電動兩輪/三輪車換電柜節能性評價體系研究

王 旭，蔡樹國，鞏 欣，馮 喆，張仕琳，李福軒

（1.中國鐵塔股份有限公司，北京 100142；2.中國信息通信研究院，北京 100095）

0 引 言

據統計，2021 年中國兩輪電動車累計銷量達成4 100萬輛，其中鋰電池兩輪電動車的銷量為960萬輛，占比為23.4%，并穩步提升[1]。電動兩輪車是民眾短距離出行的首選，同時外賣、快遞等城市商業派送急速擴張，使得電動兩輪車保有量快速增長。兩輪電動車巨大的使用需求，使“換電熱”興起，換電柜是通過能源換電系統對物聯網技術和鋰電池電池管理系統（Battery Management System，BMS）進行整合，旨在以集中換電代替用戶充電，解決國內超過3.5 億輛電動車的電池續航問題。巨大的存量市場和快速增長的增量市場是換電業務的生存根基，催生出千億規模的共享換電市場。

隨著換電市場規模增大，能耗的消耗體量也相當可觀。國務院印發的《2030 年前碳達峰行動方案》提出要加強新型基礎設施節能降碳，要求淘汰落后設備和技術，推動既有設施的綠色升級改造，提高設施能效水平。作為能源傳遞的媒介，自身能源耗損比例將影響系統整體的節能性能，面對“碳達峰”“碳中和”的要求，開展電動兩輪/三輪車換電柜節能性研究具有必要性和急迫性。

本文基于換電柜自身的特點開展節能性檢測體系研究，探討檢測關鍵技術，旨在彌補目前換電柜在節能性能方面檢測的不足，促進相關產品的性能提升。

1 換電柜節能評價體系研究

目前，主流的換電電池為48 V、60 V 等，為匹配不同電池，換電柜的供電架構一般通過整流系統將交流轉換成直流，然后通過直流模塊輸出不同充電電壓，并集成監控系統，典型架構如圖1 所示。

圖1 換電柜典型架構

由于換電產品興起時間較短，目前行業內針對電動兩輪/三輪車換電柜的標準規范暫時不多，還處于彌補空白階段。已存在應用的標準如表1 所示。

表1 電動兩輪/三輪車換電柜相關檢測標準

基于目前已存的標準，換電柜節能要求評價指標需滿足實際使用過程中的各種復雜工況和極端條件，包括多負荷率下的效率，自身空載運行功耗和休眠功耗，保溫散熱性能、溫控系統功耗等[2]。電動兩輪/三輪車換電柜節能評價體系如表2 所示。

表2 電動兩輪/三輪車換電柜節能評價體系

2 節能性能關鍵技術研究

中國屬季風性氣候區，冬夏氣溫分布差異很大，特點為冬季氣溫普遍偏低，南熱北冷，南北溫差大，超過50 ℃[3]。換電柜工作中，極限工況（高溫、低溫）需開啟相應的溫控措施，保證正常運行。高溫工況需打開散熱風扇降溫，降低安全隱患；低溫工況需進行倉體加熱，維持正常充電，防止電池析鋰。

在極限工況溫控措施運行增加了一定的能耗，導致整體能效降低，需要研究換電柜在極限工況的節能性，降低碳排放。選取換電柜在常溫環境下測試，加熱和散熱風扇均不開啟，將不同數量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內開啟充電，采集一定時間內的交流輸入有功電量和充電電量[4]。效率曲線如圖2 所示。

圖2 常溫充電效率

在室外溫度較高的季節，換電柜工作在高溫環境，同時附加太陽輻射，內部溫度較高。經測試，當室外環境溫度超過35 ℃，在不開啟散熱情況時，換電柜內部的溫度將超過70 ℃。高溫條件將危害電氣安全，縮短器件壽命，增加鋰電池充電安全風險[5]。

將換電柜放置在35 ℃高溫的環境中測試，換電柜開啟散熱風扇，保證倉內溫度不超過55 ℃。將不同數量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內開啟充電，采集一定時間內的交流輸入有功電量和充電電量，測得高溫條件下的效率如圖3 所示。

圖3 高溫充電效率

鋰電池在低溫條件下充電會發生析鋰現象，降低電池壽命，因此在換電柜設計和使用過程中應具有一定的保溫和加熱功能，避免低溫充電。當單倉溫度低于5 ℃時，打開加熱，高于15 ℃，停止加熱；或當電池電芯溫度低于0 ℃打開加熱，高于10 ℃停止加熱，保證倉內溫度在5 ℃以上。

將換電柜放置在0 ℃、-10 ℃、-20 ℃以及-30 ℃的低溫環境進行測試，換電柜開啟加熱，保證倉內溫度高于5 ℃。測試過程發現不同溫度下整柜加熱開啟數量不同，隨著溫度降低開啟數量增加，測得不同溫度下的加熱消耗功率如圖4 所示。

圖4 加熱消耗功率

在不同溫度下將不同數量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內開啟充電，采集一定時間內的交流輸入有功電量和充電電量，計算出低溫條件的充電效率如圖5 和6 所示。

圖5 樣品1 的低溫充電效率

圖6 樣品2 的低溫充電效率

根據試驗可知，在極限工況下會增加額外消耗，降低系統效率，增加運行成本。在低溫環境下，效率從92%以上降到73%～85%；高溫環境下，部分負載率下效率會降至92%以下。為確保整體能效，降低成本，極限性能評價體系需增加極限工況條件的效率要求。

3 結 論

在“碳達峰”“碳中和”的背景下，本文針對目前市場上電動二輪/三輪車換電柜節能性能研究不完善的現狀，通過對現存標準的調研，依據換電柜自身特點和工作環境，提出換電柜節能性評價體系。同時，結合實際應用場景對關鍵技術進行研究，提出制定相應節能規范的數據依據，為補全換電柜節能性評價指標起到指導作用。