戴嘉昶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)充電模式與集中充電+換電模式的比較

戴嘉昶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

對(duì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展期內(nèi)整車(chē)充電模式與集中充電+換電模式進(jìn)行比較，分別從用戶使用、電池維護(hù)、車(chē)輛運(yùn)行、電網(wǎng)影響、商業(yè)運(yùn)營(yíng)、站點(diǎn)建設(shè)7個(gè)角度進(jìn)行研究分析，提出在現(xiàn)有條件下，電動(dòng)汽車(chē)的電能供應(yīng)方式宜以集中充電+換電模式為佳。

電動(dòng)汽車(chē)；充電模式；整車(chē)充電模式；集中充電+換電模式

電動(dòng)汽車(chē)以電代油，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已在全世界得到共識(shí)并開(kāi)始逐漸推廣應(yīng)用，國(guó)家及各級(jí)政府給予大力扶植，如：購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)國(guó)家有補(bǔ)貼；北京購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)上車(chē)牌不用搖號(hào)；上海購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)免費(fèi)上車(chē)牌等。電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程較短、電池更換成本高、充電不方便是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展不快的根本原因。近年來(lái)各大城市普遍發(fā)生的霧霾天氣引起了公眾對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的更多關(guān)注。就目前的發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，各電動(dòng)汽車(chē)廠家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的各種技術(shù)方向也在進(jìn)行探索。本文就電動(dòng)汽車(chē)的充電模式提出一些探討意見(jiàn)。

目前，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施主要分為2種模式：一是整車(chē)充電模式，該模式包括為具有車(chē)載充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)提供電能的慢充方式和為非車(chē)載充電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)提供電能的快充方式；二是集中充電+換電模式，采用直接更換已充好電的電池組方式為電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行能源補(bǔ)給，適用于各種車(chē)型。

在電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施發(fā)展前期，國(guó)內(nèi)充換電設(shè)施建設(shè)主要以整車(chē)充電設(shè)施為主，在使用過(guò)程中充電設(shè)施逐漸暴露出充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、占地面積大、不利于資產(chǎn)保護(hù)等一系列問(wèn)題，諸多問(wèn)題也直接導(dǎo)致了電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施由整車(chē)充電模式向集中充電+換電模式的轉(zhuǎn)變。下面就電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)充電模式和集中充電+換電模式的特點(diǎn)加以比較說(shuō)明。

1 整車(chē)充電模式與集中充電+換電模式比較

1.1 整車(chē)充電模式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)最擔(dān)心的是電動(dòng)汽車(chē)漫長(zhǎng)的充電時(shí)間和較短的續(xù)駛里程問(wèn)題。

整車(chē)充電模式中的交流慢充又叫做常規(guī)充電（普通充電）。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時(shí)間為5～8 h，甚至長(zhǎng)達(dá)10～20 h。因此，這種充電模式通常用于設(shè)計(jì)續(xù)駛里程盡可能長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)，需滿足車(chē)輛一天運(yùn)營(yíng)需要，將汽車(chē)作為城市上下班代步車(chē)的，可利用下班時(shí)之后充電，運(yùn)營(yíng)車(chē)輛則可在晚間停運(yùn)時(shí)間充電。對(duì)于長(zhǎng)途旅行者一般不會(huì)考慮使用電動(dòng)汽車(chē)。常規(guī)充電模式的主要缺點(diǎn)是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，車(chē)輛一旦有緊急運(yùn)行需求時(shí)難以滿足。

整車(chē)充電模式中的直流快充主要是解決交流慢充充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，又稱(chēng)應(yīng)急充電。直流快充是以較大電流在較短時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)提供充電服務(wù)，一般設(shè)計(jì)充電電流為150～400 A。但是，由于目前電動(dòng)汽車(chē)絕大多數(shù)使用的是鋰電池，而鋰元素是活躍的金屬元素，快充電易使鋰元素太過(guò)活躍，從而使電池中的電解液發(fā)生沉淀，產(chǎn)生氣泡，也就是平常人們所看到的電池身上凸起的“小包”，容易發(fā)熱，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電池爆炸，因此，對(duì)鋰電池充電電流不宜過(guò)大。目前市面上各大廠商宣傳的其電動(dòng)汽車(chē)快速充電時(shí)間可縮短到在10 min左右，以目前技術(shù)來(lái)看并不不成熟。以國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)營(yíng)的成都石羊充電站為例，該站的充電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為680 V/400 A，功率達(dá)到200 kW,但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，電動(dòng)公交車(chē)僅能承受80 A左右的充電電流，整車(chē)充電時(shí)間需要4 h以上。與汽油汽車(chē)加油整個(gè)流程為5～8 min相比，電動(dòng)汽車(chē)充電站如果無(wú)法提供15 min以內(nèi)的快充服務(wù)，基本就失去了其社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的功能性。

1.2 集中充電+換電模式

集中充電+換電模式則通過(guò)直接更換電動(dòng)汽車(chē)的電池組達(dá)到為其補(bǔ)充電能的目的，可實(shí)現(xiàn)電能迅速補(bǔ)給，同時(shí)便于電池維護(hù)和延長(zhǎng)壽命。目前在電池更換方面，普通車(chē)的電池組可以在5 min內(nèi)完成更換，電動(dòng)公交車(chē)也僅僅需要8 min，更換時(shí)間基本與傳統(tǒng)汽車(chē)的加油時(shí)間持平，更易于電動(dòng)公交車(chē)的運(yùn)營(yíng)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)根本上解決了充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的難題，因此也可以適用于長(zhǎng)途旅行者。另外，電池由專(zhuān)業(yè)電池租賃公司購(gòu)買(mǎi)，消費(fèi)者只需要交納租賃價(jià)費(fèi)，降低了運(yùn)行成本。

2 電池維護(hù)

如果采用整車(chē)充電模式，特別是整車(chē)直流快速充電模式，電動(dòng)汽車(chē)電池壽命將大打折扣。鋰離子電池生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)表明：?jiǎn)误w磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到5 000次以上，按照2 000次來(lái)設(shè)定出廠標(biāo)準(zhǔn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。而超過(guò)100個(gè)單體成組后的電池模塊，在人工維護(hù)的情況下，壽命只能達(dá)到1 500次，如果每次充電可以行駛200 km，電池的里程壽命就可以達(dá)到30萬(wàn)km。這對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的用戶來(lái)說(shuō)是完全能夠接受的。但是，如果沒(méi)有人工維護(hù)，采取盲充方式補(bǔ)給電能，電池組的循環(huán)壽命將急劇下降到200次左右，甚至?xí)霈F(xiàn)幾十次充電就損壞的情況。這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)是致命的。因此，國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)制造廠家都試圖從電池質(zhì)量和電池管理入手，解決電池組的壽命問(wèn)題。但是，提高電池的出廠質(zhì)量和一致性并不能從根本上延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)槌鰪S質(zhì)量和一致性再好的電池都會(huì)在使用和充電過(guò)程中出現(xiàn)隨機(jī)性個(gè)體差異，最終導(dǎo)致電池組提前損壞。而電池管理系統(tǒng)如果細(xì)化到對(duì)每一單體電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，其造價(jià)將與電池相差無(wú)幾，這就意味著本來(lái)就很昂貴的電池又增加了一倍的成本。而且高性能的電池管理系統(tǒng)本身要消耗15%～20%的能量，這就意味著電池里程壽命已經(jīng)損失了20%了。除此之外，即使是安裝了高性能的電池管理系統(tǒng)，也不可能將電池壽命提高到理想的千次以上。豐田普銳斯不超過(guò)3年10萬(wàn)km的電池壽命就是最好的例證。因此可以說(shuō)，雖然通過(guò)提高電池質(zhì)量和優(yōu)化電池管理可以有限提高電池組的壽命，但想通過(guò)這個(gè)途徑使電動(dòng)汽車(chē)在綜合成本上具有對(duì)燃油汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是根本不可能的，這條技術(shù)路線必須永遠(yuǎn)依賴政府補(bǔ)貼。

相對(duì)而言，采用集中充電+換電模式，因有專(zhuān)業(yè)人員對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池采用小電流的恒流充電和進(jìn)行管理，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池組中個(gè)別有缺陷的單電池并予以更換，每次充電時(shí)可以將電池的容量充足，對(duì)于電池的維護(hù)工作具有積極意義，也可以延長(zhǎng)電池的壽命，降低運(yùn)行成本，將有利于普及和推廣電動(dòng)汽車(chē)。

3 車(chē)輛運(yùn)營(yíng)

采用整車(chē)充電模式的出租車(chē)、公交車(chē)，無(wú)法保證車(chē)輛班次。以目前公交企業(yè)單車(chē)日均行駛300 km計(jì)算，并考慮當(dāng)前純電動(dòng)公交車(chē)充電后最大行駛距離，則車(chē)輛每行駛百千米后必須進(jìn)行充電并且充電時(shí)間至少在3 h以上，公交企業(yè)必須配置比原燃油車(chē)輛數(shù)量多1～2倍的電動(dòng)車(chē)輛才能保證車(chē)輛班次，并且使用整車(chē)充電模式的車(chē)輛在電池一旦發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，無(wú)法將電池隔離，從而可能對(duì)整輛汽車(chē)造成重大傷害，嚴(yán)重時(shí)可使整輛車(chē)燃燒乃至報(bào)廢。

采用集中充電+電池更換模式的電動(dòng)汽車(chē)，在換電站內(nèi)僅進(jìn)行更換電池后即可投入下一班次的運(yùn)營(yíng)，所需時(shí)間與加油時(shí)間差別不大，無(wú)需增加車(chē)輛即可保證運(yùn)力，并且在車(chē)輛發(fā)生緊急情況時(shí)，可以將電池手動(dòng)抽出，起到隔離危險(xiǎn)源、保護(hù)整車(chē)的作用。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，對(duì)更換下來(lái)的蓄電池可以利用低谷時(shí)段進(jìn)行充電，降低了充電成本，提高了車(chē)輛運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，這一點(diǎn)也是整車(chē)充電模式無(wú)法比擬的。

4 對(duì)電網(wǎng)的影響

一旦電動(dòng)汽車(chē)的擁有量達(dá)到一定規(guī)模，如果所有的電動(dòng)汽車(chē)都在下班后的同一時(shí)間充電或進(jìn)行快速充電，就會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，對(duì)城市公用電網(wǎng)及其他用戶造成影響。隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量的增加，大量的電動(dòng)汽車(chē)充電將帶來(lái)用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，會(huì)給用電負(fù)荷峰谷差日益加大的電力系統(tǒng)再次增加巨大的供電壓力。在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電的情況下，大量電動(dòng)汽車(chē)充電還會(huì)加重局部電網(wǎng)的電壓降過(guò)大、配電變壓器及用電設(shè)備利用率不高、支路容量不匹配等一系列問(wèn)題。從電網(wǎng)吸收能量將增加電網(wǎng)負(fù)荷需求，需要提高電網(wǎng)備用容量。

集中充電+換電模式中，電力供配經(jīng)過(guò)合理的規(guī)劃，完全不會(huì)產(chǎn)生上述問(wèn)題，利用晚上用電低谷階段均衡地從電網(wǎng)吸收存儲(chǔ)能量，實(shí)現(xiàn)填谷功能及提高供電、用電設(shè)備的利用率。

5 商業(yè)運(yùn)營(yíng)

電池的充、放電過(guò)程是電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)電池的沖擊要比機(jī)械磨損具有更大的離散性。機(jī)械磨損在不同個(gè)體間的差異非常小，作為燃油汽車(chē)核心部件的發(fā)動(dòng)機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)絕大部分個(gè)體30萬(wàn)km以上的使用壽命。而電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池則不然，即便是平均使用壽命達(dá)到了30萬(wàn)km，也仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化操作，因?yàn)橥吞?hào)電池可能因盲充導(dǎo)致存在個(gè)體差異，差異率最大可達(dá)到30%。大量使用存在個(gè)體差異電池的車(chē)輛，將使電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)無(wú)法應(yīng)對(duì)社會(huì)輿論，并會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的車(chē)輛索賠，這是企業(yè)無(wú)法承擔(dān)的。

相比之下，集中充電+換電模式下電池運(yùn)營(yíng)商將電池在集中充電站內(nèi)循環(huán)使用、有序充電并及時(shí)檢測(cè)電池，為車(chē)主提供服務(wù)，除了補(bǔ)充電能、提高電池壽命之外，無(wú)形之中帶來(lái)了第三個(gè)功能：能保證車(chē)輛所使用電池的平均壽命達(dá)標(biāo)，相比不能換電車(chē)型，更容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。目前，很多地方為了實(shí)現(xiàn)充電汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)，購(gòu)置了超過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)一倍以上的車(chē)輛。例如：湖北襄陽(yáng)603路電動(dòng)公交車(chē)，原本線路只需要10輛公交車(chē)，由于充電時(shí)間為3 h左右，所以該地購(gòu)買(mǎi)了20輛電動(dòng)公交車(chē)，10輛上路運(yùn)營(yíng)，10輛在充電站充電，電量快耗盡時(shí)，運(yùn)營(yíng)車(chē)輛和充電車(chē)輛進(jìn)行交換。對(duì)公交公司來(lái)說(shuō)，這種情況無(wú)疑大大增加了運(yùn)營(yíng)成本。而采用集中充電換電模式，完全可以避免上述采用整車(chē)充電模式時(shí)所發(fā)生的弊端，車(chē)輛電池可以即換即走，無(wú)需考慮增加車(chē)輛以保證運(yùn)力。

6 站點(diǎn)建設(shè)

電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)充電設(shè)施有3種：一是建設(shè)充電站；二是可在城市小區(qū)和停車(chē)位設(shè)立刷卡式充電樁；三是在車(chē)主自己的車(chē)庫(kù)內(nèi)用一般的插座充電。車(chē)主自行充電雖然電流不大（15 A）,但充電時(shí)間較長(zhǎng)，而且大多數(shù)車(chē)主沒(méi)有獨(dú)立車(chē)庫(kù)，因此不可能成為電動(dòng)汽車(chē)的主流充電方式。

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的正常行駛，必須在城市開(kāi)展充電站（樁）的布點(diǎn)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。但是當(dāng)前各地的城市發(fā)展、建筑密度都無(wú)法滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)充電站（樁）的需求，主城區(qū)無(wú)法劃出土地進(jìn)行大規(guī)模的充電站的建設(shè)，城市建筑結(jié)構(gòu)以高樓為主，地面、地下停車(chē)場(chǎng)面積、數(shù)量有限，難以加裝較多的充電樁，這樣必然帶來(lái)“有車(chē)充不上電”的情況。

集中充電+換電模式很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。另外，集中充電+換電模式可以采用“集中充電+統(tǒng)一配送”的建設(shè)模式，即在郊區(qū)建設(shè)集中充電站，用來(lái)對(duì)電池進(jìn)行集中充電和配送，而在城市中心的必要地區(qū)建設(shè)一定數(shù)量的換電站，僅用于電池更換，這樣，可以將主城區(qū)換電站對(duì)土地面積的要求進(jìn)一步縮小，而這一點(diǎn)是整車(chē)充電模式無(wú)法做到的。

7 投資規(guī)模

整車(chē)充電模式的充電站僅提供車(chē)輛整車(chē)充電，只需建設(shè)充電樁及配套設(shè)施，相對(duì)“集中充電+換電站”建設(shè)模式而言，技術(shù)要求較低，每個(gè)站的投資較少，但對(duì)于車(chē)輛停放充電的場(chǎng)所面積要求很大，并需較多工作人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。

集中充電+換電模式中換電站主要以電池更換為主，場(chǎng)所面積小，站內(nèi)可配置換電機(jī)器人，因換電工作主要在換電工位內(nèi)進(jìn)行，故工作人員配置不需太多，但技能水平要求高。集中充電站需配置電池充電架、電池管理系統(tǒng)，自動(dòng)化技術(shù)要求高，投資大，要有專(zhuān)業(yè)人員運(yùn)營(yíng)和管理。

集中充電站數(shù)量少，配以一定數(shù)量的換電站，總體投資規(guī)模要小于整車(chē)充電模式。

8 結(jié)束語(yǔ)

從以上7個(gè)方面的分析可以清楚地看到，集中充電+換電模式相對(duì)于整車(chē)充電模式具有較大的優(yōu)勢(shì)。在最近召開(kāi)的相關(guān)國(guó)際組織會(huì)議中，世界各主要工業(yè)國(guó)也確定了參與換電站的相關(guān)工作，這也說(shuō)明了集中充電+換電模式正在被世界各國(guó)廣泛接受，但集中充電+換電模式的推廣必須在以下幾個(gè)方面形成共識(shí)：

電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)及電池配置需標(biāo)準(zhǔn)化，以利于電池統(tǒng)一充電及適用多種型號(hào)車(chē)輛的更換。

電動(dòng)汽車(chē)的電池接插部件需安全、易于裝拆，以利于電池安全穩(wěn)定運(yùn)行（接頭部分不發(fā)生溫度異常）及便于電池快速更換。

換電費(fèi)用可考慮按車(chē)輛里程計(jì)費(fèi)，即以2次換電間隔內(nèi)車(chē)輛行駛里程數(shù)計(jì)費(fèi)，免得因電池質(zhì)量問(wèn)題、電池沒(méi)有充足或換下的電池尚有部分余量等而產(chǎn)生糾紛。

建立統(tǒng)一的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，車(chē)主可租用電池，以利于實(shí)時(shí)掌握車(chē)輛、電池的情況及電池的全壽命管理。

在當(dāng)前電池技術(shù)條件下，為推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，應(yīng)優(yōu)先考慮城市公交系統(tǒng)及出租車(chē)公司車(chē)輛的推廣，其電能供給方式采用集中充電+換電模式為優(yōu)的技術(shù)路線。隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，未來(lái)電池技術(shù)成熟后，可以采用整車(chē)充電和集中充電+換電2種模式并重。

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［1］崔玉峰，楊晴，張林山，等.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及充電技術(shù)研究［J］.云南電力技術(shù)，2010,38（4）：9-12.

［2］鮑健強(qiáng),苗陽(yáng),陳鋒.低碳經(jīng)濟(jì)：人類(lèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的新變革［J］.中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)，2008（4）：153-160.

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Comparison between complete electric vehicle charging mode with centralized charging+electric exchanging mode

DAI Jia?chang
（Suzhou Electric Power Supply Company,Suzhou 215004,China）

Charging mode is compared between complete electric vehicle charging mode and centralized charging+electric exchanging mode in the development period of domestic electric vehicle.It respectively analyzes seven aspects from the users to use,battery maintenance,vehicle operation,power grid influence,business operation,site construction,puts forward centralized charging+electric exchanging mode is preferred in electric vehi?cle power supply ways under the condition of existing.

electric vehicle;charging mode;complete elec?tric vehicle charging mode;centralized charging+electric ex?changing mode

U469.72；F407.61

C

1009-1831（2014）01-0057-04

2013-11-18

（

徐文紅）