充换分离模式下的电动汽车换电系统的制作方法

本实用新型涉及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种充换分离模式下的电动汽车换电系统。

背景技术：

电动新能源汽车能源补充方式基本有三：充电模式、增程模式和换电模式。其中，充电模式为，在车辆停止状态下给车载电池包充电；增程模式为，在车辆行驶过程中，给电池包进行补电，或采用第三方能源给车辆增加续航里程；换电模式为，将车辆开至指定地点，将亏电电池包拆下，换上满电电池包。

目前，在换电模式下的能源补充方式主要是充换一体模式，即，在换电机构里设置充电设施和设备，给亏电电池包进行现场充电，但这种模式存在以下问题：

第一、在充换一体的换电结构中，同时在机器仍然运转情形下给几十个亏电电池包充电，存在安全隐患。例如，由于充换一体，安装电池包的空间过于封闭狭窄，容易导致电池包过热失火。

第二、在充换一体的换电结构中，满电电池包和亏电电池包混在一起，难以单包识别；同时，复杂的堆垛结构容易造成满电电池包和亏电电池包在换电机里发生诸如卡机和碰撞等问题。

第三、在充换一体的换电结构中，由于空间有限，不可能存放过多的电池包，且与换电时间相比，充电时间长，被换下的亏电电池包难以在理想时间内完成充电，因而不能满足换电作业对满电电池包的需求。

第四、基于方便客户使用的需要，充换一体的换电站通常需要设置在市区人口和建筑物密集区和街区，但另一方面，由于充电过程存在的风险和电网容量的限制，在这些区域设置换电站市政规划困难，难以获得城市规划和电力部门的审批，且投资成本高。

此外，在上述区域设置换电站进行充电所需要的电能成本高，而且无法利用一些距离较远的光伏储能、风电等清洁能源或电厂余电等经济便宜的新能源电力资源，加重电力公司的负荷。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种充换分离模式下的电动汽车换电系统，以至少解决充换一体的换电结构所存在上述问题之一。

本实用新型公开了一种充换分离模式下的电动汽车换电系统，其特征在于，包括：集中充电场和多个换电站；每一换电站设置有换电通道、托盘车通道与运输通道；所述换电通道和所述运输通道分布于所述托盘车通道的两侧；所述托盘车通道设置有托盘车，所述托盘车用于接收亏电电池包并提供满电电池包；所述换电通道对应换电作业区，亏电电池包在该换电作业区被卸下并放置于所述托盘车内，并且，满电电池包被装载至换电车辆；所述运输通道对应运输作业区，用于供转运车向集中充电场转移装载有亏电电池包的托盘车，以及，供来自所述集中充电场的转运车输送装载满电电池包的托盘车；所述集中充电场与所述换电站分离设置，用于为亏电电池包进行集中充电。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统还包括电池包数据管理系统；所述电池包数据管理系统包括多个电池包监控诊断装置；每一所述电池包监控诊断装置设置于电池包内，用于对电池包的使用状态数据和电动汽车的行驶数据按照预先设定的频率进行采样。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，所述换电站包括换电操作系统，所述换电操作系统包括：电池包识别装置、支付系统、托盘车调动装置、rgv和rgv升降装置。其中，电池包识别装置用于识别需要更换电池包的车辆所安装的电池包；支付系统用于显示更换电池包所需支付的账单信息，并接受客户依据该账单信息所进行的支付；托盘车调动装置用于在换电通道停有需要更换电池包的换电车辆时，调动空闲托盘车，使所述空闲托盘车定位于与所述换电车辆平行的槽位上；以及，调动满电包托盘车，使其定位于与所述换电车辆平行的槽位上；rgv用于在所述空闲托盘车定位于与所述换电车辆平行的槽位之后，将亏电电池包从换电车辆卸下并送至所述空闲托盘车；以及，将满电电池包从托盘车中卸下装入所述换电车辆中；以及，rgv升降装置用于控制rgv的举升高度。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，所述换电站还设置有桁车；所述运输通道上的转运车与所述托盘车通道的托盘车采用所述桁车在空中对接，控制所述桁车从转运车上卸下容纳满电电池包的托盘车并放在托盘车通道上；并且，把容纳亏电电池包的托盘车从托盘车通道上装入转运车。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，所述集中充电场包括：操控室、充电桩、托盘车卡位、充电器和输变电设备。其中，操控室用于对进行充电的亏电电池包进行数据分析，获取各个电池包的soc和soh数据，基于电池包不同soc和soh值进行充电管理；托盘车卡位用于实现托盘车上的电池包与充电桩机械连接；充电器设置于所述充电桩；以及，输变电设备用于为所述充电器供电。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，所述集中充电场还设置有消防设施；所述消防设施包括传感器、水槽和沙槽；所述传感器与所述操控室通过电信号连接，在所述传感器监测到异常时，由所述操控室切断电源，并打开所述水槽，将事故电池包推入所述水槽并将沙子倾入水槽。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，还包括运行与控制中心；所述运行与控制中心通过所述电池包监控诊断装置与处于各个换电站、集中充电站以及转运环节的各个电池包通过电信号连接。

进一步地，上述充换分离模式下的电动汽车换电系统中，所述运行与控制中心包括：云平台，以及，与所述云平台信号连接的中央运控中心。

本实用新型提出了“充换分离”的换电布局设计方案，使换电站与集中充电场在空间上进行了分隔，避免了“充换一体”模式下所存在种种弊端，更安全、高效率地从充电、运输、换电等各个环节，对整个系统中的电池包进行全生命周期的管理。具体说明如下：

第一、本实用新型中，在换电站设置有换电通道、托盘车通道与运输通道，借助“双侧三通道”，即在托盘车通道两侧设置换电通道和运输通道，通过托盘车和转运车，解决了电池包的装卸和运输，使得集中充电场与换电站实现了空间上的分离，由此，容纳电池包的空间变得富裕，这可以充分地避免由于“充换一体”模式下电池包存放空间过于封闭狭窄所导致的电池包过热、容易失火的问题，使电池包换电与充电更加安全。并且，由于电池包的充电功能在集中充电场完成，更容易实现消防目标。

第二、本实用新型中，满电电池包和亏电电池包分成两个地方存放，避免了现有技术中“充换一体”模式下电池包复杂的堆垛结构所导致的单包难以识别、在换电机中容易发生卡机或碰撞等弊端。

第三、本实用新型中，集中充电场和托盘车的设计，使电池包对换电站的供应灵活，换电站需要多少满电电池包，充电场、托盘车和运输车辆的联合作业就能供应多少满电电池包，避免了在充换一体的换电结构中，因不能快速对被换下的亏电电池包进行充电，因而不能满足换电作业对满电电池包的需求的难题。

第四、本实用新型中的集中充电场可以远离人口和建筑物密度高的市区或街区，这样做的好处是，能够更少的受制于电网容量的限制，充电过程中的安全隐患也相应降低，容易获得城市规划和电力部门的审批，实用性强，易于推广。

第五、运行与控制中心通过电池包监控诊断装置与处于各个换电站、集中充电站以及转运环节的各个电池包进行数据交换，实现了对电池包的智能管理。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1为本实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例的结构框图；

图2a为本实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，换电站中位于换电通道的换电车辆、位于托盘车通道的托盘与位于运输通道的转运车分布的俯视图；

图2b为本实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，换电站中位于换电通道的换电车辆、位于托盘车通道的托盘与位于运输通道的转运车分布的后视图；

图3为本实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，换电站设置在普通道路路旁的设计原理图；

图4为实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，集中充电场与分布在各地的多个换电站的分布示意图；

图5为实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，集中充电场中，托盘车与充电桩通过电源&控制连接的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实用新型的实施例提出了一种充换分离模式下的电动汽车换电系统，其中的充换分离模式是指，将亏电电池包从换电站卸载并运至专门的集中充电场进行充电，并将满电电池包从集中充电场运至换电站装入换电机构，为亏电车辆提供换电服务。

下面结合图1，对充换分离模式下的电动汽车换电系统的一个实施例做进一步地说明。

本实施例充换分离模式下的电动汽车换电系统，包括：多个换电站10、集中充电场20，电池包数据管理系统以及运行与控制中心30。其中，电池包数据管理系统包括多个电池包监控诊断装置。每个电池包监控诊断装置均设置于电池包内，从图1可以可看，亏电电池包和满电电池包都示出了与其内设置的电池包监控诊断装置。需要说明的是，图1只是示意性地说明了电动汽车换电系统的组成，其中的换电站10只画出了一个，但事实上，根据实际的需要，可以有很多分布于不同地理空间的换电站10。

其中，每一换电站设置有换电通道101、托盘车通道102与运输通道103。换电通道101和运输通道103分布于托盘车通道102的两侧。

参照图2a和图2b，从左至右，依次示出了换电站中位于换电通道的换电车辆、位于托盘车通道的托盘车与位于运输通道的转运车的分布，其中图2a是俯视图，图2b是后视图。

关于换电通道、托盘车通道和运输通道的分布，从图3也可以看出。参照图3，为本实用新型充换分离模式下的电动汽车换电系统一个实施例中，换电站设置在普通道路路旁的设计原理图。

在图3中，换电站的换电车道101，托盘车通道102和运输通道103被设计设置在正常交通通道104路旁。这样的换电站设计就像一个普通道路的物流卸货湾区一样，因而可以在任何一个类似的市区路段设置换电站，大大方便了车辆的换电需要。这是充换一体机无法实现的。

托盘车通道102上设置有托盘车105，托盘车105用于接收亏电电池包并提供满电电池包。需要说明的是，在图3中，亏电电池包用填充有深色斜线的矩形框表示，满电电池包用填充有浅色竖线的矩形框表示。在图4和图5中亦是如此，在此一并说明。

在一个实施例中，托盘车放置于地面上，包括托盘车架，在托盘车架内包括多个夹层，相邻夹层形成的空间用于容纳电池包(亏电或满电皆可)。托盘车下部还设置有托盘车挂轮，通过挂轮，托盘车在各换电站和集中充电场的轨道上可以被自动控制移动到目标槽位上。

换电通道101对应换电作业区。在该换电作业区，亏电电池包被卸下并放置于托盘车内，然后，满电电池包被装载至换电车辆。

在一个实施例中，亏电电池包的卸载以及满电电池包的安装都是通过换电站设置的换电操作系统实现的。

换电操作系统将亏电电池包从位于换电通道101的电动汽车上卸下，并装入位于托盘车通道102的托盘车105中。另一方面，换电操作系统将将满电电池包从位于托盘车通道102的托盘车105反向装载至位于换电通道101的电动汽车。

此外，换电站的换电操作系统还用于接收运行与控制中心所指示的当前行驶车辆更换电池包所需支付的账单信息，并接受客户依据该账单信息所进行的支付。账单信息由所述运行与控制中心根据亏电电池包所连接的电池包监控诊断装置所采样的数据确定。

在一个更为具体的实施例中，换电操作系统可以包括：电池包识别装置、支付系统、托盘车调动装置、rgv(有轨制导车辆)以及rgv升降装置。

其中，电池包识别装置用于识别需要更换电池包的车辆所安装的电池包，识别的信息可以作为换电站收取换电费用的依据。支付系统用于接收运行与控制中心所指示的当前行驶车辆更换电池包所需支付的账单信息，并接受客户依据该账单信息所进行的支付。

托盘车调动装置用于在换电通道停有需要更换电池包的换电车辆时，调动空闲托盘车，使空闲托盘车定位于与换电车辆平行的槽位上。托盘车调动装置也用于调动装载满电电池包的托盘车，使其定位于与换电车辆平行的槽位上。

托盘车调动装置可以通过如下方式进行设计：在托盘车通道上，设计一个自动控制的轨道、驱动系统和定位系统，轨道上设计有托盘车槽位。托盘车是自动控制的，相关的托盘车可以自动定位在相关的托盘车槽位中，与换电通道对接。当一辆换电车辆驶入时，空闲的托盘车在驱动系统的作用下，将自动定位并与电动汽车对齐，以接受来自电动汽车的亏电电池包，完成亏电电池包从电动汽车的卸载。然后，装有满电电池包的托盘车将移入换电位置，与电动汽车对齐，将一个满电电池包移送到换电车辆上。

rgv用于在空闲托盘车定位于与换电车辆平行的槽位之后，将亏电电池包从换电车辆卸下并送至空闲托盘车；以及，将满电电池包从托盘车中卸下装入换电车辆中。rgv升降装置用于控制rgv的举升高度，也协助电池包在托盘车内实现锁止功能。

运输通道103对应运输作业区，用于将亏电电池包放置在托盘车上后，通过转运车106向集中充电场20转移，并且，还供来自集中充电场20的转运车输送满电电池包。

在本实用新型的一个实施例中，从电动汽车卸载亏电电池包至托盘车，然后将托盘车上的满电电池包安装至电动汽车，包括如下几个步骤，分别是：

步骤1，电动汽车驶入换电工位，通过支付终端完成换电支付；

步骤2，rgv将亏电电池包从电动汽车卸下，平移、装入并锁定在一辆空闲托盘车的相应位置上；

步骤3，换电站的换电控制室操控上述空闲托盘车离开，调入一辆满电包托盘车；

步骤4，rgv从满电包托盘车上取下一个满电电池包，平移并装载在电动汽车上，该电动汽车完成换电作业，离开；

步骤5，换电站的换电控制室操控空闲托盘车再次进入换电工位，等待下一辆电动汽车进站换电；

步骤6，多次循环，将上述空闲托盘车装满，并将该托盘车装载至转运车；而刚才卸完满电电池包的托盘车顺序变成空闲托盘车，继续后续的换电作业。

之后，转运车将亏电电池包运往集中充电场。整个过程，换电作业与电池包运输作业互不干扰。

行文至此，再进行集中充电场具体结构的说明前，再次参照图1，对电池包的换电过程进行回看。包括两个方面，第一个方面涉及亏电电池包的卸载及转运，涉及步骤a1至a4，第二方面是满电电池包的运输及装载，涉及步骤b1至b4。

其中，步骤a1至a4，采用实线标注各个亏电电池包从换电车辆运送至集中充电场中进行充电的过程，具体来说，包括：

步骤a1，在换电通道101上，换电车辆的亏电电池包被卸载；

步骤a2，亏电电池包被装载在位于托盘车通道102的托盘车上；

步骤a3，容纳亏电电池包的托盘车被装载至位于运输通道103的转运车；

步骤a4，转运车将亏电电池包运送至集中充电场20。

步骤b1至b4采用采用虚线标注满电电池包从集中充电场10中转运并装载至换电车辆的环节，具体来说，包括：

步骤b1，从集中充电场中选中电池包已经全部充满电的托盘车；

步骤b2，容纳满电电池包的托盘车在集中充电场被装载至转运车；

步骤b3，转运车将装有满电电池包的托盘车向指定的换电站转运；

步骤b4，卸下托盘车，将其中的满电电池包装载至换电车辆。下面，对集中充电场的做进一步地说明。

集中充电场20与换电站10分离设置，集中充电场20功能是，为亏电电池包进行集中充电。

参照图4，图4示出了本实用新型的一个实施例中，集中充电场与分布在各地的多个换电站的分布示意图。通过图4，可以更好地理解本实用新型各个实施例的“充换分离”的换电模式。

在一个实施例中，集中充电场20包括：操控室、托盘车卡位、充电桩、充电器和输变电设备。

参照图5，图5为一个实施例的集中充电场中，托盘车与充电桩通过电源&控制连接的示意图。托盘车105中被转运车106运至集中充电场。集中充电场中设有多个充电桩107，托盘车105放置有多个亏电电池包，通过电源&控制连接108与充电桩107上的充电器电连接，进行充电。在集中充电场中，托盘车105之间要留出安全距离，以避免安全隐患。

操控室用于对进行充电的亏电电池包的进行数据分析，获取各个电池包的soc和soh数据，基于电池包不同soc和soh值进行充电管理。在一个实施例中，电池包内的电池包监控诊断装置可以采集单体电池包自带的bms(电池包管理系统)获得的相关数据，包括soc和soh数据。托盘车卡位用于实现托盘车上的电池包与所述充电桩机械连接；充电器设置于充电桩上。输变电设备用于为所述充电器供电。集中充电场承接来自许多换电站的托盘车。托盘车中的每一个电池包被连接到充电器上，并使用优选的低功率/慢速充电过程进行充电。

并且，集中充电场的操控室还管理各个高功率额定值和输配电成本，对托盘车中的亏电电池包进行智能化充电，以保护电池包的健康值，同时使充电成本大大降低。

在一个实施例中，换电站和集中充电场都设置有桁车。在换电站，运输通道上的转运车与托盘车通道的托盘车采用桁车在空中对接，控制桁车从转运车上卸下容纳满电电池包的托盘车并放在托盘车通道上；另一方面，还把容纳亏电电池包的托盘车从托盘车通道上装入转运车。

类似地，集中充电场也通过桁车卸载转运车上的装满亏电电池包的托盘车同时，将集中充电场中的容纳满电电池包的托盘车转运至换电站。

优选地，在集中充电场中还设置有消防设施。在一个实施例中，消防设施可以包括传感器、水槽和沙槽。传感器与操控室通过电信号连接，在传感器监测到异常时，由操控室切断电源，并打开水槽，将事故电池包推入水槽并将沙子倾入水槽。通过布局消防设置，可以进一步保障集中充电场的安全。

在本实用新型的一个实施例中，电池包数据管理系统所包括的多个电池包监控诊断装置分布于不同的电池包，用于对每一电池包的使用状态数据和电动汽车的行驶数据按照预先设定的频率进行采样，并发送至运行与控制中心30。

其中，电池包的使用状态数据包括电池包和/或模组和/或电芯的电压和温度、电池包的荷电状态soc，以及，电池包的健康状态soh；行驶数据包括驾驶风格信息、城市地图数据、车辆里程表、行驶速度、航向和gps定位数据。需要说明的是，电池包和/或模组和/或电芯的温度的含义是：电池包、模组和电芯至少其中之一的温度；电池包和/或模组和/或电芯的电压的含义是：电池包、模组和电芯至少其中之一的电压。

运行与控制中心30通过电池包监控诊断装置与处于各个换电站10、集中充电站20以及转运环节的各个电池包进行数据交换，以对电池包的进行智能管理；并且，运行与控制中心30还用于为转运车在多个换电站及集中充电场之间进行电池包转送提供策略。

在一个实施例中，运行与控制中心包括云平台和中央运控中心，云平台与中央运控中心信号连接。云平台与每一个电池包监控诊断装置、换电站和集中充电场、转运车辆保持信号连接，进行数据交换。中央运控中心用于依据云平台获得的数据以及其分析获得的二次数据，给到电动汽车进行换电操作的换电站并发送至电动汽车供查询。此外，中央运控中心还可以给出电池包转运过程中转运车在多个换电站以及充电场之间的转运策略。

在一个实施例中，电池包监控诊断装置采用obd(车载诊断装置)，但进行了改进，在此称为obdii。该obdii包括硬件和软件，硬件cemi-c1装在每辆换电模式的车辆上(或电池包里)，该标准化的obdii内置操作软件和算法cemi-s1，使本实施例的obdii相当于一台车载电脑，该obdii使用obd接口与车辆(或电池包)连接。一个电池包配置一台cemi-c1，实现单包识别。

本实施例的cemi-c1，是一种嵌入式架构设备，其具有如下特点：(a)符合sae规范的obd接口，(b)低功耗cpu，(c)ram存储器，(d)固态存储器，(e)蜂窝通信接口,(f)wifi,(g)蓝牙。此外，该设备还可以选择采用lora/lorawan通信技术。

cemi-c1使用sae标准obd连接器(例如saej1962/saej1939-13或其他未来连接器/协议)连接至车辆(或电池包)。如连接在车辆上，车辆使用sae标准规定的方法，通过obd连接器向cemi-c1供电，车辆启动，cemi-c1自动启动，车辆停机，cemi-c1自动关闭，也可装置备用电池，使cemi-c1有持续电源。如果连接在电池包里，包里有一特殊电池向cemi-c1供电。

从上述说明可以看出：本实用新型的实施例提出了“充换分离”的换电布局设计方案，使换电站与集中充电场在空间上进行了分隔，避免了“充换一体”模式下所存在种种弊端，更安全、高效率地从充电、运输、换电等各个环节，对整个系统中的电池包进行全生命周期的管理。具体说明如下：

第一、在换电站设置有换电通道、托盘车通道与运输通道，借助“双侧三通道”，即在托盘车通道两侧设施换电通道和运输通道，通过托盘车和转运车，解决了电池包的装卸和运输，使得集中充电场与换电站实现了空间上的分离，由此，容纳电池包的空间变得富裕，这可以充分地避免由于“充换一体”模式下电池包盒子过于封闭狭窄所导致的电池包过热、容易失火的问题，使电池包换电与充电更加安全。并且，由于电池包的充电功能在集中充电场完成，更容易实现消防目标。

第二、满电电池包和亏电电池包分成两个地方存放，避免了现有技术中“充换一体”模式下电池包复杂的堆垛结构所导致的单包难以识别、在换电机中容易发生卡机或碰撞等弊端。

第三、集中充电场和托盘车的设计，使电池包对换电站的供应灵活，换电站需要多少满电电池包，充电场、托盘车和运输车辆的联合作业就能供应多少满电电池包，避免了在充换一体的换电结构中，因不能快速对被换下的亏电电池包进行充电，因而不能满足换电作业对满电电池包的需求的难题。

第四、集中充电场可以远离人口和建筑物密度高的市区或街区，这样做的好处是，能够更少的受制于电网容量的限制，充电过程中的安全隐患也相应降低，容易获得城市规划和电力部门的审批，实用性强，易于推广。

第五、运行与控制中心通过电池包监控诊断装置与处于各个换电站、集中充电站以及转运环节的各个电池包进行数据交换，实现了对电池包的智能管理。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。