電動汽車換電模式

電動汽車換電模式是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統一配送，並在電池配送站內對電動汽車進行電池更換服務或者集電池的充電、物流調配、以及換電服務於一體。

此模式可以省去車主大筆的購買電池的費用，並且可以解決充電時間過長的問題，但是電池重量極大必須使用機械，而且這對車輛製造有限制必須統一電池標準，並且需要政府大力扶持對基礎設施建設要求高。

基本介紹

• 中文名：電動汽車換電模式
• 外文名：Electric vehicle switching mode
• 分類：集中充電模式、充換電模式
• 發展現狀：充電主導，換電發展滯後
• 難題：成本、安全、標準等
• 展望：換電網路規劃、運行

基本信息

電動汽車作為一種新能源交通工具，具有噪音低、能源利用效率高、無移動廢棄排放等特點，已成為我國重點支持的戰略性新興產業之一。

能源供給是電動汽車產業鏈中的重要環節，能源供給模式與電動汽車的發展密切相關。當前，電動汽車的能源供應可分為插充和換電池2 種模式，其中插充可分為慢充和快充。在插充模式下，制約電動汽車發展的電池問題尤為突出：一方面購買電池的初期投資成本太大，一般占到電動汽車本體費用的一半以上，昂貴的電池成本在很大程度上阻礙了電動汽車的推廣；另一方面充電時間太長，慢充一般要4~5 h，即使快充也需要0.5 h，與當前傳統能源汽車的加油或者加氣相比其獲取能源的便捷性遠不能滿足人們的需要。同時快充對電池有較大損傷，造成電池壽命急劇衰減，因此實際上也進一步增加了電動汽車的電池成本。

此外，在插充模式下，電動汽車充電負荷具有顯著的時空隨機性，對電網的運行和規劃會帶來不利的影響。

另一方面，基於電池租賃的換電池模式配合大規模集中型充電已經成為當前電動汽車發展具有競爭力的商業技術模式。

這是由於首先採用電池租賃方式，由電網公司承擔電池的初期投資成本，可顯著降低用戶的初始購車費用；

其次對電池進行集中充電可採取慢充方式，避免快充而引起的電池壽命縮短問題；

第三，採用換電方式一般可在幾分鐘內完成換電過程，即使與常規能源汽車相比，其便捷性也毫不遜色；

第四對電池進行集中充電管理可避免大規模電動汽車隨機充電對電網運行帶來的不利影響，甚至可以根據電網需要，在統一管理的框架下進行電池充電的最佳化運行，此外還可避免綠色能源損失，減少可再生能源發電成本。

因此，雖然換電模式存在著要求電池等標準統一的問題，但是這並不妨礙其成為未來電動汽車可能的重要發展模式之一。

發展現狀

1、國際情況

在國際上，換電模式在以色列、加拿大、澳大利亞、丹麥等國已經有了一定的套用和推廣。加拿大多個地區引入電動交通體系，建設充換電服務網路。在亞洲，東京推出充換電結合的電動計程車運營服務。總體而言，國外電動汽車在能源供給模式的選擇方面充電與換電均占據一定的市場，但目前充電仍是主導，換電模式發展相對滯後。

2、國內情況

在國內，作為電動汽車產業的積極參與方，國家電網公司和南方電網公司也將換電模式作為電動汽車發展的重要模式，在各自的轄區範圍內開展了相關的示範建設。

2011 年國網公司發布了《基於物聯網的電動汽車智慧型充換電服務網路運行管理系統技術規範》和《國家電網公司“十二五”電動汽車充電服務網路發展規劃》，提出了“換電為主、插充為輔、集中充電、統一配送”的商業運營模式，統一進行了有關智慧型充換電服務網路運行管理系統的開發，並開展充換電網路的示範運營和電池租賃試點。北京、蘇滬杭、青島等城市已經建成了一批電動汽車充換電示範工程，同時將在環渤海和長三角2 個區域建設跨城際的智慧型充換電服務網路。

2011 年4 月，南方電網公司推進電動汽車換電池技術及商業模式。截至2011 年底，除西藏以外，全國絕大部分省市均進行了有關電動汽車換電網路建設的規劃。由於在電池控制權、標準化建設等方面仍存在較大爭議，國網與南網並未真正大規模推進換電站建設，與2011 年的大張旗鼓相比，2012 年換電模式的發展暫時進入低谷期。

在國家層面，推行的電動汽車能源供給方式仍將採用充換電相結合的模式，換電模式作為一種重要的電動汽車發展的探索模式，依然受到了國家的重視，國務院於2012 年5月頒布的《節能與新能源汽車發展規劃2012—2020》中，明確提出要探索新能源汽車及電池租賃、充換電服務等多種商業模式，並鼓勵成立獨立運營的充換電企業，逐步實現充換電設施建設和管理的市場化、社會化。

分類

1、集中充電模式

集中充電模式是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統一配送，並在電池配送站內對電動汽車進行電池更換服務。這是國家電網公司於2011 年提出的建設模式。在該運營模式中至少有 2 種類型的工作站，其中集中型充電站實現對電池的大規模集中充電，而配送站則不具備充電功能，只是作為用戶獲得更換電池服務的場所。

相對於採用充換電模式的電池更換站，這樣的運營模式具有更多的優點：

1）配送站不承擔充電功能，沒有電網接入的問題，站址選擇靈活，以方便用戶更換電池為主要規劃目標。

2）集中型充電站充電功率大，且可集中控制充電功率，有利於制定電網友好的充電方案，在時空隨機性方面，充電具有優越性。

集中充電統一配送方式的主要缺點是：

1）充電站所需供電容量很大，一般需依託變電站建設，投資成本很高。

2）需解決電池箱在集中充電站與配送站之間的物流配送問題。

2、充換電模式

充換電模式是以換電站為載體，這種電池換電站同時具備電池充電及電池更換功能，站內包括供電系統、充電系統、電池更換系統、監控系統、電池檢測與維護管理系統等部分。

根據所服務車輛類型的不同，換電站主要可以分3 類：綜合型換電站、商用車電池更換站和乘用車電池更換站。

目前，國內在北京、上海、杭州等城市已建設有商用車和乘用車電池更換站。在國際上，以色列較早採用了這種充換電模式，其業務模式主要是通過建設充換電設施網路為電動汽車用戶提供基礎設施及能源供給服務。這種充換電模式在加拿大、澳大利亞、丹麥等國也已經有了現實的套用和推廣。

採用這種充換電模式無需考慮電池的物流配送問題，充滿電的電池可以立即用來滿足車輛的換電需求。其主要缺點有：

1）換電站的建設既要考慮地價因素及交通便利性，又要顧及電網接入的問題，站址選擇不夠靈活。

2）每座換電站均需配置充電機、電池箱換電設備等，投資大且需要專業維護，日常運營成本高。

換電網路

1、換電網路運營模式

換電網路集電池的充電、物流調配、以及換電服務於一體，這種一體化的運營結構將有利於電池企業的標準化生產，有利於能源供給企業的集約化管理，能夠顯著降低運營成本。

以國家電網公司頒布的《基於物聯網的電動汽車智慧型充換電服務網路運行管理系統技術規範》為例，換電網路中包含集中型充電站、換電站、配送站等3 類，其中集中型充電站承擔大規模的電池充電功能，滿電池將被配送至具有小規模充電能力和換電池功能的換電站以及僅具備換電池功能的配送站，從而實現對用戶的電池能量供應。圖示意了換電網路基本運行結構，其中具有小規模充電能力的換電站因可分解為配送站和額外的電池供應量而未納入其中。

2、換電網路管理系統

電動汽車換電網路管理系統可保證電動汽車運營高效有序，提升電動汽車能源供給網路的智慧型化水平，是電動汽車大規模推廣的前提和保障。電動汽車示範運行期間，由於有較為固定的行駛路線，因此無須對換電網路進行控制也可保證車輛的正常運行。但當車輛大規模運行時，交通狀況等原因會使得充電電池和換電車輛在換電網路中的分配具有較強的隨機性，可能會造成一部分充電站及配送站較為擁擠，而另一部分充電站和配送站較為清閒。因此，有必要而且急需解決換電網路這樣一個規模龐大、動態性高的分散式系統的最佳化控制問題。

如國家電網公司頒布的《基於物聯網的電動汽車智慧型充換電服務網路運行管理系統技術規範》一樣，上述幾種系統均僅針對換電管理進行了功能性設計，卻沒有涉及有關運行階段如何最佳化系統運行，因此還有待進一步研究。

運行與規劃

1、 研究對象與內容

當前針對換電網路的實際最佳化運行以及相應的充電站、換電站的規劃的研究還較少，這與當前我國已投入了大量的人力、物力進行換電模式的試點工作是極不相稱的，換電網路的規劃和運行存在大量的基礎理論問題亟待解決。

從圖 2 可以看出，換電網路的規劃，包括集中型充電站規劃、配送站規劃、電池的數量規劃等。目前國內一些省市在進行所在區域換電網路長遠規劃時，即使明確了未來水平年採用換電模式的電動汽車數量，但是對於集中式充電站的規模選址，電池數量配比的計算均缺乏科學合理的建模方法，無法做出合理的描述。

換電網路的運行包括充電最佳化管理、物流最佳化(運力最佳化與路徑最佳化)、電池需求最佳化等，以及建立在這3 者之上的綜合最佳化，既要考慮對用戶需求的滿足和對電網的影響，又要考慮各單元的約束。在換電網路運營時，換電站的電池需求、物流最佳化調度和充電負荷3 者密切相關、相互牽制，對充電站而言，換電站的電池需求為間歇性的電量需求，而該需求受物流能力限制，最終到充電站須轉化為對電網的功率需求，在此基礎上還要考慮電網最佳化運行的需求，因涉及變數眾多，其最佳化運行極為複雜。

2、換電網路規劃

1）電池規劃

電池是電動汽車運行的能量來源，其本質是電量的聚合，即一段時間內充電功率的累積。電動汽車的換電需求能否滿足與電池儲備數量密切相關。在進行電池組需求規劃時，除了考慮車輛自身攜帶的電池組，還需設定一定的冗餘度以滿足車輛在電池耗盡時的換電需求。由於電池購置費用昂貴，冗餘度太高會導致經濟性下降，而冗餘度過低則無法滿足車輛正常的換電服務。因此，有必要針對換電模式下的電池數量規劃問題展開研究。

2）換電站規劃

換電站作為一種特殊的電網負荷，其規模和選址要權衡電網投資的經濟性與安全性，一方面要滿足市場的換電需求，另一方面也要顧及電網要求。將其納入電源電網規劃中進行綜合最佳化，是迫切需要解決的問題，而當前的試點工作對這些內容大都未能予以涉及。

換電網路運行

1、電池調配

在整個充電站網路內，可配送的電池數量是十分龐大的，所以及時、準確地配送數量龐大的可更換電池，不僅能夠保證整個充電站網路的正常運行，還將大大降低配送過程中的人力、物力成本。關於換電網路的電池配送問題，目前鮮有文獻論述。而研究發現，電池物流調配屬於典型的旅行推銷員(travelling salesman problem，TSP)問題。因此，可以藉助解決TSP問題的智慧型算法(如遺傳算法)來解決。

2、充電管理

在換電模式下，通過對集中型充電站或換電站進行充電管理，可實現電池的統一調度和監控。規模化的電池可作為巨大的儲能單元，有效地參與負荷管理和系統調峰，提高電網負荷率，最大限度地減少諧波污染等對電網的不利影響，從而提高系統整體運行的效益。

面臨的難題

雖然換電模式具有諸多優點並且一度受到國家電網與南方電網的大力推崇，但從2012 年的發展情況來看，換電模式似乎進入瓶頸時期。隨著換電模式建設的不斷開展，這一新興模式存在的問題也日益突出：

1）電池技術與投資成本。

現階段電池產業處於發展初期，電池能量密度低，續駛里程短，壽命周期短。在現有電池技術水平下推行換電方式，電池投資高，將會給能源供給企業帶來很大負擔。

2）安全性與責任界定。

換電模式的發展有可能徹底改變傳統汽車企業、能源企業和消費者的3方結構，而出現電池製造商和充電運營商等參與方。在這種新興格局下，電池的日常維護工作由誰來承擔，當出現安全問題時責任如何界定等都是有待解決的難題。

3）換電模式標準體系建設。

不同廠家生產的電池和電動汽車都有所不同，包括尺寸、接口和布置方式等，這給換電模式的統一標準化操作帶來了很大的困難，因此，亟需制定與換電模式相配套的標準體系。

4）換電網路建設。

對於用戶而言，換電模式的主要優勢在於其能源更新的便利性，但是在現實中其便利性更有賴於密集布點的規模化換電網路，這也意味著超大規模的投資要求，在目前其商業模式可行性仍存疑的環境下，其規模化建設也面臨著巨大的資金瓶頸。

5）補貼分配。

由於電動汽車和電池的成本很高，為促進電動汽車的發展，國家將會提供一定形式的補貼。換電模式下，該補貼在汽車生產商、電池製造商以及能源供給企業中如何分配，目前沒有明確的劃分方法。

可以看出，現階段電動汽車換電模式的套用仍面臨較多問題，就目前的技術水平和相關法律、商業模式配套而言，還不足以支撐該模式的大規模套用。

建議及展望

換電網路的管理是一種較為複雜的分散式系統的最佳化控制問題，目前的研究僅針對換電管理進行了功能性設計，卻沒有涉及有關運行階段如何最佳化系統運行，這一方面仍有待深入研究。而且，有關換電模式的研究還較少，遠遠不能滿足該領域發展的需要，關於換電網路的運行與規劃方面的研究工作，可按以下2 個方面開展：

1）換電網路規劃，包括集中型充電站規劃、配送站規劃、電池的數量規劃；

2）換電網路運行，包括充電最佳化管理、物流最佳化(運力最佳化與路徑最佳化)、電池需求最佳化等，以及建立在這3 者之上的綜合最佳化。

換電模式由於其眾多優點目前已發展成為電動汽車的重要能源供給模式，但依然面臨電池技術與投資成本、安全性與責任界定、標準體系建設等眾多問題。換電模式是否能取得突破性進展，主要取決於這些難題是否可以得到合理解決。

因此，在電動汽車發展初期，建議建立以分散停車位慢充為主的充電網路，對公交、出租、環衛等行駛習慣相對固定的用戶採用換電模式。在產業發展成熟階段，適時推出換電為主、充電服務並存的能源供給模式。