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换电关键技术及未来发展趋势

作者:中国储能网新闻中心 来源:盖世汽车新能源 发布时间:2021-07-11 浏览:次
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2021年6月22日-23日,由盖世汽车主办的“2021中国下一代汽车高质量发展论坛•新能源汽车三电先进技术•”在南京召开。本次会议持续两天,将围绕新能源三电中长期技术发展趋势、政策、标准、上下游供应链、成本、材料体系、电池结构技术、热管理、安全技术、电机电控关键技术、智能制造等行业焦点话题展开。会议期间,蓝谷智慧(北京)能源科技有限公司技术总监李鹏飞发表了“换电关键技术及未来发展趋势”的主题演讲。

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以下为演讲实录:

我汇报的题目是“换电关键技术及未来发展趋势”。

一、蓝谷智慧能源介绍

二、换电行业国内外现状

三、换电关键技术及未来趋势

四、换电商业模式探讨

一、蓝谷智慧能源介绍

蓝谷智慧能源是北汽集团旗下控股子公司,主要承接北汽集团关于动力电池梯次回收利用、能源服务,包含换电相关业务的高新技术企业。

公司在2016年成立,成立初期准备做动力电池梯次回收利用、储能技术。2017年,集团联合产业链上下游发布了“擎天柱计划”,我们作为“擎天柱计划”的落实单位,承接换电技术研发,即2017年开始研究换电。2018年,我们在西藏做了一个项目,完成了国内海拔最高、容量最大的储能系统,目前运行良好,每天大概能发出来5000度电的水平。2019年,启动了A+轮融资,完成3.3亿融资,进一步支持我们业务发展。

公司业务定位可以用“一体两翼”来形容,“一体”是数字化云平台技术,“两翼”为能源服务和梯次利用。通过“一体”把我们“两翼”串联起来,形成一个业务闭环。“两翼”即:1.能源服务板块,主要是做to B市场,包含车、站等做能源服务的集中化运营;2.梯次利用板块,做动力电池的梯次回收利用。基于换电模式去运营有很多优点,普通车辆运营时更多是用快充方式,快充对电池的损伤比较严重,我们通过换电模式可以有效延长电池使用寿命,同时电池在换电站运营过程中,能够通过大数据对电池状态做跟踪、做监控,可以在整个电池运营过程中评估、评价出这个电池当前状态怎么样,下一步要做什么用,也就是为了后面的梯次利用打好基础。所以公司业务定位是围绕“一体两翼”形式去做的。

二、换电行业国内外现状

·新能源汽车发展现状

如图,2018~2021年5月份新能源汽车的销量情况,截止到2021年一季度,新能源汽车保有量突破550万辆,其中纯电动汽车已经突破450万辆。通过一系列调研数据分析,这些数据可以反映出,现在人们对新能源汽车的接受程度已经有所提高,并且对新能源汽车的了解也逐步深入。

结合集团市场调研和第三方机构数据分析,基本上大家关注新能源汽车的问题有八项,涉及到充电不方便、续航里程短、电池更换成本高、残值低、二手车售卖困难等一系列问题。八项问题中,其中充电不方便、续驶里程短两个问题用户关注度已经超过了50%。也就是说新能源汽车虽然在前期有这么大的销量,但是用户对新能源汽车还是有这样一系列的问题,这些问题我们如何解决?如何克服?如何提高客户对新能源汽车的满意度?换电可以很好的解决这些问题。

针对里程焦虑问题:

问题1,换电站类似于加油站,通过换电方式,我们获得类似于加油站的体验,高速上30公里服务区,城市里3~5公里就能有一个换电站,所以换电方式可以有效解决里程焦虑问题。

问题2,充电难。想充电时,充电桩不一定能用,可能是坏的。冬天充电时,充电时间特别长,是夏天充电1倍以上。

然后费用高,残值低。这些可以通过车电分离模式解决。如果新能源汽车把电池方面成本转由电池资产银行持有,对于我们来讲,只买了一个带动力机构的车身,无论新能源汽车的变化有多快,或者无论电池技术发展有多快,对于我们来讲,只是车身的持有者,电池技术的提升对于我们是一个利好,我们可以充分去享受技术进步带来的体验提升。

换电优势:

1.最接近于传统车的使用习惯,补能方式类似于传统汽车去加油站加油,车没电了,到换电站1-2分钟换一块电池。方便、快捷。

2.通过车电分离模式,可以把目前新能源汽车里电池这一块而产生的一系列问题解决掉,并且能够享受到电池新的技术带来的体验上的提升。

3.换电站是集约化的系统设计,可纵向发展。普通充电场站是横向的,多大场地停多少车,但换电系统可以纵向发展,土地集约利用效率高,尤其在寸土寸金的大城市。

4.附加功能比较多,目前做的一个换电站内部有20块电池包,大概合1MWh容量,换电站某种意义上就是储能站,通过双向PCS系统可以把换电站用到储能系统上,比如换电站外面加直流的快充桩,在不用扩容情况下实现即可实现360千瓦的快充。

换电劣势:

1.因为现在换电处在起步阶段,大家电池包一致性或电池包的规格不一样,造成目前换电站兼容性比较差。

2.现阶段因为规模原因,换电成本比较高,用快充模式1.2~1.3元/1度电,如果用换电的话要1.5元左右,现阶段成本高一点。

换电这件事情在国外早就有,2007年以色列Batter Place已经开始做换电了,并且采用雷诺汽车,主要运营位置是在以色列和丹麦,运营效果很好,但因为种种原因,这个项目没有经营下去。

特斯拉2013年也尝试过换电,提出90s换电,并且能够快速进行整个能源系统的补充。

Batter Place和特斯拉为什么没有做下去?总结三点:

1.时间问题。2007年,以色列Batter Place开始做换电,那时候我们对新能源汽车的认识比较少,接受度低。

2.当时电池成本非常高,运营做不下来。

3.体验差。特斯拉90s换电,没有推广下去主要是体验差,充电免费而换电收费。

北汽集团2017年联合了产业链上下游,共同发布了“擎天柱计划”,旨在打造光-储-充-换四位一体的能源服务网络,这次计划发布以后,换电市场进入快速发展期,大家对于换电认识起来了,截止到2020年底,换电站保有量已经超过530座换电站,预计今年换电车型可以达到5.7万辆。也就是说换电系统在随着整个产业发展在逐步向好。

·国内政策支持

发改委、工信部、两会政府工作报告,包含各级政府相关政策也在大力支持换电。

举例来讲,四部委明确在“十四五”规划中提出要大力发展租赁或网约车等公共出行换电方式。地方政府方面,比如北京市已经明确出台对于换电车辆,每台车提供7万多元补贴。在海南,已经明确提出海南岛要做充换电设施一体化建设。在国家整体政策层面,现在国家持积极推进的态度。

·国内车企动态

去年开始,国内车企纷纷做换电,北汽、蔚来、吉利、一汽,还有上汽、广汽等都在做。乘用车企业开始关注换电,并且投入相当人力物力。商用车换电,尤其是今年做重卡换电,是各个主机厂重点考虑的事情,这一块以华菱星马为代表,开始做矿用重卡、物流重卡,这块做得也是风生水起。

国内车企在前期市场发展、国家政策支持和换电技术发展趋向更高层次情况下,大家都开始投换电。

三、换电关键技术

·什么是换电?

我的车没电了,开车到换电站,把空的电池包取下来,把满的电池包装上,就完成了能源的补给。

换电主要方式目前有底盘换电、分箱换电、吊装式换电。

底盘换电和分箱换电主要面对乘用车,如蔚来的底盘换电,东风的分箱换电。吊装式换电主要应用在重卡的情况。

·可靠性

换电方式可靠吗?会不会有什么问题?会不会产生一系列绝缘问题、触电问题,会不会跑着跑着掉下来?实际上换电车型在开发过程中严格按照新能源或整车开发流程去开发的,整个开发过程可控,会做三高试验以及耐久、滥用测试等等。

目前换电关键技术有两点:1.锁止机构,即电池包如何跟车身固定起来,这是我们一个关键技术。2.电连接器,电池包可拆卸,电连接器与车身之间的匹配关系、绝缘关系怎么样。这两点是在车端的关键技术。

锁止机构目前有两大类:1.以蔚来汽车为代表的类螺栓式锁止机构,可以想象成一个螺栓,通过螺栓形式把电池包固定在车身底盘上,这个螺栓可以反复使用的,也是这个技术的核心所在。2.以北汽为代表的卡扣式,这个技术来自于美国军方导弹的吊钩技术。这两种方式有各自的特点,比如类螺栓方式好处是有预紧力,可以通过大扭矩形式把电池包固定在车身上,劣势是螺栓寿命有不足。卡扣方式好处是结构简单、成本低,就是一个开模件,直接卡上就可以了,缺点是动作执行起来相对比较复杂。

·安全性(车端、站端、云端)

车端安全性,主要在锁止机构,锁止机构本身的可靠性很好,并且通过锁止机构到位检测传感器,实时监控锁止状态。通过锁止机构的冗余系统设计,提高安全性。说到冗余设计,三点确定一个面,对于车身来讲,电池包和车身之间有三个点做完整的接触,电池包就不会掉,卡得比较结实,并且具有一定的刚性。实际做换电时,电池包固定吊点通常设计时要固定8~12个,充分做了一定的冗余,换电车型不用担心电池包挂在车上跑着会掉的问题,完全可以放心。

站端安全,主要是消防安全,一个站里有20块电池包,这么大容量电池包万一起火怎么办?消防安全系统要放在第一位。换电执行过程是电池包拆卸的过程,如果换电站在电池包拆卸过程中断电了,怎么办。针对这种情况,站内设置了UPS不间断供电电源系统,即通过这套备用电源系统可以保证当前这一次换电系统肯定是OK的,能换下来的,让用户能够完成换电;另外,在这个站万一发生起火事故,还能够通过备用电源系统、通过防爆系统,通过自动机器人把有问题的电池包推出去,移出到换电站以外,实现物理隔离,就不会引燃整个换电站。

云端安全,通过数据加密系统以及应用程序的安全架构技术来让换电站实现人-车-站-云数据安全的交互,整个过程中的数据是可控、加密的,确保结算系统和用户数据的安全。

从另外一个角度来讲,换电站最关键的是电池,针对电池,提出电池主动安全。如图,起火电池包大概有3/4是在充电过程中发生的事故,对于换电站来讲,电池包在站内充电时,我们可以监控整个电池包的充电过程,让整个电池包充电过程可控,控制当前电池包充电时的温度、电流等一系列数据都可以控制;可以在整个充电过程中监控每一个电芯状态并做分析评估,通过数字孪生技术评估电池的安全性、寿命等技术参数。所有这些动作是在直流充电桩上做不到的事情。通过对换电站里电池包体检、对电池包实时评估监控电池状态,通过主动手段去监控电池状态。

电池被动安全,换电站里有20块电池包,换电过程中电池可能会发生起火风险,一旦发生这种问题怎么办?站内设置了防爆系统,一旦检测到某一个库位电池包发生起火时,通过换电机器人把有问题的电池包移出到仓外,做物理隔离,可以降低整个换电站风险。

换电站发展趋势

·换电即储能

换电站可以等价成是储能站,换电站具备所有储能站的要素,可以实现削峰填谷、调峰调频、储能备电应用。可以通过云端控制系统把整个区域内换电站做统一调度,可以实现战略备电功能,实现绿电交易,平抑峰谷,还可以在不增容情况下实现快充技术。

·无人值守

现在智能制造技术发展比较快,换电站通过全自动化的换电方式实现无人值守,快速实现无人驾驶和无人值守换电站两者之间的自动结合,来实现无人驾驶的自动补能。

·兼容性

现在各个厂家都在做,电池系统没有做到统一,锁止机构没有做到统一,电连接器没有做到统一,当前首要任务是兼容性。我们通过高度兼容的换电系统,实现轴距可调、轮距可调,充分去适应车辆尺寸,然后自动换电机器人去兼容不同类型的锁止机构和电池包,通过集装箱即电池仓的堆叠实现不同厂家电池包的充电,最后做到共享换电。

·标准化

因为当前在换电发展初期,国家以及相关行业、团体都在做相关标准,我统计了大概20多条标准,即通过标准化来进一步规范换电行业,统一换电形式,让换电行业更趋向于规范化。

短期内,先通过锁止机构和电连接器的标准化,电池包可以根据车型需要自主定义,初步实现换电机构的标准化,实现换电站的兼容。

长期看,希望电池包分级标准化,比如A级车对应400公里的车型大致是什么样的规格电池包,C级车600公里要要有什么样的性能规格电池包。类似于加92号油、95号油的基本情况。下一步把电池包做分级标准化。

四、换电商业模式

·资源整合

换电站本身需要大量的电力供应,离不开电网的支持,换电车型的开发需要与车企的通力合作,针对电池整个生命周期的利用又和电池厂商密不可分,因此,换电商业模式的发展需要充分借助电力、电池、车企三个行业的资源。宁德时代、北汽新能源都是我们的股东。

·车电分离

换电方式可以实现真正车-电物理分离,电池由电池资产银行持有,电池资产银行可以通过专业的技术将电池性能发挥到最大化,让电池最安全、更高效,发挥最大的价值。

·电池价值运营商

我们通过云平台对整个换电站电池进行监控,电池不再适合车辆应用时,会对电池做评估、评价。最经济的是整包做储能应用,如果不适合做储能应用时,会拆解成电芯,做小动力,也就是现在两轮车的换电,就可以在整个电池全生命周期里把电池剩余价值做到最大化。

谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,转载请注明来源!)

关键字:换电站

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