安科瑞 馬香霞
隨著新能源汽車保有量上升，新能源汽車充換電設(shè)施需求量同步增加。由于我國土地、電力資源相對緊張，隨著車輛保有量繼續(xù)增加，換電模式有望成為對充電模式的良好補(bǔ)充，具備廣闊的中長期發(fā)展前景。蔚來是換電領(lǐng)域的先行者，已經(jīng)在全國建成3000多家換電站，如今動力電池供應(yīng)商寧德時代也殺入換電領(lǐng)域，寧德時代在換電站方面的規(guī)劃目標(biāo)是要達(dá)到1萬座。短期來看，2027年的目標(biāo)是3000座。相信隨著各類技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，進(jìn)入換電領(lǐng)域的企業(yè)也會越來越多。
圖1 蔚來充換電站NIO House
1. 換電系統(tǒng)是什么？
換電站是指通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對電動汽車進(jìn)行電池更換服務(wù)或者本身就集電池的充電、物流調(diào)配、以及換電服務(wù)于一體的電站。換電站主要包含定位系統(tǒng)、換電系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和物流系統(tǒng)。其中換電系統(tǒng)是換電站的核心，由換電平臺、碼垛機(jī)、升降機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)、連接器等組成。換電系統(tǒng)?也是電動汽車換電技術(shù)的重要組成部分，其主要功能是從電動汽車上卸下虧電電池，將其運(yùn)送到電池倉中充電，同時從電池倉中獲取滿電電池并安裝到電動汽車上，完成換電工作。
2. 換電系統(tǒng)的應(yīng)用場景
換電系統(tǒng)主要應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)營車和私家乘用車，特別是在需要快速補(bǔ)能的高頻使用場景中效果顯著。例如，重型卡車的能源管理系統(tǒng)通過智能化、自動化手段提高換電效率，優(yōu)化能源利用，降低運(yùn)營成本?。
●新能源車企：車企建設(shè)換電站可以更好地服務(wù)于用戶，比如蔚來已經(jīng)在全國范圍內(nèi)建成3000多座換電站，蔚來系車主換電非常便捷，這也成為蔚來的主要競爭力之一。
●共享電動車領(lǐng)域?：共享電動車作為城市短途交通的新寵，換電模式為其提供了可靠的充電解決方案。通過在不同區(qū)域布置換電站點，用戶可以方便地將電動車?？吭谡军c上，進(jìn)行電池更換，從而實現(xiàn)長時間的使用。
●物流配送領(lǐng)域?：在物流配送領(lǐng)域，電動車成為了一種重要的交通工具。換電模式的應(yīng)用為物流配送車輛提供了高效便捷的充電方案。物流企業(yè)可以在自己的配送站點或者合作伙伴的換電站點進(jìn)行電池更換，無需等待充電時間，提高了配送效率。
●城市公共交通領(lǐng)域?：電動公交車、電動出租車等交通工具可以在公交站點或者專門的換電站點進(jìn)行電池更換，快速恢復(fù)電力，提高了運(yùn)營效率。
●虛擬電廠領(lǐng)域：在換電站形成一定的規(guī)模后也可以參與虛擬電廠運(yùn)營，通過谷電峰用、需求響應(yīng)等方式獲取利潤。蔚來已經(jīng)開始在換電站布設(shè)V2G充電模塊以便更好的實現(xiàn)電網(wǎng)的需求響應(yīng)。
3. 換電系統(tǒng)的優(yōu)缺點
換電系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其高效性和便捷性。相比傳統(tǒng)的充電方式，換電過程通常在幾分鐘內(nèi)完成，極大地縮短了電動汽車的補(bǔ)能時間。此外，換電系統(tǒng)還可以通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，使得不同品牌和型號的電動汽車能夠共享同一套換電設(shè)施，提高了設(shè)施的利用率和兼容性?。
優(yōu)點：
快速補(bǔ)能?：換電過程通常在幾分鐘內(nèi)完成，提高了能源補(bǔ)給效率。
?電池養(yǎng)護(hù)?：通過集中充電和統(tǒng)一管理，有助于延長電池壽命。
助力電池回收：標(biāo)準(zhǔn)化的電池便于回收處理，降低回收成本，提高資源循環(huán)效率。
缺點：
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：不同車企的電池規(guī)格和接口存在差異，導(dǎo)致?lián)Q電設(shè)備難以通用，增加建設(shè)和運(yùn)營成本。
高建設(shè)運(yùn)維成本：換電站的建設(shè)和運(yùn)維成本高，包括設(shè)備購置、場地建設(shè)和變配電設(shè)施改造、運(yùn)維等。
技術(shù)迭代影響：隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，換電技術(shù)的優(yōu)勢可能會被削弱，如超充技術(shù)的發(fā)展可能會縮短充電時間。
4. 換電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
然而，換電系統(tǒng)也面臨一些挑戰(zhàn)，如投資成本高、電池標(biāo)準(zhǔn)化不統(tǒng)一等問題?，比如以下幾方面：
建設(shè)運(yùn)維成本高昂?：換電站的建設(shè)和維護(hù)需要大量的資金投入，包括設(shè)備購置、場地租賃、變配電設(shè)備、人員培訓(xùn)等。相對建設(shè)成本，后期的運(yùn)維成本居高不下也給運(yùn)營商帶來較大的壓力，包括換電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)的運(yùn)維管理。
普及率有限?：目前市場上能夠提供換電服務(wù)的站點數(shù)量相對較少且分布不均，導(dǎo)致很多電動車車主在需要充電時無法找到合適的換電站點，從而影響了他們的用車體驗?。
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一?：不同車企之間的換電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致?lián)Q電站的普及和應(yīng)用范圍受限。車輛的結(jié)構(gòu)、電池的外形和封裝如果不統(tǒng)一，就無法實現(xiàn)換電?。
?安全性問題?：動力電池會有衰減，如果不能保證電池狀態(tài)統(tǒng)一，就會帶來安全隱患。此外，換電過程中如何確保電池的安全性也是一個需要解決的問題?。
?運(yùn)營模式和收費標(biāo)準(zhǔn)?：合理的運(yùn)營模式和收費標(biāo)準(zhǔn)是整個換電模式全面推廣的關(guān)鍵。目前，這些問題還沒有得到很好的解決?。
政策支持不足?：雖然政府在推動充電設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用，但換電系統(tǒng)以及換電模式的推廣還需要更多的政策支持和市場引導(dǎo)?。
5. 換電站的供配電系統(tǒng)及智能化要求
通過數(shù)字化平臺實現(xiàn)對換電站供配電系統(tǒng)的智能化管理可以幫助運(yùn)營商提高管理效率，節(jié)約運(yùn)維成本。換電站變配電系統(tǒng)通常采用箱式變電站，由高壓室、變壓器室和低壓室三個獨立小室組成，用電容量一般在630kVA~1250kVA之間，根據(jù)換電站的規(guī)模而定，如圖2所示。
圖2 換電站箱變典型一次圖
圖3 換電站箱式變電站
換電站箱變運(yùn)維智能化對相關(guān)電氣、非電氣參數(shù)有相關(guān)要求，比如蔚來對箱式變電站電氣參數(shù)、接點溫度、變壓器室和高低壓室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測要求見表2-1。
表1 箱式變電站數(shù)字化監(jiān)測要求
6. 換電站數(shù)字化監(jiān)控和運(yùn)維解決方案
6.1 設(shè)備配置及組網(wǎng)方案
根據(jù)需求現(xiàn)場箱式變電站配置安科瑞微機(jī)保護(hù)裝置、諧波檢測裝置、多功能儀表、無線測溫傳感器、無功補(bǔ)償控制器和智能電容補(bǔ)償裝置等，通過RS485總線接入設(shè)置在智慧測控柜內(nèi)的智能網(wǎng)關(guān)ANet-2E4SM，最后通過4G上傳至換電站運(yùn)維管理平臺，設(shè)備配置圖見圖4，現(xiàn)場設(shè)備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見圖5。
圖4 換電站箱式變電站智能裝置配置
圖5 現(xiàn)場設(shè)備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
6.2 設(shè)備選型表
表3.2-1 蔚來充換電站箱變智能化設(shè)備選型表
6.3 智能網(wǎng)關(guān)及平臺
箱變運(yùn)行數(shù)據(jù)通過ANet-2E4SM智能網(wǎng)關(guān)采集后，可以按照換電站運(yùn)管平臺要求的數(shù)據(jù)格式上傳融入運(yùn)管平臺。智能網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統(tǒng)，具備本地數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷、協(xié)議轉(zhuǎn)換、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、協(xié)議定制等功能，可以無縫對接運(yùn)管平臺。安科瑞也可以為運(yùn)營方建設(shè)專業(yè)的箱變運(yùn)維管理平臺。
安科瑞Acrelcloud-1000電力運(yùn)維平臺也可以滿足箱變運(yùn)維管理功能，平臺可同時接入數(shù)以千計的用戶變電站數(shù)據(jù)。平臺采集的數(shù)據(jù)包括變電所電氣參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率、開關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發(fā)生10s內(nèi)通過短信和APP發(fā)出告警信號。平臺通過手機(jī)APP下發(fā)運(yùn)維任務(wù)到指定人員手機(jī)上，并通過北斗定位跟蹤運(yùn)維執(zhí)行過程進(jìn)行閉環(huán)，提高運(yùn)維效率，及時發(fā)現(xiàn)缺陷并做消缺處理。
圖3.3-1 AcrelCloud-1000電力運(yùn)維平臺界面
6.3.1. 電力監(jiān)測
運(yùn)維平臺通過4G網(wǎng)絡(luò)采集箱變配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率電能和開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，掌握箱變實時和歷史數(shù)據(jù)。
6.3.2. 電能統(tǒng)計
基于尖峰平谷分時電度統(tǒng)計不同時段的電能消耗和用電成本，并形成日報、月報、年報表，通過同比環(huán)比分析比較，便于用戶計算運(yùn)營成本。
6.3.3. 異常報警
箱變電流、電壓、功率、開關(guān)狀態(tài)、變壓器負(fù)荷率和繞組溫度、電氣接點溫度、環(huán)境溫濕度、煙霧、浸水、視頻、門禁信息，發(fā)生異常情況會及時通過APP和短信向運(yùn)維人員發(fā)出報警信息。
6.3.4. 運(yùn)維管理
可幫助用戶制定巡檢計劃，記錄巡檢發(fā)現(xiàn)的缺陷，并派發(fā)消缺工單，查看巡檢軌跡定位和消缺搶修進(jìn)度，反饋任務(wù)進(jìn)度等，閉環(huán)運(yùn)維管理流程。
6.3.5. 用戶報告
運(yùn)維平臺自動生成用戶用電及運(yùn)行診斷報告，對配電系統(tǒng)運(yùn)行情況提供周期性診斷報告，總結(jié)配電系統(tǒng)存在的問題，提出改進(jìn)建議。
另外平臺還具備需求響應(yīng)、策略控制、柔性動態(tài)調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、電能質(zhì)量分析、需量分析、設(shè)備臺賬等管理功能，幫助用戶更高效的管理地理分散、數(shù)量眾多的箱變，提高供電可靠性和設(shè)備使用壽命，降低運(yùn)維成本和用電成本。