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报告丨我国新能源汽车产业充换电模式的比较分析

2019-06-04 09:57:42      转载     来源: 中国充电联盟    

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       自2008年起,我国就已经开始在纯电动客车领域开展换电模式的推广,但受限当时政策环境、技术水平、成本因素和市场规模,换电模式并没有大规模推广。随着换电技术进步、换电站建设成本降低、换电标准不断完善,以北汽新能源、蔚来汽车、力帆等为代表的企业开始加大换电模式的研究和推广,在同一品牌、少数车型、特定应用场景情况下,换电模式可作为充电模式的补充,也可能成为后补贴时代推动我国新能源汽车产业发展的创新商业模式之一。

       但受限于跨品牌、多车型、电压平台等的通用性,以及换电站建设、运营成本相比充电站高,产权结构复杂,迄今尚未有可盈利的商业模式。

       另外,电池包高压接口频繁插接存在能量损耗,特别是采用液冷系统的电池包对换电结构是个巨大的考验,频繁插拔,势必会带来极大的安全隐患。换电模式对电池系统的耐久性、安全性影响一直是主要汽车企业关注的重点,需要进一步验证。

       一、换电模式发展情况

       1、国外发展情况

       在国外,丹麦、以色列、澳大利亚和加拿大等国率先推广使用换电模式,其中最具代表性的是总部设在美国加州的Better Place公司。该公司在首先与以色列政府合作,投资6亿美金在以色列建成了38个换电站和少量充电桩。公司相继与丹麦、澳大利亚、加拿大、日本等国合作,大力推行旗下的换电网络服务项目。但在2013年5月,在巨额的建站成本和极低回报率的情况下,Better Place公司宣布破产,其相应的换电业务也宣告终止。

       2014年,美国电动车制造商特斯拉总裁埃隆·马斯克在其公司的设计室演示了其耗时仅90秒的换电技术,但仅在其第一款车型“Models”的设计中既支持插充也支持换电的模式,其后续车型并没有换电模式的设计。

       截至目前,世界主要汽车制造商基本没有采用换电模式,插充仍是主流。

       2、国内发展情况

       国内新能源汽车从2009年起步建设充换电基础设施,国网、普天新能源、南方电网在建设充电站的同时,也建设了少数换电站作为应用尝试。其中,国网更是确定了智能充换电运营模式的基本思路,提出了“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送”的建设模式。普天新能源同国家电网公司一样,经历了从“整车销售、电池租赁、充换兼容、智能管理、刷卡消费”到“整车租赁、智能管理、刷卡消费”的演化。换电模式受到电池标准化困难、投资高昂、车企意见不统一等原因且换电站投资巨大,最终国家电网、普天新能源和南方电网皆放弃换电模式。

       目前,国内新能源汽车中电动汽车的能源供给方式主要以充电桩充电模式为主,截至2019年3月,国内充电桩的数量已达92万个,车桩配比为3.4:1,较2015年5万个桩服务50万辆新能源汽车的情况有了极大的改变。

       截至目前,北汽新能源已投放了超过12,000余辆换电出租车并累计建站139座,其中在北京市配套建成换电站100座,已运营换电站34座。蔚来汽车已销售超过15000辆充换电兼容的乘用车并累计在全国城市及高速建成并投入运营120余座换电站。力帆盼达已投放约6000辆分时租赁车并建成30余座能源站(含集中式能源站、分布式能源站)。

       汲取了Better Place公司和美国特斯拉的经验教训,国内换电模式出现了一些新的迹象。首先在出租车、网约车等专用运营车辆领域开展了商业化探索,后向营运型车辆扩展,并有可能推向个人用车。

       3、换电的实现形式

       国内采用换电模式的主要有四家企业:北汽新能源,蔚来汽车、重庆力帆、浙江时空电动。北汽和蔚来的换电模式是底盘换电,北汽主要应用在出租车上、蔚来主要面向私人乘用车;时空是侧方换电,主要运用在网约车、出租车、物流车上;力帆采用的分箱换电模式,主要用在分时租赁车上。

北汽出租车-底盘换电

蔚来私人乘用车-底盘换电

时空电动分时租赁-侧方换电

力帆盼达分时租赁-分箱换电

             4、换电形式对比

       二、早期换电模式失败原因分析

       早期,以色列新能源汽车公司Better Place、美国新能源汽车公司Tesla、中国国家电网、普天新能源、南方电网等企业均尝试过换电模式,但都以失败告终,主要原因是前期一次性投入大和技术标准不完善。

       第一,前期建站投入大。换电站建设投入一次性成本较大,包括场地需求、车辆技术改造、电池储备、换电设施建设、能源站建设等,成本远远高于充电桩建设。企业需要投入巨额资金,而且当时新能源汽车产销规模小,大多数换电站利用率不高,投资回报周期太长,导致换电模式最终失败。

       第二,技术标准不完善。换电模式技术标准涉及车辆的制造路线、电池制造技术、标准化建设、能源补给网络建设、国家智能电网建设、城市规划、车辆准入标准修改等一系列问题。各车企均有不同的设计理念,技术标准不同,车的规格不同,电池位置和规格尺寸千差万别,换电站难以兼容多种车型及跨品牌车辆。

       三、换电模式应用领域分析

       换电模式目前主要应用于公交车、出租车、物流车、分时租赁等营运车辆领域。北汽新能源等企业正积极探索私人领域的可行性,蔚来汽车的换电车辆则主要应用于私人领域。

       第一,目前主要应用于营运车辆领域。目前换电模式主要适用于公交车、出租车、物流车、分时租赁等营运车辆领域。一是公交车、出租车、物流车、分时租赁等营运车辆是定制车型,品牌相对集中、电池规格相对一致、标准化程度较高,对动力电池寿命和维护要求高,符合换电模式技术要求。二是运营车辆对运营效率要求很高,普通充电导致运营效率低下,换电企业通过构建能源服务网络,大幅提高运营车辆效率,易形成可持续发展的商业模式。

       第二,私家车领域的应用可能成为新趋势。换电模式的目标群体主要是对车辆运营效率和使用寿命要求较高的营运类客户,以及家里无停车位无法自建充电桩的私人用户。为了给消费者提供更加舒适的用车体验,部分企业如蔚来汽车、北汽新能源等都开始将换电模式推广至私人领域。主要满足三类客户,一是在一线和二线城市无专属停车位,充电不方便的消费者,二是有专属停车位,但所在的小区充电桩建设协调难度大,无法安装专属充电桩的消费者;三是认同和希望体验换电模式的消费者。

       四、换电模式的优势和不足

       1、换电模式的优势

       一是快速补充能源,解决里程和充电焦虑。换电模式能够提供像燃油车加油一样便利、快捷的换电服务,可以5分钟快速换电,大幅减少充电时间,和燃油车类似的使用体验,解决消费者“里程焦虑”、“充电等待焦虑”等问题。

       二是在方便换电的情况下可以减少电池的搭载量,既能解决里程焦虑问题也可以降低车重,提高整车能效。

       三是降低购买成本。消费者在购买新能源汽车的时候,可以采取只买裸车或将动力电池回售给换电运营商的方式,从而降低购车成本,促进新能源汽车的规模化应用。

       四是调节电网峰谷差,减少对电网冲击和实现能源互联网。服务同样数量的车,换电模式的充电功率只有充电模式的四分之一到二分之一,减小电网负荷,而且换电模式可以利用谷电为动力电池充电,避开峰时充电,减少对电网的冲击,容易和电网融合。

       五是实现电池闭环管理,防止废旧电池污染环境。换电模式通过电池集中管理、梯次利用、回收利用等运营方式,能够实现闭环状态下的可持续盈利,同时有利于电池回收,减少了电池报废污染环境的隐患,实现电池效益最大化。

       2、换电模式的不足

       一是建站成本仍偏高。目前换电站建设投入的成本仍然较高,和充电站相比成本差异较大,主要体现在建设成本、电池配比成本、7*24有人值守的运营成本上,据初步测算换电场站的投资成本及投资收益比较同等规模的充电场站并无优势。难以形成可持续的盈利模式。

       二是电池规格难以统一。为了满足用户需求,目前国内主销的新能源乘用车车型近100余款,未来还会大幅增加,而换电模式可覆盖的车型有限,其超过一个车企范围之外很难运行。电池总成、接口标准化问题同时涉及到了规模化、市场化的经济要求,即鉴于换电站初期的巨大投入而必然要求其要保有一定数量级的用户群体。而扩大用户群体最直接有效的方式就是推进电池总成与接口的标准化、通用化。简单说就是让电动汽车的电池组与接口,做到如同现在燃油车的标准化燃油标号和加油口与加油枪的通用适配。

       三是电池性能差异和安全责任问题。电池包+BMS构成完整的电池系统,整车开发和验证需要搭载电池系统同步进行,确保电池系统性能以及安全性。如在不同的品牌车辆之间进行换电,存在电池性能不匹配的问题,一旦发生安全性事故,责任难以界定。

       四是电池寿命差异、剩余能量的差异,相同标定的电池电量因使用过程中衰减程度不同,其剩余电量不同,影响用户实际可用的续驶里程,且电池更换时如何计费、计量也是难题。

       五是安全风险。场站端,从工信部2016年新能源汽车安全督查工作结果来看,以某能源换电站的检查结果为例,其场站的电池更换现场存在安全警示不足现象,配套充电厂房内三元电池包就地摆放,存在安全风险。车辆端,由于电池本身的重量较大,若车辆急开、急停,电池由于惯性会对车身产生冲击力,对插件和车身和电池均有影响。

       六是电路接口的可靠性问题。目前技术条件下可快速插拔的大电流接插件成本较高,而且可靠性也需要进一步验证。实际应用中,在环境相当优越的小功率UPS(室内,功率4kW左右,电流100A左右)上快速更换模块尚且存在着大量的接插件失灵问题。而电动汽车面对的则是实际路况下的大振动使用环境,而其电池组是500V、200A左右的组件。如此高的电压和电流,而且还是有强震动的环境下,一般接插件很难承受,只能采用螺栓紧固。但是大电流的端子显然须采用纯铜或者铜合金材料,使用螺栓紧固下的端子寿命则又是一个不能忽视的问题。

       七是管理问题。换电模式涉及更换出厂配置的动力电池,尤其是“车电分离”和“动力电池升级更换”将导致换电电池和《公告》上动力电池不一致,难以符合现有管理体系相关要求。

       3、换电模式未来前景分析

       (1)在特定应用场景下的换电模式初步具备推广应用条件

       一是换电技术在出租车、分时租赁车、网约车等专用运营车辆已经开始商业应用。北汽新能源、力帆的换电站已经在一定范围内经过市场检验,蔚来汽车的换电站也正陆续投入市场。各企业换电所用动力电池均需经过国家强检机构检测合格,确保所更换电池安全可靠。此外换电站安全标准和技术指标也需要满足一系列标准规定,确保换电技术可靠、安全。

       二是换电标准不断完善。目前,全国汽车标准化技术委员会、中国电力企业联合会标准化中心等正牵头制定一系列的电动汽车换电标准。涉及术语、规划设计、建设施工验收、快换电池箱、电池系统接口、换电站、运行服务网络、运行管理、服务管理、换电车辆安全性及评价方法等(见附表)。此外,工信部也于2017年7月发布推荐性国家标准GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》和GB/T 34014-2017《汽车动力蓄电池编码规则》。

       三是整车企业主动推动换电模式。北汽新能源、力帆、蔚来汽车等企业已经开始发力换电模式,其中北汽新能源和力帆的换电车辆主要用于出租车和分时租赁市场,蔚来汽车的换电车辆主要面向私人领域。此外,一汽、东风、长安、吉利、广汽、奇点、国金、领途等企业也都在进行换电模式的技术储备。

       (2)充电为主、换电为辅互为补充发展

       目前充电基础设施不完善仍然是阻碍我国新能源汽车产业发展的主要问题之一,建桩难、用桩难等问题依然存在,能源补充方式的不便捷抑制了消费者的需求,减缓了新能源汽车市场的发展。未来新能源汽车能源补充方式将呈现多样化和场景化,随着350kW以上的大功率充电技术的进一步发展,充电的能源补给效率也将达到燃油车加注汽油的效率,充电和换电均有各自面临的一系列问题,但总体来看,充电模式所面临的问题更容易被解决,也正在被解决。另一方面,换电模式在特定应用场景下也有进一步探索和发展的空间,将有可能成为充电模式的补充。

       五、换电模式政策及标准现状

       1、为推动新能源汽车的快速发展,国家在充换电基础设施建设方面给予了一定的支持:

       --国务院:《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见 》国发办【2015】 73号,“以独立占地的城市快充站、换电站和高速公路服务区配建的城际快充站为补充,形成电动汽车充电基础设施体系”

       --财政部:《关于“十三五”新能源汽车充电基础设施奖励政策及加强新能源汽车推广应用的通知》财建【2016】7号,“2016-2020年,中央财政将继续安排资金对充电基础设施建设、运营给予奖补,最高封顶2亿元,应当专门用于支持充电设施建设运营、改造升级、充换电服务网络运营监控系统建设等相关领域”。

       --四部委:《关于印发电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)年的通知》国发能源【2015】1454号,“2015-2020年全国需要新建公交车充换电站3848座,出租车充换电站2462座,专用车充电站2438座,公务车与私家车专用充电桩430万个,城市公共充电站2397座,分散式公共充电桩50万个,城际快充站842座”。

       --四部委:《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》发改能源〔2018〕1698号,“继续探索出租车、租赁车等特定领域电动汽车换电模式应用”。

       --发改委:《关于印发绿色产业指导目录(2019年版)的通知》发改环资〔2019〕293号,要求各地出政策支持充电、换电、加氢和加气设施建设和运营,充电、换电并列。

       2、换电标准体系不断完善,截至目前已发布相关国家标准26项、行业标准18项,为换电模式的推广应用奠定了一定基础,电动汽车换电标准体系附表如下:

(文丨中国充电联盟技术和认证部主任刘锴,文中部分材料由相关企业提供。)

 

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