電動汽車續能策略研究＊

金會義

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電動汽車續能策略研究＊

金會義

（天津農學院基礎科學學院，天津 300384）

電動汽車是最有前景的新能源汽車種類之一。分析了電動汽車目前使用的續能策略——充電策略之困境，充電時間長是制約其發展的最大障礙。發展快充方式、優化充電網點在一定程度上緩解了情況，但不能徹底解決。提出的換電策略與充電策略相比，具有更大的優勢，尤其可以縮短電動汽車的續能時間，為電動汽車全面替代燃油汽車提供可能。該策略面臨的技術、建設等問題容易解決，在技術、政策、經濟上是可行的。建議進行深入策略討論、技術研究，從而有效推進電動汽車的發展。

電動汽車；續能策略；充電策略；換電策略

1 概述

面對能源危機及環保壓力，燃油汽車禁售已提上日程。荷蘭、挪威最早將于2025年禁售燃油車，德國、瑞士、比利時和英國、法國也將于2030年和2040年禁售，我國也頒布了關于燃油車禁售時間，預計將于2035年禁售燃油汽車。新能源汽車即將大規模登上歷史舞臺，其中電動汽車是目前生產、發展最快的一種。

2 續能策略背景

發展電動汽車技術門檻相對較低。自燃油汽車禁售時間劃定，全球各地電動汽車生產企業紛紛成立，老牌車企也迅速轉身，這與成熟的電動和蓄電技術密切相關。1821年，法拉第就發明了人類歷史上的第一臺電動機，經過200多年的發展，電動機技術已經相當成熟。蓄電技術的出現可以追溯至18世紀，19世紀末已經出現了成熟的鉛酸電池，之后鉛酸電池的結構便沒有變化。因此，電動汽車基本技術已經成熟，但為什么在汽車出現的100多年里，電動汽車完敗于燃油汽車呢？這是由于電動汽車受續航、續能短板所限，續航里程短、續能時間長，這是長久以來電動汽車無法逾越的鴻溝。為了增加續航里程，研究人員在電力優化、減重、減小風阻等方面做出了突出成績。另外，電池技術也得到了長足的發展，對鋰硫電池[1-3]、鋰離子電池[4]、鋰-空氣電池[5]、鋁-石墨烯電池[6]等已進行了深入研究。燃油汽車燃油耗盡前到加油站加油是其續能方式，而電動汽車在電能耗盡前需要為蓄電池充電是電動汽車續能方式。但是蓄電池充電有一個問題需要解決，即充電時間要遠遠長于加油時間，尤其為了增加續航里程而在不斷增加電池容量，使得這個問題更加突出。為此，研究人員已經開發出了快速充電技術，但即使不提這種技術對電池造成的損害和危險，快速充電所謂的快速仍然無法滿足實用化的要求。為了解決這一問題，本文提出了電動汽車新的續能策略。

3 充電策略

所謂“充電策略”，就是以電能為能量形式的機動車在電能即將耗盡時，整車置于充電站用導線引入方式為蓄電池補充能量的策略。以往雖然沒有提出過此概念，但是該策略是目前全世界所有電動汽車續能的唯一方式。該策略是車企將蓄電池作為車輛零部件的一個自然而然的選擇，是燃油汽車續能思路的延續。該策略是否是電動汽車的最佳續能方式呢？是否還有其他續能策略呢？

3.1 充電策略存在的問題

充電速度慢、充電時間長是電動汽車最大的難題，而這是由科學規律所決定，從目前的科學和技術手段看還無法有效解決。表1列出了市售部分電動汽車的充電時間及續航里程。從表1中可以看出，所有車型快充時間不會低于0.5 h，如果考慮到操作時間以及充電、付費的排隊時間等，充電一次的時間就會更長。然而，快速充電僅僅能將電池電量補充至其容量的80%，另外，考慮到各種行駛路況，快充一次的行駛里程將會遠遠低于表中的續航里程。充電速度慢導致充電時間長，充電時間長是目前制約電動汽車大規模推廣、完全替代燃油汽車的最大難題。

3.2 充電策略的發展

對蓄電池的充電是電池反應的逆向反應，在電池的正負極分別發生氧化和還原反應，不過與放電時氧化還原反應互換了電極。在兩個電極間填充電解質，中間還要有隔膜，這是蓄電池基本的結構，電解質的作用是充放電時在兩個電極間傳輸導電離子，隔膜是為了隔離兩極并使電池內的電子不能自由穿過，讓導電離子自由通過，而電解質和隔膜都有一定的電阻。當電池充放電時，電流通過電解質和隔膜，由于電阻存在會產生一定的熱量，電流越大熱量越多，當熱量不能及時傳導至周圍環境時，電池溫度升高就會破裂、著火甚至爆炸。這就是為什么在電動汽車發展的初期，經常發生電池著火的原因，這也是限制充電電流的原因。

表1 部分電動汽車充電時間及續航里程

車企車型快充時間②/h慢充時間/h續航里程③/km 廣汽新能源傳祺GE3 5300.58530 比亞迪元EV3600.5—360 東風日產軒逸·純電0.88389 吉利新能源帝豪EV4500.59450 NIO蔚來ES80.810500 北汽新能源EU5 R5000.56570 榮威ERX5 EV4000.77425

注：①數據均來自官網；②電池電量從30%充到80%所用的時間；③60 km/h為勻速續航里程。

電解質和隔膜材料的發展提高了充放電電流，為電動汽車提供了基本合格的電池，研究人員又在電池周圍增加了散熱裝置，優化電池箱[7]，終于使蓄電池應用于電動汽車成為了現實。為了縮短充電時間，電池的耐受電流被充分應用，充電方式由恒壓慢充發展為恒電流快充，但當電池電量達到80%后，出于安全的考慮，就不能再用恒流方式充電，所以快速充電技術仍未能提供一個完美的解決方案。

充電慢導致充電難，為了解決充電難的問題，研究人員提出了多種解決辦法，其中，多數屬于充電網點的建設。葛笑寒[8]研究設計了可充電樁網絡，提出了基于通信的網絡化設計，對充電管理系統、電量計量系統、電費交易結算系統等進行了設計，實現了充電機、電池管理系統與用戶，甚至城市樞紐之間的通信，實時監測相關參數；李敏[9]對電動汽車充電站的布局規劃進行了分析，建立了充電站布局模型；包蘊[10]等考慮充電站建設成本、運營成本以及用戶充電成本建立了最小化選址模型；郭杉[11]等為了精確配置某一區域內的電動汽車充電設施，提出一種充電負荷模型，研究快充及慢充樁的精確配置；為了使充電更加方便，李洪峰[12]等探討建立了小區電動車充電服務平臺；王毅[13]等研究了住宅區電動汽車充電負荷隨機接入控制策略，以期降低系統和用戶的成本；劉廣杰[14]等介紹了無線充電的工作技術原理，分析了實際應用中存在的問題；趙文瑄[15]等建立了基于無線充電方式下電動汽車與風電的多目標優化調度模型，優化了控制各時段電動汽車的充電功率。

4 換電策略

雖然研究人員對電動汽車充電進行了大量研究，但是充電慢和充電難的問題仍沒有效解決。蔣強[16]等在討論充電模式中曾提出過更換電池的充電模式，更換下來的電池組可以在用電低谷充電，更換電池如果使用機械裝置更換，則所用時間將與燃油車加油時間大致相當。本文在此基礎上提出解決電動汽車續能問題的換電策略。

4.1 換電策略概述

所謂“換電策略”，就是以電能為能量形式的機動車在電能即將耗盡時，在充電站直接更換充滿電量的蓄電池策略。該策略中將蓄電池與電動汽車所有權進行分離，蓄電池與電能綁定由售電企業負責，蓄電池的充電、安全檢查由售電企業操作。如果采用自動化裝置更換電池，將大大減少電動汽車續能時間，徹底解決電動汽車全面替代燃油汽車的障礙。

4.2 換電策略優勢

換電策略對比充電策略具有以下6個方面的優勢。

4.2.1 有利于縮短續能時間

換電策略僅包括更換電池，電池設計為了方便更換，采用自動化更換裝置，續能時間就會完全媲美燃油汽車加油時間，這是換電策略決定性的優勢。

4.2.2 有利于降低環境風險

個人充電樁以及便攜式充電雖然比充電站充電電流小，但相對于家庭常規用電負荷較大，小區和住宅電路大多沒有這方面的設計冗余，因此，存在過載及電路老化的安全隱患。換電策略將不再進行小區及家庭續能，降低了環境風險。

4.2.3 有利于提高用戶人身安全性

不同于手機充電，汽車充電屬于高電壓操作，并不能保證每一名用戶能夠時時刻刻安全操作，因此，存在人身安全隱患。將專業的事交給專業的人做，消除了用戶的人身危險。

4.2.4 有利于提高汽車安全性

蓄電池是電動汽車最大安全隱患之一，內置電池只有在汽車保養時才檢查電池工況，換電策略在每一次更換電池時，售電企業都要檢查電池情況，避免了由于電池問題埋下的汽車安全隱患。

4.2.5 有利于提高電網效率

電網用電存在高峰和峰谷，峰谷富裕的電量浪費較大，售電企業可以將更換的蓄電池放在峰谷時間充電，提高電網效率。另外，與充電站相比，換電站建設更加方便，網點分布廣泛，可以縮短電能的輸送距離，降低能耗。

4.2.6 有利于降低續能站成本

充電策略中充電站占地較大，因為充電時間長，汽車需要長時間停泊；而換電站僅需要汽車短暫停泊，不需要建設大面積的停車場，續能站建設成本降低。

4.3 換電策略面臨的問題及解決方法

換電策略雖然具有較大優勢，但是推廣起來還面臨一些問題需要解決。

4.3.1 汽車技術問題

續能方式由充電變為換電需要在汽車結構方面進行較大調整。充電策略下電池組不易拆卸，換電策略下電池組要容易拆裝，還需要電池與汽車的接口簡單。要想解決這些問題，需要國家制訂電池接口標準、汽車用電標準、電池盒標準，為了拆卸方便，電池位置也需要統一。

4.3.2 換電站技術問題

換電站需要具備兩部分功能，即充電和換電。充電技術沒有問題，換電需要設計專門拆裝電池的設備，拆裝的電池需要安全輸送，因此也需要設計專門的輸送設備。當然，換電還需要培訓專門的操作人員。另外，為了定量電能，需要專門的設備來檢測電池電量。

4.3.3 蓄電池的使用及檢查

充電策略下的電動汽車，不同車型的蓄電池存在差異，而差異的蓄電池無法互換使用，因此，蓄電池需要統一規格，需要制訂蓄電池的國家標準。為了打消用戶對所換電池質量問題的疑慮，需要明確售電企業對電池所負的責任，電池的淘汰也由售電企業負責。

4.3.4 已售汽車換電

已售汽車將會成為續能策略改變的較大阻力，可以考慮多方負擔的升級改造或逐步淘汰的解決辦法。

4.4 換電策略的可行性

4.4.1 技術可行性

在以上面臨問題的分析中可以看出，續能方式的改變不需要技術的根本變革，僅僅需要統一汽車設計方面的某些規格參數，因此，在技術上是完全可行的。

4.4.2 政策可行性

續能困擾是電動汽車發展的最大阻力，換電策略將有效消除這個阻力，與國家大力推廣電動汽車的政策相向而行。國家對電動汽車的政策扶持，隨著這種改變需要轉變成對售電企業的扶持，因為未來電動汽車發展的阻力將轉換到售電企業，轉換到承載著電能的蓄電池上。

4.4.3 經濟可行性

換電策略下，制訂的電動汽車的多項標準將有效降低汽車企業的研發和生產成本，而這些成本正好可以填補躺在售電企業庫房中待換的蓄電池上，但填補的過程需要杠桿調節。

5 推廣建議

能源更替已迫在眉睫，電動汽車的發展需要闊步前進。換電策略的實施將會加快電動汽車發展的步伐，將會使我國獲得電動汽車發展方向的話語權。為了使電動汽車發展駛入快車道，建議政策、規劃、技術領域對該策略進行深入廣泛討論，建議大學、科研機構、企業在該策略實施的技術支撐上進行深入研究，共同推動我國以及世界電動汽車的發展。

6 結束語

換電策略是對電動汽車續能方式的徹底變革，對比充電策略具有巨大優勢，將有效改變充電慢、充電難的難題，該策略面臨的問題是可以解決的，在技術、政策、經濟上具有很大的可行性，將有效推進電動汽車的發展。

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2095－6835（2018）23－0044－03

U469.72+2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.044

金會義（1979—），男，博士，研究方向為環境污染治理。

天津農學院科學研究發展基金計劃項目（編號：2016NZD06）

〔編輯：張思楠〕