证电池箱不会从车上摔出和脱落。

另外，换电机器人采用“多箱批量作业”方式，一次可以更换4箱电池，能够在短时间完成换电。以薛家岛站为例，每辆公交车的换电时间为6~8分钟。“电池箱换电机器人完全具有自主知识产权，已经申请专利29项。”董新生说。

【创新】4 智能调度，充电不用排队

通过智能调度，能够使充换电站在降低电池备用数量的同时，提高充换电站设施使用效率，实现充换电站运行管理系统与公交运营管理系统的有效互动和信息共享。

司机们一定碰到过这样的情况——同一家加油站，有时候排长队，有时候却空无一车。电动汽车充换电站也会遇到这种情况。为充分利用充换电站的资源，“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目研发人员在充换电系统实现“物物相连”的基础上，开发出智能运行调度系统。

李洪峰介绍说，智能运行调度系统，是通过研究充换电站与电动公交公司的运行模型，在两个运行管理系统之间进行有效、及时的信息互动，对电动汽车运行状态、动力电池充放电特性、换电站工况等相关数据实施综合处理，通过必要的统一调度，实现电动公交车与电动汽车充换电站的高效有序运行。这就能够使充换电站在降低电池备用数量的同时，提高充换电站设施使用效率，实现电动汽车充换电站运行管理系统与公交运营管理系统的有效互动和信息共享。

城市的交通状况随时在变，即使有固定路线、固定发车时间的公交车，也不能保证每次进入充换电站的时间有规律，更不用说普通的乘用车，它们运行的随机性很强，这就意味着会有扎堆充换电的可能。

怎样消除这种不确定性呢？项目组经过研究后，选择采用随机建模分析及随机动态优化策略，描述电动车辆的不确定性动态行为，包括动力电池的变化过程、电动车辆始发及回站时间、动力电池箱换电需求量等，通过与电网供给能力和动力电池充放电特性相结合，实现一体化站的各种运营和调度策略评估，指导一体化站内电池箱的有序充电及换电过程的运营调度。

因此，在应用该系统的电动汽车充换电站，你既不会看到排着长龙的汽车等待换电，也不会看到充换电站长时间空置的状态，提高了充换电站的效率。

【创新】5  让充换电站形成网络

跨区域、全覆盖、基于物联网的智能充换电服务网络，其合理布局能够增大电动汽车行驶范围，让驾乘人员不必再时刻担心电池电量，过足驾乘瘾。

如果要时刻盘算着剩余电量能不能撑到充换电站，不敢长距离出行，那驾乘电动汽车可真不过瘾。

解决这个问题其实不难：让充换电站形成服务网络，开到哪都可以充换电。董新生介绍说，一个合理布局的智能充换电服务网络，可以促进电动汽车的普及，这不仅将改变现有的化石能源消费格局，还将成为智能电网建设的重要组成部分，同时作为一个储能系统，为风电、太阳能等清洁能源的消纳提供平台。他特别介绍了青岛电动汽车换电服务网络。

青岛电动汽车换电服务网络由薛家岛站、深圳路充换电站、延安路充换电站、珠江路充换电站、流清河充换电站以及莱西充换电站组成，服务公交车辆已达450辆，服务线路逐步跨越青岛主城区、经济技术开发区以及莱西市。在形成换电服务网络之前，电动汽车要预留出返回充换电站的电量，单次换电平均运营行驶里程仅90公里。网络形成后，电动汽车单次换电平均运营行驶里程增大到150公里，最大里程达到225公里。根据规划，青岛在“十二五”末将建设公交车充换电站近20座，电动公交车保有量预测达1500辆。

“电动汽车充换电智能化关键技术、成套设备及工程应用”项目组还提出由集中充电站和配送站组成的“集中充电统一配送方案”。集中充电站有集中充电系统，还配备有配送车。配送站的电池由集中充电站或充换电站配送，利用市区较小的空间建设。或许，在不远的未来，居民在小区门口就会看到电池配送站。

项目成果还以动力电池在电动汽车、集中充电站、充换电站、配送站等相关主体的流转为纽带，构建以省级数据中心为核心，包括运营总部、省级运营中心、地市级（县区级）运营机构在内的运营管理系统，实现跨区域、全覆盖，基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络。一旦这种网络能够大范围建成，电动汽车远距离行驶就不用再担心电池电量，人们可以过足电动汽车驾乘瘾。

2014-6-11《亮报》第8-9版