充換電基礎設施充電模式與換電模式發展淺析

唐 川

(成都市規劃設計研究院，四川 成都 610094)

1 概述

目前全球均處于充換電設施建設運營的探索階段，所以對于發展充電模式還是換電模式一直存在爭論。已有不少國家、地區乃至不同的公司都在積極探索和實踐；同時一些學者也在進行相關研究并提出不同的觀點，但尚未有明確的定論，如雒煥強認為應主要發展充電模式[3]，寇亮認為應主要發展換電模式[4]。

充電模式和換電模式需要不同的技術支撐，不同的模式將對電動汽車使用、充換電設施體系、設施布局、建設運營與管理模式、配套的產業等產生重要影響，因此每個城市在建設電動汽車配套基礎設施時均需要考慮發展模式，以提升城市資源使用效率、在時間和空間上節約社會成本。因此論文將從便捷性、技術統一性、建設與運用適宜性、用戶便捷性以及案例實證來對兩種模式進行多緯度的對比分析，以為國內各城市電動汽車充換電基礎設施的規劃建設提供借鑒。

2 現階段充電模式相比換電模式更具優勢

2.1 便捷性

時間上，換電模式目前具有領先性，但隨著技術的發展，兩者的差距在逐漸縮小。采用換電模式通常需要0.5 min～3 min，花費時間較短，用戶體驗與內燃機車加油相近。充電模式主要通過充電樁對汽車進行充電，可采用慢充方式和快充方式。慢充一般需6 h～8 h；采用快充方式，約30 min可充至80%；若采用超級快充技術，可在5 min內充滿70%的電量。

空間上，充電模式具有更多的靈活性。理論上，只要有車位的地方，均可安裝充電樁對車輛進行充電：如住宅、工作地點、休閑娛樂場所、購物中心、公共充電站等，人們可根據自己的出行安排靈活選擇。而換電模式一般需要電動汽車到相關站點進行，換電地點的選擇與加油加氣站類似。

2.2 技術標準統一性

任一模式均需要相應的技術支撐，其推廣與普遍運用的前提是統一的技術標準。

我國從2006年提出研究充電技術標準到2015年發布《電動車充電接口和通信協議》共歷時10年，而換電涉及的標準尚待統一。換電標準的不統一會對采用不同電池標準的車輛共用電池造成影響，使得換電站的建設成本上升。參考充電技術標準統一時間，排除其他因素影響，換電技術標準統一時間大約需要10年。換電模式標準的統一將對我國汽車產業整車設計、裝備、制造提出更高的要求，若同時考慮充電模式的競爭，換電技術標準統一的時間將會更長,見圖1。

2.3 建設與運營的市場適宜性

不同的模式需要匹配不同的投資建設、運營與管理模式，并具備不同的基礎條件。

充電模式主要通過充電樁實現。充電樁設置靈活，占用空間小，有停車位的地方均可安裝。充電樁可以通過購買或租賃的方式獲得。因為充電樁價格較為便宜(價格約1萬元)，各城市已經出現了眾多充電樁運營企業(如上海普天、特來電等，通過安裝公共充電樁、提供充電服務獲得收益)提供充電樁安裝租賃解決方案服務。

換電模式主要通過換電站更換電池實現，這就要求汽車上的和換電站內的電池物權統一。而目前一輛電動汽車最大的成本便是電池，約占整車成本的1/3～1/2。根據國內外經驗，采用換電模式時一輛電動汽車共需準備三塊電池。按照國產電動乘用車(含電池)均價約20萬元、電動汽車保有量占機動車保有量2.5%(2020年國家發展目標)，并假設某一城市機動車保有量200萬輛計算，采用換電模式需另外準備的電池數量約為10萬塊，僅電池采購費就需約100億元。同時還需購買土地、配套電池更換系統、充電架、電池箱存儲設備和電池更換設備等，初期投資巨大。我國正處于電動汽車的初期階段，如若要保持目前內燃機車的行駛特征不變，須在全國大多數城市推廣使用換電模式，并統一物權，其投資成本鮮有公司能夠承擔，這將極大阻礙民間資本進入充換電設施領域，阻礙我國充換電基礎設施的發展。

所以在現階段充電模式適宜性較好，而換電模式適宜性相對較差。但是對于一些特定的、對時間比較敏感的領域——如公交車、出租車等領域——換電模式具有一定的適宜性。

2.4 用戶經濟性

采用充電模式，用戶購車需要包含電池，后期安裝充電樁，僅須支付電費，購車成本較高，使用成本較低。

采用換電模式，需同時發展電池租賃行業。在此前提下，用戶可僅購買裸車(不包含電池)，從而降低購車成本。在用車過程中，除充電費用外，用戶還是需支付電池租賃費，使用成本較充電模式高(見表1)。

3 國內外案例證明充電模式更易在市場條件下取得發展

3.1 公司實證

國際上采用充電模式與換電模式的影響較大的公司分別是特斯拉(TESLA)和美好世界(BETTER PLACE)兩個公司。

特斯拉公司從電動汽車研發之初，同時開發了充電技術和換電技術，并同時投入市場。其中換電技術推廣困難，使用率低，最后被放棄；而充電技術推廣快速，現已在世界各洲廣泛推廣使用其最新的超級充電技術，見圖2。

美好世界公司在成立之初便是換電模式的堅定推進者。在2007年—2012年共取得渣打銀行、通用集團、以色列集團、摩根士丹利等公司及各地政府配套，獲得投資總額約10億美元～12億美元。2007年—2011年與以色列、丹麥、美國加州、德州三角、夏威夷、澳大利亞、韓國、加拿大安大略、中國大陸、法國等國家和地方政府進行談判、簽訂合作協議。最終因虧損嚴重，于2013年破產。

表1 充電模式與換電模式對比一覽表

3.2 城市實證

與國內外公司的發展相似，國內各城市采用的模式也不盡相同，深圳為充電模式的典型代表，杭州為換電模式的典型代表。通過對深圳市和杭州市充換電模式發展的實踐進行分析，可以直觀了解目前兩種模式在國內的發展情況。

截至2015年年底，深圳市已建成充換電站2座、充電站約200座、充電樁約24 000個。通過基礎設施的建設，帶動了電動汽車的發展。截至2016年年底，深圳市機動車保有量達3 225 879輛，其中新能源汽車保有量達80 828輛，新能源汽車占比達2.5%。新能源汽車中，純電動汽車44 099輛，插電式混合動力及其他類型新能源汽車36 729輛，電動汽車占汽車保有量的比例為1.21%，全國排名第二，僅次于上海市。深圳市計劃通過將充電樁建設納入《深圳市城市規劃標準與準則》、加強充電設施財政補貼、引入建立了投資回報機制等措施，進一步加快充電設施的發展。

杭州市從2010年開始建設換電設施，并于2014年開始同步建設充電設施，至2016年年底，杭州市共建成換電站27座，充換電站6座，充電站2座，形成換電設施占絕對主導地位的格局。截至2016年年底，杭州機動車保有量約229萬輛，其中電動汽保有量約2.3萬輛，占汽車保有量的0.98%，低于深圳市的1.21%。根據2015年7月獲批的《杭州電動汽車充電設施近期布點規劃》，杭州將新增充電站25座，新建分散布局的充電樁3 500個；新建的商務辦公樓、住宅、酒店賓館、超市賣場等民用建筑工程項目和自走式城市公共停車場，按不低于停車位總數10%的比例，配建充電樁位或預留充電設施接口。可以看出，杭州市已經開始由換電模式占主導地位轉向重點發展充電模式。

3.3 小結

綜上所述，按照政府引導、市場主導的原則，結合充電模式和換電模式的特征，在電動汽車、充換電設施推廣的初期，充電模式更適宜。

4 未來一段時期內充電模式將繼續保持相對發展優勢

充換電模式相關技術的發展，將通過影響便捷性、技術標準統一性、建設與運營適宜性、用戶經濟性而對未來充電模式和換電模式的發展起著至關重要的作用，主要包括電池技術、充電技術和換電技術。

4.1 充換電模式相關技術發展概述

1)電池技術。

國內外正在展開第四代電池技術的研究，具有代表性的是鋰空氣電池(含石墨烯)和石墨烯表面介導超級電池，這兩種技術具有重量小、容量大、充放電快等優點，且已經在實驗室實驗中取得一定進展。若第四代電池技術實驗取得完全成功，那么采用第四代電池技術的電動汽車將擁有更輕的車身、更遠的續航歷程和更短的充電時間，這將對電動汽車行業產生革命性影響。

2)充電技術。

目前國內外的充電技術主要分為兩類：剛性充電技術和柔性充電技術。剛性充電技術包括交流慢充技術和直流快充技術。柔性充電技術包括柔性快充技術和超級快充技術。目前普遍采用的技術是交流快充、直流快充，同時柔性快充也正在逐步推廣。

日本JFE Engineering、以色列StoreDot等多家公司均研制發布了超級快充技術，3 min即可充滿電池電量的50%，5 min充滿電池電量的80%。該技術正在由研發成果向應用成果轉化，未來該技術普遍投入使用后，將大大提高電動汽車充電體驗，極大縮小充電時間與換電時間的差距。從而提高充電模式對換電模式的競爭力，見圖3。

3)換電技術。

換電技術是通過換電裝置或者人工對汽車上的電池組進行更換實現。到目前為止，換電技術主要解決了電池卸下和裝載時保持電池與汽車連接穩定性的問題，在充電體驗、充電效率上并沒有明顯的提升。

4.2 未來充電模式與換電模式的對比分析

在未來隨著科技的進步，電池技術、充電技術和換電技術的發展對便捷性、技術標準統一性、建設與運營適宜性、用戶經濟性將產生較大影響，并有利于充電模式的發展(見表2)。

表2 電池技術、充電技術、換電技術影響分析一覽表

5 結語

通過現階段和未來可預見的一段時期內，充電模式和換電模式在便捷性、技術標準統一性、建設與運用適宜性、用戶經濟性等幾個方面，以及案例實證分析，可以得出：在電動汽車普及的現階段及未來可預見的一段時期內，充電模式將是主要模式。各城市充換電基礎設施建設發展的具體策略應結合其電動汽車規模結構及其使用特征進一步分析論證，同時在空間規劃上進行空間資源的預留和控制，以在政府引導的模式下，真正實現市場主導，使社會資本在城市電動汽車基礎服務方面可持續地參與和發展。