乘用车 统一纯电动乘用车换电标准及共享换电是大势所趋
空博文 POST:2020-11-16 17:00 复制链接 看图
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  作者:李晶波

  我国新能源汽车产业经过十多年的发展摸索和总结经验,决策层和业界越来越多有识之士已认识到充换电两种模式都是必不可少的加电方式,两种模式各有优势,应相互结合,相互补充。 国家层面已将充电站和换电站建设都列入新基建,工信部副部长辛国斌近日明确表示将“继续大力推进这种充换电基础设施建设,进一步完善相关技术标准和管理政策,鼓励企业根据使用场景研发换电模式车型。”

  换电模式的未来发展以及标准统一有很多人看好和支持,但也不少人不看好,认为难度太大,统一不了,其中有一种比较有代表性的说法是说很多年前国家有关部门就曾经试图制定统一的手机电池标准,遭遇不少阻力,研究了数年最终却没有任何结果。

  那么统一纯电动车电池标准的努力有可能重蹈手机电池的覆辙吗?

  下结论之前,我们需要认真细致做全方位的对比和客观的分析,看有没有什么可比性。

  虽然电池在手机和电动车上都是必不可少的组成部分,手机和电动车都是人们生产生活中的重要工具,除此以外,还能找出什么别的共同之处吗?前者是通讯工具,后者是交通工具,它们有太多不一样,兹列举如下:

电池在整机成本中的占比差别大。

  前者电池仅仅占整机成本1-5%,后者却占20%(高端车如蔚来ES6起价35万元、电池价值7万元)-50%(经济型车)。因此车电分离对降低纯电动车售价的意义远远大于手机。

电池容量和成本殊异。

  手机电池一般只是一颗聚合物电芯,容量一般不超过5安时,能量不超20瓦时; 而电动汽车电池体量要大很多,储电量动辄数十千瓦时,高者甚至上百度,比手机电池储能高3到4个数量级。

电池开发成本迥异。

  手机电池通常使用的聚合物电芯有一个特点就是其尺寸定制很方便,并没有多少研发和开模的成本,因此统一手机电池标准对厂商降低产品成本作用不大。

  而电动车的电池包是一个复杂得多的系统,由很多部件组成,厂商为每一款车定制研发一款电池包要花费很多时间和人力物力,涉及很多定制费用和模具成本,且每一款电池包还必须要通过国家质检部门严格的检验认证,才能进入公告,开发成本高昂,尤其市场销量小的车难以收回成本。 如果电池标准化,企业可以省去这一大块电池设计开发成本,而把资源和精力集中放在车的研发上。

用途不同,应用环境不同,用户需求偏重不同。

  手机是随身便携通讯工具,现在的智能手机拓展了很多丰富多彩的功能,然而其基本功能仍然是通讯。大部分人使用手机的大部分时间是在室内,没电了,随时可以插上充电器,而且可以一直插着边充电边使用;即使偶尔外出,在许多场合包括汽车、高铁上也有220VAC插座或5VDC插座可以充电,自然很少有人担心手机电池的续航,人们更注重手机的轻薄和美观。 可换电池设计的手机后壳难免要留明显的接缝影响美观,故此更轻薄也更美观的一体化设计大行其道。

  相对照,车作为交通工具,满足远距离出行是人们对其最根本的需求,而纯电动车最大痛点一直是续航焦虑,且汽车充电又远远不如手机方便。 一旦没电了,车就完全不能移动,也无法凭人力推去充电站,驾乘者陷于困境。目前纯电动车行驶中的移动充电还只是在实验探索中,可用的只有固定的充电模式,充电时就必须停下来等着,为此要耗费较长的时间,不能边充边走,不像手机一样可以边充边用。

  只有换电模式才能给用户提供相当于甚至优于燃油车加油的体验,并且只有换电标准化才能解决通用性问题也就是可用换电站少和可用电池少的问题。且换电设计绝大多数情况下丝毫不影响车的美观。

厂商的追求不同。

  现在同档次的主流手机电池容量和续航均很接近,能满足绝大多数人的需要,手机电池容量只是手机性能中比较次要的一项参数,已不再是厂商宣传重点,性能比拼更多的是CPU和显卡速度、内存大小和拍照效果。

  电动汽车相对同级别的燃油车来说,高出来的成本基本就是高昂的电池成本,它是影响电动车普及的一大障碍。 全世界范围绝大多数车企已经看清未来发展方向是新能源车必将淘汰燃油车,都在加紧转型,力争在百年一遇的大变革中跟上时代潮流,尤其是在纯电动车型的销量上展开比拼。 车电分离+换电标准化可以给电池和整车厂商带来很大好处,包括可以大幅度降低车价以显著提升销量,更好地解决续航和补电问题,缩短纯电动平台产品的开发周期,还可以减轻整车厂的售后工作,因此厂商有动力积极参与。

快充对电网的影响不可同日而语。

  手机充电功率一般是5V1A才5W,目前华为超级快充最高达到55W,充其量也就是一个普通家用灯泡的功耗。

  而汽车快充功耗远远大于任何家电,是工业级别的,目前特斯拉V3超充桩最高功率已经达到250千瓦,一台车开始快充就相当于200多台一匹的空调瞬间同时启动,对电网是非常大的冲击。因此发展快充很受有限的供电能力的制约。

在充换电以外其它可选补电办法的比较。

  手机除了墙插充电外还可以接充电宝,买一个只需几十元,所有手机都可以用,大家也可以共用,很方便易用,较好地解决了外出时的补电需求。

  电动汽车也有类似的补电模式,一种是低速电动车和理想汽车采用的燃油发电增程器,可谓随车自备充电宝;另一种是以蔚来为代表的加电车或保障车,采用是装载着巨大的电池堆或者燃油发电机的商用车,可谓大号公用充电宝。 燃油发电不环保且转化效率低就不说了。 而带大型电池堆的加电车的车重数倍于一个普通乘用车,其能耗自然也数倍于普通乘用车,无论购置还是使用成本都很高,只适合满足临时应急之需,不能作为日常补电之用。 而且把电能先充进加电车,然后再放出来充给乘用车,多一次充放电转换,要多损耗10%电能,更要损耗加电车电池有限的充放电循环寿命,再考虑到电池制造过程中的能耗和排放,用电池的加电车比用燃油的加电车综合能耗和排放也低不了多少。

  在此仅粗略做个经济性的估算和对比。 手机充电宝充放电一次成本极为有限,按500次寿命算价值50元的充电宝用一次也就0.1元成本,电能转换损耗零点几瓦时可以忽略不计,比直接插市电充电成本也高不了不少。 而电动乘用车假定一次用加电车充50度电,50度的电池价值约5万元,电池循环寿命假定有1000次,每次电池折旧大约50元,另外转换中的电能损耗约5度成本约5元,再加上加电车的折旧、往返能耗和人工成本,这种方式加电的成本不仅是手机充电宝充电成本的上千倍,而且也数倍于将车直接连接充电桩充电的成本。

电池使用强度不同,平均使用寿命不同,厂商质保时间不同。

  手机是高使用频次的消费类电子产品,生命周期较短,更新换代快,平均使用寿命也较短,根据2018年国际调研机构Counterpoint的数据,中国平均更换手机的周期为22个月。 我国三包法规定手机电池的质保期和整机都只有1年。在使用强度较高,电池一天一次深度充放电循环的情况下,22个月后电池往往已经出现显著衰减,没多少残余价值。二手手机用户往往需要更换新电池。

  而汽车是大型耐用消费品,使用寿命明显更长,消费者平均换车周期也更长。 我国已经取消私家车的报废年限规定,营运车辆强制报废年限是8年,也比手机的平均使用寿命要长很多。 按照我国目前相关政策,新能源车动力电池质保不得低于8年或12万公里,而私家车年平均行驶里程只有1.2万公里,照此计算,纯电动车电池可用年限比手机电池长很多。

整机可利用空间对比。

  手机是越轻就越易携带,但智能手机屏幕越大看着越舒服,两个需求是矛盾的,因此手机的设计追求整机要尽可能轻薄,电池的外型就需要服从整机设计的要求。

  手机已经高度集成,几乎没有什么空间可以压榨,而汽车还有不少空间可挖掘,除了底盘和前后排座位下的空间以外还有尾箱空间可以利用,甚至可以不受车本身空间局限,以拖挂方式利用外部空间。 如果将来科技进步到出现完全不怕碰撞的电池,那么车头的空间也可以用来放电池,甚至将电池兼作缓冲吸能材料。

  汽车虽然也追求轻量化,但外型设计不需要很薄,甚至很多人追求的是大尺寸和大空间带来的舒适和体面。 基于同一款设计合理的标准化电池包来开发若干款适合不同市场需求的车型也不存在什么大的问题。

电池共享的空间/潜力/前景反差大。

  大部分人手机随身须臾不离,一天到晚都不时要用,一个手机必须要始终带一块电池,只有额外的电池才可能共享。

  相对照,有统计显示,中国总计约1亿辆私家车在超过90%的时间里都是闲置的。 纯电动车闲置时,电池也跟着一起闲置,其实有很大潜力可以挖掘,只要想办法将电池与车分离,就可以更充分地利用。 大部分车主不愿意将其爱车与他人共享,因为私家车有很多私人属性,是家以外的另一个私人专属空间,而且卫生清洁也是一个重要因素。但如果车电能分离,标准化的电池共享就不存在这些问题。 而且价值动辄数万元的电池即使闲置不用也在不断贬值,是一个耐用消费品,但如果共享却可以将其利用率提高数倍,变成一个不断产生收益的资产。

  王思聪曾断言共享手机充电宝这样低价值的产品的共享商业模式绝不可能成功,然而结果却大大出乎其意料; 纯电动车共享电池模式成功几率显然更大得多, 它甚至很可能比备受停车、卫生、违章、擦碰和毁坏等诸多问题困扰的共享汽车市场规模要大。

电池标准化受到的阻力对比。

  手机电池标准未能统一,当时主要阻力是来自于国外一些手机巨头,而国内很多中小手机厂商对于统一标准是比较支持的。 对于当时主打中低端的自主品牌,统一电池对其产品成本和售价影响不大,但是可以方便消费者换机时还可以用旧电池;事实上,在功能机时代,中国手机厂商的很多产品就直接采用了曾经销量非常大的诺基亚某几款手机的电池尺寸和接口,若干机型可通用电池,方便用户更换。 可是对于外资厂商,一旦电池通用以后透明又低廉的价格却使得他们不能像以前一样卖高价而动了他们的奶酪。 十多年前,我国的自主品牌与国际巨头的市场份额和影响力还有较大差距,很多方面受制于人,在行业内的话语权也较弱; 我国政府制定政策也需要考虑对国际经贸关系的影响。 后来随着手机向智能、大屏和轻薄发展,固定在机身内不可拆卸的一体化电池设计成为主流,统一手机电池意义变小,这项工作最终不了了之。

  而在我国纯电动汽车市场上,我们本土企业一直占绝大份额,并且产业链齐全,自主化程度高,且在换电领域,我们已经有不少成功的商业实践,而目前外资企业没有任何商业化换电运营,标准可以完全由我们自己决定。

电池总产量悬殊,统一标准对社会的影响力大不同。

  随着新能源汽车产业快速发展,动力电池产量保持快速增长,据高工产研锂电研究所调研数据显示,2019年中国动力电池出货量为71GWh,产值约710亿元,远超过逐渐下滑的手机电池。电动车用电在我国的能源结构中占越来越大的比重。 2019年,我国新能源汽车渗透率为5%,按照国家2025年新能源汽车渗透率要达到25%的目标,动力电池产量和保有量以及电动车用电未来5年都会快速增长。

  车电分离模式对于打造绿色能源生态网络有着极其重要的意义,标准化的动力电池可以与新能源储能更好的结合(关于具体实施方式,我会另外专篇论述),从而更充分利用可再生能源,以实现我国能源结构的绿色转型,这可以说是我国能源战略规划中很重要的一步棋;动力电池的标准化是极其正确的方向和必然趋势,因此国家层面才会不遗余力的推动,率先实现电动汽车电池标准的统一将为我国今后引领全球新能源发展奠定基础。

  总之纯电动车的车电分离和换电标准化无论是可行性还是对全社会的积极意义都远远大于手机,两者其实没有什么可比性,作为交通工具,四轮的电动汽车更适合参照同属交通工具的电动自行车和电动摩托车。

  两轮电动车行业,铅酸电池早已有事实上的标准尺寸;对于电助力自行车锂电池,2013年我国就已实施了《QBT4428-2012-电动自行车用锂离子电池产品规格尺寸》国家推荐标准,该标准目前正在重新修订中;不过电动踏板车和电摩用的锂电池的规格目前还没有统一标准,成本相对较高的锂电池是近几年才逐渐普及,随着外卖快递业的兴旺,两轮车锂电池换电模式也蓬勃发展,但目前处在无序竞争阶段,还缺乏行业标准;而摩托车制造强国日本的本田、川崎、铃木和雅马哈四大车企联盟已组成日本“电动摩托车可更换电池联盟”,抢先我们一步将电摩电池标准化,日本境内所有两轮电动摩托车将使用统一标准的可更换电池,无论何种品牌、车型或车款,均可兼容,并且电池售价有望大幅降低;将来的基础设施建设也或将由四大车企共同出资完成。其做法非常值得我们学习。

  纯电动汽车动力电池包标准化工作的进展

  在2017年7月12日我国已经颁布《GBT34013-2017-电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》国家推荐标准,并于2018年2月1日开始实施。该标准除了给出圆柱形、方形和软包电芯单体以及电池模块的规格尺寸外,考虑到商用车布置空间灵活性大于乘用车,在附录中还推荐了电动商用车的蓄电池标准箱典型尺寸。

  乘用车动力电池包的外形尺寸、接口和协议的统一标准虽然不容易,不过近来已经取得一些实质性的重大进展。

  2020年9月9日,由中国汽车动力电池产业创新联盟主办的构建车电分离模式生态圈研讨会在成都召开,联盟副秘书长王子冬在会上一针见血地指出,“要想尽快打通换电商业模式,换电站的共享是关键”。 联盟的召唤也得到了众多企业的积极响应,一汽、上汽、东风、蔚来等车企,以及宁德时代为代表的电池厂商及一些科技公司和投资公司共计20家单位成为签署《构建新能源汽车“车电分离”模式生态圈联合声明》的第一批企业,这是一步很了不起的进展。 共享换电不仅落在纸面声明上,不少企业已付诸实际行动,例如广汽、北汽和长安的一些车型已经率先实现共享采用奥动新能源的技术的换电站,甚至蔚来也投资入股原来主要服务北汽的奥动,换电市场上分别主打高端个人用户市场和营运车市场的这两大主要玩家之间的合作令人期待。 看好换电商业前景的还有国际资本,如世界500强的日本软银集团和法国电力集团分别与奥动新能源和北汽新能源达成战略合作,不仅为换电模式在国内的普及助力,将来还可能把我国的换电车型和运营模式推广至国外。

  国家能源局2020年第5号公告文件显示,《电动汽车快速更换电池箱锁止计构通用技术要求》、《电动汽车快速更换电池箱冷却接口通用技术要求》、《电动汽车快速更换电池箱通用技术要求》、《电动汽车充换电站工程施工和竣工验收规范》和《纯电动乘用车底盘式电池更换系统通用技术要求》共有5项推荐性标准行业标准于2020年10月23日获批发布,并将于2021年2月1日起正式实施。该批次标准从立项至发布,整个历程超2年,累计征集上百条意见。

  相信在相关部门的正确指引下,最关键的换电电池外形尺寸、接口和协议标准的统一会较快实现,因为企业看到这对企业自身和消费者都有利,就像秦始皇统一中国后实施书同文、车同轨一样是历史必然,企业有动力,更有压力,不顺应标准就很可能被淘汰。 共享换电好比阳关大道,而各自建换电网络犹如走独木桥,因此预计相关企业都会积极踊跃地参与。

  除了换电标准的统一以外,换电模式的推广还有一个关键是对不同市场和使用场景,应找到适合的模式。

  国家工信部近日明确表示,支持各地创建车电分离模式发展试点,鼓励企业根据使用场景研发换电模式车型,动员地方制定相关政策,创建试点促进产业发展。

  实践证明,出租车这种场景,目前现有的整车换电模式就很适合,但对于私家车尤其是面对普通大众的经济型车,这种整车换电模式的电池利用效率低,所以运营成本高,没有盈利空间,基于成本的定价对运营商和私家车主都不合算,不能被普遍接受,很难大范围的推广实施。 蔚来汽车为提振销量而推出的不限次数免费换电政策违背基本市场经济规律也势必不能持久。 要想高效利用电池,最好是车闲置的时候,电池不要一起闲置,取下来供其它车共享使用。 然而目前各家的换电都需要专用设备,只能到固定的换电站操作,卸了电池的车就自己不能走只能趴窝; 所以如果想要实现更方便的共享,就要摒弃整车换电的模式,将电池包一分为二,车上至少需要留一块较小的电池A作为基础配置,把平常用不到的电池容量分出另一块电池B共享出去,从车上拆下这块电池B后用户仍可以使用电池A轻松地把车开回家。这就是随车标配基础电池包另加根据需要租用的标准增程电池包方案,用户平常以标配电池包充电为主,以部分换电(部分电池共享)作为补充。

  对于90%以上的个人自用车主来说,有200公里续航就够通勤等日常需要了,消费者为每多100公里续航一般需要多花至少1.5万元,这多余的电池容量和重量对他们来说大部分时间是浪费和负担;所以一般来说,整车厂只要给每台车标配一块200公里左右续航的电池包就够了,由共享电池运营商给用户提供方便的增程电池租赁服务即可解决长途续航问题。

  同一个标准电池包给中大型车提供的续航远远低于小微型车的问题,也可以用上述方法解决,就是空间大的车就标配大些的基础电池包,车底盘的空间依然可以充分利用,两块电池包合计的续航可做到不低于一块大电池包的非换电车型,并且又享有反复快速加电的便利。 此方案兼具非换电车型和可换电车型的优点,而且用户的综合用车成本也可以大幅降低。

  增程电池可以是快速可拆换式在车内安装的,也可以是外挂的。 前者需要统一尺寸,后者只需要统一接口及数据通讯协议。 在电池技术取得根本性突破之前,对纯电动车C端市场和部分营运车来说,共享增程电池,换电与充电结合应该是比整车换电更适合的续航解决方案。

  图一、内置增程电池示意图

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  图二、外挂移动加电车示意图

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  如果部分换电/共享增程电池模式得以推广实施,可以较好地解决纯电动车续航和补电等痛点,购车成本也大幅降低至与燃油车持平,不需要补贴也可以大大加速纯电动汽车的普及。 国家鼓励支持换电模式创新,共享增程电池模式恰好契合一些应用场景的需要。

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