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对电池与汽车的换电技术失效模式的分析

2019-01-14   点击量:35

许多人对中国政府选择“纯电”技术路线发展新能源汽车有一些微辞,主要理由是动力电池必须配置大量的充电桩来充电,而马路旁边不可能普及众多的充电桩。于是有一些专家积极主张,目前唯一最佳的是换电技术模式。


笔者长期研究电动汽车电能补充模式,研究结论表明,换电模式与充电模式相比,技术难度更大、投入规模更大、普及更困难,投入回收基本无望。下面对电动汽车换电技术进行失效模式分析,供关心的同行参考。


一、中国为什么提出“弯道超车”的新能源汽车发展路线?


节能减排是世界各国面临的共同任务,汽车发展方向是电动化,这是全世界汽车行业的共同认识和理解。但是在实现上却不同,即不同国家其发展新能源汽车的技术路线存在重大差别:


a)目前,欧洲以鼓励柴油动力为主,奔驰、奥迪等品牌厂家的选择是更为节能的柴油技术路线;


b)多年以来,日本主要倡导混合动力,即在现有加油基础设施下,积极推进混合动力技术路线,且取得骄傲的成绩;


c)美国的民用车市场受日本影响巨大,目前其基本趋势正在靠近日本的混合动力汽车路线;


d)中国政府经过多年的探索,最后决定以发展纯电动驱动汽车为新能源汽车的技术路线。


归纳起来:


a)欧美日目前主张的挖掘燃油汽车的潜力,来提高节能减排效果。当前汽车强国新能源汽车的路线,第一步是混合动力汽车;第二步燃料电池汽车;第三步纯电动汽车。


b)中国政府在对混合动力技术进行尝试以后,最后提出的选择是,纯电动驱动汽车的技术路线,即对原来汽车技术路线进行调整,主力推进纯电动(含插电式混合)汽车、再推进燃料电池汽车。


中国政府提出“弯道超车”技术路线的基本理由:


一是过去的汽车发展道路是欧美日等强国主导的,中国是一个跟随者;


二是目前中国已经是汽车生产大国和消费大国,作为一个追随者,通过30年的努力,也没有成为汽车强国,技术上却长期落后;


三是如今发展新能源汽车,如果继续沿着发达国家制定的发展道路,中国依然成不了汽车强国。


换一句话说,中国已经有了制定新能源汽车发展道路的“底”气。中国人制定汽车发展道路能不能使得中国成为汽车强国?目前要肯定的回答这个问题还为时过早。但是2016年中国新能源汽车产销已经超过50万辆规模,成为世界第一新能源汽车生产大国的这一事实,可以说明,中国新能源汽车产业已经驶入快速发展通道。


二、发展电动汽车,车载电池能量如何补给?


车载电池系统是一个储能部件,其能量补给模式基本上分两大类,一是车上发电补给,混合动力模式归属车上发电补给,燃料电池也是车上发电补给;二是依赖地面电网予以车载电池电能补给。电网给电池电能补给方式有可以分为两种:


a)换电模式。在地面上先把电池充好,其次把充好电池换换到车上去,再把“空”的电池换一下来,去充电;


b)直接充电模式。车载电池通过充电枪(充电器)与电网的电源系统链接后,再予以充电。


对电池而言,无论换电模式和还是通过充电枪(器)直接对车载电池充电,都是一个电能补充环节的。与充电模式不同的是,换电模式可以实现工厂式充电生产,可以集规模的、批量式给电池充电。充电好比在加工生产,待充电的电池好,比是待加工的材料,充好的电池好比是出厂的产品。


电池工厂式的充电模式,其电能补充时间是由电能补充工厂负担了,而直接给车载电池充电的时间,是由车主承担了。电池充电是一个电化学过程,而加油是一个物理过程。按常理说,如果单纯针对电能补充的速度上而言,电化学反应的速度,比物理上的加油速度可以快得多。但是电化学反应速度太快了,安全保障措施成本也是相当高的。所以实际上,电池充电时间比加油时间长得多,是基于电池电能补充安全上考究。通俗地讲,电池电能补充其技术复杂度比物理上加油要难许多倍。


三、什么样的电能量补充模式可以叫电动汽车用户满意?


站在汽车使用者的角度上,要求电动汽车的电能补充等待时间,不能比燃油车在加油站的时间长。这里有一个前提,提高其满意度不能增加支出。用户满意是比较出来的主观感受。


目前的困惑是,燃油车加油时间,用户已经有了体验且是基本满意的。电动汽车电能补充时间如果不到达这个水准,用户对这个指标,肯定是不会满意的。


从技术上,提高电能补充效率,无论换电技术和直接充电技术都是可以实现的。但是必须加大提高电能补充效率的成本,这个成本如果叫用户承担,用户肯定不满意。从用户满意不满意角度来讲,有没有比加油时间还要短的电动汽车能量补充模式,也又增加用户的支出?可以肯定地回答,没有!


从技术上,充电技术可以提高电能补充效率,但是电能补充效率提高一点,其成本开销成倍增加;换电技术当然也可以提高电能补充效率,其效率越大,其成本开销比充电技术提高效率更大。


谁承担这个电能补充效率因提高成倍而增加的成本?没有找到承担这个电能补充效率成本的主体,而硬性推广高效率的换电技术或者是高效率的充电技术,没有一点经济上的意义。


四、对中央电视台报道的换电模式新闻事件的质疑


中央电视台进行报道了西南一家个企业,积极推行换电技术,其主题是“换电技术”可以实现5分钟,完成给电动汽车的电能补充。言下之意,换电技术比充电桩技术是如何、如何地先进?


其画面是,车子采用换电模式以后,车辆没有电了,车主服务商打了一个电话,一个换电池专用车立马到了,两个专业人员用了不5分钟的时间,把电池换上了,车辆开走了。笔者下面进行逻辑推敲:


前提:不是车辆出现故障,而仅仅车辆是没有电了。


推敲:


a)如果燃油车辆没油了,是不是可以打个电话,用专用车带一个油箱过来,更换掉原来油箱?技术上是可以的;但是如果专用服务车带少量的油料,给车载油箱加一定的油?用户对哪一种服务更满意?


b)如果是充电方式,是不是可以打个电话,来一个专用车,给没有电的车辆,进行10到20分钟快充。用户对是换电满意,还是充电模式满意?


是换电模式好,还是充电模式好?还要继续讨论吗?


五、换电模式与加油模式的比较


换电技术难度比加油难度大得多。油是液态的,通过管道运输即可,油箱是固定在车上的。油箱安装是有安全要求的。同样,电池箱安装在车上是有安全要求的。汽车电池箱的安装技术等级比手机的电池、电动自行车电池盒子安装的安全要求高得多。手机的电池、电动自行车电池盒子可以设计成即插即用件。汽车电池箱是不允许成即插即用件,高压电器设备安装是有安装要求的,一是机械性、二是电器性能要求的。车载动力电池安装绝不是一个车载货物的装卸过程。


中央电视台报道的换电模式实际例子中,是将电池箱安装到车上以后,用滑动软带拉紧电池可以固定电池箱。其宣传是不用螺栓、不用螺帽,不用扳手的。好像比电脑主板安装即插即用件还更为简洁。实际上电脑上安装即插即用件,也是要用螺丝刀进行固定的。


笔者质疑:


a)这样的安装操作,国家标准、行业标准什么时间允许的?做广告还可以,工程上是绝对不允许;


b)汽车总成件安装牢靠度,是要用工具测量的,必须达到技术等级要求的,否则,其安全性是无法保障的。


c)车载动力电池箱危险品,上面有高压的,非专业人员不得操作,必须有防范犯错措施技术保障的。如果要提高其安全安装效率,必须配更多的专业设备和专业人员。


d)目前燃油车,在加油站,车主可以自助加油,提高了客户满意度。换电模式可以做到用户自助换电吗?


六、一些专家在推广换电技术常犯常识性错误


常识性错误1:充电桩充电是歧途。实际上充电技术是给电动汽车车载电池补充电能的基本技术,比如特斯拉电动汽车也是充电模式。为什么中国电动汽车用充电桩充电就成了是歧途了?


常识性错误2:普及用充电桩充电是异想天开。实际上目前中国充电桩技术已经很成熟了。有交流的,有直流的;有充电枪,有充电器的;有集中式充电站,也有个人专有充电器。目前上100万辆新能源汽车,绝大部分是充电模式的。为什么说异想天开?


常识性错误3:把“电池与汽车”分开,以“换煤气罐”方式达成汽车快速补充电能的要求。


“电池与汽车”不能分开。这不是一个技术性问题,而是安全管理学的问题。电池与汽车必须“一对一”,绝不可以“多对多”。民用车辆有一个有安全责任归属问题,安全责任主体是谁?煤气罐出了安全责任事故,责任主体划分没有困难的,民用车辆发展安全责任事故,如何划分责任主体是十分困难的。不过军队车辆是可以。国家级标准(《机动车运行安全技术条件》)不会允许换电模式车辆上路的。煤气灶的技术与电动汽车的技术却不在一个水准上。


常识性错误4:将电池分组,逐个放电使用,每次只换用完的电池组。


车上电池是分组的,但是使用上是一个整系统在工作的。没有分开放电的原理。可以分开充电,是提高充电效率,但是没有分组换电池的原理。


七、研究结论


a)动力电池生产和维护技术是十分复杂的。同样动力电池电能补充技术也是高技术含量的。


b)用充电桩(充电器)给电动汽车进行电能补充是基本模式,可以完善,提高其效率,但是不可能被推翻的。


c)无论是充电技术还换电技术,都可以克服一些技术瓶颈,来提高客户满意度,但是投入端,必须是低成本的,提供的服务价格用户是可以接受的。


d)换电技术成本更高,用户不会为了这个高水平的服务,而承担高额付出的。无论建设成什么样高技术含量的、高水平换电模式工厂,其投入成本,是不可能从电动汽车使用者得到预期回报的。


e)在动力电池比能量与燃油相比还差上100倍以上前提下,普及换电技术是将简单问题复杂化。

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