物联网双标准电池纯电换电汽车及未来展望

刘宏华 宋煜 陈宏远 郑皓

1.中国电信股份有限公司沈阳分公司 辽宁省沈阳市 110020 2.宁波爱信诺航天信息有限公司 浙江省宁波市 315040

1 引言

受益于国家政策支持和技术进步，近年来我国新能源汽车产业持续快速发展。2022年新能源汽车保有量达1310 万辆，同比增长67.13%，呈高速增长态势，占汽车总量的4.10%；全国新注册登记新能源汽车535万辆，占新注册登记汽车总量的23.05%，同比增加240 万辆，增长81.48%。新注册登记新能源汽车数量从2018 年的107 万辆到2022 年的535 万辆，呈高速增长态势。

随着纯电动新能源汽车的增多，一些问题也体现出来。普遍存在充电时间长，无法有效保证长途出行；充电过程以及充电桩本身安全问题频出；电池长时间使用以及低温情况续航能力下降等。上述问题一定程度上限制了电动新能源汽车的发展，并可能随着电动新能源汽车保有量逐渐放大化，进而影响纯电动汽车规模发展。

本文结合500 余份有效调查问卷梳理现有纯电动新能源汽车的运营问题，提出双标准电池纯电换电汽车模型，以此匹配具备可实施的运营模型，并对该模型未来发展进行展望。

2 电动新能源运营现状

2.1 充电时间

从纯电动汽车厂家公开数据，主流型号充电时间主要集中在0.5 小时-10 小时之间，快充普遍存在牺牲电池寿命情况，厂家普遍建议采用慢充方式，补充电能的时间较成熟运营的燃油车加油时间稍长。充电时间过长，也导致目前纯电动汽车主要以家庭充电为主，公用充电桩为辅助充电模式，客观无法形成有效社会运营机制，见表1。

表1

调查问卷显示，因充电式纯电动汽车无法长途旅行、充电慢等因素限制购买的分别占78.46%、46.92%，其中无法长途旅行因素同样隐含的原因为充电慢、充电实施不足等原因，充电慢和充电不方便是限制现有充电模式电动车发展的主要原因。另一方面，虽然油电混动汽车可以解决上述问题，但是被访用户普遍认为两套动力系统导致故障率高、整车性价比低等限制用户购买欲望的分别占59.23%、37.69%；同时混动汽车并未彻底解决汽车更新换代问题，仅是增加了一套电动驱动系统。

2.2 续航能力

纯电动汽车续航能力除决定于汽车本身的电池容量、电池性能，还因为个人驾驶习惯、工况、充放电次数、充放电深度、天气等因素影响，即使新车正常情况下测试的续航能力与厂家标准的标准情况下的续航能力也是存在一定的差异。所以，会出现纯电动汽车使用一段时间后，续航能力表现的参差不齐，见图1。

图1 2020年度EV汽车续航偏差率评测榜

调查问卷显示，长期使用电池性能下降、低温电池快速折损性能等导致用户不希望购置电动汽车的比例达到66.15%、61.54%。电池的续航能力差异除个性化驾驶条件和习惯原因之外，主要原因是电池的性能折损导致，也是限制用户购置电动汽车的一个主要原因。

2.3 安全风险

2021 年全年新能源汽车火灾共发生约3000 余起，新能源车的火灾风险总体高于传统汽车。2022 年上半年媒体报道的电动汽车自燃情况中，在已查明原因的事故中，从起火汽车所处状态来看，35%处于充电状态，40%处于行驶状态，25%处于静止状态。

其次，充电桩本身也是安全隐患的主要来源，充电桩本身产品质量不合格，同时大电流、高电压输出，接地不规范，防水、防锈、密封性能不好等，很可能导致各种事故发生，尤其洪涝灾害发生时，危险系数更高。

从调查问卷结果表明，担心电动汽车充电安全的比例达到31.54%。

2.4 纯电动汽车现状总结

结合上述分析以及调查问卷结果，大约90.77%的被访者因觉得燃油价格较贵，但充电式纯电动汽车无法长途旅行、长期使用电池性能下降、低温电池性能折损多、充电慢，混动汽车性价比低等因素极大地限制购买欲望实施。

纯电动汽车急需找到改变现有短板，适合大规模商业运营的模式，推动产业快速发展，减少碳排放，实现汽车产业更新换代。

3 双标准电池换电汽车模型设计

3.1 换电模式

解决充电慢的过程，主要从补充能源速度角度分析解决，目前较多车企研究方向为快充技术，但是依然存在如下问题无法解决，一是快充技术大多是以损害电池性能和寿命前提下实现快速充电；二是少量汽车快充好解决，但大量汽车同时充电的时候，电网调度以及大充电电流和输电电缆等问题无法有效解决，且安全风险更是急速上升；三是只要电池长期在车身上，电池使用中导致的安全风险会长期积累，汽车在行驶过程中出现因电池问题导致的事故概率直线上升。而保证换电速度足够快的换电模式是可以解决上述问题。

3.2 电池标准化

图2 双标准电池换电汽车模型俯视图

电池标准化是保证换电速度足够快的基础条件。为保证电池的通用性，适配所有品牌汽车使用，需对电池外型、尺寸、电气接口、数据传输等进行标准化约定，适合插拔式安装。

电池外型、尺寸、电气接口、数据传输等进行标准化后，应保证长期不变，以保证存量车辆以及汽车生产厂家长期使用，可变的是随技术发展，内部储能介质更新换代，可一定时期内形成有不同容量的电池运营，在电池运营过程可根据电池容量作为每次换电不同收费依据之一。

3.3 双标准电池

单电池纯电动汽车在使用过程中，因离换电站距离以及其他不可控因素等，导致换电时残存电量不统一，可能导致途中抛锚现象发生。双标准电池模型可以保证一块电池放电达到放电要求后，切换到另外一块电池，用户再择机到附近换电站换电池。同时，为提高运营和管理效率，两块电池同规格型号，是最合适的商业模式。

3.4 换电配套设施标准化

换电设备生产企业，按照电池标准和汽车标准，生产具备自动化、机械化的换电设备，使得每块电池换电时间等于或者优于目前标准加油时间，一般以5 分钟内为宜。

3.5 电池物联网监测标准化

电池应具备物联网以及一定的智能处理能力，通过标准的数据规范向汽车以及电池厂家传递信息，并随时通知驾驶员以及电池运营厂家跟踪电池性能、远程维护和管理等。结合网络技术演进，利用5G 广链接、高带宽、低时延特点，可采用5G 定制网辅助4G 和IOT 等多种物联网传输技术，并通过加密算法，保证数据传输效率、可用性和安全性。

除传递电池实时电量信息，供电电池内应在电池达到最深放电标准，电池应具备向汽车传送电量使用完成信息。汽车应具备在收到电池传递电量放电达标的信息后，切换电源到另外一块电池。

4 双电换电汽车运营模型设计

4.1 产业标准化生产

在上述双电换电汽车的以电池标准为基础的标准体系内，电动汽车厂家、电池厂家、充电架设备、换电设备厂家均按照标准化要求进行生产，使得社会内流通汽车电池可以互相交叉更换。汽车除换电外，不应具备其他充电接口。

4.2 车电分离运营

当相关产业产品都成为标准之后，汽车厂家将不再提供电池和电池换电服务，用户购买汽车后，向专有的电池运营服务商缴纳电池租用费用后，即可在该服务商设置的换电站进行换电，电池租金可以在一定程度上降低电池服务商现金压力。驾驶员每次到换电站更换电池，按照充满电池容量缴纳费用，费用收取模型可参考电价、电池损耗、换电站建设、运营成本等综合考虑。

电池运营企业将汽车换下的电池上架充电，并采用信息化手段，对电池性能进行检测，对可修复的损伤进行修复，对不符合流通的电池实施退出服务行列。这样可以保证电池安全性和稳定性，也可以保证服务的标准化、模式化。

5 双电换电汽车未来展望

5.1 汽车厂家

汽车厂家按照标准化电池要求，生产各种型号汽车，汽车企业将重点精力投入在驾驶舒适、辅助驾驶、驾驶安全、电机性能、车联网等方面，迅速提升汽车驾驶感知和信息化水平。

5.2 电池厂家

重点在电池外型和接口的标准化模式下，研究电池储能、充放次数、电池安全、不同工况下性能提升等。

5.3 电池运营服务商

提供标准化换电服务，实施全国连锁，实现换电站数量与现有加油站数量可比，支持异地换电，不同服务商间无差别换电等。

5.4 电力企业

根据换电站建设情况，扩容增容和调配电网，并与电池运营企业配合，研究推进储能业务推进，尤其是利用夜间电网重点给电池充电等。

5.5 汽车用户

汽车用户购买汽车后，租赁电池使用权，然后每次换电后按照更换电池储能交付电费，在汽车进行二次销售和报废前归还电池，收回电池租赁费用，换电服务商可按累计使用时间收取电池折旧费用。

5.6 运营展望

通过问卷反馈，在仅有燃油汽车和本文所述双电换电汽车的情况下，56.15%的用户会主动选择双电换电汽车，远高于目前燃油汽车和充电汽车情况下的选择充电汽车比例。如果在换电站建设量足够情况下，全面取消燃油汽车销售，可以预见双电换电汽车可以有效取代现有汽车，实现更新换代。

6 结语

通过本文的分析，双标准电池换电汽车可以有效解决目前电动汽车发展中遇到的问题，建议国家相关主管部门，快速组织双电换电汽车的电池国家标准制定工作，组织标准化的换电站建设，随着车辆投放市场和换电站建设，取消充电汽车和燃油汽车的市场投放并陆续限制和拆除充电桩设备，即可全面实现汽车更新换代，减少碳排放，实现碳达峰和碳中和要求。