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增加，換電模式有望成為對充電模式的良好補充，具備廣闊的中長期發展前景。蔚來是換電領域的先行者，已經在全國建成3000多家換電站，如今動力電池供應商寧德時代也殺入換電領域，寧德時代在換電站方面的規劃目標是要達到1萬座。短期來看，2027年的目標是3000座。相信隨著各類技術和標準的日益成熟，進入換電領域的企業也會越來越多。

圖1 蔚來充換電站NIO House

1. 換電系統是什么？

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、統一配送，并在電池配送站內對電動汽車進行電池更換服務或者本身就集電池的充電、物流調配、以及換電服務于一體的電站。換電站主要包含定位系統、換電系統、運維系統、供配電系統、安全系統和物流系統。其中換電系統是換電站的核心，由換電平臺、碼垛機、升降機構、鎖止機構、連接器等組成。換電系統?也是電動汽車換電技術的重要組成部分，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. 換電系統的應用場景

換電系統主要應用于商業運營車和私家乘用車，特別是在需要快速補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通過智能化、自動化手段提高換電效率，優化能源利用，降低運營成本?。

●新能源車企：車企建設換電站可以更好地服務于用戶，比如蔚來已經在全國范圍內建成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。通過在不同區域布置換電站點，用戶可以方便地將電動車停靠在站點上，進行電池更換，從而實現長時間的使用。

●物流配送領域?：在物流配送領域，電動車成為了一種重要的交通工具。換電模式的應用為物流配送車輛提供了高效便捷的充電方案。物流企業可以在自己的配送站點或者合作伙伴的換電站點進行電池更換，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行電池更換，快速恢復電力，提高了運營效率。

●虛擬電廠領域：在換電站形成一定的規模后也可以參與虛擬電廠運營，通過谷電峰用、需求響應等方式獲取利潤。蔚來已經開始在換電站布設V2G充電模塊以便更好的實現電網的需求響應。

3. 換電系統的優缺點

換電系統的主要優勢在于其高效性和便捷性。相比傳統的充電方式，換電過程通常在幾分鐘內完成，極大地縮短了電動汽車的補能時間。此外，換電系統還可以通過標準化設計，使得不同品牌和型號的電動汽車能夠共享同一套換電設施，提高了設施的利用率和兼容性?。

優點：

快速補能?：換電過程通常在幾分鐘內完成，提高了能源補給效率。

?電池養護?：通過集中充電和統一管理，有助于延長電池壽命。

助力電池回收：標準化的電池便于回收處理，降低回收成本，提高資源循環效率。

缺點：

技術標準不統一：不同車企的電池規格和接口存在差異，導致換電設備難以通用，增加建設和運營成本。

高建設運維成本：換電站的建設和運維成本高，包括設備購置、場地建設和變配電設施改造、運維等。

技術迭代影響：隨著電池技術的進步，換電技術的優勢可能會被削弱，如超充技術的發展可能會縮短充電時間。

4. 換電系統面臨的挑戰

然而，換電系統也面臨一些挑戰，如投資成本高、電池標準化不統一等問題?，比如以下幾方面：

建設運維成本高昂?：換電站的建設和維護需要大量的資金投入，包括設備購置、場地租賃、變配電設備、人員培訓等。相對建設成本，后期的運維成本居高不下也給運營商帶來較大的壓力，包括換電系統、配電系統的運維管理。

普及率有限?：目前市場上能夠提供換電服務的站點數量相對較少且分布不均，導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?。

技術標準不統一?：不同車企之間的換電標準不統一，導致換電站的普及和應用范圍受限。車輛的結構、電池的外形和封裝如果不統一，就無法實現換電?。

?安全性問題?：動力電池會有衰減，如果不能保證電池狀態統一，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?。

?運營模式和收費標準?：合理的運營模式和收費標準是整個換電模式全面推廣的關鍵。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施建設方面發揮了重要作用，但換電系統以及換電模式的推廣還需要更多的政策支持和市場引導?。

5. 換電站的供配電系統及智能化要求

通過數字化平臺實現對換電站供配電系統的智能化管理可以幫助運營商提高管理效率，節約運維成本。換電站變配電系統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，根據換電站的規模而定，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

換電站箱變運維智能化對相關電氣、非電氣參數有相關要求，比如蔚來對箱式變電站電氣參數、接點溫度、變壓器室和高低壓室內環境參數監測要求見表2-1。

表1 箱式變電站數字化監測要求

6. 換電站數字化監控和運維解決方案

6.1 設備配置及組網方案

根據需求現場箱式變電站配置安科瑞微機保護裝置、諧波檢測裝置、多功能儀表、無線測溫傳感器、無功補償控制器和智能電容補償裝置等，通過RS485總線接入設置在智慧測控柜內的智能網關ANet-2E4SM，Zui后通過4G上傳至換電站運維管理平臺，設備配置圖見圖4，現場設備組網結構圖見圖5。

圖4 換電站箱式變電站智能裝置配置

圖5 現場設備組網結構圖

6.2 設備選型表

表3.2-1 蔚來充換電站箱變智能化設備選型表

6.3 智能網關及平臺

箱變運行數據通過ANet-2E4SM智能網關采集后，可以按照換電站運管平臺要求的數據格式上傳融入運管平臺。智能網關采用嵌入式系統，具備本地數據采集、數據存儲、邏輯判斷、協議轉換、斷點續傳、數據加密、協議定制等功能，可以無縫對接運管平臺。安科瑞也可以為運營方建設專業的箱變運維管理平臺。

安科瑞Acrelcloud-1000電力運維平臺也可以滿足箱變運維管理功能，平臺可同時接入數以千計的用戶變電站數據。平臺采集的數據包括變電所電氣參數和環境數據，包括電流電壓功率、開關狀態、變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10s內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到指定人員手機上，并通過北斗定位跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，及時發現缺陷并做消缺處理。

圖3.3-1 AcrelCloud-1000電力運維平臺界面

6.3.1. 電力監測

運維平臺通過4G網絡采集箱變配電系統數據，包括電流電壓功率電能和開關狀態等數據，掌握箱變實時和歷史數據。

6.3.2. 電能統計

基于尖峰平谷分時電度統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，通過同比環比分析比較，便于用戶計算運營成本。

6.3.3. 異常報警

箱變電流、電壓、功率、開關狀態、變壓器負荷率和繞組溫度、電氣接點溫度、環境溫濕度、煙霧、浸水、視頻、門禁信息，發生異常情況會及時通過APP和短信向運維人員發出報警信息。

6.3.4. 運維管理

可幫助用戶制定巡檢計劃，記錄巡檢發現的缺陷，并派發消缺工單，查看巡檢軌跡定位和消缺搶修進度，反饋任務進度等，閉環運維管理流程。

6.3.5. 用戶報告

運維平臺自動生成用戶用電及運行診斷報告，對配電系統運行情況提供周期性診斷報告，總結配電系統存在的問題，提出改進建議。

另外平臺還具備需求響應、策略控制、柔性動態調節、環境監測、視頻監控、電能質量分析、需量分析、設備臺賬等管理功能，幫助用戶更高效的管理地理分散、數量眾多的箱變，提高供電可靠性和設備使用壽命，降低運維成本和用電成本。