電動汽車換電模式發展情況、研究現狀與挑戰分析

王信銳

（遵義職業技術學院 汽車工程學院，貴州 遵義 563006）

推廣和應用新能源汽車是全球環境改善和碳達峰、碳中和的重要推動力。2020年12月，中央經濟工作會議就曾明確指出要繼續大力發展新能源汽車，做好碳達峰、碳中和工作。長期以來，新能源汽車在我國得到了極大的重視，在我國的推廣工作也取得了一定的成績。根據2021年3月的國新辦發布會可知，我國新能源汽車產銷量連續6年位居世界第一，累計推廣的新能源汽車超過了550萬輛[1]。隨著國家政策的不斷加持和地方政府的有力引導，傳統燃油汽車將逐步退出歷史舞臺。作為新能源汽車的一種類型，電動汽車的發展一直受動力電池的容量和能源供給的快慢所制約，因此，能源供給方式對電動汽車的推廣運營和規模化發展至關重要[2]。當前市場上的絕大多數電動汽車都是采用插充的方式（插充模式）來補充電能，但是這種類型的電動汽車存在初始購車成本高、“里程焦慮”、“充電焦慮”等問題，動力電池容量有限，不支持電動汽車長時間長距離行駛，這些都限制了電動汽車的大規模應用[3]。與插充模式相對應的換電模式卻可以很好的解決上述問題。因此，本文對換電模式的發展情況、研究現狀和挑戰進行分析，以期了解換電模式的痛點，為將來推廣換電模式電動汽車進而實現新能源汽車的全面推廣奠定基礎。

1 換電模式發展情況

1.1 國外換電模式發展情況

國外對換電模式的研究較早，加拿大、以色列等國家都推廣過換電模式的使用。其中，對換電模式的研究和商業化應用較早的也是較為知名的公司是以色列的Better Place公司[4]。作為一家換電模式運營服務商，Better Place曾與雷諾汽車公司開展合作，由雷諾汽車公司生產制造換電車型，但是由于當時電動汽車充電技術的提升和換電標準的不統一等各方面因素使得此換電車型并不具備優勢，電池的更換反而不方便，因此很少有消費者選擇此換電車型，導致雷諾公司的此換電車型銷量較差，效益不好，致使雷諾汽車宣布不再采用換電模式，放棄了換電車型的生產，以致于Better Place再也找不到合適的合作伙伴，加上換電站的重資金投入而得不到回報，導致公司大量虧損，從而宣布破產，以失敗而告終。隨后，特斯拉也嘗試過換電模式的研究和應用，曾投資大量資金建設換電站和生產換電車型，但與其公司正在研發的超充模式形成競爭關系，并且與超充模式車型相比，所生產的換電模式車型并不具備優勢，其動力電池與其它車型無法實現共享，也得不到消費者的大力支持，也因此放棄了換電模式[5]。

綜上所述，通過分析國外換電模式的兩個失敗案例可知，由于換電模式在當時是一種剛興起的產業，缺乏政策的引導和支持，換電技術的標準化等均不成熟，并不具備技術優勢，也不具備群眾基礎，廣大消費者并不看好換電模式的未來；再加上換電站的建設需要大量的資金支持，銷量不好的話很容易發生資金鏈斷裂，從而導致了換電模式商業化運營的失敗。

1.2 國內換電模式發展情況

早在2006年，國家電網就已經開始了對換電模式的研發，然而由于國家政策不支持，進展卻不甚順利，最終不得不于2015年轉向插充模式領域[6]。隨著政策的支持、換電標準的完善，大眾視野開始向換電模式轉變，以北汽新能源、蔚來汽車、長安新能源為代表的汽車生產商和以奧動新能源、伯坦科技、庫倫能網為代表的第三方換電服務運營商均紛紛布局電動汽車換電模式領域[7]，開發換電技術、建設換電站、創新換電商業運營模式等。值得一提的是作為傳統燃油供給的老牌企業中石化竟然也開始布局換電模式。今年4月份，中石化分別與蔚來汽車、奧動新能源簽署戰略合作協議，圍繞換電站建設、商業模式創新、換電網絡構建等方面開展全方位合作，依靠加油站布局換電站和換電網絡，進軍新能源汽車換電行業。截止2020年12月，我國運營換電站最多的前三大企業分別是奧動新能源、蔚來汽車和杭州伯坦科技，所運營的換電站數量分別為286座、175座和94座，其中奧動新能源所運營的換電站數量最多，但是相對全國的巨大市場前景來說，所建設和運營的換電站數量仍遠遠不足，仍不滿足換電模式電動汽車的大規模應用。

2 換電模式研究現狀

盡管國外換電模式商業運作的早期失敗，但國外學者對此模式的研究并未停止；隨著我國政府對換電模式的支持和引導，國內學者們對換電模式的研究方興未艾。總體來說，國內外學者們主要在換電站、動力電池、換電方式等幾個方面對換電模式進行了研究。

2.1 換電站研究現狀

國內外學者對換電站的研究較多，究其原因主要是由于換電站是電動汽車動力電池的中轉中心，也是資本投入最大的基礎性設施，其建設成本、運營好壞等直接關系著換電模式的成功與否，與換電模式的推廣和應用至關重要。對換電站的研究主要集中在換電站的選址布局、換電站的充放電策略、換電站的商業運營等方面。

2.1.1 換電站的選址布局

換電站的選址布局是否合理關系消費者換電的便利性，也會對換電運營商的收益產生影響，甚至會影響換電站的安全性。一般來說，換電站的總體規劃受地方政府的總體規劃、換電模式電動汽車的保有量、土地成本、配電網的供電能力等因素的制約。如果在建設換電站時，沒有綜合考慮城市規劃和配電網建設，那么隨著電動汽車的推廣和銷量的增加，勢必會對電網產生很大壓力，危害人們用電安全，到時候再對配電網進行升級改造也是很麻煩。不同類型的交通工具都可以作為換電模式下換電站選址規劃的研究對象。楊珺,馮鵬祥,孫昊,等提出電動汽車物流配送系統[8]，以使包含換電站設施建設成本和車輛的配送運費的總成本最低為目標，考慮到電動汽車續航能力和裝載容量約束，建立了換電站選址和配送路徑混合整數規劃模型，但是他們僅考慮了單一配送中心的換電站選址和路徑優化問題（ELRP），而未考慮多配送中心的換電站選址和路徑優化問題。同樣研究的是電動汽車物流配送系統，周炳海,譚芬卻將目光轉移到了廠內循環配送，以最小化配送系統總成本為目標[9]，分別建立了廠內配送路徑和換電站選址優化問題的數學模型。也有學者研究了公交車換電模式，其中文獻[4]提出了電動公交車的一種云集成大數據驅動的（S34X），使其在盡可能少的時間內實現換電過程。也有學者研究了專門針對出租車市場的換電站選址布局，比如Wang Y,Ding W,Huang L提出為了最小化所有出租車電池更換的總時間成本[10]，給出了一種計算換電站規劃方案的優化方法和一種避免擁塞的換電調度機制；Wang Y,Huang L,Wei H,et al提出以所有電動出租車電能補充的總時間成本最小為目標[11]，給出了一種針對城市電動出租車的換電站優化布局計算方法，但是作者并沒有考慮換電站設置對整個交通網絡均衡狀態的影響；針對于此張勇,顧騰飛提出以社會總成本最小為目標[12]，確定了交通網絡均衡狀態，獲得了最優的換電站選址和建設方案，還對換電站電池保有量也建立了優化模型，分析了電池保有量增加的影響性。

2.1.2 換電站的充放電策略

換電站的充放電策略指的是換電站對動力電池采取有序充電、適時放電等方式以獲得最大利潤。Rao R,Zhang X,Xie J,et al提出以中國海口市出租車的實際運行數據作為參考[13]，通過研究出租車司機的換電行為對電網側和發電側的影響，給出了一種換電站中電池的最優充電模式，該模式有助于平衡電力負荷，減小峰谷負荷差，并且在發電機組發電時，也會降低煤耗和成本。Mahoor M,Hosseini Z S,Khodaei A提出以換電站日運行成本（與電網交換電力的成本和電池退化成本）最小為目標[14]，建立了不確定約束下的基于混合整數線性規劃的換電站最優調度模型。毛海鵬,張勇軍,王浩林,等提出也是以換電站的運營成本（年化運營凈利潤）為目標[15]，創新性的將模塊分割式換電站作為研究對象，構建了它的有序充電模型。同樣的，Zaher G K,Shaaban M F,Mokhtar M,et al提出以換電站運營成本最低為目標，考慮了電池組的充放電周期、一天中客戶的換電需求、電網價格、電網對充電器的功率限制和電池的自我退化等因素[16]，給出了一種換電站中電池充電、放電和換電的最優操作方法。

2.1.3 換電站的商業運營

換電站的商業運營主要是引導消費者去換電站換電，提高換電站效率和利用率，從而增加換電站運營收入。張浩,唐霧婺,張寧,等提出了一種移動式的電動汽車換電服務[2]145，作為固定換電站的補充，將按照就近服務策略對需要更換電池的客戶進行換電服務。Jing W,Yan Y,Kim I,et al提出了將物流管理納入電池組運輸的一種換電站運行模式[17]，通過合理的物流管理和庫存信息系統的運作來解決換電站中電池數量和充電器數量不足的問題。周萬陽,陳均泳介紹了一種預約換電引導策略[18]，通過在電動汽車和換電站之間建立信息通訊的方式，引導車主選擇最佳換電站去更換電池，以節約換電等待時間，這種策略方法可以提高換電站的利用率。眾所周知，很多消費者選擇插充模式的主要原因之一就是能源補給便宜（充電費與加油費相比），因此有的學者還研究了換電的定價模型和定價策略[19-20]，以期在換電模式上尋找突破，合理科學的電池租金和換電服務定價有利于引導消費者購買換電模式車型，對電動汽車的推廣也大有益處。

2.2 動力電池研究現狀

動力電池是電動汽車的能源補給來源，也是換電模式得以實現的核心關鍵。對換電模式動力電池的研究主要集中在電池管理系統上面，因為電池管理系統是整個動力電池的核心，主要用來控制和管理動力電池的，具有很高的技術壁壘，也是各個布局換電模式的企業無法實現換電電池標準統一的主要障礙，因為一旦實現了動力電池規格、尺寸、接口等方面的標準化，可能就會導致企業失去核心競爭力，進而威脅他們的自身利益。孫明潔提出針對換電模式電動汽車開展研究，通過研究設計了一款嵌入式電池管理系統[21]，并能夠合理估算電池的荷電狀態(SOC)。另外，由于動力電池主要是裝在動力電池箱內的，然后再將動力電池箱更換到汽車上以便實現電池的更換，因此動力電池箱是動力電池的承載裝置，其受力狀況隨著汽車工況而發生變化[22]，故針對電池箱的研究也有很多，主要集中在電池箱振動特性、模態特性、剛強度等方面。也有很多學者研究了電池的全壽命周期，對電池的回收利用進行了分析[23-24]。

2.3 換電方式研究現狀

目前市場上換電的主流方式是底盤換電、側方換電和分箱換電等[25]。如蔚來汽車的換電車型采用的是底盤換電的方式對電池進行更換；浙江時空電動有限公司的換電車型采用的是側方換電的方式對電池進行更換；力帆汽車的換電車型采用的是分箱換電的方式對電池進行更換。當然，除了這幾種主流換電方式之外，也有企業采用了其它的換電方式并投入運營，在此同時，也有學者的新的換電方式開展研究。比如Adegbohun F,Von Jouanne A,Lee K Y提出對電動汽車動力電池的安裝位置進行了重新設計[26]，在電動汽車上專門預留一處位置來安裝通用電池組（UBP），實現了不同汽車制造商在電池接口上的通用化、標準化和模塊化，該通用電池組可以提供161km或更大的行駛里程，與汽車生產商設計的定制電池包（不可拆卸）配合使用，可在換電站中進行電池更換。

3 換電模式挑戰分析

3.1 換電標準和規范完全統一難

當前電動汽車的換電標準日趨完善，為換電模式的推廣和應用帶來了機會，但是同樣的也存在著挑戰，這是由于之前制定的很多換電標準操作性不強、企業之間聯合困難等原因致使換電模式仍然未能實現全面標準化，尤其是動力電池組的規格尺寸方面，各汽車生產商各自為陣，研發本系統內的換電車型、動力電池以及配套換電站，其主要原因是動力電池及其管理系統技術仍然是車企的一大核心競爭力，其利潤大，技術要求高，且每家企業都有自己的定制化需求，假如統一電池標準后，汽車生產商擔心可能會失去動力電池的研發能力，造成利潤下降、失去議價空間的情況，因此汽車生產商本身對于電池標準化的意愿不強烈，只在企業內部實現電池標準的統一，導致市場上換電車型規模小，換電運營商盈利難，換電模式的推廣受到一定限制。

3.2 換電商業運營模式構建難

換電商業運營模式指的是針對換電模式電動汽車而設立的，汽車生產商、電池生產商、換電運營服務商、電網公司等企業之間在投資建設換電站、提供換電服務、電池租賃等方面達成一致，各司其職，從而構成的一種多方共贏模式。這種模式主要為電動汽車消費者提供換電服務，將市場上分散的電動汽車負荷集中起來統一管理[27]。各換電企業都在構建自己的換電商業運營模式，如蔚來汽車就成立了電池資產管理公司用以提供換電服務。然而換電商業運營模式的構建相對較難，涉及多方利益，有的構建出來的商業運營模式甚至還不能實現盈利，這對換電模式的推廣構成一定的威脅。

3.3 消費者思想觀念改變難

換電模式中的電池租賃服務與我國廣大消費者的所有權觀念相矛盾，更多的消費者難以接受不擁有自己的動力電池，他們更希望的是將動力電池“據為己有”，這樣的電動車用著才會更安心。雖然換電模式在我國已開展了很多年的推廣，但是選擇租賃電池的消費者卻是寥寥無幾，這也印證了我國消費者的這一思想觀念。有的消費者雖然購買了換電車型，但是由于存在本地換電站數量不足等客觀原因或者想要對電池有擁有權等主觀原因等因素，因此在購買換電車型的同時也購買了動力電池，那么在換電模式的進一步推廣下，他們更多的可能還是會選擇插充模式，因為他們擔心他們的原始電池在換電時會被性能較低的電池取代。消費者固有的思想觀念對換電模式的推廣也帶了一定的挑戰。

3.4 換電站規劃布局不合理

由于換電站具有前期投入成本高的缺點，所以對于企業來說，換電站的選址、布局、數量就顯得異常重要，可能企業為了節約成本，會盡可能少的布局換電站。換電站布局不合理，位置較偏僻，建設數量不足等都會影響消費者的換電體驗感。如果消費者在換電時，由于需要換電的車次比較多，導致換電站內沒有多余的可用電池或者本區域內換電工位不足而出現換電排隊的情況，則會讓消費者對換電模式是否可行產生疑問。因此，換電站規劃布局不合理對換電模式的推廣和應用帶來了一定的挑戰。

3.5 換電模式定價機制不合理

電動汽車吸引消費者的最主要原因是能源補給成本低，相對于傳統燃油汽車加一次油需要幾百元錢的燃油費來說，插電模式電動汽車充一次電所需的費用僅有幾十元錢。以蔚來ES8為例，本車搭載了100kWh的電池包，按照20%的充電損耗率進行計算的話，本電池從完全無電到充滿電需要用電120度，按照遵義市第一檔電價0.4556元/度進行計算，大約需要55元。對于換電模式，如果消費者租用電池的成本過高或者每次的換電服務費過高的話，都會讓換電模式失去吸引力。因此，市場上換電模式的定價機制是否合理，也會對換電模式的推廣帶來挑戰。

3.6 充電技術的快速發展

正因為由于電動汽車充電時間長，即使是快充，相對于傳統燃油車的加油時間來說也相對較長，因此，插充模式的電動汽車在能源補給上耗費了大量的時間，正因為有這一方面的因素也催生了換電模式的發展。然而，隨著技術發展速度越來越快，無線充電、電磁感應等充電技術以及動力電池技術也逐步成熟，如果電動汽車的快速充電模式能夠突破現有技術限制，在短時間內快速補給電能，并對電池不會造成大的負面影響，則會有很大一部分消費者放棄換電模式進而選擇插充模式，這會削減換電模式的發展空間，為換電模式的發展帶來挑戰。

4 結語

電動汽車換電模式的應用對我國新能源汽車的推廣具有重要的作用。相比于插充模式，電動汽車換電模式可以有效緩解消費者的“里程焦慮”和“充電焦慮”問題，近年來受到了政策的大力支持。文章梳理了國內外換電模式的發展情況，并分別對換電模式下的換電站、動力電池和換電方式的研究現狀進行了文獻綜述，提出了當前換電模式的發展需要應對換電標準和規范完全統一難、換電商業運營模式構建難、消費者思想觀念改變難、換電站規劃布局不合理、換電模式定價機制不合理和充電技術快速發展等6種挑戰，在處理好上述挑戰后，換電模式才會迎來迅 速發展。