能源视窗

慈松：充电桩模式将陷困境？用户自主换电模式才是未来

发布时间：2015-11-24   浏览次数：1212
慈松，博士，清华大学能源互联网创新研究院PI研究员，美国University of Nebraska-Lincoln终身副教授，国家能源局中国能源互联网战略研究课题组首席科学家及能源互联网行动计划预研课题专家。


大力普及发展电动汽车作为国家新能源战略的关键一环，是必然，是方向，是未来。充电桩客观上制约甚至阻碍了电动汽车的普及和发展。
“车电分离，电池自选，自主换电，能量运营” 的能源互联网电动汽车模式是打通电动汽车、电池、分布式储能产业链和价值链的**手段。基于能源互联网和能量信息化技术的用户自主换电的电动汽车才是电动汽车的未来。
对充电桩发展的困境的思考
作为政策“宠儿”的电动汽车，在政府过去数年的大力扶持下，中国电动汽车市场的真实状况并不尽人意。按照《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，我国新能源汽车累计产销量在2015年应该达到50万辆。工信部统计数据显示，截止2015年10月，我国新能源汽车累计生产20.69万辆，不足预期的50%。“充电桩匮乏”一直被认为是影响电动汽车发展的较大掣肘。笔者认为，“充电桩对于促进电动汽车发展有决定性作用“是一个伪命题，既无科学依据，也没有商业模式，更不符合中国的国情，无法支撑电动汽车的大规模使用，是电动汽车普及发展的较大障碍。
我们可以简单的算一笔账：为了满足2020年500万辆新能源电动汽车充电需求，若按每辆车平均配1.5个充电桩的车桩比下限计算（上限是3个），500万辆车至少需要配套建设750万座充电桩。以充电桩均价2万元/个（其实桩的制造、运输、安装、运维的成本和电网扩容的费用加起来要远大于这个数字）计算，将需要1500亿元的充电桩投资（这里还不包括更昂贵的集中充电站的建设投资）。然而在政策的刺激下资本已经开始汹涌地进入充电桩领域，目前充电桩领域陷入到非理性狂欢中，很多人忘记了从产业链和价值链的角度考虑，资本投入必须要产生新的价值，产品必须产生完美的用户体验。投资应看价值导向，不从用户的需求出发，非人性化的产品或服务都将被用户抛弃，千亿的资本投入或将化为泡影。

从现有情况看，充电桩行业还没有清晰的商业盈利模式。这里列举一些主要问题供大家思考，如：

  • 750万个充电桩谁来投资建；建好的桩如何运维，谁来运维；750万的个桩对于分布在全国的范围内的500万辆车是否能够满足用户需求和体验。

  • 目前大部分桩都建在收费停车位（尤其是公共桩），充电桩和停车位分属不同产权所有人，造成停车费用远大于充电费用，尤其是交流慢充，这将造成充电费比实际的费用高出很多。

  • 我国人均停车位数量非常低，很多车主并不拥有自己的专属停车位，这就造成车主和物业之间的矛盾，物业通常以各种正当或不正当的理由不给车主安装充电桩，加剧了充电困难的问题。

  • 传统汽车挤占电动汽车充电车位的现象非常普遍，加剧了车桩数量不匹配的问题；

  • 电动汽车产业链没有贯通，人－车－电池－桩－网这五个环节条块分割各自为战，如快充用起来相对方便，但对电网有冲击，对电池寿命也有损伤，而交流慢充又和用户习惯格格不入，导致车主在使用电动汽车上浪费大量的时间。


因此，真正解决中国电动汽车的发展问题，还是要回归市场价值和用户需求，需要思考车主真正需要的是什么的电动汽车属性。电动汽车的本质是为了方便人们的出行，人性化和智能化是整个汽车行业的出路和目标，看看无人驾驶、车联网等新兴汽车技术就不难发现这一趋势。而现有的插电模式电动汽车和与之配套的充电模式与汽车行业的发展趋势是相悖而行的，这种模式在很大程度上阻碍了电动汽车的普及和发展。

自主换电模式应成为电动汽车能量补充的主要形式
普及和发展电动汽车需要我们从电动汽车用户的角度重新审视目前电动汽车和充电设施发展的模式、思路和方法。用户购买电动汽车的*基本的需求是一个出行代步的工具，而电动汽车、电池和充电桩等等都是服务于这一基本需求的。根据CCSE的统计数据，高达92%的电动汽车用户每天行驶里程不超过70公里，对于轻型乘用车也就是说6－8度电左右就够了。一辆乘用车背着几倍甚至十几倍的所需电池在路上跑，既造成了电池资源的极大闲置浪费，又造成了百公里耗电的急剧上升（自重太大）。

这里面的原因值得我们进一步剖析：电动汽车是消耗电池里存储的电能来驱动行驶的交通工具，因此电动汽车的使用是需要不断补充电池里消耗的电能。然而，由于电池的能量密度比燃油低1个数量级，而用户希望得到和燃油车同等的用户体验，这两者的矛盾是不可调和的，这是客观物理规律，因此电动汽车普及应用的瓶颈必然会出现“里程焦虑：mileage anxiety”这一现象——即用户总是担心没有办法随时随地补充消耗的电量而不由自主的陷入恐慌。这种物理上的不匹配在应用层面被插电电动车和充电桩模式进一步放大，造成了更大的用户使用烦恼和焦虑。
回溯本源，充电桩给电动汽车加电的方式是作为类比传统加油站给燃油车加油的模式被提出来的，然而提出这个类比的同时恰恰忽略了电池和燃油能量密度相差1个数量级这一客观事实，这个事实是充电桩和加油站不具备可比性的深层次原因。因此，依赖于充电桩的建设发展电动汽车的模式和思路从出发点就是错误的。换句话说，如果我们希望为电动车主提供等同与燃油车和加油站模式的用户体验，技术上必须要做的就是：

  • 努力增大插电式电动汽车内的电池组容量；

  • 努力建设比加油站多一个数量级的超大规模充电基础设施。


除去可行性和成本的因素，这两者在逻辑上又形成了新的悖论：例如，目前电动汽车整车厂解决“里程焦虑”问题的方法是提高整车的电池组容量来达到延长单次充电的巡航里程（整车厂想当然的巡航里程）。然而，在电池的比能量相同的情况下，续航里程越高则意味着汽车要背的电池组的重量和体积越大，电池组和整车的成本就会越高，车主的充电等待时间就会越长，这些因素反过来又进一步加深了充电设施不足的问题。因此，完全依靠插电式电动车和充电桩模式直接给电动汽车充电是解决不了电动汽车车主所希望的随时随地进行能量补充的核心需求。
笔者认为，解决这一问题的**出路是用户自主换电模式。用户自主换电模式不同于以往国家电网和南方电网的集中换电站模式，是真正意义上的用户自主的模式，其技术核心就是电池组的碎片化和能量信息化管控及基于能源互联网的定制化的能量服务。在自主换电模式下，车和电池组首先进行分离，进而传统大容量电池组被分割成大量的小容量“电池能量块”，通过能量信息化等技术手段进行自动检测，自动配置，自动管控的信息能量一体化管控实现电池和管控系统的分离。
"电池Uber"实现真正的C端能量共享和运营
在自主换电模式下，用户可以根据自己的出行需求来自由地选择不同厂家，不同批次，不同新旧程度，不同型号，甚至是不同质量的“电池能量块”给自己的电动汽车进行按需能量配置。例如，用户通常知道自己当前出行的目的地和里程，因此可以给当次出行配置相关的电池容量。在出行过程中，如果发生行程有变能量不足的情况，用户可在附近的便利店／加油站等场所随时找到可更换的电池能量块，甚至可以用“电池Uber”的电池能量O2O和移动互联网找到能够提供电池能量块的其他车主，自取自换，实现真正的C端能量共享和运营。基于电池碎片化和能量信息化及互联网化管控技术的电池能量块可以实现真正意义上的具有”互联网＋电池“属性的移动电源。只有移动电源变为现实，用户侧C端能源的自由流通和交易才将变成可能，人－车－电池－桩－网才能消除条块分割，进行统筹优化，支撑和促进能源革命，实现”互联网＋智慧能源“的愿景。届时作为移动用电负载的电动汽车才可以自由行驶，再无丝毫羁绊。
自主换电模式也是打通动力电池产业链和价值链的**方法
电池组是电动汽车的动力核心，其性能和成本对电动汽车的普及和发展有着决定性的作用。然而，单体电池的品质差异性和传统固定连接的电池成组方法极大影响了电池组的系统效率，安全性，可靠性和可维护性。受限于能量密度、循环寿命、材料成本及安全性的相互掣肘，电动汽车的电池实际上在3-5年间就需要更换，而退役动力电池的巨大价值无法充分利用。在电动汽车领域，我们必须正视电池组只能使用其20%甚至更低比例可用容量的事实，这也是电动汽车成本居高不下的原因——目前电池组的成本占到了整车成本的50%以上。此外再加上电动汽车使用时间远远小于闲置时间、缺乏动力电池梯级利用的有效手段等因素，造成了目前电池资源的巨大浪费。

其实单从技术层面看，经过几十年的努力，目前的锂离子电池单体做的已经非常好了，充放电循环寿命可以达到5000-10000次，物理寿命达到10-20年，单体电芯的成本下降非常快（目前已低于1块钱／瓦时）。目前我们真正缺乏的是电池应用的系统级技术，真正把电池单体变成一种可流通资源的技术，其深层次的驱动力是由于电池已经从过去的耗材变成了一种新的可作为能量载体的固定资产。
从应用的角度看，每一个电动汽车用户都关心自己车上的电池组性能和状态。然而用户真正关心的是什么？用户其实并不关心电池内部工作机理和电化学特性，而是电池组充放电效率、经济性、安全行和可靠性等用户体验参数。对于一般用户而言，电池就是能装能量的容器（类比瓶装水和桶装水，又如充电宝）。因此我们需要从C端重新审视电池应用模式和展望新能源行业的发展未来。自主换电模式可以支撑作为能量容器的电池能量块来承载能源无处不在的美好愿景，可以支撑电池在更细的时空颗粒度下进行复用和重组。在自主换电模式中，电池的属性将不再由厂家赋予，而是由用户赋予，通过用户需求的正交性进行高密度的复用和梯级利用，从而真正实现了电池全生命周期的价值较大化和电池行业的产业链贯通。
自主换电模式可以支撑能源互联网电动汽车的运营模式：车电分离，电池自选，自主换电，能量运营。
在电池能量信息化和互联网化管控技术的支撑下，电池演变为一种新型的可计算资源得以在电池应用市场中实现真正流通，而电动汽车可以随处获取以电池能量块形态存在的移动电源，进而可以通过电池能量云平台来进行管理和控制及运营，通过能量大数据平台，管理数量庞大的、在市场流通的电池能量块，从而使电池能量运营以虚拟电厂的形态在C端实现与电网平等的市场地位。

在能源互联网电动汽车的模式中，电动汽车将演变为一种互联网硬件，从而变成能源互联网能量服务的物理载体，类比于苹果公司认为*终的服务体系架构才是真正意义上的长远商业模式。电动汽车是可以免费提供给用户，而电动汽车运营商可以依靠能量运营（如电力直供和分布式能源消纳等）和提供的定制化能量服务来盈利。
总之，电动汽车的发展需要颠覆式的思维和模式，让一切发生彻底的变化，在变化中实现进步与革新。

附：电池能量信息化技术简介
支撑电池能量块和“电池Uber”模式得以实现的核心技术是电池能量信息化技术。通过对电池能量的离散化和数字化处理，去除了电池使用过程中的非线性和不确定性，通过互联网的分布式架构和先进电力电子半导体将传统电池组变成自适应动态可重构电池网络，支撑了软件定义电池的应用。

慈松教授团队目前已经实现了全球首套基于能量信息化和能量互联技术的分布式电池能量管理系统，该系统中电池网络管控节点可达到互联网级的1792个，跟互联网一样，理论上该技术体系的可扩展能力无穷大。这套系统通过智能芯片管控每一节单体电池，实现毫秒级的电池网络拓扑重构和纳秒级的单体电池通断，让电池组内部、碎片化的电池块之间随时根据环境变化来动态调整自身的工作状态，使其始终保持优良化的供能模式，实时管控并告警，让能量流与信息流达到真正的融合。目前已经完成了应用这套分布式电池能量管控技术体系的两款电动车的改装测试，通过电池能量管控系统，我们可以通过电池云平台监控到每一节电池，通过电池能量块可以进行自主换电式能量补给，按需配置电池，支撑能量共享和运营。

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