新能源電動汽車換電站發展與應用研究

王磊

（上海永乾機電有限公司，上海 201619）

1 國內電動汽車換電站技術發展背景

當前國家大力號召節能減排，新能源電動汽車綠色、環保、無污染，正在大面積推廣，但電動汽車行駛里程短，充電難、充電時間長(大約0.5 ～2h)，快充又損耗電池、減少電池使用壽命等因素大大降低了新能源電動汽車的推廣范圍，只能在市區跑短途，不能跑長途高速，還要在其公司或小區申請安裝充電樁等，這些都會給用戶選擇購買電動汽車帶來負面影響。在這種前提下，如果有能為電動汽車“加油”的裝置就能實現電動汽車跑長途，綠色出行，節能減排，主要還省“油”錢。

新能源電動汽車換電站就是為解決新能源電動汽車“加油”困難而創新研發出的自動、快速、簡便更換電池的設備，解決電動汽車行駛里程短、充電難、充電時間長等難點，延長電池使用壽命，以更換電池來達到為電動汽車“加油”的目的，加快推廣普及電動汽車，真正達到汽車節能零排放。

新能源電動汽車換電站就是快速給電動汽車更換電池（3min 左右）來解決電動汽車續航的自動換電設備，達到讓電動汽車“加電”的目的。當前國家大力補貼新能源汽車企業，推動電動汽車技術發展，尤其給可換電的新能源汽車企業政策及資源扶持，電動汽車換電技術是未來提倡推廣電動汽車主要發展方向和趨勢。

2 新能源電動汽車換電站發展歷史

“換電”概念最早在20 世紀90年代，一家臺灣投資公司大力開發電力助動車。他們用霍克鉛酸電池作為動力源，但出現電池沒地方充電、充電時間長等困難。因此公司提出了“在上海建設電力助動車的充換電站系統”的想法，當時得到了上海市政府的大力支持。準備在上海全市范圍內投資建設100 個充換電站，各站間距約為5km，形成一個充換電網絡。當用戶電池電量不足時，充換電網絡可以滿足就近更換電池，這就是最初換電概念的雛形。

換電技術在新能源電動汽車的應用啟始于21世紀初期，新能源汽車發展剛剛起步，電機效率低，電池續航里程短，電芯技術發展緩慢，新能源電動汽車要面對多重困難，所以有些公司提出并開始研發汽車電池的更換電技術，來輔助增加電池的續航里程問題。最早以色列的一家公司在當地建設38 座換電站和少量充電樁，用于給車輛提供更換電池或充電服務。特斯拉在2013年發布耗時僅90s 的換電技術，這期間有很多公司嘗試并建設換電站，但是，換電站加工制造等產業鏈整合復雜、換電站建設成本高、收益期長，推廣困難，廣大用戶又對換電概念了解非常少，這也和宣傳力度等因素有關，最終導致大部分公司放棄汽車更換電池的模式，開始開發充電樁的建設。

同期，在國外公司積極開發換電技術研發的同時，國內也有很多公司嘗試研發換電技術。2006年國內新能源汽車產業起步階段，為響應國家號召，國家電網首先啟動新能源電動汽車項目，并在2010年首次提出并驗證了“車電分離、里程計費”的商業模式；2008年北京奧運會、2010年上海世博會期間投資建設公交車換電站運營服務，成效顯著；北汽新能源也發布相關換電站實施計劃，預計2022年將在全國范圍內投入100 億元人民幣建造3000 座新能源汽車換電站，主要應用在出租車等乘用車型，暫不涉及私人用車領域。

2017年12月16 日，蔚來汽車正式公布針對私人車主的Nio Power 換電站，可以實現3min 內完成電池的快速更換，是全球首個面向私人用戶的汽車換電服務系統，填補私家車換電領域的空白。

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沿。

3 新能源電動汽車換電站發展和運用優勢

相較傳統的充電模式，換電模式有諸多優勢。

（1）延長電池壽命，梯次利用電池儲能，由于目前大部分新能源汽車的動力電池是固定在車底盤，不能運用換電技術，只能用充電樁充電，即使當前出現超級充電可以縮短充電時間，但由于短時間內通過電池電流和電壓過大，導致動力電池的還原能力降低，電池充放電的循環次數減少，加速了電池容量的衰減，進而縮短了動力電池的使用壽命，而短時間大功率充電又造成基建要求高。而換電站可根據實際地點車輛數量儲備多塊電池，使用慢充對電池充電，并進行電池平衡電壓，延長了電池使用壽命，車輛到換電站快速更換電池即可。此外，每次電池更換后，換電站系統會對電池進行檢測，如需保養系統會自動上傳終端，通知人員對其保養，保證電池的正常使用，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，當電池衰減到不能使用在車端時，會梯次利用，運用到儲能端，使電池再次利用創造價值。

（2）快速更換電池，節省時間，大幅度提高效率，目前新能源汽車的電池以充電為主，通過充電樁為車輛充電，即使是大功率的直流電快充，一般充滿時間也在0.5 ～2h，而換電時間一般在1 ～3min，換電最慢是快充所需時間的1/10 左右，差不多與車輛加油時間相同或更快，極大地縮短了純電動汽車的充電時間，大幅度提高了新能源汽車的使用效率。

（3）解決續航里程問題，截至2019年年底，車樁比為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數量較少，充電速度慢，設備故障率高，無法滿足新能源汽車長途行駛的需要，而換電站的快速建設可以彌補充電樁的缺口，換電時間短，與加油時間相當或更短，此外，由專業的運營公司自主建設換電站，有專業的團隊負責運營和后期維護，能夠保證換電站長期穩定使用，目前換電技術是解決續航里程問題的最理想方案。

4 新能源電動汽車換電站發展現有困難

（1）新能源電動汽車底盤分化。各自汽車品牌車型獨立生產，無統一換電車底盤規范標準，新能源電動汽車技術在我國的發展比較早，尤其是中國政府大力鼓勵、補貼發展新能源、綠色環保出行，新能源電動汽車猶如雨后春筍，遍地開花，最早的大型汽車企業比亞迪、北汽新能源等，又如2014年橫空出世的、要與美國特斯拉比肩的蔚來汽車，投入巨大資金來發展新能源電動汽車。目前換電方式主要分3 種：Z 向垂直插接式、側抽插接式、平行橫移插接式。轎車、SUV等小型車輛采用的是Z 向垂直插接式或平行橫移插接式，例如，蔚來汽車、吉利汽車采用的是Z 向垂直插接，北汽新能源采用的是平行橫移插接式，動力電池組一般布置在車底盤大梁端，采用螺栓或漲緊機構固定電池，公交大巴、客車、卡車等大型車輛采用的側抽插接式，動力電池組布置在車底盤上端電池箱中，左右對稱布置2 組或4 組電池。由于動力電池體積較大，大部分換電汽車的動力電池放置在底盤，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，而換電技術要求車輛的動力電池要在1 ～3min 內更換完成，所以電動汽車底盤是開放式的，將底盤結構進行全面性改造增強，以方便動力電池的拆卸和安裝。但是，各車企底盤結構不統一，導致換電設備的不一致。同時，隨著政府在新能源汽車補貼逐漸取消的前提下，電動汽車出現大面積虧損，小企業逐漸破產，面臨著市場自然調節，等待國家出臺相關換電電動汽車底盤統一規范標準。

（2）電池分化。電動汽車有各自品牌車型，對應自家適配車型的電池，電池不能共享不同品牌的多種車型，市場上電池多種多樣，儲能也不同，根據新的國家政策，少于300km 的電動汽車將要被淘汰，各家車企及電池廠家又加大研發力度，來加大電池儲能，增加電動汽車續航里程，但還是存在多種多樣的電池，無法統一，同樣等待市場自然調節后，國家出臺相關換電電池標準。

（3）技術門檻較高，需大量資金建站、運營。換電技術近年來發展較快，新能源汽車銷量連續增加，換電站落站數量也在提高，但車電分離需要主機廠對車輛底盤、車身結構、動力電池等方面進行重新設計、校核，產線變更，成本高，換電技術又是一項新科技，既沒有技術知識儲備也沒有經驗積累，需要投入大量的研發資金，同時建站和運營需要大量資金，收益期長，換電站除了換電業務外，還要對電池進行充電、檢測、保養等，需要專業運營團隊進行保養維護，很多公司無法承擔資金的壓力，持續觀望中，只有個別公司小批量投入試運行。

由于上述汽車車型底盤和電池的分化，導致換電站也只能更換自有品牌車型的電池，不能互換共享，出現換電站不能連成網，即使一個車型布局再多站也不可能像加油站共用共享所有車系，可能經過市場自身消化，最終會導致一些車企消失，一些生存到最后，最后可能就會成為國家標準，不符合標準的車型被淘汰，相應的電池及換電站就會報廢，這樣會對國家資源造成嚴重浪費。所以，盡快出臺相關電動汽車底盤標準、電池標準，才能定位好換電站的統一標準，減少資源浪費。

5 電動汽車換電站的應用狀況

電動汽車換電站發展困難很多，但總有解決的辦法，如現在各車企在一些城市啟用換電站試點運行，為將來電動汽車換電站發展定位方向，積累經驗，為后期國家統一標準試驗先行，這些試點換點運營站也有不同發展方向。

現有換電電動汽車按大類劃分：（1）私家車，以蔚來汽車為主；（2）運營車輛，以北汽、吉利等為主；運營車輛又可分出租車、快遞、物流分流等，所以換電站的運營方式也有所不同，雖然說現有分化、方向都不一致，但為將來換電站的發展應用做鋪路，試行。

①以蔚來汽車為主的私家車換電站應用，主打售后服務，一鍵換電等目標建立起來的換電體系，注重客戶體驗，由于面向私家車，換電量很小，所以換電站占地面積很小，約50m2，只存儲5 塊電池充電，一鍵換電，換電時間3min，客戶可以坐在車上或有工作人員代為換電，還為車主提供上門換電服務，就是電話預約后，有專門工作人員上門取車，開到換電站換電后在開回交由車主使用，車主體驗感很強，服務周到，但由于私家車普及面很廣，集中換電量非常小，前期收費很高，所以以私家車為主的換電站遇到很大瓶頸，虧損嚴重，換電站布站速度減緩，使用率非常低，有的甚至閉站，雖然后期蔚來的換電站可以免費換電，換電量有所增加，但以私家車為主的換電站應用效果弊端很多，主要是換電站成本比較高，使用率低，沒有盈利點。

②以運營車輛為主打的換電站就現有發展來看，要比私家車換電站好得多，運營車輛以出租車為例，私家車的諸多弊端，出租車換電站都巧之化解。由于以出租車為主的換電站在一個城市內大部分車輛可以做到統一為一種車輛品牌，電池統一，換電站也就統一，車輛體系也比較大。以杭州為例，2019年出租車保有量大約在1 萬輛左右，相同品牌的電動出租車大約占3 成，即約3000 輛，每百量出租車建設一座換電站，現大約在杭州建設30 座換電站即可滿足電動出租車日常換電量，這樣換電站規模就要比私家車的換電站要大，占地一般約在100 m2，電池存儲充電約24 塊左右，平均5min 換一輛，理論一天可以換288 輛，滿足按100 輛每天換電使用。每輛出租車一般情況下，一天需要換電1 ～2 次，所以換電站使用率很高，換電價格約在2 ～3 角每公里，汽油4 ～5 角每公里，綜合對比，出租車換電站可以達到盈利，實際現有試運行站點已基本實現盈利。

綜上，以出租車為主的換電站應用運營到目前為止綜合狀況良好，達到車企、運營商和地方政府多方面共贏狀態，出租車尾氣排放量占城市總體很大一部分，這一部分得到充分化解，使城市空氣凈化、綠色出行、環保等一系列目標實現。

6 結語

新能源電動汽車換電站發展還是需要國家的支持，需要盡快出臺相關車輛底盤、電池、換電站等一系列標準，爭取節約資源，相信在不久的將來，電動汽車換電站就如現在的加油站一樣，可以滿足各種車輛的電池更換，實現給電動汽車“加電”的目標，換電站的共享，最終達到“電”代替“油”，真正實現綠色環保出行。