电车能量补给模式最优解，充电？换电？

前言

电动汽车能源补给技术即充换电技术及其应用模式对电动汽车发展至关重要。目前电动汽车充换电关键技术迟迟难以突破，与当前主流的传统能源汽车加油或加气技术相比，其获得能源的便捷性远远不能满足人们的需求，而无法像燃油车一样很方便地实现连续行驶，也在一定程度上制约了电动汽车产业的快速发展。

二、电动车充电技术简析

优点，

1. 充电桩造价低，铺设充电站价格低易于实现；个人充电桩可以大面积地普及。截至2022年1月，公共类充电桩117.8万台，环比增加3.1万台，1月保有量同比增长45.2%。其中直流充电桩48.6万台、交流充电桩69.1万台、交直流一体充电桩589台。

2. 充电操作简单，即插即用，常规交流慢充（基础设施要求低）、快速充电、无线充电（不占地上空间无接口，运行安全便捷灵活）等各种充电技术相对成熟。

3. 可以通过不同时段设置不同充电电价，简单轻微调节电网资源。

缺点，

1. 新能源汽车保有量与充电桩数量之间动态平衡很难保持，出门在外无法实现充电自由；全国新能源汽车保有量达603万辆，以公共充电桩与电动车保有量1：6来看，充电桩布局很困难，根本无法保证在用电高峰期满足充电需求。

2. 充电技术有一定弊端，常规交流慢充，电流小充电时间太长；快速充电以大功率或大电流充电30-60分钟仅仅可以行驶200-300公里，快充、超快充对电池要求高，需要电池充放电倍率大，安全性降低，需要在电池设计、电池模组、箱体设计、热管理系统设计、充电方式设计、整车架构和匹配技术等进行优化，以及电网和基础设施上改进；无线充电效率低，距离较短，传输速率低。

3. 电动汽车市场的发展，必然带来电动汽车充换电站和充换电设施的大量普及和使用，充电换电站使用运营必须依靠持续不断的电力供应。个人自主进行充电时，错峰充电意识不强、充电行为灵活、无序、难以把握、充电时间不固定，无法有效进行电能补给控制，会造成电网承载负荷过高，对城市电网以及城市居民用电造成极大损害和安全问题。

技术急待突破点

就目前技术来说，充电技术相对成熟，相应的国标法规也都已健全。而电动汽车电池除了对环境改善所产生的积极作用外，作为巨大的储能和负荷，对电力系统同样有着潜在的巨大影响尤其是随着智能电网的发展，负荷日益增长的需求侧开始对电网运行发挥越来越重要的作用。在传统的电网中，需求侧是被动的电价承受者，没有得到足够的激励去优化自身负荷，进而帮助电网削峰填谷、改善电网整体运行状况。但是智能电网的运行强调需求侧的参与，旨在利用动态电价等激励信号充分挖掘需求侧的调度潜能，帮助维护电网的稳定、经济运行。电动汽车作为智能电网中重要的新负荷，其充电功率远远高于普通家用电器功率，因此规模性的电动汽车充电行为会对电网产生巨大的冲击。区别于其它普通负荷，电动汽车具有两个重要的特征，即负荷／储能二象性与空间移动性。负荷／储能二象性决定了电动汽车可以提供更灵活的时间调度，除了常规充电存在优化改进空间之外，在必要的时候，大规模的电动汽车还可以通过集中管理作为电源向电网馈电，即电动汽车向电网馈电（Vehicle-to-Grid，V2G）技术，因此电动汽车还具备参与电力市场提供辅助服务的潜力。空间移动性赋予了电动汽车独特的负荷空间调度能力，在配电网负荷分布不均匀导致稳定性经济性受到影响时，电动汽车能够接受调度的指令，选择不同区域的充电站进行充电，平衡空间负荷，使电网恢复至稳定经济的运行点上。电动汽车由于其独特的优势不仅能够缓解配电网的运行压力，还可以为电动汽车车主带来可观的效益。电动汽车虽然发展迅速，但目前仍受制于传统充电模式的瓶颈。尽管近年来快速充电技术取得了长足的进步，但电动汽车的充电效率仍远远无法和燃油车的加油效率相提并论。

三电动车换电技术简析

优点

1. 换电时间短，该种方案使得电动汽车能源补给时间大大缩短，几乎与燃油汽车加油时间相同，甚至更短。

2. 整车采取车电分离的策略，电动汽车售价更低，可以更快地发展汽车行业从“油”到“电”的过渡。

3. 换电模式的充电工作由专业人员统一进行，可以有效安排充电时间和充电电池数量，合理安排充电工作，电动汽车普及越广越能缓解城市用电压力。

4. 由工作人员管理进行适宜的充电策略，可以有效的提高电池使用寿命；当电池包出现问题时候，工作人员可以快速发现，及时处理，降低电池寿命衰减速率（可及时发现电池组中电池单体的问题，对于电池的维护工作更具有积极意义可大大降低电池组的放电深度，一定程度上提高了电池包寿命）。

缺点，

1. 前期投入成本太大，除了每辆电动汽车的电池外，换电站需要储备额外电池，大大增加了换电站的投资建设程。

2. 电池在更换过程中的频繁插拔会导致额外的机械磨损，加速电池性能的衰退。

3. 换电模式依赖电池的标准化，然而这在目前电动汽车发展的初级阶段并不现实。电池仍然是电动汽车发展的瓶颈，因此电池技术是各大车企竞争的核心技术，车企希望依靠电池技术占据早期市场，不会轻易共享资源，最早的换电方案公司betterplace失败的主要原因亦为此。

4. 换电模式同样需要高效盈利的商业模式，因为在换电模式下电池的所有权摸糊，谁拥有和维护电池、谁为电池的损耗成本买单都是很难界定的问题。即使在电池租赁的模式下，租赁服务商依然面临着如何运营收回高昂的电池成本进而实现盈利等困难。

技术难点

换电技术主要从以下角度进行分析，

 一、二从整车角度，车辆车体和电池包及其附件在形状轮廓、物理结构、大小尺寸上的通用匹配，这是实现换电的基本条件，目前不同整车厂，车辆电器架构及其底盘布置的区别，电池包选择了不同形状和大小，不同的电池包决定了其搭载方案的差异，不同大小形状的电池包对换电站来说增加了换电站建设成本，安装过程中还要充分考虑到换电过程中的车辆端安装机构（下图左为采用螺纹安装换电机构的蔚来汽车，下右图为采用滑块安装环结构的北汽汽车），要保证锁止牢固（保证快速锁止且紧固）。

二是换电连接器是换电电池系统的重要部件，主要实现整车与电池包之间电气快速连接分离的专用连接器。根据整车开发及实际的换电运行要求，连接器需要满足一些电气、机械、环境等技术要求，1）连接器可以实现电池系统与整车之间的电气与通讯连接，实现其快速接合和分离，即动力电池系统与电动汽车之间的高、低压信号快速、有序的接合与分离。2）连接器必须具有满足电池系统快速更换的导向、定位和限位机构，使得电池系统更换时能自动修正连接器插头与插座之间的位置偏差，从而确保连接器插头和插座可以准确对接。3）为了节省空间，连接器高低压要求采用一体化设计，高低压电气连接采用平面电连接技术。高低压电连接端子的接触阻抗和电气性能在规定的换电次数内不允许出现突变和性能衰减并通过检测装置进行实时监控。4）连接器的插头与插座之间可以根据整车振动实现结构随动，即连接器可以在 X、Y、Z 三个方向实现浮动和位置纠错，从而保证连接器高低压电气连接的安全可靠。5）为了实现不同车辆之间电池系统的更换，快换电池连接器必须设计有标准统一的高低压电气接口，强电与弱电触头必须隔离并预留接地与高压互锁功能。6）快换电池连接器可以兼容不同车辆之间的电池系统结构互换并且电气性能、使用寿命及相关匹配的可靠性能不会出现任何降低或异常。

三、四从换电站分析，三是换电站本身的设计，可以分为电池租售（需设置一定ID，识别电池优良、防止不及格电池流通）、自动定位/更换（需明确车辆位置，计算机器人动作行程以较快方式进行电池更换）、V2G技术（将换电站并入电网，配合电网调度，防止对电网造成冲击，对电网“削峰填谷”。）、电池配送/供电（迎接车携带多个电池解决电动车抛锚问题）、换电站选址（使得车辆能够在活动区域内有效的抵达并进行换电）以及新能源供电技术。

四是换电算法方面，换电站可有效利用电网负荷低谷时段对标准电池箱进行集中有序充电，对电网负荷起到良好的移峰填谷作用；另一方面负荷低谷时电价便宜，也可以降低充电成本，提高车辆运行的经济性。以粒子群算法为例的换电算法进行说明，

a. 输入约束条件、初始条件和算法基本参数，设置粒子位置并初始化例子的位置和速度；次日的初始时刻电池容量作为初始条件，粒子群规模30，粒子最大速度0.15，惯性权重[0.4,0.9],加速常数C1=C2=1.744。

b. 根据约束条件修改粒子位置，约束条件为换电站某时段容量上、下限，以及最小、最大充电功率。

c. 计算粒子群的适应度（目标函数值，换电站次日某时段充电功率P），记录粒子个体最好位置和群体最好位置。

d. 根据公式和更新粒子速度和位置；

e. 判断例子位置是否超过约束条件，超过则从b再次开始。

f. 计算粒子群适应度，更新记录粒子最优位置和群体最优位置。

g. 是否达到设置循环次数，是停止，否返回d。

根据换电站运行历史数据或换电车流密度统计，计算次日各时段站内电池总容量的上限和下限以及各时段充电功率的上下限，将所述次日各时段站内电池总容量的上限和下限、各时段充电功率的上下限、次日初始时刻电池容量上报至电动汽车换电站充电调度系统，并按照电动汽车换电站充电调度系统下发的充电功率指令安排站内电池充电。电动汽车换电站充电调度系统，用于接收来自电网调度部门的次日负荷预测曲线，以及来自所述电动汽车换电站管理系统的次日换电站各时段站内电池总容量的上限和下限、各时段充电功率的上下限以及次日初始时刻电池容量，计算次日各个换电站各时段的充电功率，并向所述电动汽车换电站管理系统下发各时段的充电功率指令。

四总结

随着电动汽车保有量的快速增长，电动汽车电池的充电负荷将会给配电网带来巨大的冲击，探讨在短期内电网输配电设备改造扩容受限的情况下，如何从电动汽车的速度提高系统效率，使得电动汽车的充换电需求得到满足，进而促进电动汽车的普及是非常有必要的。除此之外，电动汽车的配套充换电设施建设在速度上同样无法匹配电动汽车的激增，导致部分地区充换电设施相对匮乏，即使在其它地区设施充足，也经常由于区域、容量规划不当等问题造成充换电设施利用率低下。电动汽车“充换电困难”的问题（电动汽车需要充换电时无法找到立即可用的充换电设施，导致额外的等待时间）严重制约了电动汽车的推广，如何统筹协调电动汽车更加合理利用充换电设施从而在当前资源受限的情况下实现系统运行的优化同样也是急需解决的重要问题，电动车汽车持续突破发展，需要的绝不仅仅只是技术的突破。