電動汽車換電模式發展現狀及趨勢綜述

岳凱凱　馬文源　袁蜀翔　陽小燕　石青易

摘 要：本文針對國內外電動汽車換電模式發展現狀進行探討，分析了換電模式的三種優勢并闡述了目前換電模式發展存在的問題。最后討論了電動汽車換電模式的未來趨勢和展望。

關鍵詞：電動汽車 換電模式 未來趨勢

1 換電模式的發展現狀

新能源電動汽車換電模式是指將電動汽車已經虧電的動力電池從車身取出并更換容量飽和的動力電池，虧電電池重新存儲到換電站中進行充電，是相較于充電模式而言的一種電能供給模式。21世紀初，世界新能源汽車產業尚處于發展初期，其續航里程問題是阻礙產業發展的重要問題之一?；诖?，很多國家開始研究電動汽車換電技術，以突破新能源電動汽車發展的瓶頸。

2007年，Batter Place公司在以色列和丹麥創立換電模式，該公司與雷諾日產合作打造龐大的電動汽車充電站系統，由于前期建設投入大、投報比較低，最終Batter Place公司宣布破產。2013年初美國電動汽車制造企業特斯拉在加利福尼亞建造換電站并進行換電模式試驗，高昂的換費用及較差的服務體驗導致特斯拉換電模式走向失敗。

在國內一些相關企業也紛紛推動換電模式發展。2006年國家電網組織電動汽車充換電設施研發與實踐工作。國電電網確定自己運營模式“充電為主，換電為輔，集中充電，統一配送”的模式，這表明國家電網定位是換電模式，并非充電模式。2005年，國家電網迫于電動汽車市場基礎薄弱，缺少相關政策支持，最終轉向充電模式。北汽新能源汽車公司在2007年推出“擎天柱計劃”，并計劃在2022年全國范圍內投資100億元用于建設3000座分布式光儲換電站，截至2019年底，北汽新能源在北京地區投入運營4000多輛出租車，建設換電站90座，目前在全國有超過2萬輛換電模式新能源汽車在運行;與此同時，蔚來汽車公司也在布局換電領域，其Nio Power換電站是專門為私人打造的換電站，這也是全球首個面向私人用戶的汽車換電服務系統。

2 換電模式的優勢

2.1 縮短電能補給時間

電動汽車采用充電模式補給電能時，需將虧電的車輛開到指定充電樁對動力電池補充電能，此種模式帶來兩個問題。首先，在充電期間車主無法繼續使用電動汽車，在充電模式普及的背景下，勢必會延長車主充電等待時間，降低電動汽車的利用率;其次，即使是充電時間相對較短的快速充電，也至少需要15min將電量充至80%，而且在滿電工況下電動汽車的續駛能力也難以滿足多數用戶的里程焦慮。而換電模式下換電時間一般需要3～5min，與燃油汽車加注汽油時間相當，很大程度上縮短了電動汽車電能補給時間，減少車主等待時間，大幅度提高新能源汽車的使用率。針對公共交通、出租車和網約車等充電頻率較高的應用場景，換電模式優勢尤為顯著。

2.2 降低用戶購車成本，消除用戶電池質保疑慮

純電動汽車插充模式決定用戶需要購買與車身固連在一起的動力電池，而動力電池成本占電動汽車整車成本的40%左右，實際上，用戶使用過程中僅用了電池壽命周期的20%～30%的價值。相比較而言，同級別純電動汽車成本比燃油車成本高出約30%，高購置成本會影響電動汽車潛在消費者購買意愿，在換電模式下，用戶可以租賃動力電池的形式進行電能補給，能夠在初期降低消費者的購車成本。

2.3 延長電池使用壽命

傳統的充電模式在快充情況下雖然一定程度上可以縮短電能補給時間，但是由于采取直流快充方式時，電流量大，電能補給速度快，會減少動力電池充放電循環次數，加速電池容量的衰減，進而影響電池的性能及縮短其壽命周期。換電模式下統一將動力電池儲存在充電倉儲內，可以對電池進行慢速充電，待電量飽和后換取虧電電池繼續慢速充電。同時，集成有電池檢測、保養功能的換電倉儲可以檢測每次更換下的電池狀態是否正常，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。

3 換電模式存在的問題

3.1 動力電池包尚未標準化

純電動汽車充電模式起步較早。由于目前電動汽車車載動力電池充電技術相對成熟，充電接口標準已經統一化，即不同車企的電動汽車完全能夠在其他品牌充電樁上進行電能補給，統一的接口標準使得充電更加便捷。然而，換電模式下的電能補給需要頻繁取出電池進行更換，因而需要對汽車底盤結構進行針對性改進以方便電池的拆卸、安裝。目前各車企生產研發動力電池包規格有所差異，所以在不同品牌電動汽車上電池包的通用性和互換性較差。北汽采用為自家汽車產品服務的換電系統，換電電池包結構上不兼容問題。但是如果換電模式要真正得到大范圍推廣，統一各家車企車輛電池規格是關鍵，但是這涉及各方利益。

3.2 企業運營成本增大

換電模式要求企業投入更多運營成本。具體表現在：第一，不同于充電模式，換電模式要求生產企業對車輛底盤、動力電池、以及車身結構進行針對性改造;第二，換電模式屬于一項新技術，缺少技術儲備和研發費用較低的企業，難以支付高昂的研發費用;第三，電動汽車動力電池的定期維護和保養對電池使用壽命和電池安全性至關重要，所以需要企業運營換電模式時組建專業團隊進行電池維護保養工作，人力成本隨之增加。國內的北汽和蔚來兩家汽車公司因巨大建設投資導致嚴重虧損，北汽新能源向提供換電技術的北京奧動投資數億元，導致其目前仍處于虧損狀態，蔚來汽車2019年前三季度共虧損25.21億元，以上兩家公司的運營狀況說明巨大的建設成本是阻礙換電模式推廣的重要因素。

3.3 普及率較低，發展較緩慢

近年來換電模式發展較為迅速，全國各地換電站數量也有所增加，但是由于換電站建設需要較大資金投入，所以資規模大的企業有能力進行換電站的建設，對于小規模企業仍處于觀望狀態，全國僅有數家企業投入其中，在新能源汽車市場中換電汽車的數量占比仍然偏低。截至2020年6月全國新能源汽車保有量達到417萬輛，然而具備換電功能的汽車數量不足15萬輛，占新能源汽車保有量不足4%。截至目前全國已經累計建設充電站3.8萬座，充電樁130萬個，而換電站卻只建了449座，差距巨大?？偟膩碚f，換電模式的普及率仍然偏低，發展較為緩慢。

4 換電模式未來發展趨勢

4.1 短期內充換電模式并存

目前在消費使用端新能源汽車續航及充電問題仍然是阻礙我國新能源汽車產業發展的主要問題，里程焦慮、充電便捷性不高拉低了消費者的潛在購買欲望，加之國家補貼政策退坡，新能源汽車市場占有份額減小，新能源汽車產業發展也相應放慢了步伐。早期采用充電樁充電模式給用戶充電帶來了便利和快捷，換電模式的發展給電能補給提供另一種方式，也是彌補充電弊端的最優方式。但是換電模式的技術標準統一是一大難題，任一模式均需要相應的技術支撐。我國在2006年提出研究充電技術標準，歷時10年在2015年建立了標準統一化的接口標準，換電模式標準的統一將對我國汽車行業整車設計、裝備、制造提出更高的要求，若同時考慮到充電模式的競爭，換電技術標準統一的時間將更長，未來一段時間內電動汽車電能補給的方式將會是充換模式并存。

4.2 換電設備高度集成化

換電模式的高度集成化是基于模塊化、高效率為核心的技術研發思路提出的。換電模式下采用換電站作為電動汽車電能補給的場所，一般情況下換電站具有一定規模，主要是由于換電服務體系相較于傳統的充電模式更加高效、智能化，同時便捷性也大大提高，同時換電站不僅要提供換電服務，還要對動力電池進行定期檢測、保養和維護，這樣以來換電站的集成化程度要更高，以減小占地面積小，縮小建設投入成本。

4.3 換電體系標準統一

目前阻礙換電模式發展的重要因素是換電體系尚未統一。在動力電池標準尚未統一之前，各家企業生產的電池和車輛結構有所不同，如果企業采用換電模式，換電站運營商儲備不同規格的電池包，勢必提高了運營成本，降低運營效率。換電體系標準統一有利于使用同一種換電模式給不同的車型更換電池，提高了運營效率。在2020年電動汽車補貼退坡之后，政府提出“車電分離”的電能補給模式，這將提高換電運營商對車企的整合能力。

5 結束語

換電模式是解決電動汽車里程不足的重要方式，傳統充電模式的補充。但目前還存在諸多問題，建設投入成本過大、換電體系尚未形成統一標準是阻礙換電模式發展的重要因素?？偟膩碇v，隨著新能源汽車占據的市場越來越大，換電模式終將是人們優先考慮的電能補給方案，科學技術的不斷發展，將對換電模式的技術進步和更新產生良好的影響。

參考文獻：

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