以更換電池模式推動電動汽車快速發(fā)展的思考與建議

王 義 勇， 袁 明 旭

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)雅安供電公司，四川 雅安 62500)

0 前 言

發(fā)展新能源汽車，符合我國能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)展戰(zhàn)略，是實(shí)現(xiàn)減碳的重要途徑之一。相對而言，電動汽車的技術(shù)最為成熟、造價(jià)相對經(jīng)濟(jì)，是新能源汽車發(fā)展的主流，在未來一段時(shí)間內(nèi)難以被替代。國務(wù)院辦公廳于2020年10月出臺了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》，對包括電動汽車的新能源汽車發(fā)展做出規(guī)劃，其中特別提到要鼓勵“更換電池”模式(簡稱換電模式)的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)電動汽車銷售滲透率已達(dá)10%，對燃油車加速替代。然而里程焦慮、充電等待問題仍然較為突出，動力電池原材料漲價(jià)影響發(fā)展和使用率不足造成浪費(fèi)的情況將更加突顯。2021年10月，工業(yè)和信息化部制訂了《關(guān)于啟動新能源汽車換電模式應(yīng)用試點(diǎn)工作的通知》，將北京等11個(gè)城市納入試點(diǎn)范圍，加速推進(jìn)換電模式的落地。

1 汽車動力電池的特性

1.1 電池的功率性能分析

電池功率P=W/t=UI=I2R。電池在充電時(shí)，電池內(nèi)阻R一定，電功率P與電流I的平方成正比;在充電容量(電功)一定的情況下，要實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間t內(nèi)充滿電池，則需要的電功率更大，電功率更大，需要的電流更大。由于電池內(nèi)阻消耗能量，產(chǎn)生焦耳熱[1]，大量產(chǎn)熱將對電池產(chǎn)生嚴(yán)重的不可逆轉(zhuǎn)損害。

1.2 電池的循環(huán)壽命

按三元體系動力電池系統(tǒng)80%充放電深度有關(guān)測試結(jié)果[2]，在一定條件下，電池系統(tǒng)初始放電容量為38.98 Ah，在1 200次循環(huán)之前容量衰減緩慢，容量損失為5.58 Ah，損失率為14.3%，在此之后容量迅速衰減。庫倫效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在1 700次循環(huán)后庫倫效率小于100%。測試動力電池系統(tǒng)循環(huán)壽命的總體規(guī)律是容量衰減隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加快。動力電池系統(tǒng)80%充放電深度放電容量與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線見圖1。

圖1 動力電池系統(tǒng)80%充放電深度放電容量與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

按圖1，電池使用壽命1 200次充放循環(huán)為佳，1 700次循環(huán)為宜。不同電池，如磷酸鐵鋰電池有一定差異。

1.3 電池能量密度

工業(yè)和信息化部2017年出臺的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年動力電池組能量密度達(dá)到350 Wh/kg。電池組的能量密度影響整車質(zhì)量，同等續(xù)駛里程能耗有差異[3]。按近期350 Wh/kg的電池能源密度，目前市場上主流的70 kWh(一般續(xù)航500 km，實(shí)際平均續(xù)航按400 kw計(jì)算，下同)的電池組質(zhì)量為200 kg，電池組質(zhì)量隨電池容量增加而增加。現(xiàn)在裝車的電池組能量密度基本都小于200 Wh/kg。按車體(不含電池)質(zhì)量1 000 kg計(jì)算搭載各種電池容量的整車質(zhì)量見表1。

表1 按車體(不含電池)質(zhì)量1 000 kg計(jì)算搭載各種電池容量的整車質(zhì)量

以70 kWh電池容量為例，按電池組能量密度200 Wh/kg計(jì)算，電池質(zhì)量為整車質(zhì)量的26%。

2 充電模式的不足之處

2.1 充電分為慢充和快充

慢充用時(shí)長，一般在8 h左右，可以將電池電量由5%充至95%以上，居家充電為主?？斐溆脮r(shí)短，一般半小時(shí)左右，電池電量由30%充至80%，一般在商用(公共)充電樁(站)完成。

2.2 居家充電受到現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施的制約

已建成的居民小區(qū)，預(yù)留電力供給容量有限。以成都為例，據(jù)了解，一個(gè)居民小區(qū)安裝充電樁的前20名業(yè)主需在物業(yè)備案，之后的業(yè)主則需到供電單位申請。擴(kuò)展至整個(gè)城市，當(dāng)電動汽車普及到一定程度，供電電源及輸配能力將受到很大的考驗(yàn)，甚至成為瓶頸。仍以成都為例，2020年汽車保有量545.7萬輛，若電動汽車達(dá)到50%，每車按70 kWh電量、每10天充電一次，需用78.75萬kW的發(fā)電機(jī)組供電。若在節(jié)假日出行高峰前，按80%即218萬輛車同時(shí)在夜間充電，則需要1 907萬kW機(jī)組供電。

2.3 公共充電需用更多充電車位，占用更多土地資源

公共充電，按快充半小時(shí)計(jì)算，比燃油汽車(加油按5 min算)需要的車位增加5倍。隨著電動汽車的普及，將導(dǎo)致充電位緊張。節(jié)假日出行高峰，若高速公路、景區(qū)的充電車位不足，必然出現(xiàn)等待時(shí)間長的情況。2021年國慶期間已出現(xiàn)在高速公路充電區(qū)域長時(shí)間等待充電的情況。

2.4 采用快充模式，造成電池浪費(fèi)大

采用快充模式，充電功率大，對電池?fù)p耗大；每次快充后一般也僅能達(dá)到額定續(xù)駛里程的60%左右。一般家庭用車行駛在15萬 km左右就報(bào)廢。電池組隨車輛一起報(bào)廢，將造成大量浪費(fèi)。按1 200次最佳充放循環(huán)，按400 km續(xù)駛計(jì)算可行駛48萬km，造成約69%的浪費(fèi)。

2.5 充電模式電池組固定搭載，對電力能源造成一定的浪費(fèi)

按表1所列，固定搭載的汽車電池續(xù)駛里程為400 km，電池質(zhì)量約占整車質(zhì)量的26%。汽車在做功時(shí)，很大一部分能量消耗在把電池從出發(fā)地運(yùn)送到目的地，特別是短途的累計(jì)“運(yùn)送”造成電量消耗大。而大部分的家庭車輛為城市上下班通勤車輛，每周行駛里程在200 km以內(nèi)。

3 換電模式的優(yōu)勢

換電模式是建立在車電分離的前提下，集中統(tǒng)一對動力電池組進(jìn)行充電，相對固定搭載電池的單車充電模式，具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益。

由圖3b可見，1954—2010年花期相對濕度呈減小趨勢，傾向率為0.6%/10 a，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。1954—2010年花期平均相對濕度為78.2%。其中，1954—1970年平均相對濕度為79.9%，較平均值偏高1.7個(gè)百分點(diǎn)；1971—2010年花期平均相對濕度為77.5%，較平均值偏低0.7個(gè)百分點(diǎn)。

3.1 換電模式具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益

(1)減少電網(wǎng)城網(wǎng)改造、居民小區(qū)配電改造投入，適應(yīng)城市供電網(wǎng)絡(luò)、居民小區(qū)配電現(xiàn)狀。換電站可主要在城市周邊,少量在城里進(jìn)行選址建設(shè)。

(2)減少充電場地建設(shè)，節(jié)約土地。在高速公路沿線，換電模式補(bǔ)充電量用時(shí)短，能迅速疏散車輛，減少擁堵。

(3)平滑電網(wǎng)負(fù)荷，提升水能利用率[4]、減少棄風(fēng)、棄光[5]。在用電低谷對電池進(jìn)行充電，相比充電方式隨機(jī)用電對電力的不均衡需求，利用夜間電力、汛期水電、捕捉風(fēng)力、陽光用好風(fēng)電、太陽能電，用戶側(cè)儲能，利用綠色能源，為碳中和做貢獻(xiàn)。對于四川省等水電占比大的省份，用好汛期水、夜間電，經(jīng)濟(jì)效益更加突出。

(4)提高電池利用率，節(jié)約材料。換電模式可以在更加可控的條件下對電池進(jìn)行滿充，延長使用壽命。與固定搭載的充電模式相比，換電模式可以均衡調(diào)度、最大限度地利用電池。

(5)換電模式可以柔性搭載電池，減少單車能耗。

3.2 換電模式能為車主節(jié)約費(fèi)用

(1)減少一次性購車投入。電池占整車成本約30%至40%，以15和40萬元的整車價(jià)格計(jì)算，40%的電池價(jià)格占比，分別減少一次性支出6萬元和16萬元。

(2)節(jié)約充電裝置及其安裝的費(fèi)用。居家充電需接入自家電表或新增電表，若布置一段專有線路，會增加費(fèi)用。

(3)減少使用過程中的費(fèi)用。分享換電運(yùn)營商夜間低谷用電、直供電的電價(jià)差，柔性搭載電池，節(jié)能降耗，少付電費(fèi)。

(4)獲得換電運(yùn)營商較好的服務(wù)。如應(yīng)急電池更換車服務(wù)等，改由常規(guī)的單車能源管理為以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中的能源管理，每組電池電量、運(yùn)行情況接入運(yùn)營商數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以便掌握電池的運(yùn)行狀態(tài)，確保更安全的運(yùn)行，適時(shí)提醒車主更換電池，提供最佳、最近換電站位置提示。

3.3 換電模式能為運(yùn)營商帶來經(jīng)營利潤

(1)電價(jià)差。用好低谷電、直供電，降低電價(jià)。在四川省等水電富集的西南地區(qū)，電價(jià)最低可低至0.2元/kWh，遠(yuǎn)低于居家充電綜合平均約0.5元/kWh左右的電價(jià)。

(3)減少資金占用。固定搭載的電池組，不管車輛使用與否，都要隨車，造成電池積壓、資金占用。運(yùn)營商可以采取優(yōu)惠政策引導(dǎo)客戶按需搭載，在某些長期不用車的情況下零搭載，減少資金占用。

3.4 換電運(yùn)營方式及早期運(yùn)營

(1)換電運(yùn)營方式。換電運(yùn)營商按電池押金及用電量的方式進(jìn)行收費(fèi)，由換電車主交押金給運(yùn)營商，車主不再使用電池后，押金退還，每次更換電池時(shí)，根據(jù)電量及單價(jià)計(jì)算收費(fèi)。按柔性搭載引導(dǎo)，電量越高，電價(jià)越高，超過押金對應(yīng)電池組電量則按成倍增加。

(2)換電服務(wù)商早期的運(yùn)營。根據(jù)服務(wù)車輛數(shù)，按車、電1∶1.2配備電池。按1輛車每10天行駛400 km，換一次電池，1∶1.1配備電池可以滿足日常的換電需求。另再備10%，應(yīng)對節(jié)假日出行的換電需求高峰。非節(jié)假日期間，這10%的電池夜間充電，白天向電網(wǎng)供電。隨著電池使用壽命的延續(xù)，逐步有車輛退出，有新的車輛加入時(shí),可按大于1∶1的比例新增配備電池，如增加3輛車，新增配備2組電池。

(3)換電站組網(wǎng)。形成一定的換電站覆蓋，形成網(wǎng)絡(luò)。先期按解決大部分出行需求組網(wǎng)，以大城市為中心，覆蓋本省及周邊省份，滿足車主中短途出行需要。以四川省為例，21個(gè)地市州進(jìn)行覆蓋，初期，在成都市區(qū)建3至5個(gè)電池更換站(根據(jù)需求車輛如出租車等的加入增加站點(diǎn))。根據(jù)地理遠(yuǎn)近，其他市(州)距離成都150至200 km范圍，在廣元、宜賓、南充、康定等地建站，逐步擴(kuò)展至重慶、陜西、云南、貴州等周邊省份。以成都為圓點(diǎn)，半徑覆蓋500～700 km范圍。前期換電站網(wǎng)點(diǎn)不足，可采用換電車補(bǔ)充填補(bǔ)空白，以及采用電池更換點(diǎn)(將充滿電的電池組運(yùn)至電池更換點(diǎn))更換電池。對有長途及超長途的，運(yùn)營商可配置一定比例的可開放為充電模式的電池。后期根據(jù)用戶數(shù)量逐步布密網(wǎng)點(diǎn)，滿足中短途車輛出行換電的需求。以大城市為依托，按西南、華中等片區(qū)組建運(yùn)營商，逐步發(fā)展為全國性的換電運(yùn)營商集團(tuán)，運(yùn)營商之間可互濟(jì)換電，形成覆蓋全國的換電站網(wǎng)絡(luò)。

(4)換電站服務(wù)應(yīng)覆蓋全部品牌?，F(xiàn)已有單一品牌車輛采用換電模式，電動汽車電池的“換”和“充”混合使用，沒有實(shí)現(xiàn)柔性搭載，有一定局限性。

4 結(jié) 語

電動汽車采用換電摸式，能充分利用電池，減少浪費(fèi)；柔性搭載電池，降低能耗。通過組建換電站網(wǎng)絡(luò)，解決里程焦慮和充電等待問題。換電模式能夠?yàn)樯鐣?、運(yùn)營商、車主各方創(chuàng)造良好的效益，是推動電動汽車快速發(fā)展的有效業(yè)態(tài)和發(fā)展方向。

為推進(jìn)電動汽車換電模式的應(yīng)用與發(fā)展，加快構(gòu)建全社會的換電站網(wǎng)絡(luò)。解決通適性問題。統(tǒng)一電池容量標(biāo)準(zhǔn)，劃小電池組單元，如以35 kWh或20 kWh為基本容量電池組。統(tǒng)一電池組尺寸標(biāo)準(zhǔn)，車輛的電池槽(箱)統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可柔性上載各種容量的電池組。對電池組的插拔接頭標(biāo)準(zhǔn)化處理，車主可自行選擇電池品牌。

國家出臺相應(yīng)的政策支持。鼓勵換電模式電動汽車的生產(chǎn)與使用，加快構(gòu)建覆蓋全國的換電站網(wǎng)絡(luò)。對于換電模式電動汽車，給予運(yùn)營商稅收優(yōu)惠政策、電價(jià)優(yōu)惠，供電保障，分布式能源許可，電量予以接收進(jìn)入電網(wǎng)交易。信貸方面，給予低息或貼息貸款。對充電電源來自清潔能源或非清潔能源進(jìn)行追溯，給予碳積分碳交易支持。水電占比大的省份如四川省及西南各省應(yīng)率先示范，通過電池儲能，在一定程度上對電力生產(chǎn)和使用時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升水能利用率，鼓勵對換電站直供電，簽訂長期供電協(xié)議，并在換電站建設(shè)用地、稅收方面予以政策支持。