暢游換電和兩棲運營

韓 斌，雷洪鈞，王學嚴

暢游換電和兩棲運營

韓 斌1，雷洪鈞2，王學嚴3

(1.武漢暢游新能源有限公司，武漢 430051；2.汽車與交通工程學院智能汽車工程研究院(武漢科技大學)，武漢 430070；3.北京郵電大學，北京 100876)

燃油車被純電車取代是實現碳中和的必經之路，純電車要想取代目前占市場主流的燃油車，必須在補能速度和補能點數量上同時超越燃油車，才能獲得大部分消費者的認可。暢游換電技術提出的車電分離，智能組合，隨時隨地平面換電的方案使純電車補能便利性超越燃油車加油成為可能。兩棲運營模式是要把大部分動力電池大部分時間接入電網，在不同用車場景下隨時召喚不同類型電池和車體結合，驅動車輛行駛，車輛靜止時電池離開車體接入電網消納不穩定的風光電。

暢游換電；兩棲運營；車電分離；智能組合

0 引言

根據國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》，為加快我國建設汽車強國，有效促進節能減排水平，到2035年純電動汽車 將成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化。而根據我國電力系統的一次能源利用現狀，電動汽車(Electric Vehicle, EV)直接接入電網并不能實現真正意義上的低碳，規模化接入還可能引起系統峰值負荷增長，進而對系統的安全和穩定運行產生負面影響[1]。對EV動力電池統一管理，可以有效緩解大規模EV接入電網所帶來的負面影響，尤其是接入新能源微電網(New Energy Microgrid, NEMG)，既可以就地消納可再生能源，實現真正意 義上的低碳[2-3]，又可以通過V2G技術實現削峰填 谷、提供輔助服務等多重效益[4-6]。因此，為滿足EV用戶的充電需求和參與V2G收益，保障NEMG的安全、穩定、經濟運行，科學合理的EV有序充放電控制和NEMG運行調度起著至關重要的作用。

目前，國內外學者對EV接入NEMG后的調度問題已經進行了大量研究。文獻[7]建立了含EV的NEMG經濟調度模型，提出了基于改進遺傳算法的求解計算方法，結果表明：EV有序充放電既可以減輕負荷高峰時NEMG的供電負擔、發電成本，又可以實現良好的環境效益。文獻[8]提出一種動態電價調整策略，充分調動EV參與NEMG的調度，結 果表明EV有序充放電可以減少NEMG中儲能的配 置容量。而文獻[9]提出了在NEMG中利用集群EV充放電的靈活性來平抑光伏功率波動的實時調度方 法，結果表明平抑效果良好，而且參與調度的EV數量越多，平抑效果越佳。文獻[3]則考慮EV充換儲一體化電站和NEMG的所有權不同，提出了基于Stackelberg博弈的含一體化電站的NEMG雙層優化調度模型及方法，仿真結果表明，所得均衡策略既可以實現互利共贏，又可以有效利用一體化電站內部資源，從而避免潛在的經濟損失。上述文獻均通過對EV有序充放電調度來提高NEMG的經濟性，但除文獻[3]外，其他研究沒有考慮到EV的利益，由于EV參與V2G時和NEMG屬于兩個不同的利益主體，有必要在對含EV的NEMG調度優化時考慮并保證EV的利益。NEMG的調度是通過合理分配各分布式電源出力來解決負荷需求[10-11]的優化問題，涉及經濟性、環保性等指標，具有高維度、非線性、多約束、多目標的特點。文獻[12]以NEMG的運行成本最小、環境效益最高和綜合費用最低為目標函數，通過線性加權法將多目標優化問題轉化為單目標問題來求解，這種方法簡化了多目標優化問題的求解，但該方法并不能反映出子目標之間的關系，本質上是一種“單目標優化方法”[13]，優化結果的可靠性會有所下降。文獻[14]在文獻[12]基礎上利用NSGA-Ⅱ算法求解得到Pareto前沿，最后采用模糊決策方法選取最終解。文獻[15]則提出了含EV的NEMG多目標分級優化調度模型，并采用多目標粒子群優化(Multi-objective Particle Swarm Optimization)算法求解該優化模型。將多目標優化方法應用于求解多目標優化問題得到的多樣性解，可以為決策者提供NEMG調度中各指標之間關系的有用信息，有助于找到能夠惠及多方利益的一組折中解。

綜上所述，目前對電動汽車補能研究多集中在有序充電和集裝箱集中式換電方面，鮮有文獻對分布式換電提供科學指引。

碳中和大背景下，清潔能源發電側的不穩定風光電消納和用電側純電動汽車的核心聯系橋梁是電池，如何利用分布式換電技術把兩個領域的電池統籌高效運用，是接下來主要的論述內容。

1 智能電池

AGV智能標準動力電池[16]裝有四個輪子，可以在換電平面上前后左右自由移動，空電的AGV智能標準動力電池從純電車換電框跑到充電位補電，滿電的AGV智能標準動力電池自動跑進純電車換電框驅動車輛行駛。AGV智能標準動力電池的奇數電芯單通道結構能使電池只要有電就能保持恒定溫度和高效供電。前期為節約成本可以只安裝輪子，依靠人力在平面上小范圍移動電池。AGV智能標準動力電池如圖1所示，1磚塊形狀的標準動力電池殼體，101標準動力電池正負極，102標準動力電池帶四個輪子，103標準動力電池邊角優化更容易進出升降換電框，104標準動力電池定位與控制系統。

圖1 AGV智能標準動力電池

2 智能組合

每輛暢游兩棲純電車都在車輛底盤裝一個升降換電框，升降換電框降到換電站地面時，可以完成空滿電池換電補能。升降換電框攜帶滿電電池固定在車底時，滿電電池可以驅動車輛行駛。用此方案，在任意平面上，每輛暢游車都可以自己獨立完成換電工作，不需要昂貴的對齊舉升設備，一塊電池就是一座換電站，把建站的其他成本降到零。用車時智能電池和車結合，不用車時智能電池離開車體和電網結合。如圖2所示。

圖2 升降換電框

3 暢游換電補能網

在任意平面每輛車都能完成獨立換電補能工作后，只需要把智能電池廣泛布置在全國合適的平面，就能對暢游純電車進行隨時隨地的平面換電補能。并且開創出新的兩輛暢游兩棲車之間結對互換電池補能新功能。

武漢后官湖水面光伏板給周圍公路旁的智能電池充電，直供交通網；十堰秦嶺高山上風電場給周圍公路旁的智能電池充電，直供交通網；宜昌三峽水壩上水電場給周圍公路旁的智能電池充電，直供交通網。暢游車型無論走到哪里，都有清潔的能源，智能的電池進行補能。

以上利用清潔能源直接給暢游換電車輛進行補能的網絡稱之為暢游換電補能網絡，如圖3所示。

圖3 暢游換電補能網

4 暢游兩棲純電車

武漢暢游新能源設計了一款能消納不穩定風光發電的暢游純電車型,這是一款帶兩塊電池的兩棲純電車型，車輛底盤中央為標準升降換電框，升降換電框里可以視活動場景選擇性加裝標準快換池，標準升降換電框外車底四周布置永久性自持電池。

兩棲特點如下。

1) 升降換電框里不裝標準快換電池，依靠自帶的充電自持電池給低速電機供電驅動車輛行駛，相當于插電車型的插電部分，適合市內短途出行，經濟性最優模式。車身輕便，以60～80公里/小時經濟速度低速行駛。

2) 升降換電框里裝載標準快換電池，標準快換電池給高速電機供電驅動車輛行駛，適合高速長途出行，長途行駛中每隔200公里換一塊滿電的標準快換電池，便利性堪比燃油車。高速行駛時車身沉穩，以約120公里/小時的高速度行進。

暢游純電車型帶可升降電池框，標準快換電池帶著四個輪子，電池框降到地上平面時，空電標準快換電池可以脫離電池框，滿電標準快換電池可以進入電池框，在任意平面上完成換電操作。當電池框升入車底時，把滿電標準快換電池固定在車底，驅動車輛行駛。這款車型可以擺脫現有換電站舉升設備的制約，在任意一塊水平馬路或車位上即可完成換電補能作業。由此擺脫了在固定位置建換電站來換電的束縛，實現方便的平面換電補能模式。從此，換電補能就像日常的加油一樣方便。并且這種暢游兩棲純電車型賣的越多，標準快換電池分布越廣，換電補能越便利。

以比亞迪漢EV為例講解暢游純電車型，比亞迪漢EV裝有約76 kWh的刀片電池包，把這個電池包分成兩部分，一部分50 kWh電池作為標準快換電池，另一部分26 kWh作為自持電池部分。平時居家出行只用26 kWh自持電池部分，能在家用2 kW的家用空調插座一晚上充滿電，能在家附近跑200多公里，滿足日常出行。偶爾需要出遠門，就把50 kWh電池標準快換電池裝上，能跑超過600公里；更可以通過高速公路服務區每200公里完成一次三分鐘平面換電操作，實現無限里程高速續航，徹底打破續航焦慮。

自持電池容量較小，永久固定在車體上，能驅動車輛短距離行駛，每晚在用電低谷時利用小功率插座充電，可以做到大部分時間接入電網。標準快換電池只有驅動車輛行駛時和車輛結合，車輛靜止時脫離車體，可以做到大部分時間和電網連接，視電網需求充電或者放電來削峰填谷。

暢游純電車型徹底解決高速續航焦慮和冬季嚴寒續航縮水的智能組合技術。舉例：今天早上08：00開車從沈陽到南京，08：00從20度暖箱中取出標準快換動力電池裝在車上，開始開往錦州方向，由于標準快換動力電池放電過程會發熱，加上適當保溫措施，標準動力電池會在未來2小時之內，即電量耗盡前保持約20度恒溫。接下來通過暢游換電補能網預約錦州高速服務區10：00準備一塊滿電標準快換電池。在錦州換完電池后可以繼續向南京方向行駛200公里。用這種方式，每隔一段換塊電池，完全可以做到和燃油車一樣的便利性駕駛體驗，無懼嚴寒，高效順利抵達南京。

暢游兩棲純電車型比現有換電車型有巨大優勢，現有北汽和蔚來換電都沒有自持電池部分，也就意味著每輛車總是要占用一塊快換電池，多塊快換電池才能為一輛車提供服務。暢游兩棲純電車型由于裝備少量自持電池，即使沒有裝標準快換電池也能完成日常居家出行。私家車只有少量時間是用來長途出行的，因此少量的標準快換電池即能滿足大量私家車的長途出行問題。如果安排大量的標準快換電池來滿足大量私家車的出行問題，就會發現除了解決暢游兩棲純電車補能便利性問題外，還有了大量電池可以大部分時間連入電網給電網削峰填谷，消納不穩定的風光發電，作為穩定電網的充電寶。

暢游兩棲純電車補能方式為居家交流慢充電和長途出行高速換電兩種方式結合。暢游兩棲純電車換電補能速度超越加油且換電補能點數量在將來會遠超加油站數量。暢游兩棲純電車購車時只需要購自持電池部分，車價低于同等配置燃油車。暢游兩棲純電車采用用車時車電智能組合技術，靜止時車電分離，用車安全上超越車電不可分離純電車。從售價、經濟、安全、便利角度完全超越燃油車的暢游兩棲純電車是未來私家車的主力。

5 換電經濟學，度電成本模型

度電成本——把一度電在最終使用掉前(進入電動機、燈泡、電磁爐、電冰箱)的成本分攤到發電、儲電、輸電等環節，找到最優解。

A光伏風力發電度電成本0.2元每度

B電網輸電成本度電成本0.2元每度

C抽水儲能成本度電成本0.2元每度

D化學電池儲能度電成本0.5元每度

E煤炭火力發電度電成本0.2元每度

特別說明：不管是自家車上還是儲能站的化學電池每充放一次電，就會產生循環次數衰減折舊，即會產生0.5元每度的度電成本。

其中，農民自己屋頂裝光伏發電自己用的度電成本是：白天有太陽是0.2元每度，晚上沒太陽是0.7元每度。純電車在光儲充電站的用電度電成本是：0.2元每度的光伏發電成本和電站儲能0.5元每度和自己車的電池損耗0.5元每度共計1.2元每度。

純電車在光儲換電站的用電度電成本是：0.2元每度的光伏發電成本和電站儲能0.5元每度共計0.7元每度。純電車在電網充電的用電度電成本是：居民電網用電0.55元每度和自己車的電池損耗0.5元每度共計1.05元每度。

由以上四個場景的度電成本得出，光儲換電是最低成本且便捷的未來公路交通網的補能方式。

6 實現碳中和方案對比

實現碳中和，八仙過海各顯神通。打個形象的比喻，為了占領碳中和這座城堡，有人準備了投石機，有人準備了沖車，有人準備了登云梯，還有人準備的是一把打開城堡大門的鑰匙。 就汽車領域而言，現有的技術路線有：混動技術、高電壓大電池快充技術、集裝箱式集中換電技術、暢游平面換電技術。

目前的純電車的技術路線普遍走的是大電池和快充技術。大電池和快充技術首先需要未來的電網擴充數倍，其次高電壓對電池傷害不可避免，再次對電池數量要求不能太小。每一項都是一個不可逾越的難題。現有私家車輛終其一生也難跑30萬公里，但動輒配跑超過100萬公里的電池是一種巨大的浪費。

建充電樁，尤其是昂貴的直流樁，只能加快補能速度，但同時在用電側對電網造成極大負擔。若果把直流樁換成快換能量塊，就可以三分鐘給車換一塊50 kWh的標準快換電池能量塊的暢游技術，相當于一千千瓦功率的快充樁補能速度。暢游快換技術，既解決補能速度問題，又增加了用電側穩定性，能低成本高安全性解決碳中和的問題。

在大學化學實驗室洗試管，不是備用大量水一次洗把試管洗干凈，而是采用少量多次的清洗方式。化學老師告訴我們少量多次是正確的清洗方式，大量水一次性很難洗干凈會浪費大量蒸餾水且與低碳節能相背離。車輛補能道理相同，車輛需要的是方便的隨時隨地補能而不是背個超大的電池包，即使用再大的電池包也解決不了出行經濟性問題和補能焦慮的問題，必須依靠外部隨時隨地的補能網絡才能徹底解決補能焦慮的難題。

三百多萬建一個集裝箱式集中換電站雖然有助于實現碳中和，但是這是一個非常笨重的辦法，昂貴的建站成本注定很難普及盈利；換個思路，給每輛車裝備一個3 000元的暢游快換電池升降框鎖緊裝置，三百萬建一個換電站相當于1 000輛車同時具備了暢游換電能力，1 000輛車可以隨時靈活換電，能極大提升換電便利。

純電車最終是要全面取代燃油車，但是燃油車有兩個巨大優勢，一是三分鐘可給一輛車補滿能量，二是全國有十萬個加油站。用暢游技術的純電車，能在三分鐘內通過換電補滿能量，且做到隨時隨地平面換電補能，從而產生取代燃油車的根本性優勢。用兩棲技術的純電車，能做到大部分時間把大部分電池連入電網，從而低成本的解決公路交通網高效補能和能源網的碳中和問題，拓展思維后發現兩棲運營模式也是解決缺鋰富鈉的最優解。

7 如何走出第一步

在高速公路服務區和出入口附近布置暢游智能標準快換電池能量塊。高速公路是封閉場景，按里程收費，前期布置光伏屋頂或停車位頂棚加暢游智能標準快換電池能量塊，可以實現高速公路發電儲能自用，保本運營。隨著暢游兩棲純電車的普及，可以給過往的暢游兩棲純電車換電補能。對比燃油車消耗燃油的成本按里程收費，高速公路布置暢游智能標準快換電池能量塊的收益下限是保本且實現了高速本身綠色用電；收益上限是高速收費翻番，給來往暢游車輛補能實現綠色交通。

對于車企和消費者而言，并不是強制必須換電，而是根據活動場景需求來選擇是否換電；可以不造或者不用純電車，但是不能不造或不開能跑綠色高速的車，合理的轉化了矛盾，促進了暢游兩棲純電車的普及。

標準快換電池劃歸高速管理后，買車時車價便宜了，跑低速時不裝高速標準快換電池輕便經濟，跑高速時臨時租高速電池和燃油車跑高速一樣方便且費用不超過燃油車。

車企和消費者思想轉變過來，暢游兩棲純電車就會逐漸普及，低速的暢游換電補能網也會逐漸遍布全國，這時就會發現，用高速電池跑高速，低速電池跑低速，耐寒的電池跑冬季的東北，兩棲運營模式是碳中和時代最佳的運營模式。

不管開發出來性能多高的車和性能多么先進的電池，只要使用暢游平面換電接口，適當升級電控軟件，車和電池永不落伍，車輛貶值率大幅降低，電池的循環利用也變得非常方便。

未來的新能源發電分散且不穩定，公路交通網用電分散且不確定，隨時隨地的暢游平面換電技術和按需預約的兩棲運營模式是串起兩者便捷的橋梁。

8 結論

碳中和遇到兩大難題：風光電不穩定導致供能側不穩，現有純電車銷量不達主流和大功率快充技術導致用能側不佳。供電側想穩定就需要大量化學電池大部分時間連接電網削峰填谷，用電側想穩定就需少用大功率快速充電電器，改用慢充或風光電配儲能。暢游兩棲純電車能滿足這兩點，完美解決供電側和用電側兩大難題。每輛車都能暢游換電是應用推廣的基礎，兩棲運營是效率最大化最低成本布置換電補能網的方案。暢游兩棲純電車和暢游換電補能網是解決公路交通網和能源網碳中和的鑰匙。

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Changyou power exchange and amphibious operation

HAN Bin1, LEI Hongjun2, WANG Xueyan3

(1. Wuhan Changyou New Energy Co., Ltd., Wuhan 430051, China; 2. Intelligent Automotive Engineering Research Institute of Automotive and Transportation Engineering (Wuhan University of Science and Technology), Wuhan 430070, China; 3. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

The replacement of fuel vehicles by EV is the only way to achieve carbon neutrality. If EV want to replace fuel vehicles that currently dominate the market, they must surpass refueling at the same time in terms of replenishment speed and number of replenishment points to gain the recognition of most consumers.The scheme of vehicle-electric separation, intelligent combination and plane power exchange at any time and anywhere proposed by Changyou power exchange technology makes it possible for pure tram energy replenishment convenience beyond fuel vehicle refueling.The amphibious operation mode is to connect most of the power batteries to the grid most of the time, summon different types of batteries and the body at any time in different car scenarios to drive the vehicle. When the vehicle is still, the battery leaves the car body and connects to the grid to absorb unstable wind and electricity.

Changyou power exchange; amphibious operation; vehicle-electricity separation; intelligent combination

2021-09-30

韓 斌(1978—)，男，通信作者，軟件工程師，硬件工程師，主要研究方向為光儲換電，風儲換電；E-mail: 17438559@qq.com

雷洪鈞(1960—)，男，博士，教授，主要研究方向為新能源汽車，智能汽車；

王學嚴(1979—)，男，博士研究生，主要研究方向為動力電池通信，換電經濟學，兩棲運營管理。