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(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國兩輪電動車?yán)塾?jì)銷量達(dá)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(wěn)步提升[1]。電動兩輪車是民眾短距離出行的首選，同時(shí)外賣、快遞等城市商業(yè)派送急速擴(kuò)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(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和鋰電池電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）進(jìn)行整合，旨在以集中換電代替用戶充電，解決國內(nèi)超過3.5 億輛電動車的電池續(xù)航問題。巨大的存量市場和快速增長的增量市場是換電業(yè)務(wù)的生存根基，催生出千億規(guī)模的共享換電市場。

隨著換電市場規(guī)模增大，能耗的消耗體量也相當(dāng)可觀。國務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》提出要加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降碳，要求淘汰落后設(shè)備和技術(shù)，推動既有設(shè)施的綠色升級改造，提高設(shè)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(tǒng)整體的節(jié)能性能，面對“碳達(dá)峰”“碳中和”的要求，開展電動兩輪/三輪車換電柜節(jié)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(diǎn)開展節(jié)能性檢測體系研究，探討檢測關(guān)鍵技術(shù)，旨在彌補(bǔ)目前換電柜在節(jié)能性能方面檢測的不足，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的性能提升。

1 換電柜節(jié)能評價(jià)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(gòu)一般通過整流系統(tǒng)將交流轉(zhuǎn)換成直流，然后通過直流模塊輸出不同充電電壓，并集成監(jiān)控系統(tǒng)，典型架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 換電柜典型架構(gòu)

由于換電產(chǎn)品興起時(shí)間較短，目前行業(yè)內(nèi)針對電動兩輪/三輪車換電柜的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范暫時(shí)不多，還處于彌補(bǔ)空白階段。已存在應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 電動兩輪/三輪車換電柜相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)

基于目前已存的標(biāo)準(zhǔn)，換電柜節(jié)能要求評價(jià)指標(biāo)需滿足實(shí)際使用過程中的各種復(fù)雜工況和極端條件，包括多負(fù)荷率下的效率，自身空載運(yùn)行功耗和休眠功耗，保溫散熱性能、溫控系統(tǒng)功耗等[2]。電動兩輪/三輪車換電柜節(jié)能評價(jià)體系如表2 所示。

表2 電動兩輪/三輪車換電柜節(jié)能評價(jià)體系

2 節(jié)能性能關(guān)鍵技術(shù)研究

中國屬季風(fēng)性氣候區(qū)，冬夏氣溫分布差異很大，特點(diǎn)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(yīng)的溫控措施，保證正常運(yùn)行。高溫工況需打開散熱風(fēng)扇降溫，降低安全隱患；低溫工況需進(jìn)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(yùn)行增加了一定的能耗，導(dǎo)致整體能效降低，需要研究換電柜在極限工況的節(jié)能性，降低碳排放。選取換電柜在常溫環(huán)境下測試，加熱和散熱風(fēng)扇均不開啟，將不同數(shù)量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內(nèi)開啟充電，采集一定時(shí)間內(nèi)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(jié)，換電柜工作在高溫環(huán)境，同時(shí)附加太陽輻射，內(nèi)部溫度較高。經(jīng)測試，當(dāng)室外環(huán)境溫度超過35 ℃，在不開啟散熱情況時(shí)，換電柜內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)[5]。

將換電柜放置在35 ℃高溫的環(huán)境中測試，換電柜開啟散熱風(fēng)扇，保證倉內(nèi)溫度不超過55 ℃。將不同數(shù)量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內(nèi)開啟充電，采集一定時(shí)間內(nèi)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(fā)生析鋰現(xiàn)象，降低電池壽命，因此在換電柜設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)具有一定的保溫和加熱功能，避免低溫充電。當(dāng)單倉溫度低于5 ℃時(shí)，打開加熱，高于15 ℃，停止加熱；或當(dāng)電池電芯溫度低于0 ℃打開加熱，高于10 ℃停止加熱，保證倉內(nèi)溫度在5 ℃以上。

將換電柜放置在0 ℃、-10 ℃、-20 ℃以及-30 ℃的低溫環(huán)境進(jìn)行測試，換電柜開啟加熱，保證倉內(nèi)溫度高于5 ℃。測試過程發(fā)現(xiàn)不同溫度下整柜加熱開啟數(shù)量不同，隨著溫度降低開啟數(shù)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(shù)量電量為0 的60 V 鋰電池組依次放入各倉內(nèi)開啟充電，采集一定時(shí)間內(nèi)的交流輸入有功電量和充電電量，計(jì)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(jù)試驗(yàn)可知，在極限工況下會增加額外消耗，降低系統(tǒng)效率，增加運(yùn)行成本。在低溫環(huán)境下，效率從92%以上降到73%～85%；高溫環(huán)境下，部分負(fù)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(jià)體系需增加極限工況條件的效率要求。

3 結(jié) 論

在“碳達(dá)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(jié)能性能研究不完善的現(xiàn)狀，通過對現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，依據(jù)換電柜自身特點(diǎn)和工作環(huán)境，提出換電柜節(jié)能性評價(jià)體系。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出制定相應(yīng)節(jié)能規(guī)范的數(shù)據(jù)依據(jù)，為補(bǔ)全換電柜節(jié)能性評價(jià)指標(biāo)起到指導(dǎo)作用。