面向电动工程机械的快速充电与电池更换策略仿真评估框架

《Proceedings of the Design Society》：A simulation framework for evaluating fast charging and battery swapping strategies in electric construction machinery

　　

本研究提出了一种用于评估电池电动工程机械快速充电与电池更换策略的仿真框架。该框架基于离散事件仿真与基于智能体的建模方法开发，支持采矿与道路建设场景下的情景分析。案例研究展示了充电策略对生产力、能源成本及电池退化的影响。研究结果揭示了运营效率与长期可持续性之间的权衡关系，为建筑机械电动化转型提供了一种决策支持工具。

## 一、研究背景与问题提出

近年来，工业与交通领域的环境保护意识显著增强。欧盟委员会推出监管框架，目标是到2030年实现温室气体排放较1990年水平降低55%。仅采矿行业就占全球CO₂排放量的4%–7%，而建筑机械则是继船舶之后非道路移动机械（Non-Road Mobile Machinery, NRMM）中第二大污染源，据清洁空气支持系统（Clean Air Support System, CAPSS）统计，建筑机械产生了近80%的NRMM相关污染物。柴油长期以来一直是建筑机械的主导能源，排放大量CO₂、SO₂、NOx及颗粒物。尽管主要制造商已推出不同自动化水平的纯电动机型以降低排放，但电动工程机械部署的关键挑战在于确保高效的充电解决方案以维持运营连续性。

目前探索的两种主要技术路径各有优劣：快速充电虽能最小化停机时间，但需要大量电力基础设施；电池更换（Battery Swapping）则可通过快速更换耗竭电池确保持续运营，但涉及电池格式标准化等技术与物流障碍。从系统工程视角看，在系统设计早期阶段，工程师必须统筹考虑设计决策对环境与经济绩效的多方面影响，然而目前仍缺乏能够模拟这些技术方案权衡关系的决策支持工具。现有关于电池更换与快速充电的仿真框架多聚焦于城市出行与乘用车领域，其运行条件与越野作业差异显著。为填补这一研究空白，研究人员开发了灵活的仿真框架，通过统一的建模结构表征快速充电与电池更换两种场景，以评估替代技术路径及其对能源使用、电池利用率、生产力与成本的影响。

## 二、研究方法与技术路线

本研究采用参与式行动研究（Participatory Action Research, PAR）方法，通过问题界定、方案开发与验证的循环迭代，与工业企业及学术伙伴共同创建知识。研究首先开展系统文献综述，识别电池电动汽车（Battery-Electric Vehicles, BEVs）充电策略的前沿技术与适用于工业场景的仿真方法；随后通过半结构化访谈与研讨会，收集利益相关方关于运营约束、技术限制与战略优先级的关键洞见，据此配置仿真模型参数。

仿真模型在商业仿真软件Simio中实现，采用离散事件仿真（Discrete Event Simulation, DES）增强基于智能体的建模（Agent-Based Modelling, ABM）逻辑，以捕捉车辆、电池与基础设施之间的动态交互。模型验证通过与工业利益相关方的迭代反馈会议完成，评估模型假设的可信度、输出的合理性以及仿真逻辑与现实运营动态的一致性。

该框架的核心技术特点在于：突破传统DES中"运输工具"对象的常规用法，将车辆与电池均视为独立实体，使其能够在模型各阶段自主推进，从而支持两种充电模式共用同一仿真架构，并增强对涌现动态的分析能力。

## 三、案例研究设计与主要发现

研究设置四周的仿真时间范围，基于20个工作日、每班8小时的标准日程，选取6月和12月代表不同季节，以反映电价、电池性能与温度依赖性充电行为的差异。研究跟踪的关键绩效指标包括能耗、电池利用与退化、车辆生产力及运营成本。电池退化采用基于阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation）的半经验方法计算，考虑C率（充电倍率，即Charge Rate）与放电深度（Depth of Discharge, DoD）两个关键因素。

**露天矿案例**：该案例代表闭环、高频次的运输系统，车辆从装载点到卸载区进行短距离、重复性循环作业。两种模式下的充电/换电基础设施均集中部署于装载与卸载区域之间的中点位置。仿真结果表明，对于电池更换场景，50 kWh电池在能源成本与退化控制方面最具竞争力；配备6块电池与4辆车的方案实现了成本与生产力的最佳平衡。快速充电方面，5辆车配置可实现最大吞吐量，350 kW充电虽提升产量但伴随更高的能源支出与电池损耗，尤其是18 kWh小容量电池对快速循环的应力极为敏感。总体而言，150 kW中等充电功率配合较大容量电池在成本效率方面表现最优。

**道路建设案例**：该案例代表长距离、分散式基础设施场景，运输距离可达15–20 km，无法使用小容量电池，且因长距离电缆部署不可行而缺乏集中式充电站，需额外配置运输车辆将电池在存储点与更换站之间转运。仿真结果显示，电池更换场景中，增加车辆与电池数量可提升生产力，但能源成本变化不大，表明电池车队合理配置后，更快充电的附加价值有限，采用慢速充电更有利于长期控制电池退化。50 kWh电池在所有配置中效率最高，即使在最严苛场景下磨损仍保持较低水平。快速充电场景中，4辆车配置在不过度增加能源成本的前提下处理更高工作负载，而5辆车虽产量最高但磨损与能耗更大；50 kWh电池以150 kW充电的配置在所有情况下表现均衡。

## 四、讨论与结论

该仿真框架作为一种有效的决策支持工具，可在建筑设备设计与采矿规划阶段帮助估算运营绩效，确定充电器或更换站的最优数量与位置，高效估算所需车辆与备用电池数量，从而降低基础设施超规模投资或规模不足导致生产受损的风险。框架的灵活性体现在可适应不同机器配置、电池容量与充电功率，且其建模逻辑可拓展至自动导引车（Automated Guided Vehicles, AGV）与叉车等室内物流系统。

研究发现，电池更换在高利用率闭环运营中 downtime 关键的场合更具优势，而快速充电在强度较低或空间分散的场景中更具吸引力，前提是可接受电池退化成本。这一结论为全生态系统总拥有成本分析下的经济与环保权衡提供了关键依据。未来研究可进一步完善非线性放电深度管理、延长仿真时间范围至年度以纳入假期与意外故障等因素，并整合可再生能源与实时能源价格动态以更接近市场条件。