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纯电动汽车充换电怎样结合最合理?

2019-08-06 浏览次数:1,436 次 第一电动网

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现有的充电和换电模式因其各自的局限性,任何单一模式都不能满足市场需要,如何解决各种痛点呢?本文就是提供一种创新的模式,将看似矛盾的两种模式最有效地结合,发挥其各自的优势来消除续航焦虑并大幅降低成本:

削减标配电池容量并共享第二块增程电池。

提纲

发改委《推动重点消费品更新升级 畅通资源循环利用实施方案(2019-2020年)》
如何更合理有效的充换电结合?部分充电+部分换电,为什么要这样?部分充电+部分换电的好处
两种共享增程电池解决方案简述
车内装共享电池详述 与其它模式做比较
外挂共享电池具体应用
比较其它模式的优点
总结和呼吁
实施方案

国家发展改革委2019年6月3日会同有关部门共同研究制定了《推动重点消费品更新升级 畅通资源循环利用实施方案(2019-2020年)》,其中第一条就是关于新能源汽车,相关内容摘录如下:

一、巩固产业升级势头,不断优化市场供给

牢牢把握新一轮产业变革大趋势,大力推动汽车产业电动化、智能化、绿色化,积极发展绿色智能家电,加快推进5G 手机商业应用,努力增强新产品供给保障能力。

(一)大幅降低新能源汽车成本。加快新一代车用动力电池研发和产业化,提升电池能量密度和安全性,逐步实现电池平台化、标准化,降低电池成本。引导企业创新商业模式,推广新能源汽车电池租赁等车电分离消费方式,降低购车成本。优化产品准入管理,避免重复认证,降低企业运行成本。

(二)加快发展使用便利的新能源汽车。聚焦续驶里程短、充电时间长等痛点,借鉴公共服务领域换电模式和应用经验,鼓励企业研制充换电结合、电池配置灵活、续驶里程长短兼顾的新能源汽车产品。推进高功率快充、无线充电、移动充换电等技术装备研发应用,提高新能源汽车充换电便利性。

如何更合理有效的进行充换电结合?我建议采取部分充电+部分换电,它有诸多好处

很高兴看到我们国家的领导和相关管理部门已经充分关注到了电动汽车发展中一些急需解决的痛点,适时了出台了《实施方案》,根据我对新能源汽车行业发展的多年来的密切观察,对具体的应用细节形成了一些想法,在此提出来,供大家参考。希望为新能源产业发展有所帮助。

纯电动车用户的需求是最好能随时随地的在尽可能短的时间内补充能量,现有的充电和换电模式因换电站和充电桩各自的局限性,单独的充电换电都不能满足用户的需要和电动汽车的长远发展,所以充换电结合是必需的,但是如何才能最有效地结合充电和换电各自的优势呢?能否找到一种创新的模式呢?

通常大家想到的充放电结合是在同一台车的使用中有时充电,有时换电,但其实还有一种充放电的结合 — 部分充电+部分换电。合理的设计可以使后者比前者可以更充分发挥充放电各自的优势。以下具体阐述。

因为迄今纯电动车续航焦虑难题还未有效解决,业界为增加续航而一味堆砌电池增加重量和成本甚至耗费巨资押注未来几年不大可能规模商业化的燃料汽车或是退而拾起燃油发动机搞增程型电动汽车,我认为这些都不是最佳的道路,新能源汽车行业急需转换思路。

业界已有共识,对于90%以上的用户来说,汽车自带的电池有200公里续航就够日常通勤和办事需要了,但就是因为有偶尔的长途出行需求,用户对200公里的续航往往不满意,希望续航越大越好,300,400甚至500公里都不够,可锂电池的成本居高不下,很多潜在用户就只能对价格昂贵的长续航纯电动车的望而兴叹。还有充电的耗时也是阻碍纯电动汽车普及的一个主要因素。

另一条路线 – 换电模式,换电速度远比充电快,目前国内最快的换电是3分钟完成,而且换电对电网更友好,对电池寿命更有益,而且相对快充更便于利用绿色可再生能源。比充电有很多有点,但因换电站投资大、占地多,很多换电站还只能满足一个厂商一个系列的车型的需求,换电站网点分布少,也不能给用户提供足够的方便,吸引不了足够多的用户,经营者也难以盈利。

以上这些矛盾都难以解决,影响纯电动车的普及推广。

前两年国家出于激励高能能量密度电池而以续航作为补贴标准,导致有些企业片面追求续航,而一定程度上忽视安全。为了达到标准多拿补贴,都是按照车的形状量身定做电池,最大限度的利用底盘和车内空间,不利于电池标准化,也不利于实施换电,导致近几年换电模式的发展被抑制。随着补贴的退坡,国家政策的适时调整,换电模式有望重新迎来快速发展。

要推广换电模式,要解决的最突出的矛盾问题就是电池的通用性,也就是要统一电池标准。而各家车企有各自的底盘和电池结构设计,复杂多样,谁都难以说服别人采用自己的设计,国家也难以统一协调,虽然大家都知道统一标准有利于行业发展,对大家都有利,但实在难以入手。很多年前相关部门曾经试图统一手机的电池标准,工作难度巨大,最终也不了了之。可以想象要统一纯电动车的电池标准比目前已经实现的统一充电接口标准的难度要大很多。但如果我们的政府强力引导,还是有望实现的。如果要统一标准,该如何入手比较容易呢?我也谈谈我的看法。

同级别车型设计使用同规格的电池还好办一些,但是如果要做到A00级微型车和A0级车、A级车、甚至B级、C级车的电池通用只有一个解决办法 – 按小车能装的最大尺寸设计标准电池,否则至少要设计两三种以上的电池尺寸标准,相应的每个换电站需要备几种规格的电池,要兼容多种尺寸就意味着换电和存储设备投资和技术难度都要增加很多,运营方面也增加很多麻烦。因此,用较小尺寸电池才易于实现标准化,以进行最灵活且高效的充换电。

可是电池尺寸小了,能提供的续航也少了,尤其对较大的车型来说就显得不够了,这怎么解决呢?其实也容易。纯电动车的电池也完全可以一分为二,也就是用两块较小的电池取代一块大电池。其中一块电池是相对固定的标配的常备电池,另一块则是选配的可更换的标准电池。新车出厂标配一块200公里左右续航的电池以应付日常通勤,用户如偶尔跑长途或来不及充电就临时去租赁一块电池用于增程。较大的车上可用来装电池的空间也较大,自备电池可以做大一些,而较小的车型相应的自备电池可以做小一些,但是各种车型的底盘都统一留出标准的较规则空间,以适配同样的可更换标准电池即可。这样各种车型总的最大续航里程基本没有减少,但是却给了用户灵活选配电池容量大小和续驶里程长短的更多选择。

北汽新能源的换电服务主要服务的是出租车和网约车,这样的经营用车使用强度大,并追求长续航,一天就要换2-3次电池,但个人自用车仅日常通勤的话往往几天才需要换一次电,占用电池时间长而利用率低,即使车是采用车电完全分离的方式销售出去的,电池租赁经营者也很难在这类客户上赚到钱,而如果用户买车带电池,在电池比较新的时候,也不舍得换出去。所以说目前的整组换电模式很难吸引足够多的自用车主。

从大多自用车主的综合使用成本角度考虑,一辆车出厂时还是应该配备一组可以应付通勤的常备电池,而不是完全依赖换电站,特别是家里有慢充桩的用户平常在家慢充肯定是最方便又最经济的。统一电池标准任重而道远,换电模式的普及需要很长时间,在换电站基础设施建设不足的情况下,完全依赖换电显然是不经济的也不方便的。经营共享电池的商家要追求盈利,但在初期其运营成本也很难降下来,电动汽车个人用户常年租用共享电池必定不如主要用自己原车自带电池合算。如果将来能够实现标准统一,换电站网点分布密集,租电池的成本和方便程度都和用家用充电桩接近,也许就可以完全依赖换电了。

常备电池可以是利用后排座椅和后备箱下面的空间,也正是底盘式整体换电不好利用的空间,也就不一定要做成换电式的。

常备电池由车企提供,是用户购车时包含的标配电池,而标准换电电池则由共享电池运营商提供。

用户平常以使用常备电池充放电为主,需要更远距离出行的时候临时去租用一组标准换电电池即可。换电电池主要是用作临时增程。自用车主虽然不频繁的租电池,但是租的时候是集中地使用,跑完长途马上归还,效率大大提高。只要加电的费用低于普通燃油车的单位公里油耗成本,就在可接受范围,大家都难免会有时有这样的增程需求,共享电池的潜在需求可以得到极大程度的释放。

部分充电+部分换电的好处

采用共享第二块电池的模式,纯电动车车价中的电池成本就可以降低近一半,使其不依赖补贴也可以与燃油车竞争。用户不是买了车就被出厂的续航里程限死,而是可以选择仅在需要长续航的时候临时租用电池增加续航,这样即可以解决续航焦虑又大幅降低纯电动车的购买和使用成本。
采用这种模式,因电池的使用效率大幅提高,因电池的使用效率大幅提高,同样的电池产能可以满足更多数量的电动车装机需求,较少对优质电芯以及上游材料和矿产的需求,节约社会资源。
因为比整体式底盘换电可以利用更多的车内空间,可以比整体式底盘换电做到更大的总电池容量和续航里程。
综上,此法可实现1+1>2的效果。

《实施方案》明确指出鼓励充换电结合、电池配置灵活、续驶里程长短兼顾的新能源汽车。这也正很好的响应了方案的精神。

两种共享增程电池方案简述

共享汽车备用电池的形式:

它可以是内置的,也可以是外挂的。

前者需要电池外形和接口等完全统一,后者只需要统一接口及数据通讯协议。后者可以做到最快捷的补电,只要接上插口即可,有望只用几秒钟就完成加电操作。

而且因为尺寸外形上没有严格限制,后者更灵活,而且可以增加机动性,它可以是无动力的电池拖车也可以是无人驾驶的自动小车,任何等级的自动驾驶技术都可以应用,就像家用扫地机自动去墙上的插座充电一样,共享电池车在使用完毕与电动车脱钩后自动去充电也具有很高的实用性,这不需要多高的技术就可以实现。当然越高等级的自动驾驶技术可以提供越强大的功能给用户越大的便利。

车内装共享电池详述

先看看目前已有的几种换电模式,比较有代表性的除了大家比较熟知的北汽和蔚来推行的整体底盘换电以外,还有杭州伯坦的分箱换电,它实现了一定程度上的电池标准化,它是把一台车上的电池分为电压为80V若干个标准模块,几块电池串联为一组,要换一定是几块电池同时换,不能分拆。

以上两种换电模式的都是一换就换整组电池,容量没有选择。

相对于伯坦的分箱换电我则主张把电动车的电池仅一分为二,用两块小一些的电池取代一块大电池,每块电池也是独立的一组电池,与整车系统电压相同,可以单电池独立使用,也可以双电并行一起给系统供电,可以是两块可更换的,也可以是一块固定、另一块可更换的,容量灵活多变。

增程电池和常备电池是并列关系,两组电池由一个双电管理系统控制单独或是合力给动力系统供电,一般是优先放完共享电池的电,然后再切换回内置电池,电动车需要为这块共享电池设一个单独接口,和快充慢充口都不能共用。不管怎样,增加一个统一接口相比统一电池尺寸要容易得多。双电池系统在电动两轮车和低速电动车上已有比较成熟的应用方案,高速电动车只是电压较高,逻辑和算法基本是一样的。

一般来说一块增程电池就够了,这样电池重量和体积可以比整组底盘换电的电池缩小一半,无论是比整体大电池换电还是若干小块电池分箱换电都能提高很多效率。这应该是更为理想的标准模块电池,方便使用者根据自身需要而选择租用。

较大的车型,比如C级轿车和厢式车有足够的空间,当然也可以设计为可配装不止两块标准换电电池,可以是1块标配常备电池加1-2块选配共享电池的多种组合,分别满足不同的续航要求。

同时,太阳能电站如果也采用相同的标准模块电池储能,就可以很方便的直接供电动汽车使用。

另外,爱驰计划于年底上市的首款量产车U5把电池分为A包B包是一个很好的创新,和我的主张很接近,但我觉得其电池A包和B包容量的分配还不是最优,其A包电池容量65度,提供503公里NEDC续航,这容量相当大了,但其B包电池只能提供120公里续航,也就是只给用户503公里和623公里这么两个选择,仅65度容量的电池成本已经不菲,注定这款车的价格不会很亲民。

外挂共享电池的具体应用

为实现共享使用第二块移动增程电池车,任何厂家的电动汽车只需要增加一个统一接口和对供电系统稍作改造即可。共享移动电池车有别于加电车,它不是充电宝,不是用于给电动车的内置电池充电的,而是直接供电给驱动系统的,这样转换效率更高。这样的移动共享电池,因为是外挂,不需要安装在车底盘特定的空间里,电池的尺寸外形就不受什么限制。

太阳能电站与电动车如能采用相同的标准模块电池组,就不需要专门配备蓄电池,也免去电池对电池的充放电损耗,真正实现用清洁可再生能源驱动电动车。

要解决便捷和快速的换电,既有的建专门的换电站模式局限性太大,如果能主动上门给客户服务,省去客户来换电站的麻烦,无疑将大大提升客户的满意度,

共享移动电池车能大大提高效率,节约时间 – 停车在几秒钟之内完成电池的接驳和脱离,如果将移动共享电池车能达到较高等级的无人驾驶水平,并且行驶速度做到与乘用车相当,纯电动车用户甚至可以在行驶中在不停车也不等待的情况下,移动共享电池车自己找到服务对象,追上来自动完成接驳,待电量接近耗尽时自动脱钩,自动驶回充电点或在电量较低不足以到下一个充电点时,在途径的充电点时自动脱钩并返回充电点。 一切由人工智能来完成,使用者可以完全无感,自然也就对续航完全无忧了。

想象一下,如果实现电动车随时随地补电,而且用起来方便、简单到极致,就像在电子游戏里拣能量包一样随取随用,甚至点点手指或动动嘴唇召之即来,谁还担心续航呢?在有共享电池服务的覆盖范围内续航成为无限,而AI的进一步应用甚至可以做到完全不需要人干预的自动补电,再也不需要去看仪表盘的剩余续航里程显示。

我相信纯电动车+可再生能源未来可以基本满足人们的出行需求。

再谈下再生能源和换电模式的结合

北汽新能源提出将投入巨资在全国建成3000座光储换电站和投放50万辆换电车辆。这是很了不起的实践。

但首先太阳能电站占地面积大,一般只能设在比较偏远的郊区,电网的变电站也大多在郊区,电池需要从太阳能电站集中派送到市区的换电站,土地的成本是市区的换电站投资和运营成本的大头,换电站的分布密度和用户常用路线到换电站距离又直接关系到用户的使用方便程度,时间成本和金钱成本。而且对车内电池换电都需要机械,换电时间已很难缩短。

而移动外挂电池则大大降低了投资成本,结合建在郊外的光储能电站,正好可解决用户在开长途时补电需求,路旁的荒地和不适合植物生长的荒山都可以充分利用。标准统一后还可以服务更多的电动车车主,就很容易盈利。

除了乘用车,各种商用车和卡车也都可以共享增程电池,例如重型卡车,可以采用多个标准电池模块接力的形式。如果将最大载重量约36吨的Tesla电动卡车Semi配备的一组重达4.5吨容量700kWh提供800公里续航的电池组改为200公里续航的电池四次接力,仅车辆自重就可减轻3吨多,也就意味着能降低近10%的能耗,并且载重量可以增加近10%,可以说能大幅度降低运输成本和增加收入,而且省去了一台车近百万元的一次性的电池购置成本。电动卡车购置和运营成本都可以做到比燃油卡车更低,对于竞争激烈的运输行业来说帮助巨大。

共享移动电池车的应用将使得纯电动车不再依赖一次性的化石能源,可以实现100%使用的绿色再生能源。对我们的二次能源丰富的中西部地区来说尤其适合。

共享移动电池车的其它优点

日常行驶时减轻纯电动乘用车自重200公斤左右,也就意味着减少能耗10-20%,也减少万一发生碰撞时的车辆动能,减轻损伤和人员受伤风险。
用户不需要开车到专门的集中充换电站去换电,完全不需绕路,顺路就完成补电。
降低为补充能量而付出的能耗。即使一台完全实现自动驾驶的汽车可以在闲置时自动去充换电站补电,但是相比一台乘用车的重量1吨到3吨,一台移动共享电池车重量200-700公斤(700公斤是目前国家法规允许的拖车重量上限),后者行驶同样的距离无疑能耗要少很多。
更有利于电池散热。
外置电池安全性更好控制,即使发生爆燃也不易殃及前车。
不需要在市区设换电站,不需要换电设备,只需要有少量存储功能的暂存点即可,大大节省建设换电站的投资
当然我倡议的这两种换电方式也可以结合,比如一台车用一组常备电池+一组车内共享增程电池+一组外挂移动共享增程电池。

总结和呼吁

将来共享电池应该有巨大的市场潜力,Ai和大数据的应用将极大程度地提高共享电池的使用效率和方便性,虽然共享汽车越来越多,因每个人对汽车的需求和偏好都不同,无论共享汽车多么便利,任何车企和共享汽车运营商都不可能垄断共享汽车市场也不可能满足所有人的需求,还是会有相当一部分人需要自己的专属座驾。但是全车电池换电的模式对于这些个人用户来说不经济。而部分换电的共享增程电池模式则可以满足几乎所有用户的需求,特别是智能能共享移动电池车最能满足用户的需求,而且每个电动车用户在长途出行时都会有对共享电池的需求,这个行业甚至可能比共享汽车市场前景更广阔。

从车企,电池生产企业和共享电池运营商的角度都希望解决续航焦虑,能耗和成本的矛盾,但目前业界还没有出现比较好的充换电结合模式,都在摸索和试错中支付高昂的学费,我呼吁业界积极响应国家的号召,重新思考和转变思路,适时调整,积极促成统一的共享电池标准的制定实施,共同为降低用户的使用成本和提升用户的使用便利而努力。

我在此给新能源行业献计献策,希望能让大家节约资源,少走弯路,也希望国家能尽早组织引导相关部门和企业统一订立合理的纯电动车共享电池相关标准,让中国在新能源车和智能移动出行领域引领世界。

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