“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目五大創新點發揮作用

智能充換電，讓電動汽車走得更遠

特約記者 魏衆 朱選傑  記者 董光耀

充換電站怎樣才有“高智商”？有了“高智商”的充換電站能做什麼？國家電網許繼集團有限公司（文内稱“許繼集團”）牽頭完成的“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目給出了自己的答案。項目組研發出完全自主知識産權成套智能充換電設備，包括電池循環壽命提升技術、通用快換電池箱技術、充換儲放一體化技術、網絡運營監控技術等。項目的5個技術創新點，也為電動汽車智能充換電服務網絡建設奠定了更加廣泛的實用化基礎。

【創新】1 利用電池“剩餘價值”

不能滿足電動汽車要求的動力蓄電池，在一定條件下可以作為儲能蓄電池來利用，或作為低速電動車的動力源。不能再繼續使用後，才會被回收、拆解、再生。

在日常生活中，會過日子的主婦常常會把電池“多用”：兒童玩具用過的電池，可以再裝在鬧鐘、遙控器裡。作為電動汽車的核心部件之一，成本相對較高的電池如何得到充分的利用，也是“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目組關心的問題。

陳天錦是許繼集團電動汽車充換電事業部總工程師，也是該項目的參與者。陳天錦介紹，電動汽車的動力電池有一定使用壽命。以锂離子蓄電池為例，業内公認的是，當電池隻能充滿原有電容量80%的時候，就不再适合繼續在電動汽車上作為動力電池使用，這個時間為5年左右。“如果直接報廢、回收處理，顯然不能實現物盡其用，後來我們就研究，從電動汽車上退下來的動力蓄電池，能不能在其他地方繼續發揮作用，或者能否延長動力電池的使用時間。”陳天錦說。

在研究動力電池的損耗規律後，項目組提出對電動汽車廢舊動力蓄電池的“梯次利用”。不能滿足電動汽車要求的動力蓄電池，在外觀完好、沒有破損、各功能元件有效的情況下，可以作為儲能蓄電池來利用，或作為電動場地車等低速電動車的動力源。當動力蓄電池在這些場合使用一段時間不能再繼續使用後，才會被成批回收、拆解、再生。

理念簡單，但需要一整套的系統來支持。項目組研發出“電動汽車充換電站充換儲放一體化系統”，利用雙向的智能化充放電裝置，實現動力電池的充放儲一體化控制。在此基礎上，項目組依據電動汽車行駛需求和動力電池充放電特性，建立動力電池在包括電動汽車、不間斷電源、儲能等不同應用場景的梯次利用策略，使動力電池使用效率最大化。這套系統和對電池的梯次利用，使得如今電動汽車對動力電池剩餘容量的要求，由80%降低到60%，動力電池使用成本降低50%。

【創新】2 設備自己上報狀态

無線射頻、紅外感應、全球定位系統等技術，将具有身份标識的電動汽車、動力電池、充電設施、換電設備等相關主體互聯，讓它們可以主動将狀态信息實時傳輸到監控系統中。

根據電池的“梯次利用”方案，在電池隻能充滿原有電容量80%甚至于60%時，會被用在其他地方，那麼我們首先必須知道，電池的狀态何時已達到了從電動汽車上退役的标準。

一個充換電站有幾百、幾千個電池，依次一一檢測并不容易，這就需要物聯網技術了。

許繼集團技術中心工程師李洪峰介紹說，應用“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目成果的充換電站，采用無線射頻技術，通過部署于車輛和電池箱上的電子标簽，實現身份标識與自動感知。

利用網絡化的信息台賬、充電過程中的自動故障檢測、配送過程的追蹤與追溯等手段，充換電站可實現動力電池的采購、倉儲、充電、換電、使用、配送、檢修、維護、報廢等全壽命周期管理。通過這套系統，一旦有電池不再适于在電動汽車上使用，它自己就會“告訴”系統，十分快捷、準确。

同時，項目組研發了電池物流調配的自動優化調度的數學模型，以及衍生出的一體化調度的輔助決策算法。在電池終端的自動識别、出入庫管理、遠程無線監控的基礎上，同時考慮電池配送站配送能力、充換電站的需求、充電中心的充電能力，交通運行狀況等多個領域進行一體化協同調度。

當然，項目所應用的物聯網技術可不僅是電池感知這一點。無線射頻、紅外感應、全球定位系統等技術，将具有身份标識的電動汽車、動力電池、充電設施、換電設備等相關主體互聯，讓它們自己将狀态實時傳輸到監控系統中，一目了然。

【創新】3 機器人幫咱換電池

隻要把車開進換電車道，剩下的就交給換電機器人吧。換電機器人遵循智能、高效、便捷、安全的設計原則，一次可以更換4箱電池，能夠在短時間完成換電。

2011年7月11日，薛家島智能充換儲放一體化示範電站（下稱“薛家島站”）投入試運行。這座位于山東省青島市膠州灣海底隧道黃島側出口的充換電站，應用了“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目成果，主要為電動公交車提供充換電服務。司機将車開進換電車道，剩下的交給換電機器人就可以了。

“在運行過程中，換電工位無需人工幹預，即可實現電動汽車的電池更換。”許繼電源公司總工程師董新生介紹說，項目組研發出的換電機器人，遵循智能、高效、便捷、安全的設計原則，整個換電過程由兩部分組成，分别是全過程車輛自動導引系統和全自動無人換電系統。

全過程車輛自動導引系統是由物聯網感知導引系統和地面導引系統組成。當車輛駛入換電站入口時，它就會被射頻識别系統感知，系統就會“認出”這輛車的身份，後台監控通過對電池和工位的有序調度，用站外導引屏通知司機駛入第幾通道、第幾工位進行換電。地面導引系統通過斑馬線、車道線、減速帶盡可能地引導車輛的停靠姿态。

當汽車停靠後，換電操作員或司機将電池艙門打開，然後發出準備就緒信号，全自動無人換電系統就開始工作。“如果今後電池艙門設計成氣動的，艙門都不需要人去打開，整個換電過程完全無人化。”董新生說。

項目組研發出的換電機器人，有一個最大的特點，就是自适應性，即換電過程對司機沒有特殊要求，對車輛停靠姿态也沒有特殊要求。要換電的電動汽車，每箱電池重約275公斤，在抽取和放置電池的過程中，車身會上下浮動。換電機器人利用高速機械視覺定位系統和換電架随動控制系統，能夠自己調整電池架來适應這種浮動，保證精準換電。

為保證電池箱在車載電池艙和電池架之間的可靠鎖止和可靠抓取，項目組設計出一套獨特的全機械推拉鎖止機構，保證電池箱不會從車上摔出和脫落。

另外，換電機器人采用“多箱批量作業”方式，一次可以更換4箱電池，能夠在短時間完成換電。以薛家島站為例，每輛公交車的換電時間為6~8分鐘。“電池箱換電機器人完全具有自主知識産權，已經申請專利29項。”董新生說。

【創新】4 智能調度，充電不用排隊

通過智能調度，能夠使充換電站在降低電池備用數量的同時，提高充換電站設施使用效率，實現充換電站運行管理系統與公交運營管理系統的有效互動和信息共享。

司機們一定碰到過這樣的情況——同一家加油站，有時候排長隊，有時候卻空無一車。電動汽車充換電站也會遇到這種情況。為充分利用充換電站的資源，“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目研發人員在充換電系統實現“物物相連”的基礎上，開發出智能運行調度系統。

李洪峰介紹說，智能運行調度系統，是通過研究充換電站與電動公交公司的運行模型，在兩個運行管理系統之間進行有效、及時的信息互動，對電動汽車運行狀态、動力電池充放電特性、換電站工況等相關數據實施綜合處理，通過必要的統一調度，實現電動公交車與電動汽車充換電站的高效有序運行。這就能夠使充換電站在降低電池備用數量的同時，提高充換電站設施使用效率，實現電動汽車充換電站運行管理系統與公交運營管理系統的有效互動和信息共享。

城市的交通狀況随時在變，即使有固定路線、固定發車時間的公交車，也不能保證每次進入充換電站的時間有規律，更不用說普通的乘用車，它們運行的随機性很強，這就意味着會有紮堆充換電的可能。

怎樣消除這種不确定性呢？項目組經過研究後，選擇采用随機建模分析及随機動态優化策略，描述電動車輛的不确定性動态行為，包括動力電池的變化過程、電動車輛始發及回站時間、動力電池箱換電需求量等，通過與電網供給能力和動力電池充放電特性相結合，實現一體化站的各種運營和調度策略評估，指導一體化站内電池箱的有序充電及換電過程的運營調度。

因此，在應用該系統的電動汽車充換電站，你既不會看到排着長龍的汽車等待換電，也不會看到充換電站長時間空置的狀态，提高了充換電站的效率。

【創新】5  讓充換電站形成網絡

跨區域、全覆蓋、基于物聯網的智能充換電服務網絡，其合理布局能夠增大電動汽車行駛範圍，讓駕乘人員不必再時刻擔心電池電量，過足駕乘瘾。

如果要時刻盤算着剩餘電量能不能撐到充換電站，不敢長距離出行，那駕乘電動汽車可真不過瘾。

解決這個問題其實不難：讓充換電站形成服務網絡，開到哪都可以充換電。董新生介紹說，一個合理布局的智能充換電服務網絡，可以促進電動汽車的普及，這不僅将改變現有的化石能源消費格局，還将成為智能電網建設的重要組成部分，同時作為一個儲能系統，為風電、太陽能等清潔能源的消納提供平台。他特别介紹了青島電動汽車換電服務網絡。

青島電動汽車換電服務網絡由薛家島站、深圳路充換電站、延安路充換電站、珠江路充換電站、流清河充換電站以及萊西充換電站組成，服務公交車輛已達450輛，服務線路逐步跨越青島主城區、經濟技術開發區以及萊西市。在形成換電服務網絡之前，電動汽車要預留出返回充換電站的電量，單次換電平均運營行駛裡程僅90公裡。網絡形成後，電動汽車單次換電平均運營行駛裡程增大到150公裡，最大裡程達到225公裡。根據規劃，青島在“十二五”末将建設公交車充換電站近20座，電動公交車保有量預測達1500輛。

“電動汽車充換電智能化關鍵技術、成套設備及工程應用”項目組還提出由集中充電站和配送站組成的“集中充電統一配送方案”。集中充電站有集中充電系統，還配備有配送車。配送站的電池由集中充電站或充換電站配送，利用市區較小的空間建設。或許，在不遠的未來，居民在小區門口就會看到電池配送站。

項目成果還以動力電池在電動汽車、集中充電站、充換電站、配送站等相關主體的流轉為紐帶，構建以省級數據中心為核心，包括運營總部、省級運營中心、地市級（縣區級）運營機構在内的運營管理系統，實現跨區域、全覆蓋，基于物聯網的電動汽車智能充換電服務網絡。一旦這種網絡能夠大範圍建成，電動汽車遠距離行駛就不用再擔心電池電量，人們可以過足電動汽車駕乘瘾。

2014-6-11《亮報》第8-9版