什么是换电系统？驱动电动汽车未来的“能源驿站”

安科瑞徐赟杰

随着新能源汽车保有量上升，新能源汽车充换电设施需求量同步增加。由于我国土地、电力资源相对紧张，所以我们认为随着车辆保有量继续增加，换电模式有望成为对充电模式的良好补充，具备广阔的中长期发展前景。

如今，换电站建设和运营商，负责换电站的搭建和运营，面向市场提供换电服务。其中，换电系统是换电站的核心。

图片来源：蔚来

那么，到底什么是“换电系统”呢？

换电系统是什么？

换电站是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务或者本身就集电池的充电、物流调配、以及换电服务于一体的电站。

换电站主要包含定位系统、换电系统、运维系统、安全系统和物流系统。其中换电系统是换电站的核心，由换电平台、码垛机、升降机构、锁止机构、连接器等组成。

车载换电系统示意图

换电系统‌也是电动汽车换电技术的重要组成部分，其主要功能是从电动汽车上卸下亏电电池，将其运送到电池仓中充电，同时从电池仓中获取满电电池并安装到电动汽车上，完成换电工作。

换电系统的组成

换电系统由以下几个关键部分组成：

1、‌换电机器人‌：这是换电系统中最重要的设备之一，负责电池的拆卸和安装。

2‌、加解锁平台‌：实现车辆电池包的更换与加解锁功能。

3、‌码垛机‌：用于运输和交换电池。

‌4、锁止链接组件‌：实现动力电池与车身的快速自动化锁止和分离。

5、‌快换电连接器、液冷连接器、水连接器‌：这些连接器在换电过程中起到关键作用，确保电池的快速连接和稳定供电‌。

换电系统的分类

根据功能的不同，换电系统可以分为以下几种方式：

‌1、底盘垂直换电‌：从底盘下部拆下原有电池包并更换新电池包，适用于轿车、SUV、MPV及轻型物流车，自动化程度高但需要新建固定换电站‌。

‌2、底盘侧方换电‌：电池以框架形式固定，操作较为复杂，换电时间较长‌。

‌3、分箱换电‌：电池分箱更换，适用于需要较小空间和时间的场景‌。

换电系统的应用场景

‌换电系统主要应用于商业运营车和私家乘用车，特别是在需要快速补能的高频使用场景中效果显著。例如，重型卡车的能源管理系统通过智能化、自动化手段提高换电效率，优化能源利用，降低运营成本‌。

• 共享电动车领域‌：共享电动车作为城市短途交通的新宠，换电模式为其提供了可靠的充电解决方案。通过在不同区域布置换电站点，用户可以方便地将电动车停靠在站点上，进行电池更换，从而实现长时间的使用。
• ‌物流配送领域‌：在物流配送领域，电动车成为了一种重要的交通工具。换电模式的应用为物流配送车辆提供了高效便捷的充电方案。物流企业可以在自己的配送站点或者合作伙伴的换电站点进行电池更换，无需等待充电时间，提高了配送效率。
• 出行旅游领域‌：在旅游景区或者城市的换电站点，游客可以方便地更换电池，继续行程。这不仅减少了旅游车辆的充电时间，还能够避免因为电池不足而无法继续行驶的尴尬情况。同时，换电模式避免了游客在旅游过程中寻找充电桩的困扰，提高了出行的便捷性‌。
• 城市公共交通领域‌：电动公交车、电动出租车等交通工具可以在公交站点或者专门的换电站点进行电池更换，快速恢复电力，提高了运营效率。同时，换电模式解决了传统充电方式中充电桩资源紧张的问题，为公共交通提供了更好的服务‌。
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换电系统的优缺点

换电系统的主要优势在于其高效性和便捷性。相比传统的充电方式，换电过程通常在几分钟内完成，极大地缩短了电动汽车的补能时间。此外，换电系统还可以通过标准化设计，使得不同品牌和型号的电动汽车能够共享同一套换电设施，提高了设施的利用率和兼容性‌。

一、‌优点‌：

‌快速补能‌：换电过程通常在几分钟内完成，提高了能源补给效率。

‌电池养护‌：通过集中充电和统一管理，有助于延长电池寿命。

助力电池回收：标准化的电池便于回收处理，降低回收成本，提高资源循环效率。

图片来源：富泰捷检测创新中心，图为新能源汽车换电系统

二、缺点‌：

‌技术标准不统一：不同车企的电池规格和接口存在差异，导致换电设备难以通用，增加建设和运营成本。

高建设成本：换电站的建设成本高，包括设备购置、场地建设和电力设施改造等。

技术迭代影响：随着电池技术的进步，换电技术的优势可能会被削弱，如超充技术的发展可能会缩短充电时间。

换电系统的技术要求

换电系统的实现需要高精度的机械臂、智能识别系统以及高效的电池管理系统等多方面的技术支持。这些技术的融合确保了换电过程的安全、快速和便捷。

‌换电系统的技术要求主要包括以下几个方面‌：

‌安全性‌：换电系统的设计制造应满足安全、快速、可靠更换电池包的要求。系统在设计寿命周期内应具有满足互操作性的电气、通信、热管理等功能‌。

‌电气连接‌：换电系统的电气连接应满足功率传输、信息交互和安全防护的基本功能需求。

‌通信协议‌：换电系统应具备与车辆电平台相连接的功能。系统应支持多种通信协议，包括但不限于CAN总线通信协议，确保电池信息、继电器信息、能量估算等数据的准确传输‌。

互操作性‌：换电系统应具备互操作性，确保不同品牌和型号的电池箱能够兼容使用。这包括电池箱的总体尺寸、电池箱上接口、电池箱下接口、车载托架换电接口等技术要求‌。

‌维护和更换要求‌：换电系统中的易损耗零部件应在车辆使用说明书中明确标注其范围、维护和更换要求。在车辆制造厂规定的保养维护期内，易损耗零部件不应出现故障和失效‌。

‌热管理和故障诊断‌：换电系统应具备热管理功能，确保电池在运行过程中的温度控制。此外，系统还应具备故障诊断功能，能够实时监测并报告电池状态、继电器状态、能量估算等信息，确保系统的稳定运行‌。

‌标准化和兼容性‌：换电系统应遵循相关的国家标准和行业标准，如GB/T 37133及相关标准、规范，确保系统的标准化和兼容性‌。

通过满足这些技术要求，可以确保换电系统的安全性、可靠性和互操作性，提升电动汽车的使用体验和运营效率。

换电系统面临的挑战

然而，换电系统也面临一些挑战，如投资成本高、电池标准化不统一等问题‌，比如以下几方面：

‌1、建设成本高昂‌：换电站的建设和维护需要大量的资金投入，包括设备购置、场地租赁、人员培训等。此外，随着电动车市场的不断扩大和车型的不断增多，换电站需要不断升级和扩建以满足不同品牌和车型的需求，这进一步加剧了成本压力‌。

‌2、普及率有限‌：目前市场上能够提供换电服务的站点数量相对较少且分布不均，导致很多电动车车主在需要充电时无法找到合适的换电站点，从而影响了他们的用车体验‌。

3‌、技术标准不统一‌：不同车企之间的换电标准不统一，导致换电站的普及和应用范围受限。车辆的结构、电池的外形和封装如果不统一，就无法实现换电‌。

4、‌安全性问题‌：动力电池会有衰减，如果不能保证电池状态统一，就会带来安全隐患。此外，换电过程中如何确保电池的安全性也是一个需要解决的问题‌。

5、‌运营模式和收费标准‌：合理的运营模式和收费标准是整个换电模式全面推广的关键。目前，这些问题还没有得到很好的解决‌。

‌6、政策支持不足‌：虽然政府在推动充电设施建设方面发挥了重要作用，但换电系统以及换电模式的推广还需要更多的政策支持和市场引导‌。

换电系统未来发展趋势

‌换电系统未来的发展趋势主要包括技术创新、政策支持、商业模式创新和广泛应用场景的拓展。‌

一、技术创新

1‌、电池标准化设计‌：随着电池技术的进步，未来电池将实现标准化设计，不同品牌的新能源汽车将采用统一的电池规格和接口，这将极大地推动换电模式的普及，降低运营成本，提高服务质量‌。

‌2、技术创新与智能化管理：随着技术的进步，换电系统将变得更加智能和高效。通过物联网（IoT）和人工智能（AI）技术，换电站将能够实时监控电池健康状态，优化储能和换电流程。

二、政策支持

1‌、政府政策支持‌：政府将继续加大对新能源汽车的支持力度，出台更多支持换电模式的政策，包括补贴、税收优惠等，以鼓励企业投入研发和推广换电模式‌。

2、‌基础设施建设‌：政府将加大对充电设施和换电站的建设投入，为换电系统的发展提供有力支持‌。

三、商业模式多样化

换电行业不仅限于提供电池更换服务，相关企业将探索更多附加值服务。这些可能包括与公共交通、物流行业的合作，或者提供如车内清洁、车辆检测等综合性服务。这种多样化的商业模式，不仅可以增加收入来源，也能增强客户黏性。

四、广泛应用场景的拓展

‌1、电动汽车领域‌：换电系统可以延长电池寿命，促进电动车的普及‌。

2、‌无人机领域‌：换电系统可以延长无人机的续航时间，快速恢复任务，降低运营成本‌。

3、‌智能家居和备用电源‌：换电系统还可以在智能家居和备用电源等方面发挥作用‌。

总之，换电系统未来发展前景广阔，技术创新、政策支持和商业模式创新将不断推动其发展，并在更多应用场景中得到广泛应用。

充换电站数字化监控和运维解决方案

9.1.设备配置及组网方案

现场箱式变电站配备安科瑞微机保护、谐波检测、多功能仪表、无线测温、无功补偿控制器及智能电容补偿装置。这些设备通过RS485总线连接至智能网关ANet-2E4SM，并通过4G网络上传至蔚来充换电站运维管理平台。具体设备配置和组网结构分别见图。

充换电站箱式变电站智能装置配置

现场设备组网结构图

9.2. 设备选型表

9.3. 智能网关及平台

鉴于蔚来已经建立了充换电站运维管理平台，本项目中的箱变数据通过ANet-2E4SM智能网关进行采集，并依照蔚来运管平台所规定的数据格式上传至该平台。该智能网关内置嵌入式系统，集成了本地数据采集、逻辑判断、协议转换、断点续传、数据加密以及协议定制等多项功能，确保了与上级平台的无缝对接。

安科瑞Acrelcloud-1000电力运维平台同样能够满足箱式变压器的运维管理需求。该平台能够接入成千上万的用户变电站数据。它收集的数据涵盖了变电站的电气参数和环境信息，例如电流、电压、功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水情况、烟雾浓度、视频监控以及门禁系统等。一旦出现异常情况，平台能在10秒内通过短信和移动应用发出警报信号。此外，平台还支持通过移动应用向运维人员下发任务，并利用北斗定位系统跟踪任务执行情况，实现闭环管理，从而提升运维效率，确保及时发现并处理潜在缺陷。

9.3.1 电力检测

运维平台通过4G网络采集箱变配电系统数据，包括电流电压功率电能和开关状态等数据，掌握箱变实时和历史数据。

9.3.2 电能统计

基于尖峰平谷分时电度统计不同时段的电能消耗和用电成本，并形成日报、月报、年报表，通过同比环比分析比较，便于用户计算运营成本。

9.3.3 异常报警

箱变电流、电压、功率、开关状态、变压器负荷率和绕组温度、电气接点温度、环境温湿度、烟雾、浸水、视频、门禁信息，发生异常情况会及时通过APP和短信向运维人员发出报警信息。

9.3.4 运维管理

可帮助用户制定巡检计划，记录巡检发现的缺陷，并派发消缺工单，查看巡检轨迹定位和消缺抢修进度，反馈任务进度等，闭环运维管理流程。

9.3.5 用户报告

运维平台自动生成用户用电及运行诊断报告，对配电系统运行情况提供周期性诊断报告，总结配电系统存在的问题，提出改进建议。