什么是換電系統(tǒng)？驅(qū)動電動汽車未來的“能源驛站”

安科瑞徐赟杰18706165067

隨著新能源汽車保有量上升，新能源汽車充換電設(shè)施需求量同步增加。由于我國土地、電力資源相對緊張，所以我們認(rèn)為隨著車輛保有量繼續(xù)增加，換電模式有望成為對充電模式的良好補充，具備廣闊的中長期發(fā)展前景。

如今，換電站建設(shè)和運營商，負(fù)責(zé)換電站的搭建和運營，面向市場提供換電服務(wù)。其中，換電系統(tǒng)是換電站的核心。

圖片來源：蔚來

那么，到底什么是“換電系統(tǒng)”呢？

換電系統(tǒng)是什么？

換電站是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對電動汽車進(jìn)行電池更換服務(wù)或者本身就集電池的充電、物流調(diào)配、以及換電服務(wù)于一體的電站。

換電站主要包含定位系統(tǒng)、換電系統(tǒng)、運維系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和物流系統(tǒng)。其中換電系統(tǒng)是換電站的核心，由換電平臺、碼垛機、升降機構(gòu)、鎖止機構(gòu)、連接器等組成。

車載換電系統(tǒng)示意圖

換電系統(tǒng)?也是電動汽車換電技術(shù)的重要組成部分，其主要功能是從電動汽車上卸下虧電電池，將其運送到電池倉中充電，同時從電池倉中獲取滿電電池并安裝到電動汽車上，完成換電工作。

換電系統(tǒng)的組成

換電系統(tǒng)由以下幾個關(guān)鍵部分組成：

1、?換電機器人?：這是換電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，負(fù)責(zé)電池的拆卸和安裝。

2?、加解鎖平臺?：實現(xiàn)車輛電池包的更換與加解鎖功能。

3、?碼垛機?：用于運輸和交換電池。

?4、鎖止鏈接組件?：實現(xiàn)動力電池與車身的快速自動化鎖止和分離。

5、?快換電連接器、液冷連接器、水連接器?：這些連接器在換電過程中起到關(guān)鍵作用，確保電池的快速連接和穩(wěn)定供電?。

換電系統(tǒng)的分類

根據(jù)功能的不同，換電系統(tǒng)可以分為以下幾種方式：

?1、底盤垂直換電?：從底盤下部拆下原有電池包并更換新電池包，適用于轎車、SUV、MPV及輕型物流車，自動化程度高但需要新建固定換電站?。

?2、底盤側(cè)方換電?：電池以框架形式固定，操作較為復(fù)雜，換電時間較長?。

?3、分箱換電?：電池分箱更換，適用于需要較小空間和時間的場景?。

換電系統(tǒng)的應(yīng)用場景

?換電系統(tǒng)主要應(yīng)用于商業(yè)運營車和私家乘用車，特別是在需要快速補能的高頻使用場景中效果顯著。例如，重型卡車的能源管理系統(tǒng)通過智能化、自動化手段提高換電效率，優(yōu)化能源利用，降低運營成本?。

?共享電動車領(lǐng)域?：共享電動車作為城市短途交通的新寵，換電模式為其提供了可靠的充電解決方案。通過在不同區(qū)域布置換電站點，用戶可以方便地將電動車?？吭谡军c上，進(jìn)行電池更換，從而實現(xiàn)長時間的使用。

?物流配送領(lǐng)域?：在物流配送領(lǐng)域，電動車成為了一種重要的交通工具。換電模式的應(yīng)用為物流配送車輛提供了高效便捷的充電方案。物流企業(yè)可以在自己的配送站點或者合作伙伴的換電站點進(jìn)行電池更換，無需等待充電時間，提高了配送效率。

?出行旅游領(lǐng)域?：在旅游景區(qū)或者城市的換電站點，游客可以方便地更換電池，繼續(xù)行程。這不僅減少了旅游車輛的充電時間，還能夠避免因為電池不足而無法繼續(xù)行駛的尷尬情況。同時，換電模式避免了游客在旅游過程中尋找充電樁的困擾，提高了出行的便捷性?。

?城市公共交通領(lǐng)域?：電動公交車、電動出租車等交通工具可以在公交站點或者專門的換電站點進(jìn)行電池更換，快速恢復(fù)電力，提高了運營效率。同時，換電模式解決了傳統(tǒng)充電方式中充電樁資源緊張的問題，為公共交通提供了更好的服務(wù)?。

換電系統(tǒng)的優(yōu)缺點

換電系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其高效性和便捷性。相比傳統(tǒng)的充電方式，換電過程通常在幾分鐘內(nèi)完成，極大地縮短了電動汽車的補能時間。此外，換電系統(tǒng)還可以通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，使得不同品牌和型號的電動汽車能夠共享同一套換電設(shè)施，提高了設(shè)施的利用率和兼容性?。

一、?優(yōu)點?：

?快速補能?：換電過程通常在幾分鐘內(nèi)完成，提高了能源補給效率。

?電池養(yǎng)護(hù)?：通過集中充電和統(tǒng)一管理，有助于延長電池壽命。

助力電池回收：標(biāo)準(zhǔn)化的電池便于回收處理，降低回收成本，提高資源循環(huán)效率。

圖片來源：富泰捷檢測創(chuàng)新中心，圖為新能源汽車換電系統(tǒng)

二、缺點?：

?技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：不同車企的電池規(guī)格和接口存在差異，導(dǎo)致?lián)Q電設(shè)備難以通用，增加建設(shè)和運營成本。

高建設(shè)成本：換電站的建設(shè)成本高，包括設(shè)備購置、場地建設(shè)和電力設(shè)施改造等。

技術(shù)迭代影響：隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，換電技術(shù)的優(yōu)勢可能會被削弱，如超充技術(shù)的發(fā)展可能會縮短充電時間。

換電系統(tǒng)的技術(shù)要求

換電系統(tǒng)的實現(xiàn)需要高精度的機械臂、智能識別系統(tǒng)以及高效的電池管理系統(tǒng)等多方面的技術(shù)支持。這些技術(shù)的融合確保了換電過程的安全、快速和便捷。

?換電系統(tǒng)的技術(shù)要求主要包括以下幾個方面?：

?安全性?：換電系統(tǒng)的設(shè)計制造應(yīng)滿足安全、快速、可靠更換電池包的要求。系統(tǒng)在設(shè)計壽命周期內(nèi)應(yīng)具有滿足互操作性的電氣、通信、熱管理等功能?。

?電氣連接?：換電系統(tǒng)的電氣連接應(yīng)滿足功率傳輸、信息交互和安全防護(hù)的基本功能需求。

?通信協(xié)議?：換電系統(tǒng)應(yīng)具備與車輛電平臺相連接的功能。系統(tǒng)應(yīng)支持多種通信協(xié)議，包括但不限于CAN總線通信協(xié)議，確保電池信息、繼電器信息、能量估算等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸?。

互操作性?：換電系統(tǒng)應(yīng)具備互操作性，確保不同品牌和型號的電池箱能夠兼容使用。這包括電池箱的總體尺寸、電池箱上接口、電池箱下接口、車載托架換電接口等技術(shù)要求?。

?維護(hù)和更換要求?：換電系統(tǒng)中的易損耗零部件應(yīng)在車輛使用說明書中明確標(biāo)注其范圍、維護(hù)和更換要求。在車輛制造廠規(guī)定的保養(yǎng)維護(hù)期內(nèi)，易損耗零部件不應(yīng)出現(xiàn)故障和失效?。

?熱管理和故障診斷?：換電系統(tǒng)應(yīng)具備熱管理功能，確保電池在運行過程中的溫度控制。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具備故障診斷功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測并報告電池狀態(tài)、繼電器狀態(tài)、能量估算等信息，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?。

?標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性?：換電系統(tǒng)應(yīng)遵循相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 37133及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，確保系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性?。

通過滿足這些技術(shù)要求，可以確保換電系統(tǒng)的安全性、可靠性和互操作性，提升電動汽車的使用體驗和運營效率。

換電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

然而，換電系統(tǒng)也面臨一些挑戰(zhàn)，如投資成本高、電池標(biāo)準(zhǔn)化不統(tǒng)一等問題?，比如以下幾方面：

?1、建設(shè)成本高昂?：換電站的建設(shè)和維護(hù)需要大量的資金投入，包括設(shè)備購置、場地租賃、人員培訓(xùn)等。此外，隨著電動車市場的不斷擴大和車型的不斷增多，換電站需要不斷升級和擴建以滿足不同品牌和車型的需求，這進(jìn)一步加劇了成本壓力?。

?2、普及率有限?：目前市場上能夠提供換電服務(wù)的站點數(shù)量相對較少且分布不均，導(dǎo)致很多電動車車主在需要充電時無法找到合適的換電站點，從而影響了他們的用車體驗?。

3?、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一?：不同車企之間的換電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致?lián)Q電站的普及和應(yīng)用范圍受限。車輛的結(jié)構(gòu)、電池的外形和封裝如果不統(tǒng)一，就無法實現(xiàn)換電?。

4、?安全性問題?：動力電池會有衰減，如果不能保證電池狀態(tài)統(tǒng)一，就會帶來安全隱患。此外，換電過程中如何確保電池的安全性也是一個需要解決的問題?。

5、?運營模式和收費標(biāo)準(zhǔn)?：合理的運營模式和收費標(biāo)準(zhǔn)是整個換電模式全面推廣的關(guān)鍵。目前，這些問題還沒有得到很好的解決?。

?6、政策支持不足?：雖然政府在推動充電設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用，但換電系統(tǒng)以及換電模式的推廣還需要更多的政策支持和市場引導(dǎo)?。

換電系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

?換電系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢主要包括技術(shù)創(chuàng)新、政策支持、商業(yè)模式創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用場景的拓展。?

一、技術(shù)創(chuàng)新

1?、電池標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計?：隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，未來電池將實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，不同品牌的新能源汽車將采用統(tǒng)一的電池規(guī)格和接口，這將極大地推動換電模式的普及，降低運營成本，提高服務(wù)質(zhì)量?。

?2、技術(shù)創(chuàng)新與智能化管理：隨著技術(shù)的進(jìn)步，換電系統(tǒng)將變得更加智能和高效。通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）技術(shù)，換電站將能夠?qū)崟r監(jiān)控電池健康狀態(tài)，優(yōu)化儲能和換電流程。

二、政策支持

1?、政府政策支持?：政府將繼續(xù)加大對新能源汽車的支持力度，出臺更多支持換電模式的政策，包括補貼、稅收優(yōu)惠等，以鼓勵企業(yè)投入研發(fā)和推廣換電模式?。

2、?基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?：政府將加大對充電設(shè)施和換電站的建設(shè)投入，為換電系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支持?。

三、商業(yè)模式多樣化

換電行業(yè)不僅限于提供電池更換服務(wù)，相關(guān)企業(yè)將探索更多附加值服務(wù)。這些可能包括與公共交通、物流行業(yè)的合作，或者提供如車內(nèi)清潔、車輛檢測等綜合性服務(wù)。這種多樣化的商業(yè)模式，不僅可以增加收入來源，也能增強客戶黏性。

四、廣泛應(yīng)用場景的拓展

?1、電動汽車領(lǐng)域?：換電系統(tǒng)可以延長電池壽命，促進(jìn)電動車的普及?。

2、?無人機領(lǐng)域?：換電系統(tǒng)可以延長無人機的續(xù)航時間，快速恢復(fù)任務(wù)，降低運營成本?。

3、?智能家居和備用電源?：換電系統(tǒng)還可以在智能家居和備用電源等方面發(fā)揮作用?。

總之，換電系統(tǒng)未來發(fā)展前景廣闊，技術(shù)創(chuàng)新、政策支持和商業(yè)模式創(chuàng)新將不斷推動其發(fā)展，并在更多應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用。

充換電站數(shù)字化監(jiān)控和運維解決方案

9.1.設(shè)備配置及組網(wǎng)方案

現(xiàn)場箱式變電站配備安科瑞微機保護(hù)、諧波檢測、多功能儀表、無線測溫、無功補償控制器及智能電容補償裝置。這些設(shè)備通過RS485總線連接至智能網(wǎng)關(guān)ANet-2E4SM，并通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至蔚來充換電站運維管理平臺。具體設(shè)備配置和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分別見圖。

充換電站箱式變電站智能裝置配置

現(xiàn)場設(shè)備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

9.2. 設(shè)備選型表

9.3. 智能網(wǎng)關(guān)及平臺

鑒于蔚來已經(jīng)建立了充換電站運維管理平臺，本項目中的箱變數(shù)據(jù)通過ANet-2E4SM智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行采集，并依照蔚來運管平臺所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式上傳至該平臺。該智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置嵌入式系統(tǒng)，集成了本地數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、協(xié)議轉(zhuǎn)換、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密以及協(xié)議定制等多項功能，確保了與上級平臺的無縫對接。

安科瑞Acrelcloud-1000電力運維平臺同樣能夠滿足箱式變壓器的運維管理需求。該平臺能夠接入成千上萬的用戶變電站數(shù)據(jù)。它收集的數(shù)據(jù)涵蓋了變電站的電氣參數(shù)和環(huán)境信息，例如電流、電壓、功率、開關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水情況、煙霧濃度、視頻監(jiān)控以及門禁系統(tǒng)等。一旦出現(xiàn)異常情況，平臺能在10秒內(nèi)通過短信和移動應(yīng)用發(fā)出警報信號。此外，平臺還支持通過移動應(yīng)用向運維人員下發(fā)任務(wù)，并利用北斗定位系統(tǒng)跟蹤任務(wù)執(zhí)行情況，實現(xiàn)閉環(huán)管理，從而提升運維效率，確保及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在缺陷。

9.3.1 電力檢測

運維平臺通過4G網(wǎng)絡(luò)采集箱變配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率電能和開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，掌握箱變實時和歷史數(shù)據(jù)。

9.3.2 電能統(tǒng)計

基于尖峰平谷分時電度統(tǒng)計不同時段的電能消耗和用電成本，并形成日報、月報、年報表，通過同比環(huán)比分析比較，便于用戶計算運營成本。

9.3.3 異常報警

箱變電流、電壓、功率、開關(guān)狀態(tài)、變壓器負(fù)荷率和繞組溫度、電氣接點溫度、環(huán)境溫濕度、煙霧、浸水、視頻、門禁信息，發(fā)生異常情況會及時通過APP和短信向運維人員發(fā)出報警信息。

9.3.4 運維管理

可幫助用戶制定巡檢計劃，記錄巡檢發(fā)現(xiàn)的缺陷，并派發(fā)消缺工單，查看巡檢軌跡定位和消缺搶修進(jìn)度，反饋任務(wù)進(jìn)度等，閉環(huán)運維管理流程。

9.3.5 用戶報告

運維平臺自動生成用戶用電及運行診斷報告，對配電系統(tǒng)運行情況提供周期性診斷報告，總結(jié)配電系統(tǒng)存在的問題，提出改進(jìn)建議。

審核編輯 黃宇