电动汽车整车充电模式与集中充电+换电模式的比较

戴嘉昶

（苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

电动汽车整车充电模式与集中充电+换电模式的比较

戴嘉昶

（苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

对国内电动汽车发展期内整车充电模式与集中充电+换电模式进行比较，分别从用户使用、电池维护、车辆运行、电网影响、商业运营、站点建设7个角度进行研究分析，提出在现有条件下，电动汽车的电能供应方式宜以集中充电+换电模式为佳。

电动汽车；充电模式；整车充电模式；集中充电+换电模式

电动汽车以电代油，具有节能、环保的优势，已在全世界得到共识并开始逐渐推广应用，国家及各级政府给予大力扶植，如：购买电动汽车国家有补贴；北京购买电动汽车上车牌不用摇号；上海购买电动汽车免费上车牌等。电动汽车续驶里程较短、电池更换成本高、充电不方便是电动汽车发展不快的根本原因。近年来各大城市普遍发生的雾霾天气引起了公众对电动汽车的更多关注。就目前的发展情况来看，我国的电动汽车产业尚处于起步阶段，各电动汽车厂家对电动汽车的各种技术方向也在进行探索。本文就电动汽车的充电模式提出一些探讨意见。

目前，国内的电动汽车充换电设施主要分为2种模式：一是整车充电模式，该模式包括为具有车载充电机的电动汽车提供电能的慢充方式和为非车载充电机电动汽车提供电能的快充方式；二是集中充电+换电模式，采用直接更换已充好电的电池组方式为电动汽车进行能源补给，适用于各种车型。

在电动汽车充换电设施发展前期，国内充换电设施建设主要以整车充电设施为主，在使用过程中充电设施逐渐暴露出充电时间过长、占地面积大、不利于资产保护等一系列问题，诸多问题也直接导致了电动汽车充换电设施由整车充电模式向集中充电+换电模式的转变。下面就电动汽车整车充电模式和集中充电+换电模式的特点加以比较说明。

1 整车充电模式与集中充电+换电模式比较

1.1 整车充电模式

据统计，对于用户来说，购买电动汽车最担心的是电动汽车漫长的充电时间和较短的续驶里程问题。

整车充电模式中的交流慢充又叫做常规充电（普通充电）。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5～8 h，甚至长达10～20 h。因此，这种充电模式通常用于设计续驶里程尽可能长的电动汽车，需满足车辆一天运营需要，将汽车作为城市上下班代步车的，可利用下班时之后充电，运营车辆则可在晚间停运时间充电。对于长途旅行者一般不会考虑使用电动汽车。常规充电模式的主要缺点是充电时间过长，车辆一旦有紧急运行需求时难以满足。

整车充电模式中的直流快充主要是解决交流慢充充电时间长的问题，又称应急充电。直流快充是以较大电流在较短时间内为电动汽车提供充电服务，一般设计充电电流为150～400 A。但是，由于目前电动汽车绝大多数使用的是锂电池，而锂元素是活跃的金属元素，快充电易使锂元素太过活跃，从而使电池中的电解液发生沉淀，产生气泡，也就是平常人们所看到的电池身上凸起的“小包”，容易发热，严重的会导致电池爆炸，因此，对锂电池充电电流不宜过大。目前市面上各大厂商宣传的其电动汽车快速充电时间可缩短到在10 min左右，以目前技术来看并不不成熟。以国内已投入运营的成都石羊充电站为例，该站的充电机设计参数为680 V/400 A，功率达到200 kW,但是在实际运营中，电动公交车仅能承受80 A左右的充电电流，整车充电时间需要4 h以上。与汽油汽车加油整个流程为5～8 min相比，电动汽车充电站如果无法提供15 min以内的快充服务，基本就失去了其社会基础设施的功能性。

1.2 集中充电+换电模式

集中充电+换电模式则通过直接更换电动汽车的电池组达到为其补充电能的目的，可实现电能迅速补给，同时便于电池维护和延长寿命。目前在电池更换方面，普通车的电池组可以在5 min内完成更换，电动公交车也仅仅需要8 min，更换时间基本与传统汽车的加油时间持平，更易于电动公交车的运营。对用户来说根本上解决了充电时间过长的难题，因此也可以适用于长途旅行者。另外，电池由专业电池租赁公司购买，消费者只需要交纳租赁价费，降低了运行成本。

2 电池维护

如果采用整车充电模式，特别是整车直流快速充电模式，电动汽车电池寿命将大打折扣。锂离子电池生产厂家提供的数据表明：单体磷酸铁锂电池的循环寿命可以达到5 000次以上，按照2 000次来设定出厂标准是完全可以实现的。而超过100个单体成组后的电池模块，在人工维护的情况下，寿命只能达到1 500次，如果每次充电可以行驶200 km，电池的里程寿命就可以达到30万km。这对于电动汽车的用户来说是完全能够接受的。但是，如果没有人工维护，采取盲充方式补给电能，电池组的循环寿命将急剧下降到200次左右，甚至会出现几十次充电就损坏的情况。这对电动汽车来说是致命的。因此，国内外的汽车制造厂家都试图从电池质量和电池管理入手，解决电池组的寿命问题。但是，提高电池的出厂质量和一致性并不能从根本上延长电池寿命，因为出厂质量和一致性再好的电池都会在使用和充电过程中出现随机性个体差异，最终导致电池组提前损坏。而电池管理系统如果细化到对每一单体电池进行监测和控制，其造价将与电池相差无几，这就意味着本来就很昂贵的电池又增加了一倍的成本。而且高性能的电池管理系统本身要消耗15%～20%的能量，这就意味着电池里程寿命已经损失了20%了。除此之外，即使是安装了高性能的电池管理系统，也不可能将电池寿命提高到理想的千次以上。丰田普锐斯不超过3年10万km的电池寿命就是最好的例证。因此可以说，虽然通过提高电池质量和优化电池管理可以有限提高电池组的寿命，但想通过这个途径使电动汽车在综合成本上具有对燃油汽车的竞争优势，是根本不可能的，这条技术路线必须永远依赖政府补贴。

相对而言，采用集中充电+换电模式，因有专业人员对电动汽车的电池采用小电流的恒流充电和进行管理，可以及时发现电池组中个别有缺陷的单电池并予以更换，每次充电时可以将电池的容量充足，对于电池的维护工作具有积极意义，也可以延长电池的寿命，降低运行成本，将有利于普及和推广电动汽车。

3 车辆运营

采用整车充电模式的出租车、公交车，无法保证车辆班次。以目前公交企业单车日均行驶300 km计算，并考虑当前纯电动公交车充电后最大行驶距离，则车辆每行驶百千米后必须进行充电并且充电时间至少在3 h以上，公交企业必须配置比原燃油车辆数量多1～2倍的电动车辆才能保证车辆班次，并且使用整车充电模式的车辆在电池一旦发生危险情况时，无法将电池隔离，从而可能对整辆汽车造成重大伤害，严重时可使整辆车燃烧乃至报废。

采用集中充电+电池更换模式的电动汽车，在换电站内仅进行更换电池后即可投入下一班次的运营，所需时间与加油时间差别不大，无需增加车辆即可保证运力，并且在车辆发生紧急情况时，可以将电池手动抽出，起到隔离危险源、保护整车的作用。从经济角度来讲，对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行经济性，这一点也是整车充电模式无法比拟的。

4 对电网的影响

一旦电动汽车的拥有量达到一定规模，如果所有的电动汽车都在下班后的同一时间充电或进行快速充电，就会产生较大的谐波，对城市公用电网及其他用户造成影响。随着电动汽车保有量的增加，大量的电动汽车充电将带来用电负荷的快速增长，会给用电负荷峰谷差日益加大的电力系统再次增加巨大的供电压力。在电动汽车无序充电的情况下，大量电动汽车充电还会加重局部电网的电压降过大、配电变压器及用电设备利用率不高、支路容量不匹配等一系列问题。从电网吸收能量将增加电网负荷需求，需要提高电网备用容量。

集中充电+换电模式中，电力供配经过合理的规划，完全不会产生上述问题，利用晚上用电低谷阶段均衡地从电网吸收存储能量，实现填谷功能及提高供电、用电设备的利用率。

5 商业运营

电池的充、放电过程是电化学反应，对电池的冲击要比机械磨损具有更大的离散性。机械磨损在不同个体间的差异非常小，作为燃油汽车核心部件的发动机可以很容易实现绝大部分个体30万km以上的使用寿命。而电动汽车的动力电池则不然，即便是平均使用寿命达到了30万km，也仍然无法实现商业化操作，因为同型号电池可能因盲充导致存在个体差异，差异率最大可达到30%。大量使用存在个体差异电池的车辆，将使电动汽车企业无法应对社会舆论，并会产生对应的车辆索赔，这是企业无法承担的。

相比之下，集中充电+换电模式下电池运营商将电池在集中充电站内循环使用、有序充电并及时检测电池，为车主提供服务，除了补充电能、提高电池寿命之外，无形之中带来了第三个功能：能保证车辆所使用电池的平均寿命达标，相比不能换电车型，更容易实现商业化。目前，很多地方为了实现充电汽车的运营服务，购置了超过实际运营一倍以上的车辆。例如：湖北襄阳603路电动公交车，原本线路只需要10辆公交车，由于充电时间为3 h左右，所以该地购买了20辆电动公交车，10辆上路运营，10辆在充电站充电，电量快耗尽时，运营车辆和充电车辆进行交换。对公交公司来说，这种情况无疑大大增加了运营成本。而采用集中充电换电模式，完全可以避免上述采用整车充电模式时所发生的弊端，车辆电池可以即换即走，无需考虑增加车辆以保证运力。

6 站点建设

电动汽车整车充电设施有3种：一是建设充电站；二是可在城市小区和停车位设立刷卡式充电桩；三是在车主自己的车库内用一般的插座充电。车主自行充电虽然电流不大（15 A）,但充电时间较长，而且大多数车主没有独立车库，因此不可能成为电动汽车的主流充电方式。

为实现电动汽车的正常行驶，必须在城市开展充电站（桩）的布点建设，实现电动汽车充电网络的全覆盖。但是当前各地的城市发展、建筑密度都无法满足电动汽车对充电站（桩）的需求，主城区无法划出土地进行大规模的充电站的建设，城市建筑结构以高楼为主，地面、地下停车场面积、数量有限，难以加装较多的充电桩，这样必然带来“有车充不上电”的情况。

集中充电+换电模式很好地解决了这个问题。另外，集中充电+换电模式可以采用“集中充电+统一配送”的建设模式，即在郊区建设集中充电站，用来对电池进行集中充电和配送，而在城市中心的必要地区建设一定数量的换电站，仅用于电池更换，这样，可以将主城区换电站对土地面积的要求进一步缩小，而这一点是整车充电模式无法做到的。

7 投资规模

整车充电模式的充电站仅提供车辆整车充电，只需建设充电桩及配套设施，相对“集中充电+换电站”建设模式而言，技术要求较低，每个站的投资较少，但对于车辆停放充电的场所面积要求很大，并需较多工作人员进行运行维护。

集中充电+换电模式中换电站主要以电池更换为主，场所面积小，站内可配置换电机器人，因换电工作主要在换电工位内进行，故工作人员配置不需太多，但技能水平要求高。集中充电站需配置电池充电架、电池管理系统，自动化技术要求高，投资大，要有专业人员运营和管理。

集中充电站数量少，配以一定数量的换电站，总体投资规模要小于整车充电模式。

8 结束语

从以上7个方面的分析可以清楚地看到，集中充电+换电模式相对于整车充电模式具有较大的优势。在最近召开的相关国际组织会议中，世界各主要工业国也确定了参与换电站的相关工作，这也说明了集中充电+换电模式正在被世界各国广泛接受，但集中充电+换电模式的推广必须在以下几个方面形成共识：

电动汽车的设计及电池配置需标准化，以利于电池统一充电及适用多种型号车辆的更换。

电动汽车的电池接插部件需安全、易于装拆，以利于电池安全稳定运行（接头部分不发生温度异常）及便于电池快速更换。

换电费用可考虑按车辆里程计费，即以2次换电间隔内车辆行驶里程数计费，免得因电池质量问题、电池没有充足或换下的电池尚有部分余量等而产生纠纷。

建立统一的服务网络，车主可租用电池，以利于实时掌握车辆、电池的情况及电池的全寿命管理。

在当前电池技术条件下，为推动电动汽车发展，应优先考虑城市公交系统及出租车公司车辆的推广，其电能供给方式采用集中充电+换电模式为优的技术路线。随着电动汽车的普及，未来电池技术成熟后，可以采用整车充电和集中充电+换电2种模式并重。

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［1］崔玉峰，杨晴，张林山，等.国内外电动汽车发展现状及充电技术研究［J］.云南电力技术，2010,38（4）：9-12.

［2］鲍健强,苗阳,陈锋.低碳经济：人类经济发展方式的新变革［J］.中国工业经济，2008（4）：153-160.

［3］陈清泉,孙立清.电动汽车的现状和发展趋势［J］.科技导报，2005，23（4）：25-28.

［4］宋慧,胡骅.电动汽车的现状及发展［J］.汽车电器,2000（1）：51-55.

［5］王宇宁,姚磊,王艳丽.国外电动汽车的发展战略［J］.汽车工业研究,2005（9）：35-40.

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

（

徐文红）