以更換電池模式推動電動汽車快速發展的思考與建議

王 義 勇， 袁 明 旭

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

0 前 言

發展新能源汽車，符合我國能源結構向清潔低碳轉型的發展戰略，是實現減碳的重要途徑之一。相對而言，電動汽車的技術最為成熟、造價相對經濟，是新能源汽車發展的主流，在未來一段時間內難以被替代。國務院辦公廳于2020年10月出臺了《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》，對包括電動汽車的新能源汽車發展做出規劃，其中特別提到要鼓勵“更換電池”模式(簡稱換電模式)的應用。據統計，國內電動汽車銷售滲透率已達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影響發展和使用率不足造成浪費的情況將更加突顯。2021年10月，工業和信息化部制訂了《關于啟動新能源汽車換電模式應用試點工作的通知》，將北京等11個城市納入試點范圍，加速推進換電模式的落地。

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，電池內阻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，要實現在短時間t內充滿電池，則需要的電功率更大，電功率更大，需要的電流更大。由于電池內阻消耗能量，產生焦耳熱[1]，大量產熱將對電池產生嚴重的不可逆轉損害。

1.2 電池的循環壽命

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

圖1 動力電池系統80%充放電深度放電容量與循環次數關系曲線

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

1.3 電池能量密度

工業和信息化部2017年出臺的《汽車產業中長期發展規劃》提出，到2025年動力電池組能量密度達到350 Wh/kg。電池組的能量密度影響整車質量，同等續駛里程能耗有差異[3]。按近期350 Wh/kg的電池能源密度，目前市場上主流的70 kWh(一般續航500 km，實際平均續航按400 kw計算，下同)的電池組質量為200 kg，電池組質量隨電池容量增加而增加。現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)質量1 000 kg計算搭載各種電池容量的整車質量見表1。

表1 按車體(不含電池)質量1 000 kg計算搭載各種電池容量的整車質量

以70 kWh電池容量為例，按電池組能量密度200 Wh/kg計算，電池質量為整車質量的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。快充用時短，一般半小時左右，電池電量由30%充至80%，一般在商用(公共)充電樁(站)完成。

2.2 居家充電受到現有電力基礎設施的制約

已建成的居民小區，預留電力供給容量有限。以成都為例，據了解，一個居民小區安裝充電樁的前20名業主需在物業備案，之后的業主則需到供電單位申請。擴展至整個城市，當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，甚至成為瓶頸。仍以成都為例，2020年汽車保有量545.7萬輛，若電動汽車達到50%，每車按70 kWh電量、每10天充電一次，需用78.75萬kW的發電機組供電。若在節假日出行高峰前，按80%即218萬輛車同時在夜間充電，則需要1 907萬kW機組供電。

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，按快充半小時計算，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，將導致充電位緊張。節假日出行高峰，若高速公路、景區的充電車位不足，必然出現等待時間長的情況。2021年國慶期間已出現在高速公路充電區域長時間等待充電的情況。

2.4 采用快充模式，造成電池浪費大

采用快充模式，充電功率大，對電池損耗大；每次快充后一般也僅能達到額定續駛里程的60%左右。一般家庭用車行駛在15萬 km左右就報廢。電池組隨車輛一起報廢，將造成大量浪費。按1 200次最佳充放循環，按400 km續駛計算可行駛48萬km，造成約69%的浪費。

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

按表1所列，固定搭載的汽車電池續駛里程為400 km，電池質量約占整車質量的26%。汽車在做功時，很大一部分能量消耗在把電池從出發地運送到目的地，特別是短途的累計“運送”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。

3 換電模式的優勢

換電模式是建立在車電分離的前提下，集中統一對動力電池組進行充電，相對固定搭載電池的單車充電模式，具有較高的社會經濟效益。

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。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個百分點；1971—2010年花期平均相對濕度為77.5%，較平均值偏低0.7個百分點。

3.1 換電模式具有良好的社會經濟效益

(1)減少電網城網改造、居民小區配電改造投入，適應城市供電網絡、居民小區配電現狀。換電站可主要在城市周邊,少量在城里進行選址建設。

(2)減少充電場地建設，節約土地。在高速公路沿線，換電模式補充電量用時短，能迅速疏散車輛，減少擁堵。

(3)平滑電網負荷，提升水能利用率[4]、減少棄風、棄光[5]。在用電低谷對電池進行充電，相比充電方式隨機用電對電力的不均衡需求，利用夜間電力、汛期水電、捕捉風力、陽光用好風電、太陽能電，用戶側儲能，利用綠色能源，為碳中和做貢獻。對于四川省等水電占比大的省份，用好汛期水、夜間電，經濟效益更加突出。

(4)提高電池利用率，節約材料。換電模式可以在更加可控的條件下對電池進行滿充，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約費用

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

(2)節約充電裝置及其安裝的費用。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，會增加費用。

(3)減少使用過程中的費用。分享換電運營商夜間低谷用電、直供電的電價差，柔性搭載電池，節能降耗，少付電費。

(4)獲得換電運營商較好的服務。如應急電池更換車服務等，改由常規的單車能源管理為以利用物聯網技術集中的能源管理，每組電池電量、運行情況接入運營商數據系統，以便掌握電池的運行狀態，確保更安全的運行，適時提醒車主更換電池，提供最佳、最近換電站位置提示。

3.3 換電模式能為運營商帶來經營利潤

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

(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。運營商可以采取優惠政策引導客戶按需搭載，在某些長期不用車的情況下零搭載，減少資金占用。

3.4 換電運營方式及早期運營

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

(2)換電服務商早期的運營。根據服務車輛數，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%，應對節假日出行的換電需求高峰。非節假日期間，這10%的電池夜間充電，白天向電網供電。隨著電池使用壽命的延續，逐步有車輛退出，有新的車輛加入時,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。形成一定的換電站覆蓋，形成網絡。先期按解決大部分出行需求組網，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個地市州進行覆蓋，初期，在成都市區建3至5個電池更換站(根據需求車輛如出租車等的加入增加站點)。根據地理遠近，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，逐步擴展至重慶、陜西、云南、貴州等周邊省份。以成都為圓點，半徑覆蓋500～700 km范圍。前期換電站網點不足，可采用換電車補充填補空白，以及采用電池更換點(將充滿電的電池組運至電池更換點)更換電池。對有長途及超長途的，運營商可配置一定比例的可開放為充電模式的電池。后期根據用戶數量逐步布密網點，滿足中短途車輛出行換電的需求。以大城市為依托，按西南、華中等片區組建運營商，逐步發展為全國性的換電運營商集團，運營商之間可互濟換電，形成覆蓋全國的換電站網絡。

(4)換電站服務應覆蓋全部品牌。現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，沒有實現柔性搭載，有一定局限性。

4 結 語

電動汽車采用換電摸式，能充分利用電池，減少浪費；柔性搭載電池，降低能耗。通過組建換電站網絡，解決里程焦慮和充電等待問題。換電模式能夠為社會、運營商、車主各方創造良好的效益，是推動電動汽車快速發展的有效業態和發展方向。

為推進電動汽車換電模式的應用與發展，加快構建全社會的換電站網絡。解決通適性問題。統一電池容量標準，劃小電池組單元，如以35 kWh或20 kWh為基本容量電池組。統一電池組尺寸標準，車輛的電池槽(箱)統一設計標準，可柔性上載各種容量的電池組。對電池組的插拔接頭標準化處理，車主可自行選擇電池品牌。

國家出臺相應的政策支持。鼓勵換電模式電動汽車的生產與使用，加快構建覆蓋全國的換電站網絡。對于換電模式電動汽車，給予運營商稅收優惠政策、電價優惠，供電保障，分布式能源許可，電量予以接收進入電網交易。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率先示范，通過電池儲能，在一定程度上對電力生產和使用時間進行調節，提升水能利用率，鼓勵對換電站直供電，簽訂長期供電協議，并在換電站建設用地、稅收方面予以政策支持。