换电模式现状分析

2018-07-11 12:33:33·  来源:EV知道
   
自从纯电汽车推出以来,里程焦虑一直如影随形。人们不禁想到为什么电动汽车不能如同日用电器一样通过更换电池来保障运行呢?自然而然的,对于电动汽车换电模式的探索近些年来就从未停止。
自从纯电汽车推出以来,里程焦虑一直如影随形。人们不禁想到为什么电动汽车不能如同日用电器一样通过更换电池来保障运行呢?自然而然的,对于电动汽车换电模式的探索近些年来就从未停止。

从Better Place到特斯拉,从国家电网到蔚来汽车,几经波折却历久弥新。就在近日,北汽新能源又宣布将在近期启动面向私人用户的换电服务,并率先在北京试点运行。



因为快充模式要达到这样的能量补充速率,其充电倍率至少应该达到12C以上,也就是电池组可以以日常放电速率的12倍甚至更高的速率进行充电。这对于当前的技术能力来说,无疑是一个巨大的挑战。

目前严格意义上的入门级快充应该是达到3C以上的充电倍率。但实际上从大多数乘用车的宣传资料中可以看到30分钟充满80%就已经可以作为快充的噱头拿出来宣传了,也就是一般业界认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充标准了。



以特斯拉为例,其充电桩名曰超级充电桩,它的充电功率是120kW。按照特斯拉Model S 85D的参数,232.5Ah、最高403V,其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。从这里就可以看到,对于长续航纯电动车型,1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

同时快充桩也面临着由于充电电流巨大、对电网冲击较大,布局安装困难的问题。在私人使用上讲,目前的国家标准中是不允许在原来的居民用电网络中直接设置快充桩(充电站)的。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量(普通居民用电量统计计量值在4-6kW/户)。因此,快充桩(充电站)都需要单独设置10kV变压器,而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。



另外从电池单体来讲,对于快充使用也面临着包括寿命、安全、材料性能支持、可加工性等多方面挑战。对于常见的三元锂电池与磷酸铁锂电池来说:

A、磷酸铁锂可能更侧重于解决电导、低温方面的问题。目前国内主要电池供应商在该类电池快充技术发展上比较顺畅,基本可以做到3-5C的稳定充电倍率。但目前要做到12C以上仍然极为困难。而且由于磷酸铁锂电池固有的能量密度较低、电池一致性差的问题,其在乘用车领域的应用前景仍不乐观。

B、三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,更多在安全性和抑制(与电解液的)副反应面临着挑战,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求。具体到乘用车实车上,1.6C或者说30分钟充满80%(3.2C)基本成为了通用标准。

从以上来看,在一定时期内换电模式的便捷性将具有对快充模式的压倒性优势。

2、从实际应用层面来看,换电模式之于快充模式也存在着一系列优势。通过换电站的集中管理,可以实现:

A、对电池组的采用适度的慢充速率以提高电池寿命;利用充电站的记录有计划的对电池组进行一致性校正以降低总成容量衰减。因为从理论上讲,快充对电池寿命与一致性是有相当大的负面影响的。有资料显示,三元锂电池若是经常在高倍率和高温环境下放电,电池寿命会大幅下降到不足200次。

B、合理配置充电时间,充分应用峰谷电价。集中充电式模式甚至可以采用自建供电系统模式,以避免大规模用电对于电网的冲击和随之带来的入网困难等问题。

C、从电池利用率上讲,以一辆纯电动汽车在现有的慢充+快充交替使用的模式下,一般用户驾车行驶10万公里,最多只进行了500次充放电。而采用磷酸铁锂电池总成的车辆,其充电寿命理论上应该在2000次以上,剩余的1500次充放寿命则面临浪费。而换电模式存在的意义,就是通过集中管理、使用电池,将每一块电池的充放电寿命尽可能多的开发、利用起来。

D、在换电站足够多的情况下,可以消除用户的续航焦虑,无需担心续航问题,实现和一般燃油车类似的使用习惯。且3-5分钟左右的换电过程完全不用改变用户的能量补充习惯,与加油体验近似。未来用户甚至可以根据需要选用不同容量的电池,实现在轻度使用强度下减轻车辆整备质量而降低能耗。

总结:在换电模式的成熟运营中可以实现对于电池有效寿命的最大化利用、减少对电网接入的冲击和提供更优秀的用户体验。

二、换电模式面临的问题——与现实存在诸多矛盾

一种产品或者运营模式的应用,严格说起来是一个博弈的过程。这个过程的参与者至少包括:用户需求、技术支撑、经济效益、政策指向四个方面,满足四者交集的才具有成为一个成熟产品、模式的可能。下面我们就谈谈换电模式所面临的问题。

换电模式面对的第一只拦路虎就是政策。新能源汽车市场一直就是一个政策导向型市场,也就是说政策或者政策制度者、执行者的具体操作与好恶是新能源汽车市场走向的最直接的关键驱动力。

换电模式大规模在私人领域应用所面对的主要政策性问题有以下几点:



1、补贴政策。目前我国的新能源补贴政策是针对一车一电池组的整车系统进行设定的。换电模式则是将车与电分开处理。那么如何取得相应的补贴,在政策执行上存在着障碍。

2、车辆管理政策。电池组作为新能源汽车重要的动力总成组成部分,在车型申报管理上属于重点项目。更换电池组,特别是未来如推进按需更换不同容量电池组上,存在着涉嫌私自改装问题的政策障碍。

3、新能源发展方向政策。国家对于乘用车电池引导性发展方向为高能量密度,而目前来看三元锂电池是迎合政策方向的主力军。但三元锂电池的充电寿命理论上在千次以内,而目前主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于500次(标准条件下充放电),但是电芯在配组做成电池包后,由于一致性问题其循环寿命大约为400次。

而换电模式重要的盈利模式就是前面提到的对电池组剩余充电次数的充分利用,这就导致三元锂电池采用集中换电管理的意义远低于磷酸铁锂电池。所以换电模式要商业化很可能使磷酸铁锂电池再次大量使用与乘用车市场,这就必须先要推动适应换电模式的政策调整。

再从技术、市场与需求的应用角度来看,换电模式也面临着下面几大问题:



1、电路接口的可靠性问题。目前技术条件下可快速插拔的大电流接插件不仅很昂贵,而且可靠性也很成问题。实际应用中,在环境相当优越的小功率UPS(室内,功率4kW左右,电流100A级别)上快速更换模块尚且存在着大量的接插件失灵问题。而电动汽车面对的则是野外大振动使用环境,而其电池组是500V、200A级别的组件。在这么高电压和电流,而且还是有强震动的环境下的,一般接插件可能是承受不住的,只能采用螺栓紧固。 但是大电流的端子显然只能采用纯铜或者铜合金材料,使用螺栓紧固下的端子寿命则又是一个严重问题。



2、电池设计、结构重量问题。由于汽车底盘设计的复杂性导致了电池总成造型与布置的复杂性,这就造成了不同车型之间电池组的通用性与电池布置的最大效率之间的严重矛盾。同时随着对于电池总成能量密度要求的提高,电池结构重量减重的要求也越发严格。但换电模式由于要应对拆装操作,势必要求电池总成具有更多的加强结构以提高足够的机械强度。而这必然要付出更多的结构重量,进而导致减重与强度二者之间的矛盾越发凸显。

3、电池总成、接口标准化问题。这个问题同时涉及到了规模化、市场化的经济要求,即鉴于充电站初期的巨大投入而必然要求其要保有一定数量级的用户群体。而扩大用户群体最直接有效的方式就是推进电池总成与接口的标准化、通用化。简单说就是让电动汽车的电池组与接口,做到如同现在燃油车的标准化燃油标号和加油口与加油枪的通用适配。但这种标准的统一,如果没有国家的直接且坚定的推动,并经历一个相对漫长的实施过程,很难想象如何实现。



4、要使换电站如同加油站一样星罗棋布,让消费者便利使用,就涉及到了换电站的布局建设问题。如今新能源汽车的主力市场均处于经济高度发达的大型、特大型城市,建设用地极为紧缺、拆迁困难、地价高昂等等都限制了换电站的大规模布局。同时充电站的建设同样面对着与快充桩一样的电网负荷限制。

曾经有过利用现有加油站网络进行换电站布局的设想,但由于仍然无法避免前述矛盾,且又带来了换电站的电气安全与加油站的油气安全的新矛盾而不了了之。所以目前国内推出的换电站方案,基本是借用停车场等场站的集装箱式临时建设模式。

5、资金压力与资源调配问题。

为了保证换电用户的使用便利性,则要求服务提供商必须提供

A、足够密度的换电节点。以北京市为例,有资料显示市内加油站的服务半径平均是1.8公里。鉴于电动汽车的保有量仍然相对很少,换电站的服务半径大概是在2-3公里即可以像加油站一样提供方便快捷的服务。但即便如此所需的节点数量仍不在少数。

B、足够数量的备用电池。由于车辆使用中的区域与密度不确定、不规则性,必然导致换电站之间的备用电池组需求的不均衡问题。但电池总成的调配难度与燃油的调配难度显然不在一个数量级上。调配难度的增大则又必然导致电池总成储备比例的大幅上升。这个问题的恶果,其实从现在的共享单车市场可见一斑。

C、电池技术发展的不确定性。由于需求的巨大推动,电池技术可谓是日新月异。换电提供商所储备的大量电池是否可以达到预期使用寿命,及后续再利用价值存在不确定性。而由于个体企业保有量的巨大,资金风险进一步放大。

6、电池标定标准问题。电池的新旧程度、残留能量的差异,电池更换时如何计费、计量的难题,还没有彻底解决。而且对于不同电池在具体车辆上的标定调整也是一个难题。

7、安全性与责任界定问题。换电模式的发展有可能彻底改变传统汽车企业、能源企业和消费者的三方结构,而出现电池制造商和充电运营商等参与方。在这种新兴格局下,电池的日常维护工作由谁来承担,当出现安全问题时责任如何界定等都是有待解决的难题。

总结:换电模式的发展仍然可谓是前路漫漫。
三、北汽新能源的这次尝试

通过仔细研读了这次北汽新能源的介绍后,笔者还是发现了一些看点。

据其官方宣传资料介绍:“早在2015年,北汽新能源就开始面向出租车市场推广换电模式。截至目前,北汽新能源已在全国建成换电站113座,投放换电版的出租车、网约车6000余台,累计运营里程8亿公里,个人最长行驶里程50万公里,累计更换电池800万次,曾为全国两会以及厦门金砖国家领导人第九次会晤等世界级盛会提供出行保障服务。”



这里提炼出的第一个信息点是换电模式主要适于与运行规律性强、需求稳定的集团用户,这也是目前业界的普遍看法。近年换电模式较为成功的市场运营实例基本都是针对公交、出租车等行业的案例。而且北汽新能源确实通过这一市场积累了一定换电模式的运营经验及技术、服务储备。

第二个信息点,也是该方案的新意与亮点所在,即:依托于为集团客户所布局的充电场站与运营车型,为个人客户提供换电服务。这对于企业来说是避免了前期投入的不确定性与基本稳定客户群体的培育风险;而对于个人客户来说则避免了相当程度上的入局风险、减少了相应服务体验的等待期,即一旦加入换电体系即可享受到一定水准的换电服务。简单的来说,相当于用地方政府在公共服务建设上的投入降低了企业与个人客户的双方风险。如果未来运营成功将是一个很好的利用政策导向资金推动相关领域发展尝试的成功案例。

结语:

基于北汽新能源在北京地区一贯以来得到的大力支持,我们可以持相对乐观的态度来期待该企业的这次在这一地区试运营的尝试。但北汽新能源必须要做好应对客户需求由相对规律到充满波动性的转变,以及相应物料储备和服务接待能力的准备。