電動汽車換電模式的發展現狀及趨勢綜述＊

袁博

（河南省社會科學院工業經濟研究所，鄭州 450000）

主題詞：換電模式 里程焦慮 電動汽車

1 換電模式的發展歷史及現狀

汽車換電技術是指將新能源汽車已經衰減或能量耗盡的動力電池從車身中取出并替換全新動力電池的技術。換電技術目前主要分為單次換電和快換電池2種，單次換電主要為電池容量衰減到一定比例的新能源汽車一次性更換新的動力電池，這樣可以保證汽車繼續以原有的電池容量行駛，續航里程得到保障，目前比亞迪、榮威、吉利、廣汽等新能源汽車企業可以提供免費單次更換動力電池的業務，缺點是由于新的電池容量與之前的相同，續航里程沒有實際增加，在目前充電樁普及程度不高的環境下并沒有實質性解決行駛過程中續航里程不足的問題。在此背景下汽車企業開始研發多次換電技術，又稱為快換電池技術，是指可以在新能源汽車使用的任意時間段，通過特定的裝置短時間內快速更換動力電池，與燃油車的加油過程類似，使汽車可以繼續以足夠的續航里程行駛，快換電池技術相比于單次換電技術更加高效、靈活、機動，可以真正解決行駛過程中電量耗盡的問題，快換電池技術（以下簡稱換電技術）是未來換電技術的主要發展方向和趨勢。

換電技術最早始于21世紀初，當時新能源汽車產業還處于發展初期，續航里程不盡人意，電池技術發展緩慢，針對這一窘境，相關企業已經開始研發換電技術，其中最具代表性的是總部設在以色列的Better Place公司，該公司在首先與以色列政府合作，投資6億美金在以色列建成了38個換電站和少量充電樁。公司相繼與丹麥、澳大利亞、加拿大、日本等國合作，大力推行旗下的換電網絡服務項目。但2013年5月在巨額建站成本和極低回報率的情況下，Better Place公司宣布破產，其相應的換電業務也宣告終止。不久之后，美國電動汽車制造商特斯拉演示了其最新研發的耗時僅90 s的換電技術，但由于產業鏈整合難度大、建站投入高、收益極微等因素，特斯拉最終也宣告放棄換電模式[1]。

在國外相關企業紛紛投身換電技術研發的同時，國內企業也在積極推進換電模式的發展。2006年國內新能源汽車產業尚處于萌芽狀態，國家電網響應國家號召啟動電動汽車項目，2010年項目團隊開發完成了中國首臺可上牌的純電動汽車，并完成了基礎換電技術的儲備，發展了一套標準箱換電的技術，在杭州用眾泰朗悅和海馬普力馬車型與高箱體標準箱完成500臺純電動換電型出租車試點，并在該項目中首次提出并驗證了“車電分離、里程計費”的商業模式[2]；國內最大客車企業宇通集團多年來研發大型車輛的換電技術，并在2008年北京奧運會、2010年上海世博會期間正式在旗下公交車輛運營換電業務，成效顯著，目前已經應用于國內多座城市的公交系統；北汽新能源在2017年發布了“擎天柱計劃”，預計到2022年將在全國范圍內投入100億元人民幣建造3 000座分布式儲換電站，截至2019年底，北汽新能源已經在北京市推廣6 000多臺換電模式車輛，目前在全國15個城市，有接近2萬臺換電模式新能源汽車在運行。此外，國金汽車、申沃客車、華菱汽車、萬向集團、南方電網等相關企業都在積極投身于換電模式的研發，但其換電模式都是針對出租車等商用車型，沒有涉及私人乘用車領域[3]。

2017年12月16日蔚來汽車在其Nio Day發布會上正式公布針對私人車主的Nio Power換電技術，可以實現3 min以內完成動力電池的快速更換，是全球首個面向私人用戶的汽車換電服務系統。截至2019年12月，蔚來共擁有換電站123座，分布在全國超過20個省份，近4萬名車主已經體驗到蔚來的快速換電服務，此外，蔚來還首次實現旗下所有車型使用統一規格標準的電池組，方便不同車型的動力電池更換，同時推出電池租用服務，真正實現私人乘用車市場“車電分離”的商業模式，為新能源汽車企業換電業務的發展樹立了行業標桿。目前中國的汽車換電領域不論是技術水平還是商業模式的發展都已經走在世界最前列[4]。

相較于傳統的充電模式，換電模式有諸多優勢。

1.1 縮短能源補給時間，大幅度提高效率

目前新能源汽車的電能補給仍然以充電為主，通過私人充電樁和公共充電樁的慢充和快充模式為車輛充電，但即使是大功率的直流電快充，目前投入運營的最高功率僅為90 kW，純電動汽車的電池容量普遍在60 kW·h左右，容量較高的達到90～100 kW·h，而且后期的涓流充電會顯著降低速度，一般充滿時間在0.5～2 h，而換電時間一般在3～5 min，是快充所需時間的1/10左右，與燃油車加油時間相當，極大地縮短了純電動汽車的電能補給時間，大幅度提高新能源汽車的使用效率。

1.2 延長電池使用壽命

由于目前大部分新能源汽車的動力電池是不可快速拆卸的，需要一直持續使用，快充雖然可以縮短補給時間，但由于短時間內電流和電壓過大，會降低動力電池的還原能力，減少電池充放電的循環次數，加速電池容量的衰減，進而縮短動力電池的使用壽命。由于換電站會儲備多塊動力電池，可以使用慢充對電池充電，用充滿的電池進行更換，此外，每次換電操作之后都需要對電池進行檢測和保養，以確保電池的正常使用，客觀上減少了對動力電池的損傷和容量的衰減，延長電池的使用壽命。

1.3 消除續航里程短板

截至2019年底，全國安裝公共類充電樁51.64萬臺，安裝私人類充電樁70.3萬臺，公共樁和私人樁共計約121.94萬臺，同比增速為57.0%。國內充電樁保有量保持了持續快速增長態勢，但車樁比僅為3.4∶1，充電樁仍然存在巨大缺口，特別是高速公路服務區的充電樁目前數量較少，充電速度慢，設備損壞率高，無法滿足新能源汽車長途旅行的需求，而換電站的快速普及可以很好地補充充電樁缺口，換電時間大大縮短，已經與加油時間相當，此外換電站全是由相關企業自主建設，有專業的團隊負責運營和后期維護，能夠保證車主長期穩定使用，目前換電技術是解決續航里程問題的最理想方案[5]。

2 換電技術的存在問題

換電技術近兩年來快速發展，進一步緩解了新能源汽車的里程焦慮問題，提升了新能源汽車的產品吸引力，間接促進了新能源汽車的銷量，成為新能源汽車近年來快速發展的重要因素之一，但由于換電技術發展時間較短，尚不成熟，出現了一些急需解決的問題。

2.1 普及率仍然偏低，發展較慢

雖然換電技術近年來發展較快，汽車銷量和換電站數量持續增加，但由于所需資金數額龐大，技術門檻較高，多數企業對此仍處于觀望狀態，僅有數家企業投身，換電汽車數量占新能源汽車總量比例仍然偏低，截至2019年底中國新能源汽車保有量達381萬輛，而具備換電功能的汽車不足10萬輛，占新能源汽車保有量的比重不到3%。全國范圍內的換電站數量不足500座，遠遠低于充電樁121.94萬臺的保有量，2019年8月底蔚來宣布旗下所有車型的首任車主可享受終生免費換電，免費換電首日全國各地的蔚來換電站就相繼出現長時間排隊等待的狀況，甚至超過充電時間，效率嚴重降低，這一現象說明目前換電站數量和普及率遠不能滿足車輛的換電需求，勢必會影響現有車主的體驗和潛在消費者的購買意愿，進而影響換電模式的發展。

2.2 底盤結構松散，增加安全隱患

目前快換電池主要包括3種方式：垂直對插式、側面對插式、平行對插式，如圖1所示。轎車、SUV等小型車輛采用的是垂直對插式或平行對插式，動力電池組布置在底盤或后備箱，客車、卡車等大型車輛采用的側面對插式，動力電池組布置在側面[6]。由于動力電池體積較大，同時要與電動機相連來輸出動力，80%以上的換電汽車的動力電池鋪設在底盤，一方面可以充分利用車身的有限空間，另一方面使汽車重量集中在底盤，重心下降，增加車輛行駛穩定性，換電技術要求車輛的動力電池要在3～5 min內更換完畢，車輛的底盤考慮到可快速拆卸的動力電池，不會像普通新能源汽車的動力電池完全固定封死在底盤，而是將底盤結構進行針對性改造，以方便動力電池的拆卸和安裝，相對于封閉底盤更加松散，同時堅固性和耐久性不可避免地出現一定程度的下降，出現碰撞事故的情況下車輛損失比其他固定安裝動力電池的車型更加嚴重，駕乘人員的安全不能得到充分保障。以蔚來汽車為例，在中汽研公布的2019年第二批C-NCAP車輛碰撞測試成績中，蔚來ES8僅排在參與測試的全部9款車型中的第5位，表現一般，與其底盤結構松散有一定的關系[7]。

除了使底盤結構安全性下降之外，換電技術還會影響動力電池本身的放置結構，由于需要頻繁快速拆卸和安裝，動力電池組無法完全緊密固定在底盤，會有間隙存在，整體結構松散，導致電池組在行駛過程中出現松動等狀況，穩定性下降，在發生碰撞時易造成損壞，在車輛停止時同樣會造成事故，國內一家新能源換電車型僅在2018年底至2019年上半年就發生了4次自燃事件，另一家新能源汽車公司在2019年4月22日至6月14日的兩個月內發生了3起自燃事件。經調查，上述自燃事件的原因全部為動力電池存在安全隱患，這兩家公司隨后相繼宣布召回旗下相關新能源汽車產品。

圖1 快換電池的3種實現方式

2.3 增加運營成本，加重企業負擔

換電技術需要生產企業對車輛底盤、動力電池、車身結構等方面進行重新設計，與傳統充電方式相比差別較大，加之是一項新技術，沒有之前的技術儲備和積累，研發費用和技術門檻較高，客觀上導致研發換電技術的企業較少。同時，換電站除了換電業務外，還需要對電池進行充電、檢測、保養等，加之目前換電站還無法實現智能汽車充電樁的無人自助操作，需要單獨組建專業團隊進行運營，建設成本和人力成本驟增，進一步加重企業負擔，最終影響其整體經營發展。換電模式的創始公司Better Place因為巨額的財政負擔已經破產，特斯拉在評估其換電業務的投入產出比過高會給公司造成極大財務風險之后直接放棄，甚至沒有投入運營，國內的換電企業同樣面臨著資金困境，北汽新能源已經向主營換電技術的北京奧動累計投資數億元，但目前仍處于虧損狀態，蔚來汽車2019年前三季度總收入為18.36億元人民幣，凈虧損25.21億元人民幣，居高不下的換電服務體系建設成本是其虧損的重要原因[8]。

3 換電模式的未來發展趨勢

雖然換電技術目前遇見了一些問題，但它可以大幅度提高電能補充效率、延長電池使用壽命、消除續航里程焦慮，發展前景仍然利好，是今后新能源汽車重要的輔助技術，近兩年又在技術和模式方面出現了新的方向和趨勢。

3.1 集約型換電設施

換電站除了要為新能源汽車提供換電服務之外，還要對動力電池進行儲備、充電、檢測、保養等，保證其能夠正常穩定使用。基于以上多種功能的換電站相比于充電樁占地面積更大、建設和運營成本更高，一直制約和阻礙換電模式的推廣應用。針對這一現狀，國內最大的電網企業國家電網正在主導研發占地面積更小、建設成本更低、自動化水平更高的集約型換電站。

集約型換電站是在原有換電站的基礎上，基于集約型、模塊化、高效率為核心的技術研發思路提出的集成式換電設備，為了最大限度地利用土地，換電站地主體采用高箱集裝箱，并對內部進行一體化充換電系統設計、電氣模塊化設計，對功能子系統集成優化，采用信息監控和多工位集約化，實現電池充換電自動甄選和存取，提高自動化水平，一般可以提供超過20個充電工位。由于儲存的動力電池較多，為保障使用過程中的安全，集裝箱體增加了雨棚、卷閘門、安全護欄等防護設備，以保障使用過程中的安全穩定，如圖2所示。

圖2 集裝箱主體效果[9]

電池取放系統是整個集約型換電站的核心系統，如圖3所示，負責快換電的操作，主要由底座、電池緩存架和電池取放行走機構3部分組成，為全自動智能系統，基本流程是由電池緩存架的電動推拉機構將集裝箱內的待換動力電池推出電池架，放置于電池緩存架等待更換，電池自動取放裝置通過伺服定位模塊與標簽定位模塊組成的定位系統完成對電池的精確定位。電池取放裝置通過吸盤完成對電池的抓取與推放動作，單節電池取（放）時間為20 s，負重達到200 kg以上，能夠同時取放2組電池，與現有技術相比，大幅提高了換電工作效率和安全性[9]。

圖3 電池取放系統[9]

集約型換電站由于設備集成度和自動化水平高，相比常規的充、換電倉減少50%以上的占地面積，大幅度降低建設和運營成本，提高換電服務的質量，目前國家電網已經開始在部分地區試驗集約型換電站，預計在不久的將來會正式投入使用。

3.2 “車電分離”商業模式

傳統新能源汽車因為動力電池固定在底盤不可快換，對外是按整車銷售，由于目前動力電池成本較高，技術還不成熟，導致新能源汽車續航里程有限且價格較高，產品吸引力有限，與燃油車競爭時處于劣勢，換電技術可以讓車輛和動力電池分離，為廠商提供可以單獨銷售動力電池的可能性，相關企業根據這一獨有特性，探索出“車電分離”的新模式，即動力電池與車輛分離，單獨進行銷售和租賃，而租用電池可以將一次性購買成本分攤到每月，極大地緩解消費者的資金壓力。2010年國家電網率先提出“車電分離”商業模式，并在眾泰和海馬換電出租車上試點，蔚來汽車在2017年底發布的首款車型ES8推出電池租用方案，車主可以一次性支付電池費用或者按月支付租賃費用來使用動力電池，是全球首個推出的針對私人乘用車市場的“車電分離”商業模式，引起業界關注。此后的2018年7月北汽新能源跟進正式推出針對私人車主的“車電分離”方案，允許車主租用動力電池，目前已經有上萬消費者享受到了“車電分離”模式帶來的便利和實惠，今后“車電分離”商業模式會進一步推廣到更多的換電車型上，讓更多車主從中受益[10]。

2020年2月29日中國工程院院士陳立泉在《中國經濟大講堂》的演講中提出，新能源汽車產業應發展車電分離的商業模式，可以破解用戶的里程焦慮問題，避免電池快充帶來的問題，可以防止由于新能源汽車補貼退坡帶來的新能源汽車產業下滑的問題。陳立泉院士指出換電商業模式的大規模實施需要政府出臺統一的換電商業模式相關的政策，包括企業生產的電動車與換電相關的車輛標準化和電池的標準化[11]。

3.3 制定統一標準

新能源汽車的充電技術與產業本身幾乎是同步發展，經過近20年的不斷完善和進步，目前充電技術的接口標準已經統一，純電動汽車已經可以在其他品牌的充電樁進行充電，統一標準使充電變得更加便利高效，顯著提升產品的吸引力和競爭力，加速新能源汽車的普及推廣，促進產業整體的發展，統一標準對其重要性不言而喻。換電技術由于起步較晚，同時涉及專利與商業機密，目前還處于各大廠商自主研發、各自為政的發展階段，而各車企內部的發展階段和路徑也不盡相同，其中，蔚來汽車的發展階段走在了行業前沿，其在換電模式的初始階段就制定了統一標準，旗下所有車型均使用相同規格的動力電池，同一種電池可以給不同的車型更換，高效便捷。2018年底蔚來又推出了業界首創的電池升級服務，用戶可以付費更換更高容量的動力電池，費用遠低于購買整車，使用現有車輛就可以提升續航里程，極大地節省了費用，在新能源汽車發展歷史上有重要的意義[12-13]。

雖然標準化對產業發展有諸多益處，但換電技術需要電池規格和更換方式兩方面的一致，制定統一標準依然面臨著巨大障礙，首先動力電池品牌眾多，全球目前有近10家主要動力電池生產商，材料、排列、能量密度等規格各不相同，強制統一標準要求不同企業改變自己的生產方式，勢必會涉及產業各方利益，甚至遭到反對，主觀上會遭遇巨大阻力；其次不同車型的換電方式也存在巨大差異，轎車、SUV等小型車輛多采用垂直對插式，客車、卡車等大型車輛多采用側面對插式，強制統一標準就需要對不同的車身及底盤結構進行改造，勢必會對車輛行駛和安全方面造成重大影響，客觀上也難以實現。

統一標準雖然目前困難重重，但從長遠來看對產業發展有明顯的促進作用，是換電模式的必經之路，目前已經出現能儲備同一換電方式的不同規格動力電池的換電站，可以為相應的不同品牌車輛進行換電，隨著技術的進一步改進，標準化換電模式終將會實現。

4 結束語

換電技術目前已經為新能源汽車續航里程焦慮提供了行之有效的解決方案，換電商業模式可以在共享和大規模租賃車輛上實施，但同時存在一些現階段難以解決的問題，隨著無線充電、固態電池技術的日漸成熟，未來會有更多解決續航里程不足問題的方案，與換電技術最終共同促進新能源汽車產業的發展。