12月23-24日，由中国充电桩网、充换电百人会、电动交通换电产业技术创新联盟、联联充电联合主办，国家电投&启源芯动力、国什能源协办，中国充电桩网承办的2021第二届中国国际换电模式产业大会（简称：金砖换电论坛）在上海大华虹桥假日酒店顺利召开。本届大会设置“论坛峰会+展览展示”，以“紧抓换电产业发展机遇，助力实现‘双碳’目标”为主题，既有企业细致入微的分析，也有行业专家为市场发展提出的设想与方案，共商强国大计，落实国家提出的“碳达峰、碳中和”战略目标要求，积极助力构建“双循环”新发展格局。国网商用电动汽车总工程师曹曦出席论坛并发表主题演讲——《电动重卡换电服务创新与实践》。 尊敬的各位来宾、专家、同仁，大家上午好。我来自国网商用电动汽车公司，下面我简要介绍一下我们在电动重卡换电服务相关的一些创新跟实践情况。国家电网公司做换电已经有十几年时间了，下面就重点围绕国网电动汽车公司在近两年，针对电动重卡领域的换电方面的一些实践和我的一些思考。现在国网电动做电动重卡换电主要有以下几个主体，一是我所在国网电动商用汽车，主要作为一个充换电站的投资、运营，我们在苏州的国创中心主要负责换电系统的集成、设计，包括EPC，我们在深圳还有一个国智新能源科技有限公司，是我们国网电动和深圳精智合资设立的一个专门从事换电设备研发的企业。首先大的背景，重卡电动化催生“换电”需求，我们认为这一轮换电热潮是市场驱动的。首先在国家层面，“双碳”背景下，整个顶层规划导向是非常明确的。近两年出台了一系列的文件、政策来推动电动重卡商用车公共领域的一些车辆的电动化。我国商用车以不到两成的占比贡献了将近六成的碳排放，现在国家在商用车领域推广电动化的决心还是非常大的。其次在市场层面，可以看到新能源汽车的增速也超过了预期，重卡工程机械等领域的电动化成为行业的新热点。在整个新能源赛道上，可以看到乘用车是走在最前面，2021年可以说是一个非常标志性的年份，11月份，乘用车的电动车市场渗透率已经达到19.5%，全年销量超过300万，已经正式由政策驱动转入市场驱动，预计在“十四五”期间进入陡峭增长的阶段。在商用车领域，公交车在政策推动下，目前基本实现了电动化。在重卡等一些商用车领域近两年迎来了发展高潮，在商用车市场是整体走弱的背景下，整体商用车销量去年开始在下滑。但是新能源重卡销量迎来了逆势上扬，尤其在今年实现了七连涨，在新能源商用车领域，燃料电池主要是受政府的政策推动，包括一些补贴，在一些领域有一些应用。但是电动重卡主要是由市场用户的需求推动，目前在一些基建、钢铁、矿山、港口等领域释放巨大需求。在工程机械领域可以看到，今年开始像5吨装载机、20吨挖掘机的电动化已经有小规模应用，在隧道工程、煤矿、港口等特定领域也受到用户的青睐。可以看到现在电动重卡主要应用场景还是在一些场内和短倒运输的场景为主，主要有以下几个方面的原因。首先在设备层面。现在重卡作为一个相对比较成型、比较传统的结构布置的形式，一个大粱加几个桥，这种结构下，电池堆叠的空间是有限的，再加上现在动力电池的能量密度限制，像现在比较热门的电驱动桥、轮边驱动、滑板底盘等新技术短时间内没有办法投入实际应用，这种情况下，现在市场上电动重卡续航里程比较短，只有100-200公里，“远行”能力有限。第二，用户层面。电动重卡购置成本高、使用成本低，一般在高载荷、高强度“双高”场景才有使用意愿。第三，政策层面。目前在一些城市，比如说钢厂、矿山、港口这些单位的碳减排压力大，对电动重卡有一些力度比较大的支持，目前来讲，电动重卡还是主要围绕像砂石骨料运输、矿山土方剥离、港口集卡短倒、城市渣土运输、城市水泥搅拌、短途物流，在这些领域有比较多的应用。在这些领域，电动重卡如果采用传统的充电方式，它会有一些局限性。首先是电能补给效率低，受现在电池倍率、车辆电压平台、电气元件电流限制等，充电功率无法大幅提升，即便采用双枪充电，也普遍需要1小时+才能充满，高寒地区尤甚。第二，电源容量利用率低。这是站在电网公司的角度，一般建充电站的话，它的充电负荷波动比较大，一般按照峰值负荷配置电源的话，导致配电设施的成本提高，造成电源资源的浪费；而且在一些偏远地区，电源条件比较差。第四，充电站因为要配建停车位，对场地的要求比较高，充电设施须配建停车位，占地面积较大，且迁移成本较高。我们认为，“换电”是双高型电动重卡更好的电能补给方式。第一，满足车辆不间断作业需求。一般现在主流的换电方式都能够在5分钟以内完成电池更换。第二，降低车辆电池装载量，提升载重能力。这个可能在一些轻卡、中卡上的优势比较明显。第三，车电分离，用户可以只采购车身，不采购电池，电池交由统一的运营商、电池银行，这样可以降低用户购车成本。第四，在自动换电站内的自动充电环境下会减缓电池衰减。第五，因为换电站整体用电负荷比较平稳，提高电源容量利用率，对电网更友好。第八，未来换电站作为一个储能，可以参与像电网调峰辅助服务，获取增值收益。接下来介绍一下国网电动公司在换电方面的实践，现在我们把换电纳入充换电服务保障体系建设，未来充换电基础设施建设的思路就是在社区以有序慢充为主，公共领域以大功率直流快充为主，在专用车领域以换电为主。在这种思路下，我们开展了一些实践。首先，我们选择做重卡换电的切入点是在矿山。我们选择在最极端的工况去开展技术验证和工程示范，因为国网做换电是有比较深厚的基础，包括从十年前做公交车换电，已经有了一些技术积累，我们把这些积累移植到重卡换电，在极端情况下做验证。比如说在高寒地区，零下40度的最低温，高海拔地区，西藏超过4500m的海拔，高扬尘、多泥沙、高载荷（总重90-120吨）、高强度（24小时三班倒连续不断作业）、强振动（水平3G、竖直6G）。用严酷的工况考验设备的可靠性跟稳定性。其次，我们为什么选择矿山？矿卡作为特种车辆，我们可以进行比较灵活的定制化改装，更能有效验证整套换电系统的可靠性，包括在站端（换电机器人、电池仓、充电机、配电系统、站控、应急消防）、车端（“三电”系统集成、电池热管理、换电总成、标准电池箱）以及车站交互、车辆运行调度等。这些都会在工程示范里面验证应用。第一个换电项目是在内蒙古呼伦贝尔，跟华能（音）合作，伊敏煤矿投建全国首个矿卡换电站，极寒工况验证，重载上坡，平均电耗6-8kWh/km，24小时不间断作业，单车每天换电8次，累计目前换电超3万次。我们在西藏玉龙铜矿今年刚投运世界海拔最高的矿卡换电示范项目，2座换电工位分别位于海拔4500米和5160米，24小时运行，服务40辆宽体矿卡。在我们开展矿山重卡换电过程当中，也有一些自己的技术创新。首先采用机器人侧换方式，我们采用自适应刚性提升换电方式。这种换电方式对于车辆姿态的要求没有那么高，车停的斜点、歪点，都可以进行自适应定位，首创高刚度机械臂组合柔性定位挂接技术，应用视觉定位、激光测距、目标区域定位等多重定位技术，定位精度1mm，荷载≥3.0吨，换电时间<5min。第二，我们设计了标准化的矿卡用的电池箱，为了最大化提高电池装载量，把它水冷机组外置，空间利用最大化，可装载电量>500kWh，满足高负载作业需要。第三，我们采用了水电一体连接器，采用弹簧自适应调节，空载拔插寿命＞10000次，可承载800A电流，防护等级达IP67。这个连接器在我们实际现场工况验证下，经过了好几次的改进，毕竟矿山的工况还是太恶劣了，高扬尘、高粉尘、气温、海拔都非常极端，所以这个连接器现在经过几版改进之后，现在能够保持一个相对比较平稳的运行。我们发挥国网电动汽车公司智慧车联网平台的优势，智慧车联网是消费+工业互联网。在消费侧，我们有像e充电，针对普通C端用户的充电服务；我们整个充换电服务网络就是一个工业互联网，依托车联网把所有的换电站、所有的站端电池、所有运行的车辆实时数据都采集过来，去做一些分析，来帮助优化这个车辆的调度，怎么避免车辆希望换电的时候扎堆，怎么有效监控持有的动力电池资产。未来我们还可能通过车联网平台，跟电网的调度交易平台打通，做一些像绿电交易、电网调峰的辅助服务。我们在公路重卡换电领域，把在矿山实践经验成果快速移植到公路重卡。我们从今年开始布局建设一些公路重卡的换电站，公路重卡采用集成化、模块化的设计，因为我们觉得换电站不是一个固定位置，它可能需要随着工况的需要，可能改变它的位置。所以我们一开始采用集成化的，在三天之内完成迁移改造，不需要专用的基础，整个电池舱机器人、换电工位灵活部署。今年在西宁、雄安落地了公路重卡的换电项目。公路重卡方面有几个技术方面的创新，首先是多自由度换电机器人，跟矿山重卡一样，采用机器人换电方式。这种换电方式对电池布局形式的适应是非常好的，电池不论采用后背还是双侧、还是底盘都可以采用机器人换电解决，另外机器人对车身姿态容忍比较高，换电时间保证在3分钟之内。我们针对公路重卡换电研发了配套电池托架、标准化的电池箱，这个托架有一个特点是采用全电驱螺纹无间隙锁止，同时这个电池箱也配备国标充电口，支持充电配送的模式。我们这个电池箱最多集成10个pack（C箱），电池容量构型可以自由选装，采用模块化的装备，配备独立的水冷机组。国网电动做换电坚持自主研发、合作开放、稳健投资示范引领和产业带动，我们坚持“产研结合”，因为我们依托国智新能源换电设备的研发主体，让研发人员深入一线，在工程实践当中不断迭代、打磨产品。现在我们矿卡换电的2.0版本、重卡换电2.0也相继推出。把我们验证成熟的产品推向市场，今年累计输出换电电池箱总成超过1000余套，与主机厂开展换电技术的合作。国网商用电动从去年成立到现在，已经建成重卡换电站9座，目前在建3座，规划立项阶段超过50座，预计到“十四五”末，国网电动将建成商用车换电站超200座，我们希望推动换电成为商用车辆主流电能补给方式。国网电动会坚持“能源服务”的定位，把换电站纳入新型电力系统建设，以智慧车联网为平台和媒介，探索更多电力
