安科瑞 马香霞
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，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。蔚来是换电领域的先行者，已经在全国建成3000多家换电站，如今动力电池供应商宁德时代也杀入换电领域，宁德时代在换电站方面的规划目标是要达到1万座。短期来看，2027年的目标是3000座。相信随着各类技术和标准的日益成熟，进入换电领域的企业也会越来越多。
图1 蔚来充换电站NIO House
1. 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、供配电系统、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。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。
2. 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。
●新能源车企：车企建设换电站可以更好地服务于用户，比如蔚来已经在全国范围内建成3000多座换电站，蔚来系车主换电非常便捷，这也成为蔚来的主要竞争力之一。
●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。
●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。
●虚拟电厂领域：在换电站形成一定的规模后也可以参与虚拟电厂运营，通过谷电峰用、需求响应等方式获取利润。蔚来已经开始在换电站布设V2G充电模块以便更好的实现电网的需求响应。
3. 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。
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。
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。
高建设运维成本：换电站的建设和运维成本高，包括设备购置、场地建设和变配电设施改造、运维等。
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。
4. 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：
建设运维成本高昂：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、变配电设备、人员培训等。相对建设成本，后期的运维成本居高不下也给运营商带来较大的压力，包括换电系统、配电系统的运维管理。
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。
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。
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。
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。
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。
5. 换电站的供配电系统及智能化要求
通过数字化平台实现对换电站供配电系统的智能化管理可以帮助运营商提高管理效率，节约运维成本。换电站变配电系统通常采用箱式变电站，由高压室、变压器室和低压室三个独立小室组成，用电容量一般在630kVA~1250kVA之间，根据换电站的规模而定，如图2所示。
图2 换电站箱变典型一次图
图3 换电站箱式变电站
换电站箱变运维智能化对相关电气、非电气参数有相关要求，比如蔚来对箱式变电站电气参数、接点温度、变压器室和高低压室内环境参数监测要求见表2-1。
表1 箱式变电站数字化监测要求
6. 换电站数字化监控和运维解决方案
6.1 设备配置及组网方案
根据需求现场箱式变电站配置安科瑞微机保护装置、谐波检测装置、多功能仪表、无线测温传感器、无功补偿控制器和智能电容补偿装置等，通过RS485总线接入设置在智慧测控柜内的智能网关ANet-2E4SM，最后通过4G上传至换电站运维管理平台，设备配置图见图4，现场设备组网结构图见图5。
图4 换电站箱式变电站智能装置配置
图5 现场设备组网结构图
6.2 设备选型表
表3.2-1 蔚来充换电站箱变智能化设备选型表
6.3 智能网关及平台
箱变运行数据通过ANet-2E4SM智能网关采集后，可以按照换电站运管平台要求的数据格式上传融入运管平台。智能网关采用嵌入式系统，具备本地数据采集、数据存储、逻辑判断、协议转换、断点续传、数据加密、协议定制等功能，可以无缝对接运管平台。安科瑞也可以为运营方建设专业的箱变运维管理平台。
安科瑞Acrelcloud-1000电力运维平台也可以满足箱变运维管理功能，平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据，包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息，有异常发生10s内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到指定人员手机上，并通过北斗定位跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，及时发现缺陷并做消缺处理。
图3.3-1 AcrelCloud-1000电力运维平台界面
6.3.1. 电力监测
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。
6.3.2. 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。
6.3.3. 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。
6.3.4. 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。
6.3.5. 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。
另外平台还具备需求响应、策略控制、柔性动态调节、环境监测、视频监控、电能质量分析、需量分析、设备台账等管理功能，帮助用户更高效的管理地理分散、数量众多的箱变，提高供电可靠性和设备使用寿命，降低运维成本和用电成本。