一種動力電池快換普及方式的思考與應用

張凱, 盧楊陽, 歐韋聰

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

0 引言

從1999年開始，國家14個部委聯(lián)合開展空氣凈化、清潔汽車行動，拉開了中國清潔能源的汽車發(fā)展歷程。2001—2015年，制定了國家863計劃節(jié)能與新能源汽車重大專項，期間25個城市開展公共領域為主的節(jié)能與新能源汽車示范，并且39個城市或城市群開展新能源汽車推廣應用。從2016年開始，在全國范圍內(nèi)推廣新能源汽車，即2016年為新能源汽車發(fā)展的元年。而針對新能源汽車中最主要的純電動汽車中最主要的儲能裝置，動力蓄電池系統(tǒng)是影響新能源汽車續(xù)駛里程的主要因素，也是影響新能源汽車推廣的重要因素之一。

目前純電動汽車補能方式主要分為交流慢充、直流快充和電池快速更換3種，相應地車輛推廣模式也有整車銷售、整車租賃和裸車銷售、電池租賃3種模式。針對大型純電動汽車，電池快速更換既能滿足車輛運行需求，又能避免整組電池充電對壽命產(chǎn)生影響。另外，由于電動汽車電池成本較高、不確定性風險較大，在應用初期，電池租賃是一種值得探索的模式，它能夠有效地降低用戶的使用風險和初期購置成本，而且，電池租賃企業(yè)負責電池采購、性能維護、二次利用和回收，有助于電池的統(tǒng)一管理和有效利用。

文中所提出的快換商業(yè)模式包括幾個技術模塊：快換動力蓄電池系統(tǒng)、動力蓄電池系統(tǒng)換電站，動力蓄電池系統(tǒng)管理倉庫，快換網(wǎng)聯(lián)中心技術要求構(gòu)成了文中提到的快換普及方式的重要組成部分。從這幾點出發(fā)研究快換普及的運營利潤所在。

1 快換動力蓄電池系統(tǒng)

通常純電動汽車的儲能系統(tǒng)，即動力蓄電池系統(tǒng)的軟硬件由以下幾部分構(gòu)成：

(1)儲能單元為鋰離子動力電池，通常會有圓柱、軟包、方形硬殼幾種類型，根據(jù)不同化學反應體系又會分為磷酸鐵鋰或石墨，鎳鈷錳三元鋰或石墨，鎳鈷鋁三元鋰或摻硅石墨，鋰或硫，全固態(tài)鋰電池等；

(2)動力電池管理系統(tǒng)簡稱BMS(Battery Management System)，主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與傳輸、均衡等；

(3)動力蓄電池結(jié)構(gòu)包括動力蓄電池殼體、內(nèi)部模組固定支架、模塊塑料或鈑金結(jié)構(gòu)件等；

(4)電氣元器件包括熔斷器、繼電器、分流器、終端電阻等；

(5)連接器包括動力連接器、充電連接器、低壓通信連接器、手動維修開關等；

(6)冷卻系統(tǒng)有水冷、風冷或自然冷卻結(jié)構(gòu)設計。

針對于快換電池系統(tǒng)與一般的動力蓄電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在動力電池管理系統(tǒng)和動力蓄電池結(jié)構(gòu)，部分還夾雜著對冷卻系統(tǒng)隔離的安全設計考慮，文中所提出的一種快換電池系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)今行業(yè)內(nèi)所崇尚的快速、智能、無人化的換電設計技術要求，反而是追尋一種廉價、簡單、易管理和維護的設計需求。其特征只需5～10 min將電池換好，經(jīng)過數(shù)千次的更換操作仍能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；關鍵指標是電池系統(tǒng)對外接口統(tǒng)一，即同一外形可容納不同電量的電池包，實現(xiàn)里程和整車質(zhì)量的迅速更換。在動力系統(tǒng)總成設計方面，此快換系統(tǒng)可摒棄傳統(tǒng)快換設計的自動化裝配的固定銷式快速鎖緊機構(gòu)和滑軌式斜拉結(jié)構(gòu)；并且為滿足此商業(yè)模式下的運行，快換電池包還可以摒棄常規(guī)慢充設計和滿足多種復雜道路工況帶來的冗余的結(jié)構(gòu)設計與熱管理設計等。

2 動力蓄電池系統(tǒng)換電站

常規(guī)快換設計中動力蓄電池系統(tǒng)換電站是最昂貴的成本組成部分，諸如蔚來ES8的全自動換電站成本將超過1 000萬，并且只能滿足特定生產(chǎn)商的電池更換。類似于快換出租的換電站設計也要考慮到換電機器人、車輛定位、碼垛機、充電儲存架、充電設備、箱式變電站、空調(diào)、消防等，成本也高達700萬/臺。文中所提出的換電站的設計需求只是滿足5～10 min更換，自動化設計及車輛定位均可以摒棄。并且換電站附近只作為電池緩存區(qū)，不應作為電池充電區(qū)，進一步降低單個換電站的建設成本。

針對此換電站的主要工作：

(1)根據(jù)快換網(wǎng)聯(lián)中心傳達的更換服務要求提供換電服務；

(2)滿足快換電池在5～10 min內(nèi)入站到更換完成的時間要求；

(3)滿足已更換電池和待更換電池的暫存要求， 并且支持已換電池包的拉運和快換電池包的補充；

(4)完成原裝電池包和快換電池包的更換。

3 動力蓄電池系統(tǒng)管理倉庫

動力蓄電池系統(tǒng)管理倉庫是快換體系中動力蓄電池存放的不可缺少的集快換電池存放、原裝電池維護和管理、電池充電、儲能管理及智能倉儲管理于一身的功能部分。由于此商業(yè)模式有快換電池與原裝電池交叉管理及更換的過程，對快換電池來說可以集中充電，制定簡單的充電及整車策略即可，對原裝電池來說可以檢測電池系統(tǒng)內(nèi)部壓差、溫差、內(nèi)阻等各電性能參數(shù)，對電池維修及保養(yǎng)有重大意義。另外，存放電池都可以作為儲能機構(gòu)對電網(wǎng)的壓力實行緩解，平緩潮汐電能。

倉庫的主要工作：

(1)根據(jù)要換上車的和換下來的快換電池包做補電工作；

(2)針對換下的原裝電池做數(shù)據(jù)采集和性能分析，必要時做維修和保養(yǎng)；

(3)針對快換網(wǎng)聯(lián)中心傳達的服務需求進行快換電池包的發(fā)車派送及原裝電池的倉儲管理等；

(4)完成儲能站的功能應用，在電價低時充電儲電，電價高時放電輸電。

4 快換網(wǎng)聯(lián)中心

快換網(wǎng)聯(lián)中心其實是依附在管理倉庫上建立的預約換電和網(wǎng)上支付功能的一個云平臺，它是用戶與整個企業(yè)及快換工作流程的聯(lián)系紐帶。它還需通過大數(shù)據(jù)平臺分析出換電站的建立個數(shù)、具體選點、換電站的電池存放個數(shù)、換電電池配送路線等。整個網(wǎng)聯(lián)中心是通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)物流及供應鏈運作的最重要的組成部分和關鍵。

網(wǎng)聯(lián)中心工作：

(1)接收換電訂單，完成網(wǎng)上預約及現(xiàn)金流交付；

(2)完成大數(shù)據(jù)分析，針對換電站建點、存儲數(shù)量、配送路線進行動態(tài)識別和推薦，實現(xiàn)信息流的交付。

5 本商業(yè)模式的核心運營及效果

圖1 快換系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

此商業(yè)模式換電站的選點策略主體是以高速路與長途國道為載體，架設換電站。市郊高速路與國道地價便宜，且此方案換電站不需太大面積等，解決換電站的占地問題和建設問題。且由于高速路作為對外出行的重要手段，既將出行范圍設定為原屬地和出行地，分別對應使用原裝電池和快換電池，則快換電池可專門作為出行地使用。在出行人完成出行回到原屬地的過程中實現(xiàn)原裝電池的維修和保養(yǎng)，并且對快換電池和原裝電池進行定點更換。根據(jù)續(xù)駛里程的需要解決了短途市內(nèi)行駛和長途外地行駛的不同需求，且根據(jù)特定場景設計會帶來下列的效果：

(1)高速路段作為換電運營路段的效果：①高速路段運行工況簡單，對快換電池的壽命預測及統(tǒng)一管理處理簡單；②高速路段更便于未來推廣無人駕駛；③長途駕駛電量恐慌的主要原因是由于高速大電流耗電的低效率，換電系統(tǒng)以高速路為載體，解決出行的電量恐慌問題;④統(tǒng)一換電電池使用場景，有利于精益化設計和生產(chǎn)。

(2)換電電池包的相關設計可能：①不搭載慢充功能，鼓勵顧客出行時在換電站或電池管理倉庫進行補電；②統(tǒng)一換電電池使用場景，有利于精益化設計和生產(chǎn)，降低了設計需求；③兼容性設計思想，同種外部接口可搭配不同電量的整車設計和電池設計。

(3)整車上有更優(yōu)的能耗設計，因為不同電量的需求極大地降低了原裝電池的續(xù)駛里程要求，也降低了整車的質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化設計。

(4)解決客戶的電池歸屬價值觀觀念，短途行駛使用自己的原裝電池，長途出行使用借用的快換電池。

(5)過程中換電電池與原裝電池的交互實現(xiàn)了來往和客戶回流，也實現(xiàn)了過程中對電池系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控和維保。

(6)具備儲能功效，平緩潮汐電能，降低電量成本。

6 此商業(yè)模式的運營流程

運營流程：

(1)用戶通過手機與快換網(wǎng)聯(lián)進行預約換電，描述出行地點和預約換電站位置；

(2)網(wǎng)聯(lián)中心通知倉庫根據(jù)換電站的備貨情況，備選對應電量的電池補貨和移貨；

(3)用戶通過手機完成支付和押金等現(xiàn)金流操作之后，換電站給予換電；

(4)車輛將原裝電池轉(zhuǎn)移至管理倉庫；

(5)用戶在出行過程中不需要進行充電，只需要每次到達出行地的換電站進行換電即可；

(6)用戶在返程過程中與快換網(wǎng)聯(lián)進行預約換電，描述出行地點和預約換電站位置；

(7)網(wǎng)聯(lián)中心通知倉庫轉(zhuǎn)移原裝電池(在電池檢測保養(yǎng)之后)；

(8)網(wǎng)聯(lián)中心反饋客戶原裝電池情況和最終完交易過程；

(9)換電站將原裝電池更換完畢。

快換系統(tǒng)網(wǎng)絡流程圖如圖2所示。

圖2 快換系統(tǒng)網(wǎng)絡流程圖

產(chǎn)品設計流程：

(1)電池廠應與整車廠共同設計快換電池和原裝電池，才能保證通信協(xié)議和接口一致；

(2)電池管理倉庫應由整車廠進行管理，才能對客戶電池包進行數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄預警。

7 此商業(yè)模式的價值運作

從價值運作來看，電動汽車的耗電電費比燃油車更加經(jīng)濟化是毋庸置疑的，但其昂貴的電池成本和基礎設施成為了阻礙新能源車發(fā)展的重要原因之一；另外隨著國家補貼扶持的一步步退縮和現(xiàn)有新能源車管理制度的緩慢推進，電動汽車的發(fā)展仍然困難重重。

根據(jù)文中商業(yè)模式的新想法，將用戶用車剖析為短途市內(nèi)用車和長途出行用車，僅僅從耗電來看，市內(nèi)用車的耗電量比長途低，但長途用車的經(jīng)濟成本仍然比燃油車低。但從實際造車實現(xiàn)角度來看，電動汽車未來的續(xù)駛里程必須達到400 km以上，并且具備快充能力才能滿足長途行駛要求。就此而言，電量至少是市內(nèi)短途行駛的一倍。以中型SUV來看，電耗能做到150 W·h/km已經(jīng)算不錯，但是行駛400 km時耗電量基本是行駛150 km的小車(100 W·h/km)的3倍，整車質(zhì)量基本是小車的2倍左右，不符合當今汽車設計與制造的輕量化理念。所以從根本上來說，通過大電量/大質(zhì)量帶來的續(xù)駛里程增長是不經(jīng)濟的。燃油車與電動車消費對比如表1所示。

來看看大致的利潤效果，以小車A為例：

(1)電池8 kW·h相當于80 km，20 kW·h相當于200 km；

(2)電池成本為20×1 500=30 000元；

(3)電池壽命12×104km，對于小車A來說至少滿足800次充放，電芯循環(huán)至少1 500次；

(4)假如租賃電池20 kW·h一次是80元，包括20元電費、60元服務費或運營費或租金等，押金另計，則對于電池成本而言，500次可收回成本；

(5)換電站的設備場地皆為一次性配備，成本均攤；

(6)假設城市B有10 000臺小車A，每日存在5%～10%的車在實現(xiàn)換電租賃之后有長途行駛的需求，即500～1 000臺車，每日更換總次數(shù)1 000～2 000次，營業(yè)額(8～16)萬元，則需配置1 000～2 000個換電電池包，總共需要375天收回電池包成本；

(7)實際換電需求和備用電池包比值大概1∶1.5左右，油價不斷上漲，電池成本不斷降低，回本的需求天數(shù)會越來越少；

(8)高速路口或城郊結(jié)合處地價便宜，且不需要非常多存儲區(qū)，通過網(wǎng)上預約只需要從總倉庫半小時補貨即可；

(9)以上只是粗略計算，不包括儲能帶來的潮汐電能的利潤，也不包括押金、維修保養(yǎng)收取的費用，主要的支出是換電電池的開發(fā)、備件、換電站和倉庫、云平臺以及充放電機，降低了電費的輸出(常規(guī)換電體系電費占比50%)。在實際運作過程中的盈利點還有很多，理論上是能夠運轉(zhuǎn)起來的。

表1 燃油車與電動車消費對比

8 總結(jié)

電動汽車的發(fā)展是未來中國汽車行業(yè)發(fā)展進程中的必然，當然其中會有各種各樣的過渡期和過渡產(chǎn)品。文中的宗旨是提出一種新的商業(yè)模式以引導行業(yè)內(nèi)人員對可能存在的推廣模式做更多的思考，從可行性、利潤、關鍵要素等各方面去剖析換電模式未來可能普及的方式。