Batteriskift

Batteriskift udskifter et afladet fremdriftsbatteri med et opladet, mens køretøjet venter. Det forkorter førerens energistop ved at flytte opladning, køling, inspektion og lagerstyring ind i stationen.

Stationen er et batterilogistiksystem

Et automatiseret batteriskift til en personbil kan omfatte:

Identifikation af køretøjet og kontrol af dets egnethed
Føring ind i en præcist defineret position
Afbrydelse af højspændingen og bekræftelse af, at batteripakken sikkert kan frakobles
Løft eller understøttelse af køretøjet
Frigørelse af mekaniske fastgørelser
Frakobling af elektriske grænseflader, datagrænseflader og konstruktionsafhængige termiske grænseflader
Afmontering af batteripakken og inspektion af kritiske overflader
Valg og montering af en kompatibel, opladet batteripakke
Gentilslutning, fastgørelse, test og registrering af batteripakken i køretøjet
Tilbageføring af den afmonterede batteripakke til opbevaring, inspektion, termisk konditionering og opladning

Føreren oplever en kort udskiftning; operatøren administrerer en flåde af batterier i mange timer. En batteriskiftestation kombinerer derfor robotteknologi, højspændingsserviceudstyr, batterilager, opladere, termisk styring, brandsikring, software og lagerkontrol.

Hvad batteriskift ændrer

Ved traditionel opladning forbliver batteriet i bilen, mens energi overføres gennem et kabel. Ved batteriskift flyttes batteriet og oplades senere.

Denne adskillelse giver flere mulige fordele:

Et forudsigeligt stop på få minutter, når en kompatibel batteripakke er klar
Kontrolleret ladetemperatur og -effekt på stationen
Inspektion af batteripakken ved hver udskiftning
Adskillelse af ejerskabet til køretøj og batteri
Mulighed for i et modulært system at udskifte en lille batteripakke til daglig brug med mere energi til en længere rejse
Planlagt opladning, der kan undgå nogle spidsbelastninger på anlægget
Høj udnyttelsesgrad for taxaer, kørselstjenester, logistik, busser og lastbiler

Det skaber også forpligtelser, som opladning med stik ikke har:

Stationen skal have et tilstrækkeligt lager af kompatible batterier.
Køretøjet skal tillade gentagen konstruktionsmæssig afmontering uden at forringe kollisionssikkerheden eller tætningen.
Batteripakkens geometri, fastgørelser, stik, køling, software og identifikation skal forblive interoperable.
Operatøren skal håndtere forskelle i batteripakkernes alder, energikapacitet, helbredstilstand og ejerskab.
Der kan opstå kø, selv om skiftene er hurtige, hvis stationens kapacitet eller lageret af opladede batterier er opbrugt.

Batteriskift fjerner ikke ladetiden eller belastningen af elnettet. Det flytter begge dele.

Konstruktion af køretøj og batteripakke

Et strukturelt batteri, der er dybt integreret i karrosseriet, kan forbedre stivhed, masse og pladsudnyttelse, men er vanskeligt at afmontere ofte. En udskiftelig batteripakke kræver en servicevenlig grænse og grænseflader, der kan bruges gentagne gange.

Konstruktionskrav kan omfatte:

Præcise positioneringspunkter og adgang for robotter
Fastgørelser, der tåler mange dokumenterede cyklusser
Højspændingskontakter, der er beskyttet mod forurening og slitage
Pålidelige data- og interlockforbindelser
Tætninger, der tåler gentagne udskiftninger
Termiske tilslutninger eller et termisk design, der er indeholdt i batteripakken
Beskyttelse mod vand, salt, sten, slag og skader på undervognen
Software, der godkender batteripakken og dens konfiguration
Kollisionsbelastningsveje, der forbliver forudsigelige efter gentagne skift

Standardisering af batteripakker kan ske inden for ét mærke, på tværs af flere modeller eller på en brancheplatform. Jo bredere den tilsigtede kompatibilitet er, desto sværere bliver det at fastlåse dimensioner og grænseflader, mens celleteknologi, spænding, kemi og indpakning i køretøjet fortsat udvikler sig.

Fremdriftsbatteriers interne opbygning og strukturelle afvejninger gennemgås i Battery Pack and Configuration.

Lageret bestemmer servicekapaciteten

En station med 20 batteripladser har ikke nødvendigvis 20 batteripakker klar til ethvert ankommende køretøj. Nogle batteripakker kan være:

Under opladning
Under afkøling eller opvarmning
Reserverede
Under inspektion
Inkompatible med den ankommende model eller energiklasse
Holdt under en høj ladetilstand for at reducere belastningen ved lagring
Sat i karantæne efter en registreret fejl

Operatørerne skal forudsige ankomster, sammensætningen af batteripakker, energibehovet og ladetiden. En bølge af køretøjer kan tømme lageret af opladede batterier hurtigere, end stationen genopfylder det. Netkapacitet, ladeeffekt og batteritemperatur bestemmer derefter genopretningen.

Den teoretiske daglige kapacitet er også forskellig fra den opnåede kapacitet. Forsinkelser ved positionering, brugerfejl, inspektioner, vedligeholdelse, ubalance mellem batteripakker, forskellige køretøjer og spidsbelastninger reducerer udnyttelsen.

Sikkerhed og kvalitetskontrol

Kinas GB/T 40032-2021 fastsætter nationale sikkerhedskrav til batteriskift i elbiler. En sikker implementering afhænger stadig af det konkrete køretøj, batteripakken, stationen, vedligeholdelsesprocessen og den lokale regulering.

En station bør kontrollere:

Korrekt identitet og softwarekonfiguration for batteripakken
Isolationsmodstand og højspændings-interlocks
Stikkenes tilstand og temperaturhistorik
Mekanisk låsning og kontrol af fastgørelser
Kapslingens, tætningernes og undervognens tilstand
Fejlkoder og registreringer af kollisionshændelser
Ladetilstand, helbredstilstand og celleubalance
Termisk tilstand før opbevaring, opladning eller frigivelse
Regler for karantæne og eskalering

Automatisering kan gøre disse kontroller ensartede, men kan også gentage en systematisk fejl i stor skala. Sensorer, uafhængig verifikation, sporbare logfiler, forebyggende vedligeholdelse og en sikker reduceret driftstilstand er lige så vigtige som robottens hastighed.

Batterisikkerhed gennem konstruktion, brug, reparation, genbrug og genanvendelse gennemgås i EV Battery Safety og EV Battery Lifecycle.

Ejerskab og problemet med retfærdighed

Batteri som en tjeneste kan sænke køretøjets købspris ved at adskille batteriabonnementet eller -lejen. Det kan også muliggøre kapacitetsopgraderinger, hvor køretøjet og tjenesten understøtter dem.

Kontrakten skal besvare vanskelige spørgsmål:

Ejer kunden en bestemt batteripakke, en ret til en bestemt kapacitet eller kun adgang til netværket?
Hvilken mindste energi, effekt og helbredstilstand garanteres?
Kan en ældre batteripakke erstatte en nyere?
Hvem betaler for skader, unormal nedbrydning eller manglende servicehistorik?
Hvad sker der, når abonnementet ophører, eller netværket forlader et marked?
Kan køretøjet sælges eller eksporteres uden for netværket?
Er opladning med stik stadig tilgængelig?
Er opgraderinger af batteripakken kompatible med køretøjets kollisionsmæssige, termiske og elektriske grænser?

Det stærkeste batteriskiftesystem er ikke kun mekanisk hurtigt; det gør batteriets tilstand og kundens rettigheder gennemskuelige.

Aktuelle implementeringsmodeller

NIOs Power Swap Station 4.0 illustrerer en tilgang med hele batteripakker i et mærkeøkosystem. NIO oplyser, at stationen opbevarer 23 batterier, kan gennemføre et automatiseret skift på 144 sekunder og er konstrueret til op til 480 skift om dagen. Det er producentens specifikationer for denne stationsgeneration, ikke en universel ydelse for batteriskift.

CATLs EVOGO anvender en modulær tilgang. Det oprindelige Choco-SEB-koncept gjorde det muligt for et kompatibelt køretøj at bruge en til tre batteriblokke, mens en standardstation kunne opbevare op til 48 blokke og ifølge producenten udskifte én blok på et minut. Modularitet kan tilpasse den lejede energi til det daglige behov, men kræver en køretøjsplatform, der er konstrueret omkring disse blokke.

Erhvervslastbiler, taxaer og andre flåder med høj udnyttelse kan have et stærkere forretningsgrundlag end privatbiler, fordi forudsigelige ruter og koncentreret efterspørgsel øger stationens kapacitet. Standardiseret flådehardware reducerer også antallet af varianter af batteripakker, som hvert anlæg skal have på lager.

OCPP 2.1 tilføjer backendunderstøttelse til batteriskift, herunder funktioner til batteriskiftestationer. En administrationsprotokol kan standardisere transaktioner og udveksling af status; den standardiserer ikke batteripakkens fysiske, termiske eller kollisionsmæssige grænseflade.

Hvornår batteriskift er det bedste værktøj

Batteriskift er mest overbevisende, når:

Køretøjer vender tilbage til forudsigelige korridorer eller depoter
Nedetid er dyr
En kompatibel flåde skaber høj udnyttelse af stationen
Adskillelse af batteriejerskabet har tydelig værdi for kunden
Areal, netkapacitet og lager af batteripakker er tilgængelige
Køretøjsplatformen er konstrueret til gentagne skift

Opladning med stik er normalt enklere, når køretøjer kan holde i flere timer, standarderne skal spænde over mange mærker, netværket er sparsomt, eller batteriet er strukturelt integreret.

De to tilgange kan eksistere side om side. Et køretøj med udskifteligt batteri kan bruge opladning hjemme eller offentligt til det daglige energibehov og gemme batteriskift til dage med høj udnyttelse eller lange rejser. Den korrekte sammenligning er ikke “tre minutter mod tredive minutter”; den omfatter stationens anlægsomkostninger, batterilager, energi fra elnettet, kompatibilitet, risiko for kø, køretøjets konstruktion og værdien af tid.

Den bredere sammenhæng for ladesystemet gennemgås i EV Charging: The Complete System.