电池更换所需的电池数量比你想象的要少
OZ Minerals使用的Janus Electric驱动装置。图片由Qube提供。
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不久前我写过一篇关于澳大利亚电动卡车公司Janus Electric的文章，该公司主打柴油半电动改装及电池更换技术。我把那篇文章搁在心里，直到后来看到了对Janus首席执行官Ben Hutt的采访。记者询问以电池更换模式运营这些卡车时，额外的电池成本占比是多少。他回答说大约为30%。Janus自然很清楚这一数字，因为他们负责建立或运营重型卡车货运通道。事实上，我很久以前就做过相关计算，阐明了这一巧妙机制的运作原理。
最初研究卡车电池更换流程时，我采用了“单元充电交易”这一概念，它是电池补能最基本的构成要素。后来，我绘制了单元交易的示意图，用以说明其运作方式以及这些电池单元是如何扩展的。如果一张图值千言万语，那它也是展示事物运作原理、以图形化方式呈现数学逻辑的绝佳手段。当我看到Janus CEO的那句引言时，立刻想起了我在一篇名为《电动汽车充电站与充电器规划》的小文章中写过的概念。我们通过比较最简单的单元交易及其扩展方式来进行说明。这是一种无需等待的分析方法，每次扩展都是通过多种方法的叠加实现的。让我们用图表来展示吧。这就是单元交易的样子：
为让单元交易能够在更长的距离内进行，我们可以采用我称之为“链式调度”的方法。通过按适当间隔启动每辆卡车，所有卡车会被安排成这样的状态：在各个站点之间总有一辆卡车正在行驶。我将其称为“链式调度”，因为它看起来就像一条链条。带有移动电池的换电站之间只有一辆卡车，而站点内则有一块正在缓慢充电的换电电池。我们可以通过将单元交易串联起来来加以说明——见图2。
请注意，这一概念是双向适用的。我们可以将画面反转，展示卡车朝相反方向行驶的情景。这样就不难理解如何构建一个能够连接任意距离两端点的站点系统了。电池、卡车与站点的比例与单次交易的比例相同。你可以将这种结构称为链式循环，这是合乎逻辑的，因为卡车始终在从取货地到目的地再返回的途中行驶。看看图3中要弄清其扩展性有多容易吧？
如果按阶段启动车辆行驶，那么道路上只能有一辆卡车，并在每个站点更换电池。通过这种方式，我们可以安排车辆的出发时间，确保总有一辆卡车正在前往下一个站点的途中，且每辆卡车都对应一个移动电池和一个备用电池。这样一来，规模扩展就变得很简单。
接下来，我们可以采用路线填充策略。不在站点之间只安排一辆卡车，而是在途中安排不同数量的卡车。如果我们选择三辆，那么就会始终有三辆装有移动电池的卡车和一辆备用电池。在相邻卡车之间的途中，电池组可以充电，这样卡车就能获得新的电池组，同时留下另一组继续充电。这有助于减少电池的使用数量以及峰值功率需求。在图4的示例中，通过路线填充策略让途中有三辆卡车，Janus的电池冗余度仅需33%即可满足更换需求。
本文展示了如何通过同时派出多辆卡车，使货运量呈脉冲式增长。利用这种方式，车队货物运输量可以按计划逐步扩大。图5展示了多辆卡车同时出发所带来的效果。
电池更换只需4分钟，到货的卡车也能随之得到相应服务。实际上，以四辆卡车同时到货为例，所有卡车在16分钟内就能完成服务；此后若再进行电池更换，则无需等待，因为新到货的卡车会每隔4分钟到达。卡车运输脉冲之间的时间间隔可能长于单次电池更换所需的时间。
为提升载重能力，移动电池组的尺寸可以缩小。示意图展示了其工作原理：每隔一定距离设置一个充电站，可使电池尺寸减半。如图6所示，系统总电池容量保持不变，但移动电池的体积缩小了一半，卡车的载重能力则随之提升。
最后，通过单元交易概念可以直观展示并比较各系统的峰值功率需求与能量消耗情况。图形分析展示了电池更换的运作方式、如何根据需求扩展该系统，以及如何以灵活且可预测的方式降低电网的峰值功率需求及充电站的电池维护成本。
结论
单元交易示意图是直观展示电动汽车电池补能需求的有效方式。卡车只需配备相当于其总电池量三分之一的换电基础设施即可正常运行。通过图表可以清晰地看出，借助行程启动分阶段、路线优化填充以及多次发车等策略，货运系统如何降低电网峰值负荷、电池需求及系统建设成本。这些示意图有助于规划初期运营与后续扩展，并分析资本支出与运营成本。在电动货运系统中，将运输环节组织成连续的链条十分重要，这尤其适用于连接港口与大型仓库、矿山以及其他集中货运节点的运输走廊。并非每辆卡车都需要配备一个换电电池，通过路线优化填充的方式，系统的电池基础设施……
其能源需求可降至移动设备电池需求的很小一部分。进一步的说明可以展示其他策略如何满足零售中心从仓库到配送点的需求，以及系统层级如何与各级别、不同距离的本地配送需求相匹配。对于远程站点运营，还有更多概念有待探索。