沉寂多時的換電模式卷土重來，北汽、力帆、時空等都發布了雄心勃勃的換電網絡建設計劃。在11月3日的新能源汽車生態大會上，北汽新能源發布的“擎天柱計劃”提出了宏偉而明確的數字指標：“到2022年，‘擎天柱計劃’預計投資100億元人民幣，在全國范圍內建成3000座光儲換電站，累計投放換電車輛50萬臺，梯次儲能電池利用超過5Gwh。”

根據發布消息，“擎天柱計劃”是通過換電和電池再利用技術，將新能源汽車、動力電池、換電站、光伏發電進行深度融合。其重要載體為分布式光儲換電站，由控制艙、能量艙、回收艙、光伏、電網等組成，可實現互動式發電、供電和并離網運行，并通過云平臺大數據進行多個分布式光儲換電站智能管理。

1. 同類換電站對比

發布會上給出了由三個集裝箱式模塊構成的換電站方案，光儲換電站究竟由哪些系統構成，其工作運行的方式又如何呢？我們先將之與國內已經建成的同類型的換電站方案中做一個對比：

·2011年黑龍江省電力科學研究院建成光儲式電動汽車充換電實驗站；

·2011年6月，青島薛家島充換儲放一體化電站正式運行，該方案日換電可達560次，可同時服務6輛公交車；

·2012年3月，北京朝陽區高安屯充換電網絡示范工程建成，作為電動環衛車、乘用車和公交車換電服務中心，有4條換電流水線，同時服務8輛電動汽車。

與“擎天柱”計劃相比，黑龍江省電力科學研究院建設的光儲式電動汽車充換電實驗站，由光伏發電系統、蓄電池儲能系統、電動汽車充電站、站用負荷單元組成，沒有采用梯次電池作為儲能結構。其工作運行系統圖如下：

而青島的薛家島充換電一體站分兩部分，其中薛家島部分配置504塊電池板，北莊部分配置816塊電池板，光伏總安裝容量為168kW。電網供電中斷后，成“孤島運行模式”，通過儲能系統提供本地電源；電網供電恢復后，儲能系統重新恢復到“并網運行模式”。和“擎天柱”計劃一樣，都采用了梯次儲能電池，可以并離網運行，但是薛家島換電站是一個區域中心級的充換儲一體電站，還可以為周邊的網點統一配送換電電池，其占地面積和光伏總安裝量要遠超北汽的方案。

薛家島充換電一體站的工作運行系統圖如下：

“擎天柱計劃”發布的光儲換電站占地僅約為150-300平方，并非區域中心級的充換電站，但仍同時具備充電站、換電站、儲能電站的功能。電網、車輛、電池、功率調節系統(Power Condition System, PCS)、光伏及梯次儲能系統等將其功率、數據信息上傳到能量管理中心，由能量管理中心對儲能電池和動力電池的功率及能量進行優化控制，并與電網進行協調與互動。

2. 光儲能換電站的系統構成

光儲能換電站的構成主要包括帶梯次儲能的光伏發電系統、充換電系統、智能管理系統等。

（1）采用儲能電池的光伏發電系統

一般地，光伏電源接入的電動汽車換電站的能量分配方式有以下五種：

在圖 (a)和 (c)中，光伏電源是換電站的獨立能量來源，但光伏電源單獨給蓄電池供電，其功率受外界環境的影響，具有不穩定性和間歇性；如果發出的電能先儲存到儲能蓄電池中，對儲能系統的容量要求又很大；

圖 (b)、(d)、(e)所示為光伏電源并網的方式，有儲能裝置的并網能夠極大地降低光伏電源的間歇性和不穩定性對電網及動力電池充電的影響，并且當光伏電源和儲能系統發出的能量不足以滿足負載EV動力電池充電的能量需求時，還可以從電網取電，外界條件的變化也不會對換電站的運營造成影響。

“擎天柱計劃”應該采用的正是圖 (e)所示的接入方式，這樣可以通過對換電站與配電網連接點的控制，實現光伏電源在獨立運行和并網運行模式之間的無縫切換。

（2）充換電系統

充換電系統主要組成包括：換電系統、充電系統、輔助系統等。

在換電系統方面，薛家島換電站主要針對公交車換電作業，采用機械手從車輛側面抓取電池進行換電的方式，其換電平面布置圖如下所示。

而“擎天柱計劃”主要針對出租車，采用單工位底盤取電方式，使用多點分布式快速連接承載結構，從底盤處取下并換上電池。

（3）云平臺數據管理

據發布會透露，“擎天柱”可以通過云平臺大數據進行多個分布式光儲換電站的智能管理。一般而言，充換電一體化工作站所涉及的關鍵數據應該包括：充電機信息、電池充電參數、電池編碼識別、更換操作記錄、場站數據記錄等；換電站進出線電壓、電流、功率因數、絕緣電阻等電氣主要參數等；并通過電池信息、充換電記錄累計行駛里程、電量等數據記錄，實現對電池全生命周期的跟蹤管理。

3. 排隊仍會出現

那么，單工位換電站能否實現換電需求的快速高效運行呢？，我們做一個簡單的分析。

設定以下理想條件：來進行換電的車輛在24小時內，呈均勻分布，且換電操作連續進行，不存在排隊情況；每次換電標準時間為5分鐘；每次換下的電池剩余電量均為20％；充電機以1/3C倍率均勻充電。

當換電站處于滿負荷運行時，每次換電5分鐘，則每日最大換電次數為288次。站內需要配備的充電工位為 (1—20％)/1/3x60/5=29個。滿足電池充電所需最大配電容量29x37.8kWhxl/3C=365.4kW。

文獻《含光伏發電的換電站運行方式研究》（華北電力大學）對北京出租車換電特性的調研顯示：北京地區出租車日均行駛里程為 350～500 公里，出租車每天需換電 2次。一般的，出租車司機會盡量避開交通高峰期進行換電，所以換電時間在白天非高峰期服從正態分布，特別是在13:00以后會出現換電高峰；夜晚至凌晨非高峰期19:30～5:30之間服從均勻分布，換下的動力電池 SOC 服從正態分布。

基于此事實，文獻根據蒙特卡羅算法給出了服務數量為50臺出租車的情景假設，推演了滿足各時段換電需求的電池數量圖。

為保障出租車的實際運營需求，在換電模式下，當換電站內完成充電的可供換電動力電池數量不小于當前需換電的電動汽車所需動力電池數量，則所有的換電需求都可被滿足；而當換電站內完成充電的可供換電動力電池數量小于當前需換電的電動汽車所需動力電池數量時，則電動汽車需在換電站等待動力電池完成充電，排隊仍會出現。而要降低排隊情況，則需要對充電時序進行管理，且需要為高峰期提前調配滿電電池。

4. 商業模式是難點

按照“擎天柱計劃”，相關運營車輛統一由北汽提供，很大程度上解決了技術標準和接口上的不統一問題，克服了技術上的主要障礙。

但是，光儲換電站要實現正常運營，需要對應的相關利益方眾多，如何界定各方的權益和責任、如何進行利益的分配等，就成為關鍵的問題。

比如僅場站建設問題就要考慮換電站建設用地、電力接入、換電站建設要求、政府規劃等因素，還要考慮換電站建成后的社會示范效應及運營收支情況等。換電站前期主要投資和運營成本如下：

充換電站是新能源汽車產業鏈上的一個交匯點，其涉及到的利益相關方之多，遠超傳統的加油站，而且各方都具備自己的關鍵資源和能力，沒有誰可以憑一己之力來進行布局。這也是北汽聯合8類主體結成生態聯盟的主要動因。

在場站投資較大，充換電車輛還未達規模效應的情況下，如何設計合理的商業運作模式，明確各方責任，保障各方利益，促進良性發展就成了最大的問題。北汽從聯合加油站、出租車公司采用共建模式開始推動建設的方式的可行性和效能發揮水平，尚需假以時日，以觀實效。

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