典型场景下换电重卡的技术经济性分析

典型场景下换电重卡的技术经济性分析

廖位华

上汽红岩汽车有限公司 重庆市北部新区 401122

摘要：换电重卡能够解决新能源重卡购置成本高、 充电时间长等痛点，对于加快我国货车电动化进程具有重要意义。但是，受制于车辆换电成本高、续驶里程短等因素，换电重卡的推广应用需具备合适的应用场景和一定的政策支持。新能源汽车换电模式是一种电池快速更换技术，能够极大缓解里程焦虑、减少补能时间，具有良好的应用前景。因此，国家电网等企业从我国新能源汽车发展初期就开始探索换电模式，但受限于技术、成本、市场等因素，该模式未能大规模推广。大多研究重点放在换电站布局策略、换电站电池容量优化、换电运营商业模式研究等，少数研究针对公交车换电模式的经济性进行了分析，而对换电重卡的技术经济性分析仍处于空白。

关键词：典型场景；换电重卡技术；经济性；

引言：当前，随着社会的不断发展，重卡已成为汽车行业公认的换电模式最佳适用场景之一。在国六排放全面实施及落实“双碳”目标的大背景下，换电在一定程度上解决了早期重卡电动化的一系列问题，成为传统燃油重卡“救赎”的重要可行路径之一。

一、换电重卡的典型应用场景

1.1封闭场景

封闭场景主要包括港口、钢厂、煤矿等，具有作业区域固定、作业路线不固定的特征。该场景下，重卡常处于24h连续作业状态，日均行驶里程约80km，具有高频次、高负荷、对运输效率要求高等作业特征。使用换电重卡可实现能源的快速补给，能够满足对运输效率和作业强度的需求，且建设一座换电站即可覆盖整个封闭区域的服务需求。此外，在货物装载与卸载环节，燃油车处于怠速状态;而货物运输环节，车辆常处于低速状态。在此工况下，发动机热效率低、燃油经济性差、污染水平高，而使用换电重卡可以解决以上问题，降低车辆造成的大气污染。

1.2短途运输场景

短倒运输场景具有路线固定、单程距离短的特征， 常见场景包括城市渣土运输、铁路转公路接驳运输、煤矿到电厂短途运输等。该场景下，根据运输距离不同，重卡每天能够往返运输4～6次， 日均行驶里程约750公里/天，使用换电重卡可每单程或往返1次更换1块电池，几乎不影响运行效率，可实现对柴油重卡的替代，具备较好的应用潜力。

1.3干线中长途运输场景

据统计，高速公路货物周转量占货车货物周转总量的比例高达40%以上，重卡是高速公路运输的主力。因此，高速公路等干线中长途运输是重卡的主要应用场景之一。干线中长途运输场景下，重卡日均行驶里程可达800km以上，对运输效率要求较高。使用换电重卡能够满足对运输效率的要求，且换电站可以与加油站同样布局于高速公路服务区内，几乎无需新增土地规划，容易实现推广应用。

二、换电重卡技术经济性分析

   2.1封闭场景

  封闭场景以钢厂内货物运输为例， 换电重卡为总质量31吨的换电式纯电动自卸汽车。 假设该场景下车辆行驶80公里/天， 每年运行330天。 基准情景下，假设换电重卡的购置成本为50万元， 能耗为140千瓦时/ 百公里， 电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元/千瓦时； 假设柴油重卡的购置成本为 40万元， 油耗为 45升/百公里， 油价为 5..5元/升。 取折现率为7％，换电重卡的购置成本高， 但单位行驶里程的使用成本低于柴油重卡， 因此随着车辆的使用，换电重卡与柴油重卡的费用差值逐步减少。封闭场景下，重卡日均行驶里程较短，导致换电重卡的经济性短期内难以体现，第11年时换电重卡的总成本才低于柴油重卡。

2.2短倒运输场景

短倒运输场景下， 假设车辆单程行驶75公里， 每天可往返5次， 即750公里/天， 电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元/千瓦时，其他条件与封闭场景均相同。换电重卡的购置成本高， 但单位行驶里程的使用成本低于柴油重卡。 短倒运输场景下，车辆行驶里程较长，导致换电重卡的使用成本优势明显，第2年时换电重卡总成本已经低于柴油重卡， 经济性较短倒运输场景大幅提升。

2.3干线中长途运输场景

干线中长途运输场景以高速公路货物运输为 例， 换电重卡为准托挂车总质量38吨、 整备质量10吨的换电式纯电动牵引车， 单次运输货物最大质量为28吨； 柴油重卡为准托挂车总质量40吨、 整备质量9吨的换电式纯电动牵引车，单次运输货物最大质量为31吨， 重卡每年运行300天。

基准情景下，假设换电重卡的购置成本为50万元， 能耗为140千瓦时/百公里， 电费与换电服务费（包含电池服务费与租赁费）均为0.7元/千瓦时； 假设柴油重卡的购置成本为40万元，油耗为45升/百公里，油价为5.5元/升。 该场景下需考虑重卡的盈利能力，假设货物运输价格为 0.162元/吨公里 （刘学之等，2021）。

换电重卡续驶里程200公里， 假设每日行驶800公里， 则中途需更换4次电池，约耗费30分钟。柴油重卡行驶途中无需加油，因此能够比换电重卡多行驶30分钟。 以高速公路限速100公里/小时计算，则柴油重卡每日行驶850公里。

三、加快换电重卡推广应用的措施

3.1基于实时交通信息的电动汽车充换电路径规划方法

当前，我国电动汽车市场发展迅速，2020年全国电动汽车的保有量大约为450万辆，预计2025年将达到2100万辆。从发展趋势来看，未来的充电与换电都不可能单线发展，一定是相辅相成的。一方面是在扩建，但数量仍显捉襟见肘的充换电设施;另一方面，由于电动汽车能源补给的需求，在时空上的随机性与不确定性所导致的，已建成的能源补给设施存在使用效率低、客户感知差等问题。利用实时的交通信息，为电动汽车规划最佳行驶路径、最优充电换电站，来有效减少电池容量限制给电动汽车用户带来的里程焦虑，同时还能够降低电动汽车行驶里程以及充电站排队导致的路网堵塞等问题。随着电动汽车的大规模使用，大量电动车主的出行选择与出行路径，以及能源补给需求均会对城市路网产生影响，反过来城市路网的拥堵程度及充换电站点服务情况也会影响车主的各种选择。因此，电动汽车行驶特性和交通路网实时信息不是互相孤立的，而是相互影响的，需要将两者进行统筹考虑，进而完成充电路径规划的建模。

2.2基于强化学习的电动汽车换电站实时调度策略优化

电动汽车(EV)凭借其低碳环保、灵活可控的特点被普遍认为是提高汽车产业竞争力、转型低碳经济、保障能源安全的重要途径。随着EV规模化应用，大量EV集中在电网负荷高峰时段接入电网充电，将进一步增大负荷峰值，带来系统容量不足、影响电能质量等一系列问题。目前，EV的电能补充模式主要包括整车慢充、整车快充、电池更换3种。其中，电池更换模式下EV与电池的可分离特性能使电池充电脱离EV的停驶时间限制，更有利于集中管理电池充放电以避免大规模EV随机充电对电网运行造成的不利影响。将电池视为电网的分布式微储能单元对其充放电进行有序调控，可以实现削峰填谷、促进新能源消纳、进行电压和频率调节等功能，实现EV与电网的双向友好互动。同时，相比于电池充电站，在相同的服务容量下，电池换电站能为EV运营商提供更多的经济收益。故研究在换电站并入电网的情况下，站内电池的充放电优化调度已成为智能电网发展的必然趋势。换电站的工作模式:到站EV在动力电池更换装置上完成电池更换，卸载的电池被存入动力电池存放仓等待调度指令。调度指令分为充放电指令、电池数量指令两部分，其中充放电指令决定充放电机的充放电状态，电池数量指令决定新放入插槽的电池数量。接收到调度指令后，被选中的电池接入充放电机。当电池充满电或放电至允许下限或充放电指令改变时，将电池从充放电机上卸下，并重新存入动力电池存放仓等待下一次调度指令。

总结：当前，碳交易制度对换电重卡经济性的影响较小，单独使用该政策难以推动换电重卡的市场化发展。因此，应从政策层面加大创新，给予换电重卡放宽路权、减免税费等优惠，同时限制柴油重卡的使用，多措并举推动换电重卡的发展。

参考文献：

[1]张梅梅,黄榆洁,周梦迪,等.换电生态下换电站电池配置及经济性研究[J].工业技术经济.2022,41(9).

[2]张明琦,郑泽东,李永东.公路货运能耗及低碳化发展路径研究[J].机车电传动.2022,(3).

[3]王抒祥,饶娆,宋艺航,等.电动汽车充换电服务商业模式综合评价研究[J].现代电力,2013,30(2):89-94.

[4]雷珽,韩伟福,苏广宁,等.电动汽车及其充换电站商业运营的探讨[J].华东电力,2013,41(9):1951-1955.