电动两轮/三轮车换电柜节能性评价体系研究

王 旭，蔡树国，巩 欣，冯 喆，张仕琳，李福轩

（1.中国铁塔股份有限公司，北京 100142；2.中国信息通信研究院，北京 100095）

0 引 言

据统计，2021 年中国两轮电动车累计销量达成4 100万辆，其中锂电池两轮电动车的销量为960万辆，占比为23.4%，并稳步提升[1]。电动两轮车是民众短距离出行的首选，同时外卖、快递等城市商业派送急速扩张，使得电动两轮车保有量快速增长。两轮电动车巨大的使用需求，使“换电热”兴起，换电柜是通过能源换电系统对物联网技术和锂电池电池管理系统（Battery Management System，BMS）进行整合，旨在以集中换电代替用户充电，解决国内超过3.5 亿辆电动车的电池续航问题。巨大的存量市场和快速增长的增量市场是换电业务的生存根基，催生出千亿规模的共享换电市场。

随着换电市场规模增大，能耗的消耗体量也相当可观。国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》提出要加强新型基础设施节能降碳，要求淘汰落后设备和技术，推动既有设施的绿色升级改造，提高设施能效水平。作为能源传递的媒介，自身能源耗损比例将影响系统整体的节能性能，面对“碳达峰”“碳中和”的要求，开展电动两轮/三轮车换电柜节能性研究具有必要性和急迫性。

本文基于换电柜自身的特点开展节能性检测体系研究，探讨检测关键技术，旨在弥补目前换电柜在节能性能方面检测的不足，促进相关产品的性能提升。

1 换电柜节能评价体系研究

目前，主流的换电电池为48 V、60 V 等，为匹配不同电池，换电柜的供电架构一般通过整流系统将交流转换成直流，然后通过直流模块输出不同充电电压，并集成监控系统，典型架构如图1 所示。

图1 换电柜典型架构

由于换电产品兴起时间较短，目前行业内针对电动两轮/三轮车换电柜的标准规范暂时不多，还处于弥补空白阶段。已存在应用的标准如表1 所示。

表1 电动两轮/三轮车换电柜相关检测标准

基于目前已存的标准，换电柜节能要求评价指标需满足实际使用过程中的各种复杂工况和极端条件，包括多负荷率下的效率，自身空载运行功耗和休眠功耗，保温散热性能、温控系统功耗等[2]。电动两轮/三轮车换电柜节能评价体系如表2 所示。

表2 电动两轮/三轮车换电柜节能评价体系

2 节能性能关键技术研究

中国属季风性气候区，冬夏气温分布差异很大，特点为冬季气温普遍偏低，南热北冷，南北温差大，超过50 ℃[3]。换电柜工作中，极限工况（高温、低温）需开启相应的温控措施，保证正常运行。高温工况需打开散热风扇降温，降低安全隐患；低温工况需进行仓体加热，维持正常充电，防止电池析锂。

在极限工况温控措施运行增加了一定的能耗，导致整体能效降低，需要研究换电柜在极限工况的节能性，降低碳排放。选取换电柜在常温环境下测试，加热和散热风扇均不开启，将不同数量电量为0 的60 V 锂电池组依次放入各仓内开启充电，采集一定时间内的交流输入有功电量和充电电量[4]。效率曲线如图2 所示。

图2 常温充电效率

在室外温度较高的季节，换电柜工作在高温环境，同时附加太阳辐射，内部温度较高。经测试，当室外环境温度超过35 ℃，在不开启散热情况时，换电柜内部的温度将超过70 ℃。高温条件将危害电气安全，缩短器件寿命，增加锂电池充电安全风险[5]。

将换电柜放置在35 ℃高温的环境中测试，换电柜开启散热风扇，保证仓内温度不超过55 ℃。将不同数量电量为0 的60 V 锂电池组依次放入各仓内开启充电，采集一定时间内的交流输入有功电量和充电电量，测得高温条件下的效率如图3 所示。

图3 高温充电效率

锂电池在低温条件下充电会发生析锂现象，降低电池寿命，因此在换电柜设计和使用过程中应具有一定的保温和加热功能，避免低温充电。当单仓温度低于5 ℃时，打开加热，高于15 ℃，停止加热；或当电池电芯温度低于0 ℃打开加热，高于10 ℃停止加热，保证仓内温度在5 ℃以上。

将换电柜放置在0 ℃、-10 ℃、-20 ℃以及-30 ℃的低温环境进行测试，换电柜开启加热，保证仓内温度高于5 ℃。测试过程发现不同温度下整柜加热开启数量不同，随着温度降低开启数量增加，测得不同温度下的加热消耗功率如图4 所示。

图4 加热消耗功率

在不同温度下将不同数量电量为0 的60 V 锂电池组依次放入各仓内开启充电，采集一定时间内的交流输入有功电量和充电电量，计算出低温条件的充电效率如图5 和6 所示。

图5 样品1 的低温充电效率

图6 样品2 的低温充电效率

根据试验可知，在极限工况下会增加额外消耗，降低系统效率，增加运行成本。在低温环境下，效率从92%以上降到73%～85%；高温环境下，部分负载率下效率会降至92%以下。为确保整体能效，降低成本，极限性能评价体系需增加极限工况条件的效率要求。

3 结 论

在“碳达峰”“碳中和”的背景下，本文针对目前市场上电动二轮/三轮车换电柜节能性能研究不完善的现状，通过对现存标准的调研，依据换电柜自身特点和工作环境，提出换电柜节能性评价体系。同时，结合实际应用场景对关键技术进行研究，提出制定相应节能规范的数据依据，为补全换电柜节能性评价指标起到指导作用。