物聯(lián)網(wǎng)雙標準電池純電換電汽車及未來展望

劉宏華 宋煜 陳宏遠 鄭皓

1.中國電信股份有限公司沈陽分公司 遼寧省沈陽市 110020 2.寧波愛信諾航天信息有限公司 浙江省寧波市 315040

1 引言

受益于國家政策支持和技術(shù)進步，近年來我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。2022年新能源汽車保有量達1310 萬輛，同比增長67.13%，呈高速增長態(tài)勢，占汽車總量的4.10%；全國新注冊登記新能源汽車535萬輛，占新注冊登記汽車總量的23.05%，同比增加240 萬輛，增長81.48%。新注冊登記新能源汽車數(shù)量從2018 年的107 萬輛到2022 年的535 萬輛，呈高速增長態(tài)勢。

隨著純電動新能源汽車的增多，一些問題也體現(xiàn)出來。普遍存在充電時間長，無法有效保證長途出行；充電過程以及充電樁本身安全問題頻出；電池長時間使用以及低溫情況續(xù)航能力下降等。上述問題一定程度上限制了電動新能源汽車的發(fā)展，并可能隨著電動新能源汽車保有量逐漸放大化，進而影響純電動汽車規(guī)模發(fā)展。

本文結(jié)合500 余份有效調(diào)查問卷梳理現(xiàn)有純電動新能源汽車的運營問題，提出雙標準電池純電換電汽車模型，以此匹配具備可實施的運營模型，并對該模型未來發(fā)展進行展望。

2 電動新能源運營現(xiàn)狀

2.1 充電時間

從純電動汽車廠家公開數(shù)據(jù)，主流型號充電時間主要集中在0.5 小時-10 小時之間，快充普遍存在犧牲電池壽命情況，廠家普遍建議采用慢充方式，補充電能的時間較成熟運營的燃油車加油時間稍長。充電時間過長，也導(dǎo)致目前純電動汽車主要以家庭充電為主，公用充電樁為輔助充電模式，客觀無法形成有效社會運營機制，見表1。

表1

調(diào)查問卷顯示，因充電式純電動汽車無法長途旅行、充電慢等因素限制購買的分別占78.46%、46.92%，其中無法長途旅行因素同樣隱含的原因為充電慢、充電實施不足等原因，充電慢和充電不方便是限制現(xiàn)有充電模式電動車發(fā)展的主要原因。另一方面，雖然油電混動汽車可以解決上述問題，但是被訪用戶普遍認為兩套動力系統(tǒng)導(dǎo)致故障率高、整車性價比低等限制用戶購買欲望的分別占59.23%、37.69%；同時混動汽車并未徹底解決汽車更新?lián)Q代問題，僅是增加了一套電動驅(qū)動系統(tǒng)。

2.2 續(xù)航能力

純電動汽車續(xù)航能力除決定于汽車本身的電池容量、電池性能，還因為個人駕駛習(xí)慣、工況、充放電次數(shù)、充放電深度、天氣等因素影響，即使新車正常情況下測試的續(xù)航能力與廠家標準的標準情況下的續(xù)航能力也是存在一定的差異。所以，會出現(xiàn)純電動汽車使用一段時間后，續(xù)航能力表現(xiàn)的參差不齊，見圖1。

圖1 2020年度EV汽車續(xù)航偏差率評測榜

調(diào)查問卷顯示，長期使用電池性能下降、低溫電池快速折損性能等導(dǎo)致用戶不希望購置電動汽車的比例達到66.15%、61.54%。電池的續(xù)航能力差異除個性化駕駛條件和習(xí)慣原因之外，主要原因是電池的性能折損導(dǎo)致，也是限制用戶購置電動汽車的一個主要原因。

2.3 安全風(fēng)險

2021 年全年新能源汽車火災(zāi)共發(fā)生約3000 余起，新能源車的火災(zāi)風(fēng)險總體高于傳統(tǒng)汽車。2022 年上半年媒體報道的電動汽車自燃情況中，在已查明原因的事故中，從起火汽車所處狀態(tài)來看，35%處于充電狀態(tài)，40%處于行駛狀態(tài)，25%處于靜止狀態(tài)。

其次，充電樁本身也是安全隱患的主要來源，充電樁本身產(chǎn)品質(zhì)量不合格，同時大電流、高電壓輸出，接地不規(guī)范，防水、防銹、密封性能不好等，很可能導(dǎo)致各種事故發(fā)生，尤其洪澇災(zāi)害發(fā)生時，危險系數(shù)更高。

從調(diào)查問卷結(jié)果表明，擔(dān)心電動汽車充電安全的比例達到31.54%。

2.4 純電動汽車現(xiàn)狀總結(jié)

結(jié)合上述分析以及調(diào)查問卷結(jié)果，大約90.77%的被訪者因覺得燃油價格較貴，但充電式純電動汽車無法長途旅行、長期使用電池性能下降、低溫電池性能折損多、充電慢，混動汽車性價比低等因素極大地限制購買欲望實施。

純電動汽車急需找到改變現(xiàn)有短板，適合大規(guī)模商業(yè)運營的模式，推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，減少碳排放，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代。

3 雙標準電池換電汽車模型設(shè)計

3.1 換電模式

解決充電慢的過程，主要從補充能源速度角度分析解決，目前較多車企研究方向為快充技術(shù)，但是依然存在如下問題無法解決，一是快充技術(shù)大多是以損害電池性能和壽命前提下實現(xiàn)快速充電；二是少量汽車快充好解決，但大量汽車同時充電的時候，電網(wǎng)調(diào)度以及大充電電流和輸電電纜等問題無法有效解決，且安全風(fēng)險更是急速上升；三是只要電池長期在車身上，電池使用中導(dǎo)致的安全風(fēng)險會長期積累，汽車在行駛過程中出現(xiàn)因電池問題導(dǎo)致的事故概率直線上升。而保證換電速度足夠快的換電模式是可以解決上述問題。

3.2 電池標準化

圖2 雙標準電池換電汽車模型俯視圖

電池標準化是保證換電速度足夠快的基礎(chǔ)條件。為保證電池的通用性，適配所有品牌汽車使用，需對電池外型、尺寸、電氣接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M行標準化約定，適合插拔式安裝。

電池外型、尺寸、電氣接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M行標準化后，應(yīng)保證長期不變，以保證存量車輛以及汽車生產(chǎn)廠家長期使用，可變的是隨技術(shù)發(fā)展，內(nèi)部儲能介質(zhì)更新?lián)Q代，可一定時期內(nèi)形成有不同容量的電池運營，在電池運營過程可根據(jù)電池容量作為每次換電不同收費依據(jù)之一。

3.3 雙標準電池

單電池純電動汽車在使用過程中，因離換電站距離以及其他不可控因素等，導(dǎo)致?lián)Q電時殘存電量不統(tǒng)一，可能導(dǎo)致途中拋錨現(xiàn)象發(fā)生。雙標準電池模型可以保證一塊電池放電達到放電要求后，切換到另外一塊電池，用戶再擇機到附近換電站換電池。同時，為提高運營和管理效率，兩塊電池同規(guī)格型號，是最合適的商業(yè)模式。

3.4 換電配套設(shè)施標準化

換電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，按照電池標準和汽車標準，生產(chǎn)具備自動化、機械化的換電設(shè)備，使得每塊電池換電時間等于或者優(yōu)于目前標準加油時間，一般以5 分鐘內(nèi)為宜。

3.5 電池物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測標準化

電池應(yīng)具備物聯(lián)網(wǎng)以及一定的智能處理能力，通過標準的數(shù)據(jù)規(guī)范向汽車以及電池廠家傳遞信息，并隨時通知駕駛員以及電池運營廠家跟蹤電池性能、遠程維護和管理等。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進，利用5G 廣鏈接、高帶寬、低時延特點，可采用5G 定制網(wǎng)輔助4G 和IOT 等多種物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，并通過加密算法，保證數(shù)據(jù)傳輸效率、可用性和安全性。

除傳遞電池實時電量信息，供電電池內(nèi)應(yīng)在電池達到最深放電標準，電池應(yīng)具備向汽車傳送電量使用完成信息。汽車應(yīng)具備在收到電池傳遞電量放電達標的信息后，切換電源到另外一塊電池。

4 雙電換電汽車運營模型設(shè)計

4.1 產(chǎn)業(yè)標準化生產(chǎn)

在上述雙電換電汽車的以電池標準為基礎(chǔ)的標準體系內(nèi)，電動汽車廠家、電池廠家、充電架設(shè)備、換電設(shè)備廠家均按照標準化要求進行生產(chǎn)，使得社會內(nèi)流通汽車電池可以互相交叉更換。汽車除換電外，不應(yīng)具備其他充電接口。

4.2 車電分離運營

當(dāng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品都成為標準之后，汽車廠家將不再提供電池和電池換電服務(wù)，用戶購買汽車后，向?qū)Ｓ械碾姵剡\營服務(wù)商繳納電池租用費用后，即可在該服務(wù)商設(shè)置的換電站進行換電，電池租金可以在一定程度上降低電池服務(wù)商現(xiàn)金壓力。駕駛員每次到換電站更換電池，按照充滿電池容量繳納費用，費用收取模型可參考電價、電池損耗、換電站建設(shè)、運營成本等綜合考慮。

電池運營企業(yè)將汽車換下的電池上架充電，并采用信息化手段，對電池性能進行檢測，對可修復(fù)的損傷進行修復(fù)，對不符合流通的電池實施退出服務(wù)行列。這樣可以保證電池安全性和穩(wěn)定性，也可以保證服務(wù)的標準化、模式化。

5 雙電換電汽車未來展望

5.1 汽車廠家

汽車廠家按照標準化電池要求，生產(chǎn)各種型號汽車，汽車企業(yè)將重點精力投入在駕駛舒適、輔助駕駛、駕駛安全、電機性能、車聯(lián)網(wǎng)等方面，迅速提升汽車駕駛感知和信息化水平。

5.2 電池廠家

重點在電池外型和接口的標準化模式下，研究電池儲能、充放次數(shù)、電池安全、不同工況下性能提升等。

5.3 電池運營服務(wù)商

提供標準化換電服務(wù)，實施全國連鎖，實現(xiàn)換電站數(shù)量與現(xiàn)有加油站數(shù)量可比，支持異地換電，不同服務(wù)商間無差別換電等。

5.4 電力企業(yè)

根據(jù)換電站建設(shè)情況，擴容增容和調(diào)配電網(wǎng)，并與電池運營企業(yè)配合，研究推進儲能業(yè)務(wù)推進，尤其是利用夜間電網(wǎng)重點給電池充電等。

5.5 汽車用戶

汽車用戶購買汽車后，租賃電池使用權(quán)，然后每次換電后按照更換電池儲能交付電費，在汽車進行二次銷售和報廢前歸還電池，收回電池租賃費用，換電服務(wù)商可按累計使用時間收取電池折舊費用。

5.6 運營展望

通過問卷反饋，在僅有燃油汽車和本文所述雙電換電汽車的情況下，56.15%的用戶會主動選擇雙電換電汽車，遠高于目前燃油汽車和充電汽車情況下的選擇充電汽車比例。如果在換電站建設(shè)量足夠情況下，全面取消燃油汽車銷售，可以預(yù)見雙電換電汽車可以有效取代現(xiàn)有汽車，實現(xiàn)更新?lián)Q代。

6 結(jié)語

通過本文的分析，雙標準電池換電汽車可以有效解決目前電動汽車發(fā)展中遇到的問題，建議國家相關(guān)主管部門，快速組織雙電換電汽車的電池國家標準制定工作，組織標準化的換電站建設(shè)，隨著車輛投放市場和換電站建設(shè)，取消充電汽車和燃油汽車的市場投放并陸續(xù)限制和拆除充電樁設(shè)備，即可全面實現(xiàn)汽車更新?lián)Q代，減少碳排放，實現(xiàn)碳達峰和碳中和要求。