電動汽車充換電服務模式研究

摘要：現(xiàn)有電動汽車充換電服務機動性與靈活性較差、等待時間過長，不能滿足用戶個性化的需求。針對這一現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有電動汽車充換電服務模式特點，結合電動汽車服務“通用化、智能化”的趨勢，在到站式服務模式的基礎上提出了電動汽車到點式服務模式，并設計到點式服務模式的應用場景。到點式服務模式是移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下催生的新型服務模式，能有效增加服務的靈活性、提升用戶體驗。

關鍵詞：電動汽車；充換電；服務模式

中圖分類號：F123.9文獻標識碼：ADOI：10.3963/j.issn.16716477.2018.03.0011

收稿日期：20180110

作者簡介：聶規(guī)劃（1957-），男，河南周口人，武漢理工大學經(jīng)濟學院教授，博士生導師，主要從事商務智能、語義網(wǎng)、服務管理及博弈論研究；

劉暢（1993-），男，湖北天門人，武漢理工大學經(jīng)濟學院碩士生，主要從事電子商務研究；

郭萌（1991-），男，湖北武漢人，武漢理工大學經(jīng)濟學院碩士生，主要從事電子商務研究。

*基金項目：武漢理工大學學報（社會科學版）2018年第31卷第3期聶規(guī)劃等：電動汽車充換電服務模式研究

一、問題的提出

能源與環(huán)境問題是當今社會發(fā)展的重要議題。為緩解能源危機，減少環(huán)境污染，世界各國都推出了一系列電動汽車發(fā)展政策，保障電動汽車的市場化與規(guī)模化。美國自1976年起開始推動電動汽車發(fā)展，推出了《清潔空氣法》、《電動汽車發(fā)展法案（草案）》、《推動電動汽車與充電設施的指導原則》等一系列政策對電動汽車科研開發(fā)、組織管理、基礎建設、購車優(yōu)惠等方面進行支持，推動了特斯拉、福特、通用等汽車商電動汽車的產(chǎn)量激增與技術革新，擴大了美國各地區(qū)電動汽車的普及率。英國聯(lián)邦政府實施“倫敦電器化計劃”，對電動汽車的研發(fā)提供了一系列補助，預計到2025年其電動汽車及其相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達1.1萬億美元。法國于2002年推出《電動汽車研究計劃》，前后投資了5500萬歐元用于電動汽車研發(fā)，截至2008年法國政府電動汽車補貼累計達23億歐元。中國秉承科學技術是第一生產(chǎn)力的原則，堅持可持續(xù)發(fā)展路線，在電動汽車發(fā)展過程中緊跟時代步伐，國家自2001年起從國家整體戰(zhàn)略與各地區(qū)發(fā)展特點出發(fā)，出臺了《新能源汽車生產(chǎn)準入管理規(guī)則》、《國務院關于印發(fā)節(jié)能和新能源汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2012-2020）》、《國務院發(fā)展改革委關于電動汽車用電價格策略有關問題的通知》、《關于“十三五”新能源汽車充電基礎設施獎勵政策及加強新能源汽車推廣應用通知》等一系列政策，從研發(fā)、補貼、充電基礎設施等角度對電動汽車發(fā)展進行推進，計劃2012—2020年累計投入1000多億元，加速了電動汽車落產(chǎn)全國40個城市，同時提高了電動汽車的接受度與普及率。在各國的政策推動下，全球電動汽車銷量規(guī)模不斷增大，2013年在2012年的基礎上增加了一倍，達40萬輛，預計2050年將突破10億輛，累計減少100億噸二氧化碳排放[1]。

電動汽車是創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略推進的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)“中國藍”的重要手段，雖然受到國家高度重視，扶持政策層出不窮，但其推廣效果并不明顯，除了研發(fā)技術問題外，影響其商業(yè)化與普及的關鍵在于如何創(chuàng)新充電服務模式，為電動汽車提供優(yōu)質(zhì)服務（充電或換電池服務）的同時降低服務成本。創(chuàng)新充電服務模式需要考慮到經(jīng)濟性、靈活性、便捷性、安全性等特點，才能有效促進電動汽車快速發(fā)展，這也是電動汽車推廣發(fā)展中重要的研究課題。王輝[2]對比分析了我國現(xiàn)存的三種充換電設施運營模式的優(yōu)缺點及適用的范圍，主要包括政府主導型、企業(yè)主導型、用戶主導型；張菁菁[3]利用合作博弈模型分析了政府、企業(yè)、用戶之間的利益關系，研究了政府支持力度和充電價格的問題；Winkler[4]分析了德國兩種不同類型充電站的主要結構和運營情況；Christensen[5]提出了一種新型的電動汽車充換電商業(yè)模式來促進丹麥電動汽車發(fā)展。

本文對電動汽車充電站服務模式相關研究進行分析，參考國內(nèi)外充電站研究中的經(jīng)驗，以用戶為中心，用戶需求為導向，提出到點式的換電站服務模式，提高了換電站服務的靈活性，使得換電站服務場景多元化，為互聯(lián)網(wǎng)+交通模式下，智能化、個性化的電動汽車換電池服務提供了參考。

二、電動汽車基礎研究

（一）電動汽車類型

目前，電動汽車驅(qū)動模式有兩種，全電能驅(qū)動與不完全電能驅(qū)動，根據(jù)驅(qū)動方式與驅(qū)動能源的區(qū)別，可將電動汽車分為純電動汽車、混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車三大類，三種電動汽車特點如表1所示。表1不同種類電動汽車特點電動汽車類型能源種類動力來源優(yōu)勢劣勢純電動汽車電能蓄電池不依賴石油資源，零排放，清潔無污充電設施技術規(guī)范要求高，續(xù)航能力差，充電不方便混合動力電動汽車電能、加油站內(nèi)燃機、蓄電池低排放，續(xù)航能力強石油依賴度高，制造工藝復雜燃料電池電動汽車甲醇、乙醇、氫氣燃料電池能源轉(zhuǎn)化效率高，排放污染小，續(xù)航能力強電池價格高、可靠性差三種類型電動汽車其實是電動汽車發(fā)展不同階段的產(chǎn)物，混合動力電動汽車是汽車由傳統(tǒng)能源汽車向電動汽車過度的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)汽車相比大大降低了對石油等資源的依賴，一定程度做到了節(jié)能減排；純電動汽車與燃料電池電動汽車是電動汽車發(fā)展中供電方式不同形成的兩類分支，純電動汽車運行中清潔無噪，其短板在于蓄電池的蓄電能力與充電方式以及電池壽命，燃料電池電動汽車利用燃料燃燒轉(zhuǎn)化為電能，在續(xù)航能力與排污方面具有一定優(yōu)勢，但燃料電池的價格及穩(wěn)定性等方面是制約其發(fā)展的重要因素。綜上分析，電動汽車純電力驅(qū)動的汽車在隨著蓄電池材料更新，蓄電續(xù)航能力不斷提升過程中擁有廣闊的發(fā)展前景。

（二）電動汽車充電站類型

北京推出的《電動汽車電能供給與保障技術規(guī)范》，根據(jù)蓄電池的能力，配電容量，服務能力將充電站劃分為4個等級[6]，如表2所示。

三、到站式服務模式

現(xiàn)有的充電站服務模式是用戶到充電站接收服務，稱為到站式服務。到站式服務根據(jù)電動汽車的構造分為整車充電模式和非整車充電模式兩種[7]，其中整車充電模式是蓄電池與汽車車身一體模式下的電動汽車充電方式，也稱為插電模式；非整車充電模式是指蓄電池可以與車身分離的充電方式，此時的電池可以從車身分離進行充電與電池更換服務，兩種模式特點如表3所示。

表3整車充電模式與非整車充電模式特點整車充電模式非整車充電模式電池安裝方式電池固定于車身電池與車身獨立存在，可拆卸補充電能方式充電充電或換電池補充電能時間快充：15～30min

慢充：6～10h充電時間與整車充電相同換電池時間5～10min優(yōu)點服務專業(yè)化要求較低補充電能方式靈活、安全性好缺點補充電能方式單一

電池安全性能較差充電、換電池服務專業(yè)化要求高（一）整車充電模式

整車充電模式由于車與電池一體，只能采取充電方式進行供能，服務方式是充電樁充電，充電的方式主要有快充和普通充電兩種方式[8]。充電站的資源形式是充電樁，建設受地理位置、電網(wǎng)布局等的約束；服務過程中按照充電量或者充電時間進行收費，利用電價差獲利。

快充又稱為直流快充，充電中利用150～400A的強電流對蓄電池進行電量補充，充電時間為15～30min，主要優(yōu)勢在于降低了充電時間，提高了服務點單位時間的充電服務能力；其缺點是選址布局受地理環(huán)境影響大，充電中的強電流加大了公用電網(wǎng)負荷，對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，電池壽命短，安全性能差，建設成本較高，不適合大規(guī)模推廣發(fā)展。

普通充電又稱為交流慢充，以約15A的正常電流為電動汽車充電，充電時間為6～10h，主要優(yōu)勢在于建設成本低，充電功率相對較低，對充電設備設施的要求較低，提高了電動汽車蓄電池的使用次數(shù)，同時不會對電網(wǎng)的輸送產(chǎn)生極大沖擊，降低了充電成本；其缺點在于充電時間長，服務應急性差，對充電站的空間規(guī)模有更高的要求。

對整車充電的兩種充電模式以其關鍵因素進行對比分析，具體內(nèi)容如表4所示。

表4快充與普通充電特點對比快充模式普通充電模式充電服務點充電站專業(yè)服務點充電樁充電時間15～30min6～10h建設與維護建設成本高，能對設備進行集中管理與專業(yè)維護建設成本低，設施設備集中管理與維護難充電成本成本較高（高峰充電）成本較低（低谷充電）目標用戶運營車輛等應急充電車輛（公交車、消防車等）私家車、集團車電池性能強電流充電大幅度降低了電池的壽命，安全性差正常電流充電，對電池壽命影響小，安全性較好（二）非整車充電模式

非整車充電模式是隨著電動汽車發(fā)展而形成車與電池分離下出現(xiàn)的服務模式，電池可從電動汽車上拆卸下來，用戶可以根據(jù)自身需求選擇充電服務或換電池服務。非整車充電模式按照能源獲取方式可以分為充電模式和換電池模式[9]。

1.充電模式。充電模式與整車充電模式類似，也可以選擇快充和普通充電兩種方式，但充電的專業(yè)化要求高，換電池需求就是用戶直接從充電站獲取電池進行快速更換。

2.換電池模式。換電池模式是直接更換充好電的電池箱，平均操作時間3～5min，這種模式很大程度上提高了電動汽車的獲取能源方便性和快捷性，提高了電動汽車使用效率。換電模式中由于電池歸屬不同可以細分為電池租賃模式與電池交換模式。

3.電池租賃模式。電池租賃模式中車與電池所有權分離，用戶購買裸車，從充電站租用電池，當電動汽車驅(qū)動電能不足時，去充電站更換已充滿電的電池，并對電池進行維護與保養(yǎng)。

4.電池交換模式。電池交換模式是基于電池租賃模式形成的網(wǎng)絡化充電服務模式，用戶與電池供應商建立長期合作關系，電池供應商建立大量的充電站為用戶提供充電服務或換電池服務。兩種模式特點如表5所示。

表5電池租賃模式與電池交換模式特點電池租賃模式電池交換模式費用核算電費與折舊費按續(xù)航距離收費服務時間10min以內(nèi)2min左右服務優(yōu)點專業(yè)充電，用時短，可利用低谷充電，成本低可預約，降低充電站電池儲存費，充電成本低設施維護電池回收，能夠及時對電池進行集中管理與維護設施分散，難以進行集中維護建設難點建設成本高，對電池、服務等進行標準化難度大，難以實現(xiàn)規(guī)模化運營建設成本高，電池標準化要求高，廢電池處理困難，配套設施要求高針對站點服務功能特點，衍生出充換電模式與集中充電統(tǒng)一配置模式兩種服務模式[10]。

5.充換電模式。充換電模式是整車充電模式隨著車與電池分離產(chǎn)生的一種模式，隨著電動汽車的發(fā)展，鑒于充電模式充電時間長，建設局限大等原因，充電服務模式逐漸發(fā)展為換電池服務模式，原有的充電服務模式下的充電站發(fā)展為“換電池為主、充電為輔”的新模式。充電站在原來充電模式的基礎上增加換電池服務，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的服務。充換電站由于其服務的多樣性，需要同時配備充電裝置與電池更換裝置，維護成本高，建設成本大，選址布局受地理環(huán)境與電網(wǎng)約束嚴重。

6.集中充電統(tǒng)一配置模式。集中充電統(tǒng)一配置模式只為電動汽車提供換電池服務，換電站將換下來的電池送往電池集中充電站進行充電與專業(yè)維護，電池集中充電站將充好電的電池送返相應的換電站等待服務，如圖1所示。集中充電統(tǒng)一配置模式下，由集中充電站對電池進行集中充電，之后將充好的電池配送到換電站，保障換電站的相關服務。該模式優(yōu)點：實現(xiàn)了電池的規(guī)模化管理，可定期對充電池進行維護保養(yǎng)，提高電池的壽命與安全性；換電站不需要配備充電設備，建設面積小，選址布局不受地理環(huán)境與電網(wǎng)約束，運營成本低；電池集中充電站采用普通充電模式充電，可避開用電高峰，減小對電網(wǎng)的負載。圖1集中充電統(tǒng)一配送模式（三）整車充電模式與非整車充電模式對比分析

整車充電模式與非整車充電模式的核心區(qū)別在于是否具備換電池功能，分別從電池維護、經(jīng)濟性、電網(wǎng)沖擊、商業(yè)運營、站點建設、投資模式六個方面對這兩種模式的核心部分進行比較，具體如表6所示。

表6整車充電模式與非整車充電模式對比分析整車充電模式非整車充電模式（換電池模式）電池維護電池成本高，維護困難、維護成本高，維護過程會造成電池能量損失15%～20%電池成本低，專業(yè)化維護，及時更換問題電池，延長電池壽命經(jīng)濟性充電時間長，成本高，降低了電動汽車利用率，電池事故會對車輛造成嚴重損失電池更換時間短，成本低，車的利用率高，電池事故可降低損失電網(wǎng)沖擊充電過程突發(fā)性強，造成電網(wǎng)波動，增加電網(wǎng)負載，降低變壓器、電線等的利用率電力資源供給合理規(guī)劃，低峰用電期間均衡充電，提高電網(wǎng)效率商業(yè)運營電池個體差異化大（最高達30%），規(guī)模使用風險大，商業(yè)化操作困難電池在換電站中流通使用，電池標準程度高，容易實現(xiàn)商業(yè)化站點建設站點建設受地理環(huán)境與電網(wǎng)布局影響較大，無法根據(jù)用戶需求分布進行充電站選址布局站點選擇不受地理環(huán)境限制，可以根據(jù)需求分布進行選址布局投資模式服務技術要求低，基礎設施投資小，投資集中在充電站的場地與充電站人力成本方面服務技術要求高，投資集中在電池更換自動化服務方面

四、到點式服務模式

（一）到點式服務模式描述

隨著電動汽車技術、設備及管理體系的發(fā)展與完善，充電站商業(yè)化服務逐漸形成“通用化、智能化”的趨勢，換電池模式的優(yōu)勢日益突出，統(tǒng)一充電集中配送的換電池模式將成為未來主流的服務模式。目前充電站的服務都是到站式服務，用戶需要到充電站接收服務，服務的靈活性較差。隨著電動汽車接口標準化與電池通用性提升，電池更換技術要求逐漸降低，用戶需求逐漸趨于多樣化，到站接收換電池服務的模式將會被打破。本文總結了現(xiàn)有的充電站服務模式特點，以統(tǒng)一充電集中配送模式為基礎，借鑒物流、外賣等配送相關思路[11]，提出了到點式的換電站服務模式。到點式的換電站服務模式是到站式服務模式的發(fā)展與延伸，換電站根據(jù)用戶需求點的電池種類與數(shù)量要求進行移動化服務，如圖2所示。圖2到點式的換電站服務模式示意圖到點式的換電站服務模式下的電池資源是可以移動的，用戶可以根據(jù)需求選擇在需求點或換電站進行換電池服務，模式中主體為四個部分：電池供應商、電池集中充電站、換電站、用戶。換電站利用運輸工具將需求點所需電池運輸?shù)叫枨簏c，進行電池更換服務；需求點的問題電池（無電或者有故障的電池）被換電站帶回集中返還到電池集中充電站進行充電及維護檢修；電池集中充電站將充好電的電池運輸?shù)綋Q電站，為換電站服務能力提供保障；換電站根據(jù)用戶需求量變化調(diào)整電池資源池，選擇不同的電池供應商構建新的電池資源池，為用戶提供及時有效的服務；電池集中充電站的問題電池返還電池供應商進行更換與維修，以保證電池的安全性。此時，電動汽車換電池接口標準化程度高，電動汽車電池不受汽車型號約束（同一種電池可以被應用于不同類型的電動汽車中），續(xù)航能力由電池種類決定。到點式的換電站服務模式主要優(yōu)點有：一是服務的靈活性，換電站的電池資源可以為服務范圍內(nèi)的用戶提供配送式服務，極大程度地提高了換電站服務的靈活性，同時也為用戶提供了更多的服務選擇；二是電池安全性能高，到點式的換電站服務模式下實現(xiàn)的是基于電池供應鏈的服務，電池在換電站中循環(huán)使用，及時進行維護檢修，保障了電池的安全性與可用性；三是電池利用率高，到點式的換電站服務模式下基于用戶需求對換電站進行資源配置，提高了換電站資源的利用效率，從而降低了充換站電池儲存成本。

（二）到點式服務模式應用場景

現(xiàn)實的電動汽車運行環(huán)境非常復雜，互聯(lián)網(wǎng)與智能技術的滲透使得用戶對電動汽車換電池的需求趨于多元化、個性化，到點式服務能夠適應“互聯(lián)網(wǎng)+交通”環(huán)境下，用戶對換電站的服務需求，如圖3所示。圖3“互聯(lián)網(wǎng)+交通”環(huán)境下的換電站服務示意圖電動汽車服務需求具有及時性、多樣性的特點，到點式的換電站服務模式在此情形性更能發(fā)揮其移動、靈活的優(yōu)點。互聯(lián)網(wǎng)+交通環(huán)境下，用戶可以根據(jù)表盤顯示的電量判斷電動汽車的續(xù)航時間與續(xù)航距離，以此為依據(jù)搜索續(xù)航到達點附近范圍內(nèi)的換電站，選擇合適的服務預約點，分析路況判斷到達預約點需要的時間；然后將預約點的位置信息、自身所需的電池種類與數(shù)量信息及服務時間信息發(fā)送到換電站的服務信息系統(tǒng)；換電站對用戶的需求信息進行處理，將合適種類、合適數(shù)量的電池在用戶預約時間之前到達服務點，為用戶提供換電池服務，將用戶的問題電池帶回集中送往電池集中充電站進行充電或檢修；用戶對服務的情況進行評價；換電站對用戶服務評價進行分析，便于了解用戶的需求特性，分析現(xiàn)有電池資源池與市場用戶需求的匹配度，從而指導換電站對電池資源池的調(diào)整。

隨著互聯(lián)網(wǎng)布局的升級，車聯(lián)網(wǎng)更加成熟，到點式的換電站的服務趨于智能化，換電站可以通過路網(wǎng)監(jiān)測了解其服務半徑范圍內(nèi)電動汽車的流量，再通過物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)測電動汽車電池狀況，通知用戶進行服務，并提供相關服務方案，在合適的時間段內(nèi)送至服務點進行服務，解決了電動汽車的電池問題，減少了服務等待時間，提高了電動汽車的運行效率和換電站的服務效率。

五、兩類換電服務模式比較分析

換電站的運營過程為：電動汽車產(chǎn)生更換電池的需求，用戶通過信息系統(tǒng)查找就近的換電站，選擇服務類別（到站式服務或到點式服務）；電動汽車到達電池更換區(qū)域（或預約上門進行服務），先對電池進行故障檢測，然后更換蓄滿電的動力電池；更換后的電池如果檢測沒有故障就放入充電區(qū)進行充電，若有故障，則先送專業(yè)人員維修，再另行充電；電池充滿電后根據(jù)需求配置到各個換電站，等待下一次更換。整個過程主要可以分為四大部分進行：服務預約、電池更換、電池充電、電池配置。

到站式的換電服務步驟可詳細描述為：

Step1：更換請求。為了更加快速地完成電池的更換任務，需要進行電池更換的電動汽車可以依靠信息系統(tǒng)向換電站發(fā)出請求，換電站接受到請求后及時備好蓄滿電的電池，并準備好換電設備和其他服務設施。

Step2：車輛進入換電站。車輛發(fā)出電池更換請求之后，按照一定路線將車輛駛入換電站，根據(jù)調(diào)度指令指定的停靠車位將車輛行駛到準確的換電位置，排隊準備接受換電服務。

Step3：更換電池。在電池更換之前，為了保證用戶和運營商之間的利益，以及防止出現(xiàn)故障問題后產(chǎn)生不必要的糾紛，需要讀取動力電池車載監(jiān)控的歷史故障記錄，檢查動力電池在行車過程中是否曾出現(xiàn)過故障，并進行判責；故障診斷之后，遵循一定的操作規(guī)程進行電池更換操作；最后將換下來的電池合理處置之后進行充電。

Step4：服務結束。換電服務結束，車輛駛出換電站，更換下來的電池進入充電狀態(tài)并準備進行下一輪更換。

到點式的換電服務是移動化的服務模式，不需要用戶到達換電站，并且免去了排隊時間，只需要預約服務并接受服務，其與到站式的換電服務模式比較如表7。

表7兩類換電服務流程表序號換電步驟到站式服務模式到點式服務模式1服務預約√√2客戶到達換電站√3排隊等待√4電池故障檢測√√5更換電池√√6客戶離開換電站√

六、結語

電動汽車充電問題是制約其推廣普及的主要瓶頸之一，現(xiàn)有以用戶到站接受服務為主的電動汽車充電服務模式存在充電時間長，充電困難，充電站資源效用差，用戶滿意度低等一系列問題，已嚴重阻礙了電動汽車的推廣普及。針對現(xiàn)有問題本文提出了換電站到點式服務模式，解決了充電站建設對電網(wǎng)布局的依賴，降低了服務時長與用戶等待時長，提高了電動汽車運行效率。同時本文設計的“互聯(lián)網(wǎng)+交通”環(huán)境下?lián)Q電站到點式服務模式的應用場景，也印證了到點式服務模式的先進性。

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（責任編輯王婷婷）