前言

電動汽車能源補(bǔ)給技術(shù)即充換電技術(shù)及其應(yīng)用模式對電動汽車發(fā)展至關(guān)重要。目前電動汽車充換電關(guān)鍵技術(shù)遲遲難以突破，與當(dāng)前主流的傳統(tǒng)能源汽車加油或加氣技術(shù)相比，其獲得能源的便捷性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，而無法像燃油車一樣很方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛，也在一定程度上制約了電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

二、電動車充電技術(shù)簡析

優(yōu)點(diǎn)，

1. 充電樁造價(jià)低，鋪設(shè)充電站價(jià)格低易于實(shí)現(xiàn)；個(gè)人充電樁可以大面積地普及。截至2022年1月，公共類充電樁117.8萬臺，環(huán)比增加3.1萬臺，1月保有量同比增長45.2%。其中直流充電樁48.6萬臺、交流充電樁69.1萬臺、交直流一體充電樁589臺。

2. 充電操作簡單，即插即用，常規(guī)交流慢充（基礎(chǔ)設(shè)施要求低）、快速充電、無線充電（不占地上空間無接口，運(yùn)行安全便捷靈活）等各種充電技術(shù)相對成熟。

3. 可以通過不同時(shí)段設(shè)置不同充電電價(jià)，簡單輕微調(diào)節(jié)電網(wǎng)資源。

缺點(diǎn)，

1. 新能源汽車保有量與充電樁數(shù)量之間動態(tài)平衡很難保持，出門在外無法實(shí)現(xiàn)充電自由；全國新能源汽車保有量達(dá)603萬輛，以公共充電樁與電動車保有量1：6來看，充電樁布局很困難，根本無法保證在用電高峰期滿足充電需求。

2. 充電技術(shù)有一定弊端，常規(guī)交流慢充，電流小充電時(shí)間太長；快速充電以大功率或大電流充電30-60分鐘僅僅可以行駛200-300公里，快充、超快充對電池要求高，需要電池充放電倍率大，安全性降低，需要在電池設(shè)計(jì)、電池模組、箱體設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充電方式設(shè)計(jì)、整車架構(gòu)和匹配技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，以及電網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施上改進(jìn)；無線充電效率低，距離較短，傳輸速率低。

3. 電動汽車市場的發(fā)展，必然帶來電動汽車充換電站和充換電設(shè)施的大量普及和使用，充電換電站使用運(yùn)營必須依靠持續(xù)不斷的電力供應(yīng)。個(gè)人自主進(jìn)行充電時(shí)，錯(cuò)峰充電意識不強(qiáng)、充電行為靈活、無序、難以把握、充電時(shí)間不固定，無法有效進(jìn)行電能補(bǔ)給控制，會造成電網(wǎng)承載負(fù)荷過高，對城市電網(wǎng)以及城市居民用電造成極大損害和安全問題。

技術(shù)急待突破點(diǎn)

就目前技術(shù)來說，充電技術(shù)相對成熟，相應(yīng)的國標(biāo)法規(guī)也都已健全。而電動汽車電池除了對環(huán)境改善所產(chǎn)生的積極作用外，作為巨大的儲能和負(fù)荷，對電力系統(tǒng)同樣有著潛在的巨大影響尤其是隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，負(fù)荷日益增長的需求側(cè)開始對電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)揮越來越重要的作用。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)中，需求側(cè)是被動的電價(jià)承受者，沒有得到足夠的激勵(lì)去優(yōu)化自身負(fù)荷，進(jìn)而幫助電網(wǎng)削峰填谷、改善電網(wǎng)整體運(yùn)行狀況。但是智能電網(wǎng)的運(yùn)行強(qiáng)調(diào)需求側(cè)的參與，旨在利用動態(tài)電價(jià)等激勵(lì)信號充分挖掘需求側(cè)的調(diào)度潛能，幫助維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電動汽車作為智能電網(wǎng)中重要的新負(fù)荷，其充電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通家用電器功率，因此規(guī)模性的電動汽車充電行為會對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的沖擊。區(qū)別于其它普通負(fù)荷，電動汽車具有兩個(gè)重要的特征，即負(fù)荷／儲能二象性與空間移動性。負(fù)荷／儲能二象性決定了電動汽車可以提供更靈活的時(shí)間調(diào)度，除了常規(guī)充電存在優(yōu)化改進(jìn)空間之外，在必要的時(shí)候，大規(guī)模的電動汽車還可以通過集中管理作為電源向電網(wǎng)饋電，即電動汽車向電網(wǎng)饋電（Vehicle-to-Grid，V2G）技術(shù)，因此電動汽車還具備參與電力市場提供輔助服務(wù)的潛力?？臻g移動性賦予了電動汽車獨(dú)特的負(fù)荷空間調(diào)度能力，在配電網(wǎng)負(fù)荷分布不均勻?qū)е路€(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性受到影響時(shí)，電動汽車能夠接受調(diào)度的指令，選擇不同區(qū)域的充電站進(jìn)行充電，平衡空間負(fù)荷，使電網(wǎng)恢復(fù)至穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行點(diǎn)上。電動汽車由于其獨(dú)特的優(yōu)勢不僅能夠緩解配電網(wǎng)的運(yùn)行壓力，還可以為電動汽車車主帶來可觀的效益。電動汽車雖然發(fā)展迅速，但目前仍受制于傳統(tǒng)充電模式的瓶頸。盡管近年來快速充電技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但電動汽車的充電效率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和燃油車的加油效率相提并論。

三電動車換電技術(shù)簡析

優(yōu)點(diǎn)

1. 換電時(shí)間短，該種方案使得電動汽車能源補(bǔ)給時(shí)間大大縮短，幾乎與燃油汽車加油時(shí)間相同，甚至更短。

2. 整車采取車電分離的策略，電動汽車售價(jià)更低，可以更快地發(fā)展汽車行業(yè)從“油”到“電”的過渡。

3. 換電模式的充電工作由專業(yè)人員統(tǒng)一進(jìn)行，可以有效安排充電時(shí)間和充電電池?cái)?shù)量，合理安排充電工作，電動汽車普及越廣越能緩解城市用電壓力。

4. 由工作人員管理進(jìn)行適宜的充電策略，可以有效的提高電池使用壽命；當(dāng)電池包出現(xiàn)問題時(shí)候，工作人員可以快速發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理，降低電池壽命衰減速率（可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池組中電池單體的問題，對于電池的維護(hù)工作更具有積極意義可大大降低電池組的放電深度，一定程度上提高了電池包壽命）。

缺點(diǎn)，

1. 前期投入成本太大，除了每輛電動汽車的電池外，換電站需要儲備額外電池，大大增加了換電站的投資建設(shè)程。

2. 電池在更換過程中的頻繁插拔會導(dǎo)致額外的機(jī)械磨損，加速電池性能的衰退。

3. 換電模式依賴電池的標(biāo)準(zhǔn)化，然而這在目前電動汽車發(fā)展的初級階段并不現(xiàn)實(shí)。電池仍然是電動汽車發(fā)展的瓶頸，因此電池技術(shù)是各大車企競爭的核心技術(shù)，車企希望依靠電池技術(shù)占據(jù)早期市場，不會輕易共享資源，最早的換電方案公司betterplace失敗的主要原因亦為此。

4. 換電模式同樣需要高效盈利的商業(yè)模式，因?yàn)樵趽Q電模式下電池的所有權(quán)摸糊，誰擁有和維護(hù)電池、誰為電池的損耗成本買單都是很難界定的問題。即使在電池租賃的模式下，租賃服務(wù)商依然面臨著如何運(yùn)營收回高昂的電池成本進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盈利等困難。

技術(shù)難點(diǎn)

換電技術(shù)主要從以下角度進(jìn)行分析，

 一、二從整車角度，車輛車體和電池包及其附件在形狀輪廓、物理結(jié)構(gòu)、大小尺寸上的通用匹配，這是實(shí)現(xiàn)換電的基本條件，目前不同整車廠，車輛電器架構(gòu)及其底盤布置的區(qū)別，電池包選擇了不同形狀和大小，不同的電池包決定了其搭載方案的差異，不同大小形狀的電池包對換電站來說增加了換電站建設(shè)成本，安裝過程中還要充分考慮到換電過程中的車輛端安裝機(jī)構(gòu)（下圖左為采用螺紋安裝換電機(jī)構(gòu)的蔚來汽車，下右圖為采用滑塊安裝環(huán)結(jié)構(gòu)的北汽汽車），要保證鎖止牢固（保證快速鎖止且緊固）。

二是換電連接器是換電電池系統(tǒng)的重要部件，主要實(shí)現(xiàn)整車與電池包之間電氣快速連接分離的專用連接器。根據(jù)整車開發(fā)及實(shí)際的換電運(yùn)行要求，連接器需要滿足一些電氣、機(jī)械、環(huán)境等技術(shù)要求，1）連接器可以實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)與整車之間的電氣與通訊連接，實(shí)現(xiàn)其快速接合和分離，即動力電池系統(tǒng)與電動汽車之間的高、低壓信號快速、有序的接合與分離。2）連接器必須具有滿足電池系統(tǒng)快速更換的導(dǎo)向、定位和限位機(jī)構(gòu)，使得電池系統(tǒng)更換時(shí)能自動修正連接器插頭與插座之間的位置偏差，從而確保連接器插頭和插座可以準(zhǔn)確對接。3）為了節(jié)省空間，連接器高低壓要求采用一體化設(shè)計(jì)，高低壓電氣連接采用平面電連接技術(shù)。高低壓電連接端子的接觸阻抗和電氣性能在規(guī)定的換電次數(shù)內(nèi)不允許出現(xiàn)突變和性能衰減并通過檢測裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。4）連接器的插頭與插座之間可以根據(jù)整車振動實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨動，即連接器可以在 X、Y、Z 三個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)浮動和位置糾錯(cuò)，從而保證連接器高低壓電氣連接的安全可靠。5）為了實(shí)現(xiàn)不同車輛之間電池系統(tǒng)的更換，快換電池連接器必須設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的高低壓電氣接口，強(qiáng)電與弱電觸頭必須隔離并預(yù)留接地與高壓互鎖功能。6）快換電池連接器可以兼容不同車輛之間的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)互換并且電氣性能、使用壽命及相關(guān)匹配的可靠性能不會出現(xiàn)任何降低或異常。

三、四從換電站分析，三是換電站本身的設(shè)計(jì)，可以分為電池租售（需設(shè)置一定ID，識別電池優(yōu)良、防止不及格電池流通）、自動定位/更換（需明確車輛位置，計(jì)算機(jī)器人動作行程以較快方式進(jìn)行電池更換）、V2G技術(shù)（將換電站并入電網(wǎng)，配合電網(wǎng)調(diào)度，防止對電網(wǎng)造成沖擊，對電網(wǎng)“削峰填谷”。）、電池配送/供電（迎接車攜帶多個(gè)電池解決電動車拋錨問題）、換電站選址（使得車輛能夠在活動區(qū)域內(nèi)有效的抵達(dá)并進(jìn)行換電）以及新能源供電技術(shù)。

四是換電算法方面，換電站可有效利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段對標(biāo)準(zhǔn)電池箱進(jìn)行集中有序充電，對電網(wǎng)負(fù)荷起到良好的移峰填谷作用；另一方面負(fù)荷低谷時(shí)電價(jià)便宜，也可以降低充電成本，提高車輛運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。以粒子群算法為例的換電算法進(jìn)行說明，

a. 輸入約束條件、初始條件和算法基本參數(shù)，設(shè)置粒子位置并初始化例子的位置和速度；次日的初始時(shí)刻電池容量作為初始條件，粒子群規(guī)模30，粒子最大速度0.15，慣性權(quán)重[0.4,0.9],加速常數(shù)C1=C2=1.744。

b. 根據(jù)約束條件修改粒子位置，約束條件為換電站某時(shí)段容量上、下限，以及最小、最大充電功率。

c. 計(jì)算粒子群的適應(yīng)度（目標(biāo)函數(shù)值，換電站次日某時(shí)段充電功率P），記錄粒子個(gè)體最好位置和群體最好位置。

d. 根據(jù)公式和更新粒子速度和位置；

e. 判斷例子位置是否超過約束條件，超過則從b再次開始。

f. 計(jì)算粒子群適應(yīng)度，更新記錄粒子最優(yōu)位置和群體最優(yōu)位置。

g. 是否達(dá)到設(shè)置循環(huán)次數(shù)，是停止，否返回d。

根據(jù)換電站運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)或換電車流密度統(tǒng)計(jì)，計(jì)算次日各時(shí)段站內(nèi)電池總?cè)萘康纳舷藓拖孪抟约案鲿r(shí)段充電功率的上下限，將所述次日各時(shí)段站內(nèi)電池總?cè)萘康纳舷藓拖孪蕖⒏鲿r(shí)段充電功率的上下限、次日初始時(shí)刻電池容量上報(bào)至電動汽車換電站充電調(diào)度系統(tǒng)，并按照電動汽車換電站充電調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的充電功率指令安排站內(nèi)電池充電。電動汽車換電站充電調(diào)度系統(tǒng)，用于接收來自電網(wǎng)調(diào)度部門的次日負(fù)荷預(yù)測曲線，以及來自所述電動汽車換電站管理系統(tǒng)的次日換電站各時(shí)段站內(nèi)電池總?cè)萘康纳舷藓拖孪?、各時(shí)段充電功率的上下限以及次日初始時(shí)刻電池容量，計(jì)算次日各個(gè)換電站各時(shí)段的充電功率，并向所述電動汽車換電站管理系統(tǒng)下發(fā)各時(shí)段的充電功率指令。

四總結(jié)

隨著電動汽車保有量的快速增長，電動汽車電池的充電負(fù)荷將會給配電網(wǎng)帶來巨大的沖擊，探討在短期內(nèi)電網(wǎng)輸配電設(shè)備改造擴(kuò)容受限的情況下，如何從電動汽車的速度提高系統(tǒng)效率，使得電動汽車的充換電需求得到滿足，進(jìn)而促進(jìn)電動汽車的普及是非常有必要的。除此之外，電動汽車的配套充換電設(shè)施建設(shè)在速度上同樣無法匹配電動汽車的激增，導(dǎo)致部分地區(qū)充換電設(shè)施相對匱乏，即使在其它地區(qū)設(shè)施充足，也經(jīng)常由于區(qū)域、容量規(guī)劃不當(dāng)?shù)葐栴}造成充換電設(shè)施利用率低下。電動汽車“充換電困難”的問題（電動汽車需要充換電時(shí)無法找到立即可用的充換電設(shè)施，導(dǎo)致額外的等待時(shí)間）嚴(yán)重制約了電動汽車的推廣，如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電動汽車更加合理利用充換電設(shè)施從而在當(dāng)前資源受限的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化同樣也是急需解決的重要問題，電動車汽車持續(xù)突破發(fā)展，需要的絕不僅僅只是技術(shù)的突破。