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国内外换电模式的分析及充电技术与基础设施

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:国外以Better Place公司和特斯拉公司为典型的换电模式在经历市场投放检验后纷纷以失败告终。这使得公共电动车辆换电模式能够持续地在市场里生存下去。结合对国内外企业换电模式的分析,可以大致总结出换电模式的优势与劣势。因此,Better Place公司即使在得到8.5亿美元融资的情况下,也无法持续填补换电设施建设的这个“无底洞”。其中涉及用户、换电站和汽车厂商这三者之间的责任归属变得模糊不清,无法保障各方的合法利益。

国内外换电模式的分析及充电技术与基础设施

国外以Better Place公司和特斯拉公司为典型的换电模式在经历市场投放检验后纷纷以失败告终。高昂的投资建设成本和用户使用成本、单一的换电客户群体、不断提升的快速充电效率等因素使得个体电动汽车换电模式无法在竞争中生存。

然而,对于目前国内的大多数换电站,其主要的服务对象为公交车、出租车和物流车等公共服务性质车辆。这种类型车辆的品牌与技术标准相对统一,行驶规律相对明确,能够比较好地进行换电预测与管理。这使得公共电动车辆换电模式能够持续地在市场里生存下去。

结合对国内外企业换电模式的分析,可以大致总结出换电模式的优势与劣势。

1.换电模式的优势

(1)以电池租赁的形式代替电池购买,可以降低用户的初始购置成本

电池租赁模式即将车辆与电池进行分开销售,用户在购买电动车辆时无须支付高额比例的电池费用,电池全部由换电站统一进行匹配供应,相当于换电站将电池租给用户使用,用户只需在每次换电时支付相应的租金即可。因此,用户无须再对电池的损耗、折旧负责,不仅降低了用户购置车辆时的成本,而且也可让用户更加省心。

(2)便于集中管理电池,延长电池的使用寿命

电池成本对于纯电动汽车来说占据着较大的比例,其中对于电池容量较大的纯电动公交车来说所占的比例将更大。同时车辆长时间的运营也会对电池循环使用寿命造成较大的损害。换电模式的另一大优势是可以对换下的电池进行集中充电与管理。换电站可以采用更加科学的充电方式对动力电池进行规范化充电,并且可以采取适度浅充、浅放等方式来减小电池间的不一致性与恢复电池的使用寿命,通过一系列的规范化电池管理与保养延长电池的使用寿命。

(3)服务效率高,换电时间相比于充电站的充电时间短

目前,完成一个换电过程最快可以在2min内完成,而采用最快的特斯拉120kW超级快充给电动汽车充满电也需要超过1h的时间。虽然快充的速度正在逐步提升,但是换电的整体效率仍具有较大优势。

特别是对于纯电动公交车和纯电动出租车而言,一次充电的续驶里程无法满足全天线上运营的需求,而中途停车充电则会影响运营,损害用户的经济效益。采用换电方式后,公交车和出租车驾驶员只需较短时间即可迅速完成电池的更换。例如,对于公交车,可在始发站或者终点站附近的换电站内迅速完成电池的更换,不会因为充电而耽误发车时间;对于出租车,驾驶员在运营过程中路过换电站即可在站内进行短时间换电,不会耽误日常运营。

(4)可以与电网形成互动,联合可再生能源进行削峰填谷

换电站通常采取将电池集中进行充电与维护的运营模式,利用站内的大批量电池可以配合电网利用可再生能源(如风能太阳能等)进行削峰填谷,提高能源的利用率。但是,换电站要实现这种功能需要储备足够数量的电池,通常可以采用多个换电站之间共享电池储备的方式来降低电池储备的成本。

2.换电模式的劣势

(1)前期投资建设成本过大,收益回报较慢

在美国,一个附带6个超级充电桩的充电站的建设成本大约为15万美元,另外每年需要支付约15万美元的税费、土地使用费以及电费。单是建造一个换电站,仅仅建设的成本就高达约50万美元,而且每次只能为一辆电动汽车换电。如果算上大批量动力电池的储备费用、电池的充电与维护费用、土地费用、税费等,总体的投资与运营金额将是充电站的数倍。如果要实现像充电桩那样在整个国家或者地区范围内构成换电站网络,其难度和成本是难以估量的。因此,Better Place公司即使在得到8.5亿美元融资的情况下,也无法持续填补换电设施建设的这个“无底洞”。

同时,换电站的收益回报也比较慢,大多数换电站能够进行换电的车型都非常少。例如Better Place公司所面向的换电群体非常单一,只有雷诺汽车公司与其合作密切。早在Better Place成立之初,就曾获得雷诺汽车公司的投资,用以开发电动汽车换电技术,Better Place因此需向雷诺公司购买10万辆的Fluence ZE电动车。Better Place也曾经计划在2016年前在以色列和丹麦两个国家销售这10万辆Fluence ZE电动车,但是最终这款车的销量不及计划销量的1%,给Better Place带来5.6亿美元的亏损。除此之外,雷诺生产的LEAF电动车并未采取换电方式,使得Better Place失去了一大批潜在用户。国内的诸多公共换电站也只能对指定车型的公交车与出租车进行换电服务。虽然说换电设施是最基本的投资,但是得到的收益远远赶不上资金的付出,最终导致许多实行换电模式的企业陷入资金危机而宣告破产。

(2)模糊的安全性与责任鉴定

在换电模式中,电池作为一个流动对象,在用户与换电站之间不停地进行空间切换。一旦电池在用户使用的过程中损坏,甚至是发生着火、爆炸事故,难以理清各方的责任。

在换电模式下,电池系统损坏存在多种可能性:人为的破坏,长时间在某个恶劣的工况或环境下行驶或停放,发生意外交通事故,换电站在充电、维护和更换过程中出现失误,电池本身存在设计与匹配的问题等。其中涉及用户、换电站和汽车厂商这三者之间的责任归属变得模糊不清,无法保障各方的合法利益。

(3)行业竞争、电池标准不统一等原因导致换电站运营商与汽车生产商之间的合作难以进行

Better Place最初创业的理念是扮演类似电信运营商的角色,和电网一同直接控制对电动汽车电池的运营以获得电池方面的利润。但是对于全球各大车企而言,电池的续驶能力与耐久性都是其核心竞争力,不希望未来在电池领域为第三方束缚。此外,各个企业的电动汽车的技术标准不同,电池标准也千差万别,导致整车企业的技术标准不统一。

(4)快充技术的不断提升使得换电方式的优势不再突出(www.xing528.com)

以特斯拉换电模式为例,虽然其换电站可以实现90s自动换电,即使使用手动换电,5个人10min内也能完成电池的更换,目前特斯拉二代超级充电桩(见图8-12)120kW的充电功率基本可以满足大多数用户日常的充电需求。

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图8-12 特斯拉二代120kW超级充电桩

如图8-13所示,特斯拉二代超级充电桩在美国是采用480V的交流电压为Model S充电,仅需要40min就可以充至80%的电量,完全充满也只需75min。

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图8-13 特斯拉二代超级充电桩充电速率图

充电30min可让特斯拉ModelS汽车续驶270km,足以满足用户的日常市内行驶需求。在美国,由于超级充电桩大致覆盖了各个州际沿线(见图8-14),对于需要长途行驶的用户来说也非常方便。在国内,大多数用户主要是在城市范围内驾驶,基本上可以实现三天充一次电。

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图8-14 特斯拉超级充电桩在北美的分布情况

特斯拉预计推出第三代超级充电桩,充电功率将超过350kW。届时,充电时间将缩短至十几分钟,用户的充电体验将和传统加油站加油相似。

2017年3月初,在荷兰举行的电动汽车大功率充电国际标准第一次会议上,对充电功率提出了350~500kW的新要求。早在2016年底,大众、宝马奔驰福特奥迪保时捷联合宣布将在全欧洲范围内联手建设超级充电站,其充电功率将达到350kW。一旦大功率充电桩全线铺开建设,将极大地缩小换电方式的时间优势。

(5)换电方式费用相比于常规充电方式费用较高,用户使用成本较大

用户在选择充电方式时不仅仅要考虑便捷性,充电费用也是主要考虑因素。同样以特斯拉公司的换电站与充电站为例,进行对比分析说明。

在2016年11月份,特斯拉开始实行新的充电收费政策。自2017年1月1日起,特斯拉汽车每年在超级充电站免费充电400kW·h后,会对超出的部分进行收费,具体充电费用见表8-4。

8-4 部分国家或地区的特斯拉汽车充电费用

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(续)

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由表可以计算出,在美国给一辆电池容量为85kW·h的特斯拉Model S汽车充满一次电只需花费12.75~17美元,而用户在特斯拉换电站换一次电的费用就高达60~80美元。

(6)大规模的集中充电使得电网的负荷较大,电网匹配较为困难

当换电站内用户换电的频率较高时,需要马上对大批量换下来的电池进行充电。此时,换电站无法配合电网进行削峰填谷,充电的时间节点也是无序的。如果集中充电的时间正好处于电网用电高峰期附近,则会增加电网的负荷峰值,使得峰谷差加大,从而加剧了电网的负荷,也使得电网的配电变得更加困难。

综合来看,目前电动车辆的换电模式市场条件尚未成熟,但是对于公共领域电动车辆,在国家相关政策的支持下,换电模式仍可得到合理应用。

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