電動(dòng)汽車換電技術(shù)分析及標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展思考

樊 彬，李 楊，徐 梟

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院；2.中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司；3.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

電動(dòng)汽車換電技術(shù)，即快換電池技術(shù)，是指通過專用裝置或人工輔助快速更換動(dòng)力蓄電池實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電能補(bǔ)充的技術(shù)。作為電動(dòng)汽車能源供給模式之一，電動(dòng)汽車換電具備效率更高、方式更靈活的特點(diǎn)，可以大幅縮短電能補(bǔ)給時(shí)間，提高車輛使用效率，緩解電動(dòng)汽車用戶的充電時(shí)長(zhǎng)和里程焦慮問題，正在成為電動(dòng)汽車未來新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并將促進(jìn)中國(guó)電動(dòng)汽車快速發(fā)展和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文以電動(dòng)汽車換電技術(shù)為研究對(duì)象，詳細(xì)分析換電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)、安全性/兼容性/適用性標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)等內(nèi)容，并提出未來發(fā)展思路建議。

1 概況

近年來，隨著我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不斷深入，電動(dòng)汽車換電技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展，以北汽和蔚來為代表的電動(dòng)車企正在嘗試“電車分離”的模式，不斷探索發(fā)展電動(dòng)汽車換電技術(shù)，有了進(jìn)一步的應(yīng)用實(shí)踐和成功案例。截止目前，《公告》車型近200款，累計(jì)推廣超過15萬輛，建成換電站近1300座，但換電技術(shù)仍面臨換電站的設(shè)計(jì)、車輛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、充換電結(jié)合與換電算法等技術(shù)難題。

為了推動(dòng)電動(dòng)汽車換電技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)政府管理部門陸續(xù)推出多項(xiàng)管理通知（圖1），電動(dòng)汽車換電技術(shù)迎來了發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和機(jī)遇。

圖1 電動(dòng)汽車換電相關(guān)政府政策通知

近年來，我國(guó)換電設(shè)施穩(wěn)步發(fā)展，2015、2016年僅有少量增長(zhǎng)，2017~2020年明顯加速，進(jìn)入2021年出現(xiàn)急速增加，每年換電站新增數(shù)量詳見圖2。目前絕大多數(shù)省份都已分布有換電站，其中TOP5省份（北京、廣州、浙江、上海、江蘇）換電站數(shù)量均超過90座，且分布在東部發(fā)達(dá)地區(qū)，各省換電站保有量詳見圖3。隨著政府不斷支持、企業(yè)積極發(fā)展，未來換電產(chǎn)業(yè)勢(shì)必有長(zhǎng)足進(jìn)步，換電技術(shù)及發(fā)展模式也將快速成熟。

圖2 國(guó)內(nèi)換電站增量

圖3 國(guó)內(nèi)各省換電站地圖

2 換電與充電技術(shù)對(duì)比

充電和換電都是電動(dòng)汽車的能源補(bǔ)充方式，換電與充電兩種供能方式之間并不是替代關(guān)系，而應(yīng)該是互補(bǔ)關(guān)系。換電、充電基于自身特點(diǎn)具有各自的應(yīng)用場(chǎng)景和客戶基礎(chǔ)，綜合對(duì)比如圖4所示。

圖4 充電技術(shù)與換電技術(shù)對(duì)比分析

1）換電模式滿足電動(dòng)汽車用戶的快速補(bǔ)能需求。由于電池固有的特性，電動(dòng)汽車在冬季存在充電慢的難點(diǎn)，北方寒冷地區(qū)用戶的補(bǔ)能焦慮持續(xù)存在；此外，在某些特定的用車場(chǎng)景，如對(duì)補(bǔ)能時(shí)間成本敏感的營(yíng)運(yùn)車輛車主、電池電量無法滿足緊急出行需求的私人用戶等，而換電模式可以實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)能和續(xù)航升級(jí)。

2）換電模式提升電池系統(tǒng)可靠性能及安全性能。換電模式可以實(shí)現(xiàn)電池維護(hù)管理、物流調(diào)配以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一體化管控。一方面，對(duì)電池實(shí)行全天候的安全監(jiān)控，確保電池儲(chǔ)存、補(bǔ)能過程中的安全性；另一方面，在恒溫環(huán)境下采用慢充對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)能，有助于延長(zhǎng)電池壽命，避免電池快充過熱的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）換電模式創(chuàng)新電動(dòng)汽車市場(chǎng)銷售商業(yè)化模式。換電模式可以積極帶動(dòng)車電分離商業(yè)模式的大規(guī)模普及，分離電池和車身物權(quán)，用戶可通過租賃方式使用電池，促進(jìn)新能源汽車購(gòu)置門檻下探，大幅降低購(gòu)車成本，促進(jìn)換電車輛的銷售，煥發(fā)市場(chǎng)全新活力，助力新能源汽車推廣應(yīng)用。

4）換電模式助力新能源汽車全產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展。換電模式實(shí)現(xiàn)車電物權(quán)分離，通過電池銀行掌握電池物權(quán)，串聯(lián)電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游（上游：電池企業(yè)，中游：整車廠，下游：電池回收利用企業(yè)），形成包含整車制造商、電池制造商、換電設(shè)備制造商、換電運(yùn)營(yíng)商、電池運(yùn)營(yíng)商、技術(shù)服務(wù)商、電力企業(yè)等在內(nèi)的換電綠色生態(tài)圈，打破產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)壁壘，賦能產(chǎn)業(yè)鏈向好發(fā)展，提升電池梯次利用回收全生命周期價(jià)值。

5）換電模式提高電網(wǎng)能源雙向流動(dòng)升級(jí)可能性。換電站本質(zhì)是能源載體，換電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠讓電池成為流動(dòng)的能量塊，支持能量的雙向流動(dòng)。換電網(wǎng)絡(luò)參與電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)、車輛的能源友好交互，形成面向低碳電網(wǎng)的新型協(xié)作體系。在清潔能源消納方面，換電站還將積極聯(lián)動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)，通過光、儲(chǔ)、充、換結(jié)合，形成自發(fā)自用、余電存儲(chǔ)、可充可換的一體化綜合能源站解決方案，促進(jìn)能源網(wǎng)與交通網(wǎng)的融合發(fā)展。

3 換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化要點(diǎn)

電動(dòng)汽車換電一般會(huì)涉及車載換電系統(tǒng)、換電服務(wù)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)等三大系統(tǒng)。車載換電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車上與換電操作或換電功能相關(guān)的部件所組成的系統(tǒng)，一般包括換電電池包、換電接口、換電機(jī)構(gòu)以及車身與之相連接的部分，還包括位置監(jiān)測(cè)等功能的輔助電氣裝置；換電服務(wù)設(shè)施是用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的電池更換服務(wù)的設(shè)施，能夠在換電過程中對(duì)電池更換設(shè)備、動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)電池進(jìn)行集中存儲(chǔ)、集中充電及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一體化管控，一般包括換電設(shè)備、充電設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等；網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)是立足于換電站、電池及車輛三個(gè)基本要素，提供全套支撐換電業(yè)務(wù)的云數(shù)據(jù)平臺(tái)，具有支持換電運(yùn)營(yíng)、電池管理及站點(diǎn)管理等功能。

電動(dòng)汽車換電的大規(guī)模推廣應(yīng)用，需要系統(tǒng)考慮不同品牌、不同車型的換電實(shí)現(xiàn)方案，盡可能地實(shí)現(xiàn)互換性和兼容性，以攤薄建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本，提升換電的可行性。標(biāo)準(zhǔn)具有規(guī)范產(chǎn)品、統(tǒng)一要求和引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的普遍作用。換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作重點(diǎn)是圍繞換電車輛的安全性、兼容性和使用性應(yīng)用目標(biāo)，通過分析其在換電過程和行車環(huán)境的場(chǎng)景下引起換電特有部件發(fā)生故障的可能性，確定車載換電系統(tǒng)、換電服務(wù)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)等三大系統(tǒng)的性能及功能要求，進(jìn)而保障換電技術(shù)使用安全、實(shí)現(xiàn)互換和品質(zhì)/效率提升。具體如圖5所示。

圖5 換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作思路

3.1 換電安全性標(biāo)準(zhǔn)化

可換電電動(dòng)汽車在換電操作及道路行駛過程中會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊、振動(dòng)和磨損，可能引發(fā)換電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電氣安全風(fēng)險(xiǎn)，表1列出了換電可能相關(guān)的安全失效風(fēng)險(xiǎn)。

表1 換電安全失效分析用例

在換電安全性標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國(guó)已經(jīng)于2021年4月30日發(fā)布了GB/T 40032-2021《電動(dòng)汽車換電安全要求》，并于2021年11月1日起開始實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可換電電動(dòng)汽車在換電方面的特殊安全性要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則，以確保電動(dòng)汽車運(yùn)行中的人員及財(cái)產(chǎn)安全，具體要求詳見圖6。該標(biāo)準(zhǔn)作為汽車行業(yè)在換電模式領(lǐng)域制定的首個(gè)基礎(chǔ)通用類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)空白，解決了換電模式無標(biāo)準(zhǔn)可依的緊迫問題，有助于引導(dǎo)汽車企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)，提升換電電動(dòng)汽車的安全性，支撐新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖6 GB/T 40032-2021《電動(dòng)汽車換電安全要求》試驗(yàn)程序

然而，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，后續(xù)需要在車載換電系統(tǒng)、換電服務(wù)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)等三大系統(tǒng)層面開展持續(xù)深入研究，圍繞結(jié)構(gòu)安全、電氣安全、機(jī)械安全、功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全等多個(gè)領(lǐng)域，不斷更新迭代相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)換電技術(shù)的安全發(fā)展。

3.2 換電兼容性標(biāo)準(zhǔn)化

電動(dòng)汽車換電兼容性標(biāo)準(zhǔn)化工作主要包括車電兼容和車站兼容兩部分內(nèi)容。車電兼容標(biāo)準(zhǔn)化方面，需要考慮軟件和硬件的兼容性。軟件兼容性主要是指車輛與換電電池系統(tǒng)的通信功能，硬件兼容性主要是指電池包的互換性，即電氣接口、冷卻接口、換電機(jī)構(gòu)、電池包等型式的一致性，如圖7所示。

圖7 車電兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)

車站兼容標(biāo)準(zhǔn)化方面，同樣需要考慮軟件和硬件的兼容性。軟件兼容性主要是指車輛與換電站點(diǎn)的通信和站點(diǎn)與換電電池系統(tǒng)的通信兩個(gè)方面，硬件兼容性主要是指車輛換電平臺(tái)和電池存儲(chǔ)平臺(tái)的通用性。車輛換電平臺(tái)需要考慮車輛外廓、質(zhì)量、軸距、輪距、換電方式等參數(shù)，電池存儲(chǔ)平臺(tái)需要考慮功能電流、保護(hù)電路、電壓電流、外形尺寸等參數(shù)，如圖8所示。

圖8 車站兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)

基于以上換電兼容性分析，全國(guó)汽標(biāo)委“電動(dòng)汽車換電標(biāo)準(zhǔn)工作組”初步完成了換電標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建，包含純電動(dòng)乘用車/商用車換電通用平臺(tái)、換電系統(tǒng)互換性和兼容性在內(nèi)的5個(gè)系列20項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，并組建了乘用車換電和商用車換電2個(gè)起草組推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定，目前完成了純電動(dòng)乘用車通用平臺(tái)、換電系統(tǒng)互換性和純電動(dòng)商用車換電系統(tǒng)互換性3個(gè)系列的14項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申報(bào)，如圖9所示。

圖9 換電兼容性標(biāo)準(zhǔn)體系

3.3 換電適用性標(biāo)準(zhǔn)化

換電適用性標(biāo)準(zhǔn)化方面，主要考慮換電電池系統(tǒng)、換電接口系統(tǒng)、換電機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等部件系統(tǒng)的技術(shù)要求。具體分析如下。

1）目前電動(dòng)汽車的整車設(shè)計(jì)以及換電電池系統(tǒng)的型號(hào)規(guī)格和安裝位置都沒有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前的換電模式通常只能在同一車型下實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致?lián)Q電站的建設(shè)成本過高難以發(fā)展推廣。各廠商在開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)會(huì)最大限度增加電池體積從而導(dǎo)致電池外部形態(tài)完全不同，同時(shí)電池的安裝位置也不盡相同，這給電動(dòng)汽車換電模式的推廣帶來了挑戰(zhàn)。因此需要有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范電動(dòng)汽車的總體設(shè)計(jì)、電池規(guī)格及安裝位置等，來進(jìn)一步推進(jìn)電動(dòng)汽車換電模式的發(fā)展。

2）換電接口系統(tǒng)是換電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞將直接關(guān)系到換電技術(shù)的使用性的程度。一般來說，換電接口系統(tǒng)集功率傳輸功能、信號(hào)傳輸功能、液冷傳輸功能、機(jī)械連接功能、環(huán)境防護(hù)功能和其他拓展功能等6個(gè)功能為一體，其標(biāo)準(zhǔn)化工作除了考慮GB/T 20234.1-2015《電動(dòng)汽車傳動(dòng)充電用連接裝置第1部分：通用要求》規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求以外，還需要額外考慮這6個(gè)功能相關(guān)的特殊技術(shù)要求，建立換電接口系統(tǒng)專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系（圖10），才能增強(qiáng)換電技術(shù)的適用性，實(shí)現(xiàn)換電行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖10 換電接口系統(tǒng)功能框架

3）換電機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是用于緊固和分離電池與車身的機(jī)械連接裝置，可以為獨(dú)立的機(jī)械裝置，也可以是車體或電池包殼體的一部分，具有引導(dǎo)、定位、緊固、承載、鎖止和解鎖等功能。目前換電機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要有滑塊式、卡扣式、螺栓式及漲珠式等。電動(dòng)汽車的使用場(chǎng)景非常復(fù)雜，對(duì)換電機(jī)構(gòu)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)提出了車規(guī)級(jí)可靠性和耐久性要求，亟需建立集電氣、機(jī)械、環(huán)境和耐用于一體的綜合測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)化方法體系，助力換電技術(shù)可靠穩(wěn)定發(fā)展。

4 換電技術(shù)發(fā)展階段

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有率的進(jìn)一步提升，未來電動(dòng)汽車對(duì)換電的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，換電技術(shù)正由快速、安全的核心訴求向智能化、共享化、標(biāo)準(zhǔn)化方向迭代發(fā)展，由各技術(shù)路線獨(dú)立擴(kuò)張向換電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通方向演進(jìn)。換電技術(shù)未來幾年會(huì)呈現(xiàn)以下發(fā)展步驟。

第1步：首先做到產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，即土地、電力、安防等基礎(chǔ)設(shè)施共享，柔性化機(jī)械換電機(jī)構(gòu)系統(tǒng)共享，換電車輛智能識(shí)別系統(tǒng)共享。

第2步：不斷深化車站耦合，即電池系統(tǒng)充電通信協(xié)議共享、電池系統(tǒng)機(jī)械/電氣/冷卻等接口共享、換電車型兼容平臺(tái)共享。

第3步：進(jìn)而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，即電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模式共享、換電標(biāo)準(zhǔn)化車型平臺(tái)共享、充換電大數(shù)據(jù)分析監(jiān)控平臺(tái)共享。

5 結(jié)論與展望

目前我國(guó)甚至世界上電動(dòng)汽車的電能補(bǔ)給方式幾乎都為充電模式，但在對(duì)充電模式與換電模式進(jìn)行系統(tǒng)分析后，換電模式有很大的發(fā)展前景，預(yù)計(jì)未來電動(dòng)汽車的發(fā)展將以充電模式、換電模式并行的“兩條腿走路”模式發(fā)展。

今后，全行業(yè)需要立足換電模式發(fā)展的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，形成涵蓋頂層設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)落地、推廣應(yīng)用、能源保障、安全監(jiān)管六大方面的政策支撐體系，推動(dòng)換電有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，形成車輛、電池、換電站、電網(wǎng)之間互聯(lián)互通、協(xié)同發(fā)展的換電模式體系，同時(shí)針對(duì)車輛、動(dòng)力電池、換電站等關(guān)鍵系統(tǒng)的研發(fā)評(píng)價(jià)需求，研究全面系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)，建立國(guó)際先進(jìn)的測(cè)試評(píng)價(jià)體系和軟硬件性能測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)，以此推動(dòng)換電電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。