东南大学:电动汽车换电模式研究综述 | 厚势

厚势按:上周六(12 月 16 日),蔚来汽车发布推出了首款电动车 ES8,并计划在 2020 年在主要城市布建 1100 座换电站,引发了不少质疑。从历史上看,换电模式在实际运营中不乏失败案例:

  • 换电模式的鼻祖是以色列创业公司 Better Place,成立于 2007 年,曾融资 8.5 亿美元,投资方包括以色列控股集团公司、通用电气、摩根士丹利、汇丰银行等,2013 年 5 月 26 日 Better Place 宣布停止运营
  • 特斯拉在 2013 年 6 月发布了换电技术,并现场演示了在 93s 内完成换电(比蔚来汽车的 3 分钟换电快一倍),速度比加油还快。不过两年后,埃隆·马斯克表示,消费者更倾向于选择快速充电站,换电技术推广的意义不大。2015 年 6 月,特斯拉宣布放弃换电模式。

在今天的第二条推送中,《 21 世纪经济报道》记者在今年 3 月的调查显示:「投资建一个换电站最高需近 900 万元,单店盈利年收益不足 200 万元,换电车型市场保有量不足千辆,一个残酷的现实赤裸裸摆在换电站面前。

即便如此,依然不妨碍我们从学术的角度了解电动汽车换电模式是什么?(第 1 部分)如何运营?(第 3 部分)需要解决哪些问题?(第 4 部分,文章提到的这 5 个难题现在依旧是限制行业发展的瓶颈)本文作者为东南大学江苏省智能电网技术与装备重点实验室高赐威教授,原载于 2013 年 4 月 5 日出版的《电网技术》

引言

电动汽车作为一种新能源交通工具,具有噪音低、能源利用效率高、无移动废弃排放等特点,已成为我国重点支持的战略性新兴产业之一 [1-2]。能源供给是电动汽车产业链中的重要环节,能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。

当前,电动汽车的能源供应可分为插充和换电池 2 种模式,其中插充可分为慢充和快充。在插充模式下,制约电动汽车发展的电池问题尤为突出:

  • 一方面购买电池的初期投资成本太大,一般占到电动汽车本体费用的一半以上 [3],昂贵的电池成本在很大程度上阻碍了电动汽车的推广[4];
  • 另一方面充电时间太长[5],慢充一般要 6~7 h,即使快充也需要 0.5 h,与当前传统能源汽车的加油或者加气相比其获取能源的便捷性远不能满足人们的需要。

同时快充对电池有较大损伤 [6],造成电池寿命急剧衰减,因此实际上也进一步增加了电动汽车的电池成本。此外,在插充模式下,电动汽车充电负荷具有显着的时空随机性,对电网的运行和规划会带来不利的影响 [7-9]。

另一方面,基于电池租赁的换电池模式配合大规模集中型充电已经成为当前电动汽车发展具有竞争力的商业技术模式?[10-11]。这是由于:

  • 首先,采用电池租赁方式,由电网公司承担电池的初期投资成本,可显着降低用户的初始购车费用 [12];
  • 其次,对电池进行集中充电可采取慢充方式,避免快充而引起的电池寿命缩短问题 [13];
  • 第三,采用换电方式一般可在几分钟内完成换电过程,即使与常规能源汽车相比,其便捷性也毫不逊色[14];
  • 第四,对电池进行集中充电管理可避免大规模电动汽车随机充电对电网运行带来的不利影响 [15],甚至可以根据电网需要,在统一管理的框架下进行电池充电的优化运行,此外还可避免绿色能源损失,减少可再生能源发电成本[16]。

因此,虽然换电模式存在着要求电池等标准统一的问题,但是这并不妨碍其成为未来电动汽车可能的重要发展模式之一 [17]。

1. 换电模式分类

1.1 集中充电模式

集中充电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送,并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务。这是国家电网公司于 2011 年提出的建设模式。在该运营模式中至少有 2 种类型的工作站,其中集中型充电站实现对电池的大规模集中充电,而配送站则不具备充电功能,只是作为用户获得更换电池服务的场所。

相对于采用充换电模式的电池更换站,这样的运营模式具有更多的优点 [24]:

  • 配送站不承担充电功能,没有电网接入的问题,站址选择灵活,以方便用户更换电池为主要规划目标。
  • 集中型充电站充电功率大,且可集中控制充电功率,有利于制定电网友好的充电方案,在时空随机性方面,充电具有优越性。

集中充电统一配送方式的主要缺点 [21] 是:

  • 充电站所需供电容量很大,一般需依托变电站建设,投资成本很高。
  • 需解决电池箱在集中充电站与配送站之间的物流配送问题。

1.2 充换电模式

?充换电模式是以换电站为载体,这种电池换电站同时具备电池充电及电池更换功能,站内包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理系统等部分 [25]。

根据所服务车辆类型的不同,换电站主要可以分 3 类:综合型换电站、商用车电池更换站和乘用车电池更换站。目前,国内在北京、上海、杭州等城市已建设有商用车和乘用车电池更换站。在国际上,以色列的 Better Place(BP)公司较早采用了这种充换电模式,其业务模式主要是通过建设充换电设施网络为电动汽车用户提供基础设施及能源供给服务 [26]。这种充换电模式在加拿大、澳大利亚、丹麦等国也已经有了现实的应用和推广[27]。Better Place 也与中国南方电网签订了战略合作协议,目前已在广州建成一个电池换电站及体验中心 [28]。表 1 给出了换电站的分类及其应用实例[29]。

表 1? 充换电站分类及应用

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采用这种充换电模式无需考虑电池的物流配送问题,充满电的电池可以立即用来满足车辆的换电需求。其主要缺点有:

  • 换电站的建设既要考虑地价因素及交通便利性,又要顾及电网接入的问题,站址选择不够灵活;
  • 每座换电站均需配置充电机、电池箱换电设备等,投资大且需要专业维护,日常运营成本高?[21]。

2. 换电网络

?2.1 换电网络运营模式

换电网络集电池的充电、物流调配以及换电服务于一体,这种一体化的运营结构将有利于电池企业的标准化生产,有利于能源供给企业的集约化管理,能够显着降低运营成本。

 

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图 1? 换电网络运行基本结构

?以国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》为例,换电网络中包含集中型充电站、换电站、配送站等 3 类,其中集中型充电站承担大规模的电池充电功能,满电池将被配送至具有小规模充电能力和换电池功能的换电站以及仅具备换电池功能的配送站,从而实现对用户的电池能量供应。图 1 示意了换电网络基本运行结构,其中具有小规模充电能力的换电站因可分解为配送站和额外的电池供应量而未纳入其中。

文献 [21] 给出了换电模式下的能源供给基础设施示意图,该图描述了换电网络中能量流、信息流及电池配送的方向。文献 [30] 结合 2008 年北京奥运会电动汽车的运营,提出了电动汽车换电模式下电池的更换流程,为换电站的正常运营提供了理论依据。

文献 [13] 从投资主体、投资运营关系以及盈利模式角度分析了更换电池的商业运营模式,但对该商业运营模式如何运行未作深入探讨;文献 [10] 从汽车制造商、电池生产商、能源供给企业、用户、政府部门以及中间运营商这 6 者之间的利益关系入手,研究了更换电池模式的运营及盈利方式,其运营环节主要包括电池的租赁、电池的更换、电池的维护和电池的回收。

2.2 换电网络管理系统

电动汽车换电网络管理系统可保证电动汽车运营高效有序,提升电动汽车能源供给网络的智能化水平,是电动汽车大规模推广的前提和保障。电动汽车示范运行期间,由于有较为固定的行驶路线,因此无须对换电网络进行控制也可保证车辆的正常运行。但当车辆大规模运行时,交通状况等原因会使得充电电池和换电车辆在换电网络中的分配具有较强的随机性,可能会造成一部分充电站及配送站较为拥挤,而另一部分充电站和配送站较为清闲。因此,有必要而且急需解决换电网络这样一个规模庞大、动态性高的分布式系统的优化控制问题。

文献 [31] 介绍了换电网络管理系统,分别从运营、调度、技术方面对电动汽车换电服务网络进行了系统的总体架构和设计。对基于物联网技术的智能交互节点、基于多种通信技术组合的通信网络、基于云计算技术的运营管理平台、基于二维码的跨区域运营管理等关键技术进行了分析。文献 [32] 分析了国内外电动汽车换电智能服务技术现状,提出一种以各类通信技术融合为核心的电动汽车换电智能服务框架模型。其中主要包括电动汽车智能换电服务、增值服务、换电小额支付服务等子系统,并分析了该换电网络管理系统中需要攻克的相关关键技术。

如国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》一样,上述几种系统均仅针对换电管理进行了功能性设计,却没有涉及有关运行阶段如何优化系统运行,因此还有待进一步研究。

3. 换电网络运行与规划

3.1 研究对象与内容

当前针对换电网络的实际优化运行以及相应的充电站、换电站的规划的研究还较少,这与当前我国已投入了大量的人力、物力进行换电模式的试点工作是极不相称的,换电网络的规划和运行存在大量的基础理论问题亟待解决。

 

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图 2? 换电网络规划运行研究对象和研究内容

本节主要介绍换电模式下考虑电网、集中型充电站、物流、配送站以及电池电量需求的换电网络规划及优化运行调度的现有研究成果。图 2 示意了换电网络的规划和运行层面所要考虑的基本单元及其相互关系。

从图 2 可以看出,换电网络的规划,包括集中型充电站规划、配送站规划、电池的数量规划等。目前国内一些省市在进行所在区域换电网络长远规划时,即使明确了未来水平年采用换电模式的电动汽车数量,但是对于集中式充电站的规模选址,电池数量配比的计算均缺乏科学合理的建模方法,无法做出合理的描述。

换电网络的运行包括充电优化管理、物流优化(运力优化与路径优化)、电池需求优化等,以及建立在这 3 者之上的综合优化,既要考虑对用户需求的满足和对电网的影响,又要考虑各单元的约束。在换电网络运营时,换电站的电池需求、物流优化调度和充电负荷 3 者密切相关、相互牵制,对充电站而言,换电站的电池需求为间歇性的电量需求,而该需求受物流能力限制,最终到充电站须转化为对电网的功率需求,在此基础上还要考虑电网优化运行的需求,因涉及变量众多,其优化运行极为复杂。

3.2 换电网络规划

3.2.1 电池规划

?电池是电动汽车运行的能量来源,其本质是电量的聚合,即一段时间内充电功率的累积。电动汽车的换电需求能否满足与电池储备数量密切相关。在进行电池组需求规划时,除了考虑车辆自身携带的电池组,还需设置一定的冗余度以满足车辆在电池耗尽时的换电需求。由于电池购置费用昂贵,冗余度太高会导致经济性下降,而冗余度过低则无法满足车辆正常的换电服务。因此,有必要针对换电模式下的电池数量规划问题展开研究。

文献 [33] 将电池数量规划问题转化为数学中的装箱问题,并提出了 3 种方案来解决该问题:近似着色法、首次适应下降算法(first-fit decreasing,FFD)和双模态启发式算法(bi-modal heuristic,BMH)。文献 [34] 建立了一个动态规划模型以做出最优充电决策。该模型以最小化电池购置成本、充电成本、机会成本及惩罚费用为目标函数,从而优化得到换电站最初所需购买的电池数量以及各时段充电的电池组数量。

文献 [35] 提出了电动汽车换电充裕度的概念,建立了基于车主用车习惯和充电管理策略的数学模型,通过分析换电需求发生时刻的条件,得到不同时段的换电需求。最后应用 Monte Carlo 方法,得到不同时段需要储备的蓄电池组数目。

以上几种模型均针对运行阶段充电站内储存的电池数量进行了优化,不适用于规划阶段,且未涉及充电站和配送站之间物流调配方案的影响,因此还有待改进。

3.2.2 换电站规划

换电站作为一种特殊的电网负荷,其规模和选址要权衡电网投资的经济性与安全性,一方面要满足市场的换电需求,另一方面也要顾及电网要求。将其纳入电源电网规划中进行综合优化,是迫切需要解决的问题,而当前的试点工作对这些内容大都未能予以涉及。

文献 [16] 研究了具有高渗透率可再生能源接入的自动功率系统中换电站的容量规划问题,通过优化换电站的容量使系统的总发电成本最小。结果表明,换电站的最优容量与电池的充放电周期密切相关,且通过换电站的储能功能,该系统中可再生能源的发电率提高了 7%。

文献 [36] 同样在具有可再生能源接入的系统背景下,建立了换电站的选址模型,并以此为基础分析了换电站对电网的影响。仿真结果表明,在可再生能源渗透率较低的情况下,换电站的接入可以有效地减少由于可再生能源波动带来的限电问题,而在可再生能源接入率较高时,换电站的 V2G 效用并不明显。

文献 [24] 针对集中型充电站接入电网的规划问题,综合考虑电力网络和交通网络因素,建立了集中型充电站的定址分容模型,并从新建线路传输容量和待选站址地价 2 方面对模型进行了灵敏度分析。

文献 [37] 建立了考虑充电站布局优化的配电网规划模型,以馈线的扩容与新建、变电站的扩容、充电站的新建为手段,使含充电站的配电网投资与运行成本最小。该方法对实际充电站布点优化和相应配电网的升级改造具有一定的指导意义。

文献 [38] 采用层次分析法处理充电便利性、交通流量、征地代价等不确定性较强的因素,在此基础上建立了电动汽车充电站选址定容的最优经济模型,使包括充电站的运行费用、网损费用和配电变压器投资等在内的充电站运营收益最大化。

3.3 换电网络运行

3.3.1 电池调配

在整个充电站网络内,可配送的电池数量是十分庞大的,所以及时、准确地配送数量庞大的可更换电池,不仅能够保证整个充电站网络的正常运行,还将大大降低配送过程中的人力、物力成本。

关于换电网络的电池配送问题,目前鲜有文献论述。而研究发现,电池物流调配属于典型的旅行推销员(travelling salesman problem,TSP)问题。因此,可以借助解决 TSP 问题的智能算法(如遗传算法)来解决

3.3.2 充电管理

在换电模式下,通过对集中型充电站或换电站进行充电管理,可实现电池的统一调度和监控。规模化的电池可作为巨大的储能单元,有效地参与负荷管理和系统调峰,提高电网负荷率,最大限度地减少谐波污染等对电网的不利影响,从而提高系统整体运行的效益。

文献 [39] 从微观层面进行分析,将对更换下来的电池箱进行充电的系统结构设计为单箱充电,即每台充电机仅对一箱电池充电,并和该箱的电池管理单元通信,完成充电控制。采用这种方式,有利于提高电池组的均衡性,延长电池的使用寿命。与此不同,文献[40]采用主从结构电池管理系统实现多箱电池组并行充电,从而提高电池的充电效率。为解决电池组不均衡充电带来的性能退化问题,该文通过 SOC、电阻等参数识别来判断各箱电池是否需要进行重组。

文献 [41] 提出了考虑换电站与电网互动的机组组合问题,以常规机组的发电成本、启动成本和考虑换电站充放电净负荷的方差为目标函数,形成机组组合问题优化的新模型。算例表明,通过对换电站的充、放电过程进行优化,可有效降低机组出力的调整频率,提高电网安全运行的经济性。但文中并未考虑换电站充、放电价格之差。在我国分时电价的背景下,该模型还有待改进。

文献 [42] 提出使用换电站内的电池存储电量以解决光伏发电系统中的电力盈余问题,并比较了抽水蓄能与换电站储能 2 种不同方案下系统的总成本。结果表明,采用换电站储能的总成本更低。因此,如果换电站的电池租赁费用少于其与抽水蓄能的成本差额,换电站储能将更具备经济优势。

除此以外,最新文献还针对换电站的有序充电策略进行了相关研究。文献 [43] 以换电站的充电功率为控制对象,建立了不同目标函数的有序充电调度策略,并分析了换电站电池容量对目标函数值的影响。结果表明,文中提出的调度策略能够有效提高电网的负荷率,降低电网峰谷差,起到移峰填谷的作用。

文献 [44] 针对 2 种换电模式(即充换电模式和「集中充电、统一配送」模式)的结构与运营流程进行了分析,建立了以总充电费用最小及日负荷波动最小为目标的 2 阶段优化模型。对于后一种模式,文中引入了基于周期性盘点的(s,?S)库存管理模型。总体而言,现有文献主要将换电站或集中型充电站作为研究主体,从充电策略的角度展开研究,而针对配送站的研究以及在充电与配送的结合方面还有待进一步探讨。

4. 换电模式面临的难题

虽然换电模式具有诸多优点并且一度受到国家电网与南方电网的大力推崇,但从 2012 年的发展情况来看,换电模式似乎进入瓶颈时期。随着换电模式建设的不断开展,这一新兴模式存在的问题也日益突出:

1)电池技术与投资成本。现阶段电池产业处于发展初期,电池能量密度低,续驶里程短,寿命周期短 [45]。在现有电池技术水平下推行换电方式,电池投资高,将会给能源供给企业带来很大负担。

2)安全性与责任界定。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 3 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。

3)换电模式标准体系建设?[46]。不同厂家生产的电池和电动汽车都有所不同,包括尺寸、接口和布置方式等,这给换电模式的统一标准化操作带来了很大的困难,因此,亟需制定与换电模式相配套的标准体系。

4)换电网络建设。对于用户而言,换电模式的主要优势在于其能源更新的便利性,但是在现实中其便利性更有赖于密集布点的规模化换电网络,这也意味着超大规模的投资要求,在目前其商业模式可行性仍存疑的环境下,其规模化建设也面临着巨大的资金瓶颈。

5)补贴分配。由于电动汽车和电池的成本很高,为促进电动汽车的发展,国家将会提供一定形式的补贴 [47]。换电模式下,该补贴在汽车生产商、电池制造商以及能源供给企业中如何分配,目前没有明确的划分方法

可以看出,现阶段电动汽车换电模式的应用仍面临较多问题,就目前的技术水平和相关法律、商业模式配套而言,还不足以支撑该模式的大规模应用。

5. 结论及展望

本文主要对换电模式的发展现状、换电网络的运营模式、管理系统以及换电网络的运行与规划方面的研究进行了总结。

换电网络的管理是一种较为复杂的分布式系统的优化控制问题,目前的研究仅针对换电管理进行了功能性设计,却没有涉及有关运行阶段如何优化系统运行,这一方面仍有待深入研究。而且,有关换电模式的研究还较少,远远不能满足该领域发展的需要,关于换电网络的运行与规划方面的研究工作,可按以下 2 个方面开展:1)换电网络规划,包括集中型充电站规划、配送站规划、电池的数量规划;2)换电网络运行,包括充电优化管理、物流优化(运力优化与路径优化)、电池需求优化等,以及建立在这 3 者之上的综合优化。

换电模式由于其众多优点目前已发展成为电动汽车的重要能源供给模式,但依然面临电池技术与投资成本、安全性与责任界定、标准体系建设等众多问题。换电模式是否能取得突破性进展,主要取决于这些难题是否可以得到合理解决。因此,在电动汽车发展初期,建议建立以分散停车位慢充为主的充电网络,对公交、出租、环卫等行驶习惯相对固定的用户采用换电模式。在产业发展成熟阶段,适时推出换电为主、充电服务并存的能源供给模式。

参考文献

 

东南大学:电动汽车换电模式研究综述 | 厚势

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