電動汽車整車充電模式與集中充電+換電模式的比較

戴嘉昶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

電動汽車整車充電模式與集中充電+換電模式的比較

戴嘉昶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

對國內(nèi)電動汽車發(fā)展期內(nèi)整車充電模式與集中充電+換電模式進(jìn)行比較，分別從用戶使用、電池維護、車輛運行、電網(wǎng)影響、商業(yè)運營、站點建設(shè)7個角度進(jìn)行研究分析，提出在現(xiàn)有條件下，電動汽車的電能供應(yīng)方式宜以集中充電+換電模式為佳。

電動汽車；充電模式；整車充電模式；集中充電+換電模式

電動汽車以電代油，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，已在全世界得到共識并開始逐漸推廣應(yīng)用，國家及各級政府給予大力扶植，如：購買電動汽車國家有補貼；北京購買電動汽車上車牌不用搖號；上海購買電動汽車免費上車牌等。電動汽車?yán)m(xù)駛里程較短、電池更換成本高、充電不方便是電動汽車發(fā)展不快的根本原因。近年來各大城市普遍發(fā)生的霧霾天氣引起了公眾對電動汽車的更多關(guān)注。就目前的發(fā)展情況來看，我國的電動汽車產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，各電動汽車廠家對電動汽車的各種技術(shù)方向也在進(jìn)行探索。本文就電動汽車的充電模式提出一些探討意見。

目前，國內(nèi)的電動汽車充換電設(shè)施主要分為2種模式：一是整車充電模式，該模式包括為具有車載充電機的電動汽車提供電能的慢充方式和為非車載充電機電動汽車提供電能的快充方式；二是集中充電+換電模式，采用直接更換已充好電的電池組方式為電動汽車進(jìn)行能源補給，適用于各種車型。

在電動汽車充換電設(shè)施發(fā)展前期，國內(nèi)充換電設(shè)施建設(shè)主要以整車充電設(shè)施為主，在使用過程中充電設(shè)施逐漸暴露出充電時間過長、占地面積大、不利于資產(chǎn)保護等一系列問題，諸多問題也直接導(dǎo)致了電動汽車充換電設(shè)施由整車充電模式向集中充電+換電模式的轉(zhuǎn)變。下面就電動汽車整車充電模式和集中充電+換電模式的特點加以比較說明。

1 整車充電模式與集中充電+換電模式比較

1.1 整車充電模式

據(jù)統(tǒng)計，對于用戶來說，購買電動汽車最擔(dān)心的是電動汽車漫長的充電時間和較短的續(xù)駛里程問題。

整車充電模式中的交流慢充又叫做常規(guī)充電（普通充電）。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時間為5～8 h，甚至長達(dá)10～20 h。因此，這種充電模式通常用于設(shè)計續(xù)駛里程盡可能長的電動汽車，需滿足車輛一天運營需要，將汽車作為城市上下班代步車的，可利用下班時之后充電，運營車輛則可在晚間停運時間充電。對于長途旅行者一般不會考慮使用電動汽車。常規(guī)充電模式的主要缺點是充電時間過長，車輛一旦有緊急運行需求時難以滿足。

整車充電模式中的直流快充主要是解決交流慢充充電時間長的問題，又稱應(yīng)急充電。直流快充是以較大電流在較短時間內(nèi)為電動汽車提供充電服務(wù)，一般設(shè)計充電電流為150～400 A。但是，由于目前電動汽車絕大多數(shù)使用的是鋰電池，而鋰元素是活躍的金屬元素，快充電易使鋰元素太過活躍，從而使電池中的電解液發(fā)生沉淀，產(chǎn)生氣泡，也就是平常人們所看到的電池身上凸起的“小包”，容易發(fā)熱，嚴(yán)重的會導(dǎo)致電池爆炸，因此，對鋰電池充電電流不宜過大。目前市面上各大廠商宣傳的其電動汽車快速充電時間可縮短到在10 min左右，以目前技術(shù)來看并不不成熟。以國內(nèi)已投入運營的成都石羊充電站為例，該站的充電機設(shè)計參數(shù)為680 V/400 A，功率達(dá)到200 kW,但是在實際運營中，電動公交車僅能承受80 A左右的充電電流，整車充電時間需要4 h以上。與汽油汽車加油整個流程為5～8 min相比，電動汽車充電站如果無法提供15 min以內(nèi)的快充服務(wù)，基本就失去了其社會基礎(chǔ)設(shè)施的功能性。

1.2 集中充電+換電模式

集中充電+換電模式則通過直接更換電動汽車的電池組達(dá)到為其補充電能的目的，可實現(xiàn)電能迅速補給，同時便于電池維護和延長壽命。目前在電池更換方面，普通車的電池組可以在5 min內(nèi)完成更換，電動公交車也僅僅需要8 min，更換時間基本與傳統(tǒng)汽車的加油時間持平，更易于電動公交車的運營。對用戶來說根本上解決了充電時間過長的難題，因此也可以適用于長途旅行者。另外，電池由專業(yè)電池租賃公司購買，消費者只需要交納租賃價費，降低了運行成本。

2 電池維護

如果采用整車充電模式，特別是整車直流快速充電模式，電動汽車電池壽命將大打折扣。鋰離子電池生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)表明：單體磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到5 000次以上，按照2 000次來設(shè)定出廠標(biāo)準(zhǔn)是完全可以實現(xiàn)的。而超過100個單體成組后的電池模塊，在人工維護的情況下，壽命只能達(dá)到1 500次，如果每次充電可以行駛200 km，電池的里程壽命就可以達(dá)到30萬km。這對于電動汽車的用戶來說是完全能夠接受的。但是，如果沒有人工維護，采取盲充方式補給電能，電池組的循環(huán)壽命將急劇下降到200次左右，甚至?xí)霈F(xiàn)幾十次充電就損壞的情況。這對電動汽車來說是致命的。因此，國內(nèi)外的汽車制造廠家都試圖從電池質(zhì)量和電池管理入手，解決電池組的壽命問題。但是，提高電池的出廠質(zhì)量和一致性并不能從根本上延長電池壽命，因為出廠質(zhì)量和一致性再好的電池都會在使用和充電過程中出現(xiàn)隨機性個體差異，最終導(dǎo)致電池組提前損壞。而電池管理系統(tǒng)如果細(xì)化到對每一單體電池進(jìn)行監(jiān)測和控制，其造價將與電池相差無幾，這就意味著本來就很昂貴的電池又增加了一倍的成本。而且高性能的電池管理系統(tǒng)本身要消耗15%～20%的能量，這就意味著電池里程壽命已經(jīng)損失了20%了。除此之外，即使是安裝了高性能的電池管理系統(tǒng)，也不可能將電池壽命提高到理想的千次以上。豐田普銳斯不超過3年10萬km的電池壽命就是最好的例證。因此可以說，雖然通過提高電池質(zhì)量和優(yōu)化電池管理可以有限提高電池組的壽命，但想通過這個途徑使電動汽車在綜合成本上具有對燃油汽車的競爭優(yōu)勢，是根本不可能的，這條技術(shù)路線必須永遠(yuǎn)依賴政府補貼。

相對而言，采用集中充電+換電模式，因有專業(yè)人員對電動汽車的電池采用小電流的恒流充電和進(jìn)行管理，可以及時發(fā)現(xiàn)電池組中個別有缺陷的單電池并予以更換，每次充電時可以將電池的容量充足，對于電池的維護工作具有積極意義，也可以延長電池的壽命，降低運行成本，將有利于普及和推廣電動汽車。

3 車輛運營

采用整車充電模式的出租車、公交車，無法保證車輛班次。以目前公交企業(yè)單車日均行駛300 km計算，并考慮當(dāng)前純電動公交車充電后最大行駛距離，則車輛每行駛百千米后必須進(jìn)行充電并且充電時間至少在3 h以上，公交企業(yè)必須配置比原燃油車輛數(shù)量多1～2倍的電動車輛才能保證車輛班次，并且使用整車充電模式的車輛在電池一旦發(fā)生危險情況時，無法將電池隔離，從而可能對整輛汽車造成重大傷害，嚴(yán)重時可使整輛車燃燒乃至報廢。

采用集中充電+電池更換模式的電動汽車，在換電站內(nèi)僅進(jìn)行更換電池后即可投入下一班次的運營，所需時間與加油時間差別不大，無需增加車輛即可保證運力，并且在車輛發(fā)生緊急情況時，可以將電池手動抽出，起到隔離危險源、保護整車的作用。從經(jīng)濟角度來講，對更換下來的蓄電池可以利用低谷時段進(jìn)行充電，降低了充電成本，提高了車輛運行經(jīng)濟性，這一點也是整車充電模式無法比擬的。

4 對電網(wǎng)的影響

一旦電動汽車的擁有量達(dá)到一定規(guī)模，如果所有的電動汽車都在下班后的同一時間充電或進(jìn)行快速充電，就會產(chǎn)生較大的諧波，對城市公用電網(wǎng)及其他用戶造成影響。隨著電動汽車保有量的增加，大量的電動汽車充電將帶來用電負(fù)荷的快速增長，會給用電負(fù)荷峰谷差日益加大的電力系統(tǒng)再次增加巨大的供電壓力。在電動汽車無序充電的情況下，大量電動汽車充電還會加重局部電網(wǎng)的電壓降過大、配電變壓器及用電設(shè)備利用率不高、支路容量不匹配等一系列問題。從電網(wǎng)吸收能量將增加電網(wǎng)負(fù)荷需求，需要提高電網(wǎng)備用容量。

集中充電+換電模式中，電力供配經(jīng)過合理的規(guī)劃，完全不會產(chǎn)生上述問題，利用晚上用電低谷階段均衡地從電網(wǎng)吸收存儲能量，實現(xiàn)填谷功能及提高供電、用電設(shè)備的利用率。

5 商業(yè)運營

電池的充、放電過程是電化學(xué)反應(yīng)，對電池的沖擊要比機械磨損具有更大的離散性。機械磨損在不同個體間的差異非常小，作為燃油汽車核心部件的發(fā)動機可以很容易實現(xiàn)絕大部分個體30萬km以上的使用壽命。而電動汽車的動力電池則不然，即便是平均使用壽命達(dá)到了30萬km，也仍然無法實現(xiàn)商業(yè)化操作，因為同型號電池可能因盲充導(dǎo)致存在個體差異，差異率最大可達(dá)到30%。大量使用存在個體差異電池的車輛，將使電動汽車企業(yè)無法應(yīng)對社會輿論，并會產(chǎn)生對應(yīng)的車輛索賠，這是企業(yè)無法承擔(dān)的。

相比之下，集中充電+換電模式下電池運營商將電池在集中充電站內(nèi)循環(huán)使用、有序充電并及時檢測電池，為車主提供服務(wù)，除了補充電能、提高電池壽命之外，無形之中帶來了第三個功能：能保證車輛所使用電池的平均壽命達(dá)標(biāo)，相比不能換電車型，更容易實現(xiàn)商業(yè)化。目前，很多地方為了實現(xiàn)充電汽車的運營服務(wù)，購置了超過實際運營一倍以上的車輛。例如：湖北襄陽603路電動公交車，原本線路只需要10輛公交車，由于充電時間為3 h左右，所以該地購買了20輛電動公交車，10輛上路運營，10輛在充電站充電，電量快耗盡時，運營車輛和充電車輛進(jìn)行交換。對公交公司來說，這種情況無疑大大增加了運營成本。而采用集中充電換電模式，完全可以避免上述采用整車充電模式時所發(fā)生的弊端，車輛電池可以即換即走，無需考慮增加車輛以保證運力。

6 站點建設(shè)

電動汽車整車充電設(shè)施有3種：一是建設(shè)充電站；二是可在城市小區(qū)和停車位設(shè)立刷卡式充電樁；三是在車主自己的車庫內(nèi)用一般的插座充電。車主自行充電雖然電流不大（15 A）,但充電時間較長，而且大多數(shù)車主沒有獨立車庫，因此不可能成為電動汽車的主流充電方式。

為實現(xiàn)電動汽車的正常行駛，必須在城市開展充電站（樁）的布點建設(shè)，實現(xiàn)電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。但是當(dāng)前各地的城市發(fā)展、建筑密度都無法滿足電動汽車對充電站（樁）的需求，主城區(qū)無法劃出土地進(jìn)行大規(guī)模的充電站的建設(shè)，城市建筑結(jié)構(gòu)以高樓為主，地面、地下停車場面積、數(shù)量有限，難以加裝較多的充電樁，這樣必然帶來“有車充不上電”的情況。

集中充電+換電模式很好地解決了這個問題。另外，集中充電+換電模式可以采用“集中充電+統(tǒng)一配送”的建設(shè)模式，即在郊區(qū)建設(shè)集中充電站，用來對電池進(jìn)行集中充電和配送，而在城市中心的必要地區(qū)建設(shè)一定數(shù)量的換電站，僅用于電池更換，這樣，可以將主城區(qū)換電站對土地面積的要求進(jìn)一步縮小，而這一點是整車充電模式無法做到的。

7 投資規(guī)模

整車充電模式的充電站僅提供車輛整車充電，只需建設(shè)充電樁及配套設(shè)施，相對“集中充電+換電站”建設(shè)模式而言，技術(shù)要求較低，每個站的投資較少，但對于車輛停放充電的場所面積要求很大，并需較多工作人員進(jìn)行運行維護。

集中充電+換電模式中換電站主要以電池更換為主，場所面積小，站內(nèi)可配置換電機器人，因換電工作主要在換電工位內(nèi)進(jìn)行，故工作人員配置不需太多，但技能水平要求高。集中充電站需配置電池充電架、電池管理系統(tǒng)，自動化技術(shù)要求高，投資大，要有專業(yè)人員運營和管理。

集中充電站數(shù)量少，配以一定數(shù)量的換電站，總體投資規(guī)模要小于整車充電模式。

8 結(jié)束語

從以上7個方面的分析可以清楚地看到，集中充電+換電模式相對于整車充電模式具有較大的優(yōu)勢。在最近召開的相關(guān)國際組織會議中，世界各主要工業(yè)國也確定了參與換電站的相關(guān)工作，這也說明了集中充電+換電模式正在被世界各國廣泛接受，但集中充電+換電模式的推廣必須在以下幾個方面形成共識：

電動汽車的設(shè)計及電池配置需標(biāo)準(zhǔn)化，以利于電池統(tǒng)一充電及適用多種型號車輛的更換。

電動汽車的電池接插部件需安全、易于裝拆，以利于電池安全穩(wěn)定運行（接頭部分不發(fā)生溫度異常）及便于電池快速更換。

換電費用可考慮按車輛里程計費，即以2次換電間隔內(nèi)車輛行駛里程數(shù)計費，免得因電池質(zhì)量問題、電池沒有充足或換下的電池尚有部分余量等而產(chǎn)生糾紛。

建立統(tǒng)一的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，車主可租用電池，以利于實時掌握車輛、電池的情況及電池的全壽命管理。

在當(dāng)前電池技術(shù)條件下，為推動電動汽車發(fā)展，應(yīng)優(yōu)先考慮城市公交系統(tǒng)及出租車公司車輛的推廣，其電能供給方式采用集中充電+換電模式為優(yōu)的技術(shù)路線。隨著電動汽車的普及，未來電池技術(shù)成熟后，可以采用整車充電和集中充電+換電2種模式并重。

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Comparison between complete electric vehicle charging mode with centralized charging+electric exchanging mode

DAI Jia?chang
（Suzhou Electric Power Supply Company,Suzhou 215004,China）

Charging mode is compared between complete electric vehicle charging mode and centralized charging+electric exchanging mode in the development period of domestic electric vehicle.It respectively analyzes seven aspects from the users to use,battery maintenance,vehicle operation,power grid influence,business operation,site construction,puts forward centralized charging+electric exchanging mode is preferred in electric vehi?cle power supply ways under the condition of existing.

electric vehicle;charging mode;complete elec?tric vehicle charging mode;centralized charging+electric ex?changing mode

U469.72；F407.61

C

1009-1831（2014）01-0057-04

2013-11-18

（

徐文紅）