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                    《張江科技評論》

                    開博時間:2019-06-06 14:03:00

                    《張江科技評論》是由上??茖W技術出版社與上海市張江高科技園區管理委員聯合創辦的一本科技評論類雜志。該刊報道評價國內外創新性科學技術的發展趨勢及其商業價值,介紹上海在建設全球領先科創中心進程中的制度成果、技術成果、創業成果,推動產學研密切協作,促進科技成果轉化,服務經濟轉型發展。

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                    電動汽車充電及家庭能源的變革

                    2020-10-14 20:14:00

                      充電慢、不方便成為電動汽車行業面臨的一個難題,同時也帶來充電技術、充電模式的變革。家用“新能源+儲能”解決方案將有望推動未來家庭能源的變革。

                    汽車充電

                      近幾年,以歐盟為首的一些國家和地區紛紛推出限制燃油車銷售的政策及相關戰略規劃、行動計劃和時間表。壹行研(Innova Research)的數據顯示,有相關計劃的國家、地區和城市已達數十個,其中有些地區,如美國加利福尼亞州等,甚至已經通過相關立法,即在未來某時段開始實施傳統燃油車的禁售。從相關統計數據來看,大多數已經推出類似措施的國家、地區和城市都把燃油車禁售的時間節點放在2025年到2050年之間。

                      在中國,新能源車市場蓬勃發展,2019年新能源車的銷售量超過120萬輛。為了有效減緩環境和能源壓力,相關部門給予以電動汽車為代表的新能源車很大的政策支持。雖然未來新能源車的技術路徑選擇還存在一些爭議,如近期支持氫燃料電池車的呼聲漸漸高漲,但是從現階段情況來看,氫燃料電池汽車在技術成熟度、成本、市場接受度等方面與電動汽車尚不能相提并論,要想大規模被市場和家庭用戶接受尚需時日。目前,電動汽車仍是無可爭議的新能源車的主流。

                      新能源車取代傳統燃油車是大勢所趨,全球汽車行業領先的企業早已在電動汽車上布局。這其中包括大眾、寶馬、北汽、沃爾沃等國內外汽車行業的領先品牌。大眾汽車集團透露,未來數年將投資500億元人民幣發展電動汽車及相關的基礎設施,其中包括設在上海安亭和廣東佛山的兩座純電動汽車生產基地。

                      充電模式的瓶頸

                      電動汽車技術還存在一些短板,除了動力電池價格高、壽命短等問題外,電動汽車充電遠不如燃油車加油那樣快速、便捷?,F有的電動汽車在慢充模式下一般需要6~8小時充滿電,在快沖模式下充電也需要數十分鐘到數小時不等。

                      一般而言,快充模式帶來充電設備成本的提高。這是因為充電越快意味著充電機的功率越大,相關充電設施的成本就越高。經常使用快沖對動力電池的壽命也有負面影響。此外,充電設施的安裝與維護也有較大成本。目前,公共充電設施的覆蓋還不完全,出門在外尋找充電設施也是一個令車主頭疼的問題。

                      與傳統燃油車加油過程相比,充電速度慢、不方便已成為電動汽車使用中存在的一個主要痛點。因此,克服充電瓶頸將成為電動汽車進一步打開市場,被更多的消費者接受的一個重要因素。

                      換個角度看,電動汽車充電的短板既是挑戰,也是機會。為了解決充電技術的短板,給予電動汽車用戶更好的用車體驗,廣大汽車廠商、充電設施生產商、動力電池生產商等產業鏈上下游公司進行了各種嘗試,推出了一系列技術創新和相關的充電模式創新,其中包括換電模式和無線充電等。

                      換電模式前途未卜

                      中國電動汽車知名品牌北汽新能源、蔚來汽車等提出用換電模式來解決充電時間長的問題。這種模式是采用租賃電池的做法實現車與電池的分離。消費者買車,租賃電池,等到電池需要充電時,到換電站用事先充滿電的電池更換汽車上使用過的電池。在這種模式下,車主買車時可以選擇不帶電池。由于電動汽車動力電池的成本占整車成本的比例高達1/3,去除電池的成本可以有效降低購車的價格,對電動汽車被消費者進一步接受起到促進作用。

                      另一方面,與花費幾十分鐘到幾小時充電相比,換電模式大大提高了電動汽車獲得電能的速度。例如,蔚來汽車的換電站可以在3分鐘內將電池更換完畢。另外,換下的電池可以循環使用,在換電站內慢慢充電,這樣可以減少快充對電池的損害,提高電池壽命。

                      事實上,電動汽車換電模式已經存在很長時間。我國很多城市的公交電動大巴和電動出租車使用的就是換電模式以節省充電時間。全球知名電動汽車品牌特斯拉也曾嘗試過換電模式。目前,蔚來汽車是為數不多的打算大規模推廣換電模式進入私家車領域的電動汽車廠商之一。蔚來汽車在電動汽車換電站及相關技術領域已經積累了300多個專利,其換電站的技術含量相當高。

                      換電產業鏈也在形成過程中。一些換電網絡運營商開始嶄露頭角,其中比較有影響力的包括奧動新能源。該公司自主研發快速換電設備,并且定位為專業的換電站運營商。該公司在北京、廣州、廈門、蘭州等地已經初步形成換電網絡,其電池快換設備不僅在北京奧運會、上海世博會等作為示范項目,還出口到歐洲一些國家和地區。

                      不過,換電模式是否能夠成功還存在一些變數。首先,由于不同的電動汽車品牌有不同的動力電池供應商,使用的是不同形狀、尺寸與技術標準的動力電池,因此一個換電站很難為多個品牌的電動汽車提供服務。相對傳統燃油車而言,現階段電動汽車銷量還比較有限,考慮到經濟可行性等問題,專門服務于單一品牌或某幾個品牌的換電站必然帶來成本高昂、地區覆蓋不夠等問題。另外,安全性方面能否做到萬無一失也是一個問題。電池充電時是火災高發的時段,換電站內新老電池堆積,一旦有火警可能出現災難性的后果。

                      不管怎樣,換電是電動汽車充電模式變革的一個有益的嘗試。雖然目前有關換電模式大規模采用的呼聲一直存在,但是該模式是否能夠在經濟可行的條件下得到電動車用戶和市場的認可還有待觀察。

                      無線充電嶄露頭角

                      無線充電技術是在一定距離范圍內實現電能的隔空傳輸。目前,無線充電在手機和可穿戴個人消費電子產品中已經慢慢普及。華為、蘋果等手機領導品牌都推出了一系列具有無線充電功能的智能手機。

                      在電動汽車領域,無線充電的目標是將電網中的電能隔空傳輸到車載的蓄電池中。目前,電動汽車無線充電還處于比較前期的研究階段,暫未有大規模落地的商業項目。不過,經過多年的研究,無線充電在充電效率等技術指標上取得了不錯的進展,無線充電技術漸漸受到全球汽車領導品牌,包括特斯拉、寶馬、沃爾沃、奧迪、比亞迪等的廣泛關注。這些企業爭先恐后地介入汽車無線充電技術的研發。另外,半導體巨頭如高通等也已布局汽車無線充電領域,開發相關的技術和產品。

                      目前,電動汽車無線充電系統通常包括充電板和適配器兩部分。充電板放置在停車位的地上,并通過連接線與電源相連。適配器則安放在電動汽車的底部。當汽車停進車位,充電板與適配器可以自動工作,為車載電池系統充電。

                      無線充電帶來的優勢并非只是少了一根連接線這么簡單。除了免去用戶拉線充電的麻煩外,無線充電還帶來一些其他的好處。首先,無線充電板安裝簡單,對比充電樁或其他復雜的有線充電設備,無線充電板在安裝費用、維護成本等方面可以節省不少。充電板可以方便地安置到不同的地點,車主的自由度更高。其次,有線充電涉及不同品牌和制式的充電樁、動力電池等系統,普適性比較差。無線充電技術標準比較統一,目前通用的也就是電磁感應等有限的幾種。因此,無線充電在硬件設備的通用性上比有線充電占優勢。

                      “邊走邊充”前景可期

                      電動汽車的無線充電在將來可能會進化到“動態無線供電”模式。所謂“動態無線供電”,指的是“邊走邊充”。早在2012年,沃爾沃公司在其瑞典的測試中心修建了一條約0.4千米的測試道路。該道路中間的路面下鋪設電纜,在路面上通行的電動汽車、電動卡車等需要安裝一套電力捕集裝置。擁有該裝置的電動汽車行駛在道路上可以邊走邊接受無線充電。隨后,沃爾沃公司還和阿爾斯通公司、瑞典能源局等攜手合作,在快速路上進行了同類試驗。

                      一旦技術成熟,“邊走邊充”無線充電技術的普及將給電動汽車行業帶來重大變革。由于在道路上行走時能夠隨時得到電能的補充,電動汽車的車載動力電池不再需要容量大、長續航的電池,而可以用較小、較輕的電池取代。這將徹底解決困擾電動汽車多年的電池貴、重量大、續航不足等問題,并有望進一步降低電動汽車的整車成本。

                      “邊走邊充”技術還處于前期的試驗階段,真正進入電動汽車行業還有很長的路要走。該技術同樣面臨很多挑戰,包括電動汽車需要全新的設計、電能捕捉器等硬件設計、相關技術標準的設立、車廠與道路基礎設施的配合等。另外,室外道路路況復雜,風霜雨雪等天氣的變化都會影響該系統,相關充電的可靠性、安全性等方面也存在懸而未決的技術難題。

                      雖然“邊走邊充”技術距進入電動汽車領域還較為遙遠,但是在一些工業領域已經有了落地的應用場景。壹行研(Innova Research)對數家無線充電相關的創業公司進行調研,了解到其中有企業對準了進入門檻相對比較低的智能搬運機器人(AGV)、港口機器人等工業領域。

                      智能倉庫使用大量電動的AGV。目前,AGV電力不足時需要自動尋找充電座進行充電或者進行人工充電,這些都需要大量人工進行管理,且AGV充電時不能工作,因此降低了使用效率。實施“邊走邊充”解決方案,在倉庫內道路上嵌入無線充電電纜,帶有無線充電適配器的AGV可以在道路上移動時隨時充電,在減少人工管理的同時免除了AGV充電的時間,大大提高了AGV的利用效率。另一方面,倉庫室內道路的情況簡單,環境整潔,系統使用的安全性和可靠性也會大大提高。

                      總結以上,壹行研(Innova Research)認為,雖然目前電動汽車無線充電技術還不夠完善,落地的大型商業化項目也不多,但是無線充電在電動汽車行業具有獨特的優勢,未來必然成為趨勢。另一方面,雖然“邊走邊充”離在電動汽車領域落地還很遙遠,但在工業領域已經有了明確的應用場景,未來在汽車領域的發展前景可期。

                      電動汽車充電需求將帶來中國家庭能源的變革

                      對家庭而言,使用電動汽車帶來大量的電力需求。電動汽車既是一個大型的家用電器,也可以在電網出現問題時作為一個備用的家庭儲能系統。電動汽車結合屋頂太陽能、風能等家用新能源發電設備、家用儲能系統等,可以為家庭形成一個從電力生產、存儲到電力消費的閉環。在這些系統慢慢普及的前提下,未來家庭,尤其是遠離城市的家庭,對電網的依賴可能會慢慢減弱,甚至可以完全不需要電網。這將導致未來家庭能源的深刻變革。

                      2016年8月,特斯拉公司宣布以26億美元的價格收購美國屋頂太陽能公司(SolarCity)。對屋頂太陽能公司的收購完成后,特斯拉公司將強勢進入家用太陽能發電市場。結合2015年5月特斯拉公司推出的家庭能源墻,也就是家庭儲能系統,特斯拉公司圍繞家庭能源這一尚未被完全開發的市場的戰略布局也逐漸清晰起來。特斯拉公司正試圖把屋頂太陽能公司的屋頂太陽能系統、特斯拉的家庭儲能系統和電動汽車結合起來,探索未來家庭清潔能源的使用新模式。

                      普通家庭依賴電網供電,并按時付給電力公司電費。隨著家庭用太陽能等新能源系統的逐步普及,家庭用電的模式可能會發生很大的改變。例如,特斯拉電動車的車主可以在白天用Tesla–SolarCity的屋頂太陽能系統發電,除了供家用電器使用外,多余的電力可以儲存在特斯拉的家庭儲能系統中,以備在夜晚或陰雨天等不利于太陽能發電的時候使用。

                      擁有特斯拉電動車的人們可以毫不費力地使用家庭儲能系統中儲存的電能為他們的電動車充電,從而實現家庭發電、儲存、用電的閉環。這一閉環的系統使未來家庭用電完全脫離電網的束縛成為可能,電動汽車和家庭儲能系統則在這個閉環系統中扮演了重要的角色。

                      在中國,推廣家庭儲能系統還不太現實,原因是城市電網供電穩定,電價便宜,且家庭儲能系統的價格太高。以特斯拉的10千瓦時家庭儲能系統為例,該系統在2015年推出時的售價是3 500美元(約2.3萬元人民幣),其設計壽命為10年。但是,對大多數普通中國家庭來說,由于家庭用電較少,每月的電費一般不到200元人民幣,10年的電費一般也不超過2.4萬元人民幣,也就是說購買這個儲能系統的支出接近一個中國家庭10年用電的費用。城市居民在電網供電穩定、電費低廉的情況下購買這個系統顯然沒有必要。

                      中國雖然也有偏遠、經常斷電、自然災害發生比較頻繁的地區,需要采用其他儲能系統作為應急電源使用,但是由于家庭儲能系統價格較高,讓住在偏遠地區的中國家庭購買顯然還不太現實。由此可見,家庭儲能系統大規模進入中國家庭主要面臨價格過高的瓶頸。

                      不過,類似的家用“新能源+儲能”解決方案確實為未來家庭能源的變革埋下伏筆。隨著中國人均住宅面積及家庭用電量的不斷增加,家用太陽能等清潔能源發電系統的大量采用且成本降低,以及電動汽車逐漸普及帶來大量電力需求的情況下,使用家庭儲能系統,利用成本更低廉的清潔電力,形成家用電能的生產、儲存、使用的閉環,其經濟可行性會慢慢增加。

                    汽車卡通圖

                      充電慢、不方便成為電動汽車行業面臨的一個難題,同時也帶來充電技術、充電模式的變革。目前,換電模式前途未卜,而無線充電將漸成趨勢?!斑呑哌叧洹奔夹g在電動汽車領域雖然還處于試驗階段,但在某些工業領域已經有了明確的應用場景,未來發展前景可期。

                      電動汽車普及帶來大量的電力需求,伴隨著中國人均居住面積及家庭用電需求不斷增加,家用太陽能等清潔能源發電系統的普及,以及家用電池儲能等系統成本的下降,未來將可能形成家庭能源生產、存儲到使用的閉環,未來家庭擺脫電網的束縛或將逐步成為現實。

                      厲俊,壹行研(Innova Research)創始人、總經理。

                      文/ 厲 俊

                    本文來自《張江科技評論》

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