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换电模式成本高的难题要如何破解?

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长期以来,经营换电站成本相比快速充电站要高很多,其设备投资、电池储备和人工等成本都显著高于充电站。 业界一直在努力降低换电成本,一些企业从技术上着手研制运行效率更高和更节省空间的设备,已经取得很好的收效。

  长期以来,经营换电站成本相比快速充电站要高很多,其设备投资、电池储备和人工等成本都显著高于充电站。 业界一直在努力降低换电成本,一些企业从技术上着手研制运行效率更高和更节省空间的设备,已经取得很好的收效,如奥动新能源已投入示范运营的最新一代换电站在换电速度和换电仓配备电池数量上都比上一代成倍提升,取得较好的经济效益。

  另一方面,在相关管理部门和行业协会的推动下,乘用车动力电池换电标准的统一已经取得进展,众多企业形成联盟,在积极商讨起草标准,并且广汽、北汽和长安的一些车型已经实现共享采用奥动技术的换电站。一旦大范围实现兼容多品牌多车型的换电,换电设备和电池的使用效率将进一步提高,更重要的是用户得到极大的便利,续航焦虑被缓解,纯电动车的普及必然大大加速,反过来促进换电站的网点建设,而且厂商不再需要为每个新车型专门设计研发电池包以及制造模具,车用动力电池包标准化后规模效应将凸显,电池成本也得以降低,售后和回收也都更方便。

  还有什么办法可以提高换电模式的效率而降低其成本呢? 不妨尝试以下

  一、将动力电池换电标准进一步向储能领域推广,打通两个行业的界线,储能和换电行业共享一部分电池,互为补充。

  这样做具体好处有以下:

  换电运营企业不需要购置和储备大量电池,电池与储能企业共享,企业之间按占用时间分摊电池成本。动力电池兼做储能电池,一物两用,得以更有效利用,节约社会资源。

  尤其是节假日出行需求高,同时间段工商业用电需求低,正好可互补。 在节假日长途出行高峰,目前现有的针对私人非营运用户的蔚来换电站必然会出现排队等待问题加剧的情况,不但电池不够用,而且设备充电能力也不足。 如果专门为节假日的短时需求增加电池储备和扩容设备,平时又闲置率高,企业无法同时追求效益和用户满意度。但如果动力电池和储能电池实现通用,只需提前稍做一些调度准备,及时从附近的储能站运一些电池到换电站即可。

  换电站其实也可以发挥一些储能站的作用,甚至可以利用峰谷差价取得一些收入,其前提是要有足够的电池和充放电能力;目前很多换电站已经满负荷运行甚至刚换下的电池来不及充满就被换走、车辆排队等候严重的情况下是没有多少能力帮助电网的,如果动力电池和储能电池实现了通用则至少电池就不缺了,换电站就可以更好的发挥储能站的作用;同时另一方面,只要是交通方便的道路旁建设的储能站同时也可以作为换电站对车主提供换电服务,发挥更大的效用。

  储能企业以后不再需要电池厂商为其专门生产储能电池,也不需要一味等待淘汰的动力电池,更不需要将动力电池拆解再重组,动力电池包本身内置的电池管理、温控和保护系统依然能得到有效利用。 随着纯电动车的销量和保有量增加,社会上动力电池总容量很快就能满足电网的峰谷调剂之需,纯电动车充电整体上将不再是对电网负荷的冲击而成为有益补充,同时换电运营企业增加了收入,消费者得到更多的方便和实惠,全社会共赢。

  适用范围更广的通用电池包也成为更普遍接受的抵押物和资产,甚至车企、换电运营企业、新能源电站和储能企业都不需要自己投资电池,由银行等金融投资机构采购电池租给他们即可,企业资金压力得以减轻,换电网络的建设得到加速。

  2、储能和换电行业共享电池的可行性分析

  1)乘用车动力电池换电标准的统一工作的最新进展、前景展望和问题解决办法。

  乘用车动力电池的接口、尺寸和协议的标准统一是一项很不容易的大工程,不过近日很高兴看到,已经取得实质性的重大进展。 我国新能源汽车产业经过十多年的发展摸索,总结经验教训,国家层面已将充电站和换电站建设都列入新基建,工信部副部长辛国斌明确表示将“继续大力推进这种充换电基础设施建设,进一步完善相关技术标准和管理政策,鼓励企业根据使用场景研发换电模式车型。” 2020年9月9日,由中国汽车动力电池产业创新联盟主办的构建车电分离模式生态圈研讨会在成都召开,联盟副秘书长王子冬在会上一针见血地指出,“要想尽快打通换电商业模式,换电站的共享是关键”。 联盟的召唤也得到了众多企业的积极响应,一汽、上汽、东风、蔚来等车企,以及宁德时代、东软睿驰、华鼎国联、华鼎资本、润晖投资等共计20家单位成为签署《构建新能源汽车“车电分离”模式生态圈联合声明》的第一批企业,这是一步很了不起的进展。 相信在相关部门的正确指引下,换电标准统一会较快实现,因为企业看到这是必然趋势,对自己和消费者都有利,有动力,更有压力,不顺应标准就很可能被淘汰,共享换电好比阳关大道,而各自建换电网络犹如走独木桥,因此预计相关企业都会积极踊跃地参与标准的研究制定。

  虽然同一个电池能提供的续航对于中大型车来说远远低于微型车,这个问题有解决方案,就是双电池包 -- 随车标配电池包另加根据需要租用的标准增程电池包。车底盘的空间依然可以充分利用,不仅续航可以最大化,用户的购车成本和使用成本都可以大幅降低。对于90%以上的个人自用车主来说,有200公里续航就够通勤等日常需要了,消费者为每多100公里续航一般需要多花至少1.5万元,这多余的电池容量对他们来说大部分时间是浪费和额外的负担。所以整车厂只要给每台车配一块200公里续航左右的电池包就够了,由共享电池运营商给用户提供方便的增程电池租赁服务。 增程电池可以是快速可拆换式在车内安装的,也可以是外挂的。 前者需要统一尺寸,后者只需要统一接口及数据通讯协议。在电池技术取得根本性突破之前,对纯电动车C端市场和部分营运车来说,共享增程电池与充电结合应该是比整车换电更适合的续航解决方案。

  图一、内置增程电池示意图

换电模式成本高的难题要如何破解?

  图二、外挂移动加电车示意图

换电模式成本高的难题要如何破解?

  如果部分换电/共享增程电池模式能够应用实施,可以完全解决纯电动车续航和补电等痛点,购车成本也大幅降低至与燃油车持平,不需要补贴也可以大大加速纯电动汽车的普及。国家鼓励支持换电模式创新,共享增程电池模式恰好契合一些应用场景的需要。

  2)储能电池采用动力电池标准的可行性探讨。

  储能行业对电池的接口和外形尺寸不存在硬性要求,我国2019年1月起实施的GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》标准就对储能电池采用什么样的尺寸、外形和接口没有做任何具体要求。

  能量型电池和功率型电池仅是以应用需求设计来区分,以低于或高于一小时率额定功率工作为界限。

  储能用电池比动力电池性能要求低,所以动力电池做储能用基本没问题,反之未必。 车规级的电池在很多方面要求都高于储能用电池。 但是功率性能不太差的储能电池作为增程电池用于驱动纯电动汽车也未尝不可,只要不是激烈驾驶,大部分的场合都可以胜任;而且纯电动车的电机控制器只要智能一些,自动识别搭载的电池参数,根据情况来限定最高的功率即可。如果增程电池与车辆自带标配电池协力驱动电动车,更不容易超过其额定功率。 在电动自行车上双电平衡器已经有成功的应用,控制器和两个电池包之间只要添加一个出厂价约100元人民币的模块就可以智能实时控制两个容量不同且SOC也不同的电池包的输出,例如在低速匀速骑行时,只让SOC较高的电池输出,而在加速和高速骑行需要高输出时,两块电池同时按照其内置程序设定分别承担不同比例的输出。

  可以将每块电池按照其性能分成几个等级,根据需求量,选择最好的用于换电站日常流通,次好的在节假日出行换电需求高峰时作为补充临时使用,在需求回落以后就及时收回来仍主要做储能用即可。即把储能站作为换电站的仓库或缓存。

  动力电池不用等到严重衰减才进入储能市场,可以加速更新换代,提高纯电动车用户的体验满意度。

  因为省却了拆解重组和一些中间环节,储能企业也有望得到成本更低廉的电池。

  总之,将动力电池换电标准进一步向储能领域推广,让储能和换电行业共享一部分电池,应该是有益两个行业且可行的。

  标准不统一的情况下必然存在巨大的资源浪费,而一旦统一就能给全社会相关行业带来极大的益处, 因此纯电动车电池标准的统一刻不容缓! 不仅是纯电动车的电池标准需要统一,纯电动汽车与储能电站的电池也应该相互兼容,充分利用绿色可再生能源直接驱动电动车,消除有些人对电动车使用化石能源发的电并不环保的质疑,新能源车才名副其实。

  在此呼吁还未加入中国汽车动力电池产业创新联盟的企业也都尽快加入联盟,齐心协力尽早实现换电标准的统一,尤其是接口的统一,也希望整个新能源汽车行业与可再生能源生产、储存和供电等相关行业共同努力,加强合作,实现更进一步的储能电池和动力电池的兼容和共享。

  关于统一换电标准的前景的更多探讨,请见我11月16日在新浪汽车网发表的以下文章

  《统一纯电动乘用车换电标准及共享换电是大势所趋》

  3、动力电池兼做储能电池与V2G的比较

  相比V2G,动力电池和储能电池的打通在帮助电网平衡峰谷供需矛盾方面,其实用性和可行性都更高。

  V2G除了不经济以外,还至少有以下两个问题:

  一个是电池质保问题,厂家对电池提供的质保是否能覆盖V2G的使用?一旦使用了V2G,汽车的表显累计里程就不能代表其电池的实际工作量。

  电池的寿命有限,虽然理论上优质的电芯单体的循环寿命可以达到2000次,因为一致性问题,目前成组电池包使用到容量衰减20%只有大约1000次充放电循环。 而V2G则把私家车原本数天充一次的频率陡然提升到营运车的一天两次充放的高使用强度。

  现行的国家对新能源车的补贴政策要求厂商对动力电池提供不低于8年或12万公里的质保,实际很多电池未满8年就会出现严重衰减需要更换,虽然技术在进步,动力电池的整体质量水平在提高,这项规定现在仍然是一个较高较严的要求,因此有些企业感到有压力,希望缩短。 2019年3月14日国家市场监督管理总局发布《家用汽车产品修理、更换、退货责任规定》(修订征求意见稿)拟将三包有效期限定为最短为2年或者5万公里。

  如果使用过V2G功能的车电池充电桩的电池出现过早衰减或其它故障,如何界定是充电桩的问题还是车的问题?这也是一个难点。

  不仅对电池,V2G对所有相关电气部件包括BMS、电控、充电器、接插件、线路乃至温控系统都是考验,对其耐用性提出较高的要求。

  如果没有足够的相关利益驱动,电池包厂商和整车厂都不会愿意接受V2G,而对使用V2G的少数的用户提供额外的质保责任。

  另外是安全、管理以及运营效率的问题。V2G的车辆零星分散,不易管理,效率也低,正好与换电站形成鲜明的对比。

  在换电站兼储能站进行集中充放电,电池所处环境更好,更易于监控和管理,因此更安全更长寿。而且每个电池包所占空间小,租金分摊的占地成本低;再者,电池充放完毕,可以下架入库码放,并马上将另一块电池上架充放,或者甚至不需要上下架和插拔充放电接口,系统自动进行切换。设备的使用效率更高。

  V2G应用的最理想的场景是,用户每天规律地上下班,家有智能慢充桩,每天晚上回家就插上并设置好低谷时间段定时充电,并且在工作单位附近有V2G充电桩,每天早上一到就插上以给电网供电,这一个商用充电桩就专供一台车使用。

  但电网高峰时段和上班时间不完全重合,而且其中尖峰时段只有3个小时(工作日高峰时段一般为8时30分至11时30分和18时至23时,低谷时段为23时至7时,其余时段为平段;其中高峰时段中的10时30分至11时30分和19时至21时为尖峰时段) 。

  而上班时间包括午休一般是早8/9点-晚5/6点长达9-10个小时,这期间,一台车就要一直独占一个充电桩。 即使车主愿意把车钥匙留给充电站工作人员,让工作人员去挪车,以便在这台车放电完毕后挪开让别的车使用,也要有足够富裕的停车位,并要付出额外的人工成本,而且代客挪车还有一些相关风险责任。

  仅考虑充电桩停车位的高昂占地成本一项,这样的模式在市区就是完全不经济的。

  更何况,每天有早晚两个用电高峰时段,早高峰在上班时间,而晚高峰在下班后,仅在一个早高峰时段内回馈电网也是不够的,无助于节约供电企业的预备机组的投资,为了兼顾两个高峰时段,车主家的慢充桩也必须要升级V2G功能。

  相对于充电,V2G放电回电网的要求更集中,电流负荷更大,相应的V2G充放电桩等设备成本也远高于普通充电桩。

  众所周知,有很大比例的电动车自燃事故是发生在充电时,V2G无疑更增大这种风险。

  总之,V2G问题很多、其可行性很低,将纯电动车的电池包拿出来集中管理与电网智能交互才是更好的方案。

  另外,平衡峰谷用电我认为应以给电池充电来消纳低谷时的富裕电能为主,并尽可能多利用原先被大量弃用的光电、风电、水电等可再生能源;尽量少反向放电到电网补充高峰需求,而是尽可能多放电在纯电动车行驶上;一方面是尽量避免不必要的充放电转换的电能损耗、以及电池和设备的损耗,一方面是尽可能多用绿色的电能来驱动电动车,真正体现新能源车的意义。

  二,设备和电池小型化、模块化、移动化、自动化和无人化

  这几个方向相互关联,只有电池实现小型化,设备才可以相应地小型化,电池和设备才方便移动,移动化的更高层次则是自动化和无人化。如果换电设备简单易用的话,车主可以自助加电/换电。 如果电池和设备小型化了,加电也可以像骑手送外卖一样简单容易和成本低廉,如果用无人驾驶小车送电就更不用说了。随时随地、随叫随到、随用随走的无感的全自动移动加电将是未来终极的最令用户满意的加电形式。

  以下举两个企业的例子。

  蔚来汽车以给车主提供无微不至的服务而著称,为方便消费者,提供快充、快换和加电车等多种方式的加电服务。 蔚来的加电车采用的是装载着巨大的电池堆或者燃油发电机的商用车。加电车的车重加电池就已经数倍于一个普通乘用车,自然其能耗也数倍于普通乘用车,成本很高,只能用于应急,不适合大范围推广。 而目前蔚来现有车型的电池的巨大体积和重量是其提高换电速度、降低成本以及广建站点和实现移动换电的阻碍。

  低速电动车企业御捷多年来一直在积极探索换电模式,据车讯网报道,其旗下的幻电科技新推出的底盘换电装置,全套设备包括专用快换装置、充放电装置、电池包储存装置及电池快换专用运输车辆,整体投入只需19万元,占地仅需52平方米,换电时间仅需3分钟,相比通常高速电动乘用车一个换电站投资动辄数百万元,它投资小、占地省、门槛低。 只是该企业相比主流车企实力较弱,影响力不够,该企业不是主要凭自己投资建设换电网络而是寄希望于吸引经销商投资;另外低速车国家标准迟迟不能出台,低速车的路权问题不能解决,企业经营步履维艰,这样好的方案单凭其一个企业不一定能够成功推广。

  如果把纯电动车上的大电池包化整为零,一分为二甚至更多,易于实现模块化和标准化,便于灵活组合使用,也可以降低单个换电站的投资和运营成本,有利于加速换电网点建设。 在两轮电动车换电领域已经有不少运营企业在换电商业模式推广上取得了一定程度的成功,其模式和经验也有很多值得纯电动汽车行业借鉴之处。

  结语

  凡事都有利有弊,很难做到完美,一个想法从提出到实施难免会有很多具体问题,在做的过程中克服和解决即可。大家集思广益,一定能找出更好的建设性的解决办法,希望大家加强团结,共同努力,把行业做大做强,尽快实现新能源汽车换道超车的中国梦。

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