物聯(lián)網(wǎng)雙標(biāo)準(zhǔn)電池純電換電汽車(chē)及未來(lái)展望

劉宏華 宋煜 陳宏遠(yuǎn) 鄭皓

1.中國(guó)電信股份有限公司沈陽(yáng)分公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110020 2.寧波愛(ài)信諾航天信息有限公司 浙江省寧波市 315040

1 引言

受益于國(guó)家政策支持和技術(shù)進(jìn)步，近年來(lái)我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。2022年新能源汽車(chē)保有量達(dá)1310 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)67.13%，呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，占汽車(chē)總量的4.10%；全國(guó)新注冊(cè)登記新能源汽車(chē)535萬(wàn)輛，占新注冊(cè)登記汽車(chē)總量的23.05%，同比增加240 萬(wàn)輛，增長(zhǎng)81.48%。新注冊(cè)登記新能源汽車(chē)數(shù)量從2018 年的107 萬(wàn)輛到2022 年的535 萬(wàn)輛，呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

隨著純電動(dòng)新能源汽車(chē)的增多，一些問(wèn)題也體現(xiàn)出來(lái)。普遍存在充電時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法有效保證長(zhǎng)途出行；充電過(guò)程以及充電樁本身安全問(wèn)題頻出；電池長(zhǎng)時(shí)間使用以及低溫情況續(xù)航能力下降等。上述問(wèn)題一定程度上限制了電動(dòng)新能源汽車(chē)的發(fā)展，并可能隨著電動(dòng)新能源汽車(chē)保有量逐漸放大化，進(jìn)而影響純電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模發(fā)展。

本文結(jié)合500 余份有效調(diào)查問(wèn)卷梳理現(xiàn)有純電動(dòng)新能源汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)問(wèn)題，提出雙標(biāo)準(zhǔn)電池純電換電汽車(chē)模型，以此匹配具備可實(shí)施的運(yùn)營(yíng)模型，并對(duì)該模型未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

2 電動(dòng)新能源運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

2.1 充電時(shí)間

從純電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)家公開(kāi)數(shù)據(jù)，主流型號(hào)充電時(shí)間主要集中在0.5 小時(shí)-10 小時(shí)之間，快充普遍存在犧牲電池壽命情況，廠(chǎng)家普遍建議采用慢充方式，補(bǔ)充電能的時(shí)間較成熟運(yùn)營(yíng)的燃油車(chē)加油時(shí)間稍長(zhǎng)。充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也導(dǎo)致目前純電動(dòng)汽車(chē)主要以家庭充電為主，公用充電樁為輔助充電模式，客觀(guān)無(wú)法形成有效社會(huì)運(yùn)營(yíng)機(jī)制，見(jiàn)表1。

表1

調(diào)查問(wèn)卷顯示，因充電式純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法長(zhǎng)途旅行、充電慢等因素限制購(gòu)買(mǎi)的分別占78.46%、46.92%，其中無(wú)法長(zhǎng)途旅行因素同樣隱含的原因?yàn)槌潆娐?、充電?shí)施不足等原因，充電慢和充電不方便是限制現(xiàn)有充電模式電動(dòng)車(chē)發(fā)展的主要原因。另一方面，雖然油電混動(dòng)汽車(chē)可以解決上述問(wèn)題，但是被訪(fǎng)用戶(hù)普遍認(rèn)為兩套動(dòng)力系統(tǒng)導(dǎo)致故障率高、整車(chē)性?xún)r(jià)比低等限制用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)欲望的分別占59.23%、37.69%；同時(shí)混動(dòng)汽車(chē)并未徹底解決汽車(chē)更新?lián)Q代問(wèn)題，僅是增加了一套電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.2 續(xù)航能力

純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力除決定于汽車(chē)本身的電池容量、電池性能，還因?yàn)閭€(gè)人駕駛習(xí)慣、工況、充放電次數(shù)、充放電深度、天氣等因素影響，即使新車(chē)正常情況下測(cè)試的續(xù)航能力與廠(chǎng)家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)情況下的續(xù)航能力也是存在一定的差異。所以，會(huì)出現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)使用一段時(shí)間后，續(xù)航能力表現(xiàn)的參差不齊，見(jiàn)圖1。

圖1 2020年度EV汽車(chē)?yán)m(xù)航偏差率評(píng)測(cè)榜

調(diào)查問(wèn)卷顯示，長(zhǎng)期使用電池性能下降、低溫電池快速折損性能等導(dǎo)致用戶(hù)不希望購(gòu)置電動(dòng)汽車(chē)的比例達(dá)到66.15%、61.54%。電池的續(xù)航能力差異除個(gè)性化駕駛條件和習(xí)慣原因之外，主要原因是電池的性能折損導(dǎo)致，也是限制用戶(hù)購(gòu)置電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)主要原因。

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)

2021 年全年新能源汽車(chē)火災(zāi)共發(fā)生約3000 余起，新能源車(chē)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)總體高于傳統(tǒng)汽車(chē)。2022 年上半年媒體報(bào)道的電動(dòng)汽車(chē)自燃情況中，在已查明原因的事故中，從起火汽車(chē)所處狀態(tài)來(lái)看，35%處于充電狀態(tài)，40%處于行駛狀態(tài)，25%處于靜止?fàn)顟B(tài)。

其次，充電樁本身也是安全隱患的主要來(lái)源，充電樁本身產(chǎn)品質(zhì)量不合格，同時(shí)大電流、高電壓輸出，接地不規(guī)范，防水、防銹、密封性能不好等，很可能導(dǎo)致各種事故發(fā)生，尤其洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)更高。

從調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果表明，擔(dān)心電動(dòng)汽車(chē)充電安全的比例達(dá)到31.54%。

2.4 純電動(dòng)汽車(chē)現(xiàn)狀總結(jié)

結(jié)合上述分析以及調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果，大約90.77%的被訪(fǎng)者因覺(jué)得燃油價(jià)格較貴，但充電式純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法長(zhǎng)途旅行、長(zhǎng)期使用電池性能下降、低溫電池性能折損多、充電慢，混動(dòng)汽車(chē)性?xún)r(jià)比低等因素極大地限制購(gòu)買(mǎi)欲望實(shí)施。

純電動(dòng)汽車(chē)急需找到改變現(xiàn)有短板，適合大規(guī)模商業(yè)運(yùn)營(yíng)的模式，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代。

3 雙標(biāo)準(zhǔn)電池?fù)Q電汽車(chē)模型設(shè)計(jì)

3.1 換電模式

解決充電慢的過(guò)程，主要從補(bǔ)充能源速度角度分析解決，目前較多車(chē)企研究方向?yàn)榭斐浼夹g(shù)，但是依然存在如下問(wèn)題無(wú)法解決，一是快充技術(shù)大多是以損害電池性能和壽命前提下實(shí)現(xiàn)快速充電；二是少量汽車(chē)快充好解決，但大量汽車(chē)同時(shí)充電的時(shí)候，電網(wǎng)調(diào)度以及大充電電流和輸電電纜等問(wèn)題無(wú)法有效解決，且安全風(fēng)險(xiǎn)更是急速上升；三是只要電池長(zhǎng)期在車(chē)身上，電池使用中導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)長(zhǎng)期積累，汽車(chē)在行駛過(guò)程中出現(xiàn)因電池問(wèn)題導(dǎo)致的事故概率直線(xiàn)上升。而保證換電速度足夠快的換電模式是可以解決上述問(wèn)題。

3.2 電池標(biāo)準(zhǔn)化

圖2 雙標(biāo)準(zhǔn)電池?fù)Q電汽車(chē)模型俯視圖

電池標(biāo)準(zhǔn)化是保證換電速度足夠快的基礎(chǔ)條件。為保證電池的通用性，適配所有品牌汽車(chē)使用，需對(duì)電池外型、尺寸、電氣接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約定，適合插拔式安裝。

電池外型、尺寸、電氣接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，應(yīng)保證長(zhǎng)期不變，以保證存量車(chē)輛以及汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家長(zhǎng)期使用，可變的是隨技術(shù)發(fā)展，內(nèi)部?jī)?chǔ)能介質(zhì)更新?lián)Q代，可一定時(shí)期內(nèi)形成有不同容量的電池運(yùn)營(yíng)，在電池運(yùn)營(yíng)過(guò)程可根據(jù)電池容量作為每次換電不同收費(fèi)依據(jù)之一。

3.3 雙標(biāo)準(zhǔn)電池

單電池純電動(dòng)汽車(chē)在使用過(guò)程中，因離換電站距離以及其他不可控因素等，導(dǎo)致?lián)Q電時(shí)殘存電量不統(tǒng)一，可能導(dǎo)致途中拋錨現(xiàn)象發(fā)生。雙標(biāo)準(zhǔn)電池模型可以保證一塊電池放電達(dá)到放電要求后，切換到另外一塊電池，用戶(hù)再擇機(jī)到附近換電站換電池。同時(shí)，為提高運(yùn)營(yíng)和管理效率，兩塊電池同規(guī)格型號(hào)，是最合適的商業(yè)模式。

3.4 換電配套設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化

換電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，按照電池標(biāo)準(zhǔn)和汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)具備自動(dòng)化、機(jī)械化的換電設(shè)備，使得每塊電池?fù)Q電時(shí)間等于或者優(yōu)于目前標(biāo)準(zhǔn)加油時(shí)間，一般以5 分鐘內(nèi)為宜。

3.5 電池物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化

電池應(yīng)具備物聯(lián)網(wǎng)以及一定的智能處理能力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)規(guī)范向汽車(chē)以及電池廠(chǎng)家傳遞信息，并隨時(shí)通知駕駛員以及電池運(yùn)營(yíng)廠(chǎng)家跟蹤電池性能、遠(yuǎn)程維護(hù)和管理等。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)，利用5G 廣鏈接、高帶寬、低時(shí)延特點(diǎn)，可采用5G 定制網(wǎng)輔助4G 和IOT 等多種物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，并通過(guò)加密算法，保證數(shù)據(jù)傳輸效率、可用性和安全性。

除傳遞電池實(shí)時(shí)電量信息，供電電池內(nèi)應(yīng)在電池達(dá)到最深放電標(biāo)準(zhǔn)，電池應(yīng)具備向汽車(chē)傳送電量使用完成信息。汽車(chē)應(yīng)具備在收到電池傳遞電量放電達(dá)標(biāo)的信息后，切換電源到另外一塊電池。

4 雙電換電汽車(chē)運(yùn)營(yíng)模型設(shè)計(jì)

4.1 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)

在上述雙電換電汽車(chē)的以電池標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)家、電池廠(chǎng)家、充電架設(shè)備、換電設(shè)備廠(chǎng)家均按照標(biāo)準(zhǔn)化要求進(jìn)行生產(chǎn)，使得社會(huì)內(nèi)流通汽車(chē)電池可以互相交叉更換。汽車(chē)除換電外，不應(yīng)具備其他充電接口。

4.2 車(chē)電分離運(yùn)營(yíng)

當(dāng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品都成為標(biāo)準(zhǔn)之后，汽車(chē)廠(chǎng)家將不再提供電池和電池?fù)Q電服務(wù)，用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)后，向?qū)Ｓ械碾姵剡\(yùn)營(yíng)服務(wù)商繳納電池租用費(fèi)用后，即可在該服務(wù)商設(shè)置的換電站進(jìn)行換電，電池租金可以在一定程度上降低電池服務(wù)商現(xiàn)金壓力。駕駛員每次到換電站更換電池，按照充滿(mǎn)電池容量繳納費(fèi)用，費(fèi)用收取模型可參考電價(jià)、電池?fù)p耗、換電站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本等綜合考慮。

電池運(yùn)營(yíng)企業(yè)將汽車(chē)換下的電池上架充電，并采用信息化手段，對(duì)電池性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可修復(fù)的損傷進(jìn)行修復(fù)，對(duì)不符合流通的電池實(shí)施退出服務(wù)行列。這樣可以保證電池安全性和穩(wěn)定性，也可以保證服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化、模式化。

5 雙電換電汽車(chē)未來(lái)展望

5.1 汽車(chē)廠(chǎng)家

汽車(chē)廠(chǎng)家按照標(biāo)準(zhǔn)化電池要求，生產(chǎn)各種型號(hào)汽車(chē)，汽車(chē)企業(yè)將重點(diǎn)精力投入在駕駛舒適、輔助駕駛、駕駛安全、電機(jī)性能、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等方面，迅速提升汽車(chē)駕駛感知和信息化水平。

5.2 電池廠(chǎng)家

重點(diǎn)在電池外型和接口的標(biāo)準(zhǔn)化模式下，研究電池儲(chǔ)能、充放次數(shù)、電池安全、不同工況下性能提升等。

5.3 電池運(yùn)營(yíng)服務(wù)商

提供標(biāo)準(zhǔn)化換電服務(wù)，實(shí)施全國(guó)連鎖，實(shí)現(xiàn)換電站數(shù)量與現(xiàn)有加油站數(shù)量可比，支持異地?fù)Q電，不同服務(wù)商間無(wú)差別換電等。

5.4 電力企業(yè)

根據(jù)換電站建設(shè)情況，擴(kuò)容增容和調(diào)配電網(wǎng)，并與電池運(yùn)營(yíng)企業(yè)配合，研究推進(jìn)儲(chǔ)能業(yè)務(wù)推進(jìn)，尤其是利用夜間電網(wǎng)重點(diǎn)給電池充電等。

5.5 汽車(chē)用戶(hù)

汽車(chē)用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)后，租賃電池使用權(quán)，然后每次換電后按照更換電池儲(chǔ)能交付電費(fèi)，在汽車(chē)進(jìn)行二次銷(xiāo)售和報(bào)廢前歸還電池，收回電池租賃費(fèi)用，換電服務(wù)商可按累計(jì)使用時(shí)間收取電池折舊費(fèi)用。

5.6 運(yùn)營(yíng)展望

通過(guò)問(wèn)卷反饋，在僅有燃油汽車(chē)和本文所述雙電換電汽車(chē)的情況下，56.15%的用戶(hù)會(huì)主動(dòng)選擇雙電換電汽車(chē)，遠(yuǎn)高于目前燃油汽車(chē)和充電汽車(chē)情況下的選擇充電汽車(chē)比例。如果在換電站建設(shè)量足夠情況下，全面取消燃油汽車(chē)銷(xiāo)售，可以預(yù)見(jiàn)雙電換電汽車(chē)可以有效取代現(xiàn)有汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析，雙標(biāo)準(zhǔn)電池?fù)Q電汽車(chē)可以有效解決目前電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中遇到的問(wèn)題，建議國(guó)家相關(guān)主管部門(mén)，快速組織雙電換電汽車(chē)的電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定工作，組織標(biāo)準(zhǔn)化的換電站建設(shè)，隨著車(chē)輛投放市場(chǎng)和換電站建設(shè)，取消充電汽車(chē)和燃油汽車(chē)的市場(chǎng)投放并陸續(xù)限制和拆除充電樁設(shè)備，即可全面實(shí)現(xiàn)汽車(chē)更新?lián)Q代，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和要求。