換電技術的發展現狀及其發展趨勢研究

陸晨汐，董萍萍，宋佳玲

常熟理工學院，江蘇 常熟 215500

0 引言

如今，新能源汽車成為汽車產業可持續發展的必然趨勢。由于電動汽車是新能源汽車的主要研究方向，國內外對新能源電動汽車的發展格外關注。2020 年11 月初，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035 年）》，明確指出發展新能源汽車既對汽車產業有重大意義，也是中國盡快成為汽車強國的必然要求[1]。2021 年2 月，商務部也推行相關政策鼓勵其快速發展，政策中明確指出為了使新能源汽車充（換）電更為便利，應積極鼓勵部分地方出臺相關政策，盡快投入基礎設施建設工作。必要情況下，政府也要推行相關政策進行補貼，從而調動公眾積極性。同年3 月份，工業和信息化部提出推進新技術、新產業、新基建標準制定，大力發展電動汽車和充換電系統。在政策的支持下，新能源電動汽車在我國呈現勃勃向上的發展態勢。

文章針對換電技術的研究熱點及發展趨勢進行研究。首先，文章對換電技術進行了簡單闡述，然后對比了換電技術在國內外的研究現狀，隨后列表分析了專利申請前十的相關企業的簡要情況，最后對換電技術的研究熱點與發展趨勢進行了研究。

1 換電技術的概念

新能源電動汽車在充電模式下，可能會遇到續航能力較差、充電樁充電時間長及設備故障率高等一系列問題，隨即出現了換電技術。換電技術指的是通過集中型充電站對大量電池集中存儲、充電、統一配送，并在電池配送站內對電動汽車進行電池更換服務，集電池的充電、物流調配及換電服務于一體。理想狀態下，應用換電技術即可實現新能源電動汽車的長時間連續行駛[2]。

換電技術主要針對新能源用戶在用車過程中遇到的電池老化、維修保養和充電速度慢的問題。換電技術的出現大大改善了目前新能源充電效率低的困境。同時，被替換下來的蓄電池根據充電的高低峰時間調配進行補電，從而實現了資源的合理配置，一定程度上避免了不合理配置帶來的資源浪費。

2 換電技術的發展現狀

2.1 國外現狀

2013 年，特斯拉發布了耗時僅一分半的換電技術，對業內起到了一定沖擊效果。該技術的發布刺激部分企業開始將焦點轉移至換電站建設中去，為后期換電技術真正為公眾所了解奠定了一定基礎。然而，建設成本高及公眾對換電站了解具有局限性等諸多因素，使得各公司難以發現換電技術的前景，以至于中途放棄了換電模式。

2021 年，全球新能源汽車銷量達到675 萬輛，其中歐洲的銷量約占全球市場的三分之一，美國的銷量則不到70 萬輛。2021 年5 月，雷諾公司老板盧卡德梅奧曾提及，“可更換電池會成為法國新能源電動汽車相關產業的必然選擇。在未來幾年里，換電技術終將成為衡量汽車領域的發展潛力的重要標準。”目前，國外的很多國家，尤其是歐洲地區的國家開始意識到換電技術的潛力。同時，國外很多國家已經意識到在未來如果想提高其品牌競爭力，務必加大對換電技術的研究。

2.2 國內現狀

我國最早從事新能源汽車換電的企業是奧動新能源，成立于2000 年，現已成為換電行業的領軍企業。2011 年，國家電網確定換電運行思路為“換電為主、插充為輔、集中充電、統一配送”，但由于當時新能源汽車行業發展不成熟，其發展面臨諸多挑戰，以至于換電模式在短期內停滯不前。后來，國務院在2012 年6 月印發《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020 年）》，指出充電是新能源汽車最合適的補電方式。但是，換電模式在當時并不被大眾所看重，換電技術的發展一度處于低谷階段。隨著中國的新能源汽車保有量逐漸超過600 萬輛，相關技術人員及企業逐漸意識到現有充電模式并不能滿足消費者需求。之后，政府部門推廣并實施了相關政策，向大眾普及換電概念并給予已采用換電模式的車輛充分鼓勵以及必要的后續經濟補貼，最終換電模式獲得了較快發展。

換電站是為電動汽車快速更換電池的能量站，相關統計表明，2019 年以來，換電站規模不斷擴大。隨著近幾年換電模式的持續發力，截至2020 年12 月份，換電站數量約550 座。在2021 年年中，其數量增加近160 座。經相關部門合理預測，預計到2035 年，國內換電站數量將突破一萬座的數量大關。

3 專利申請情況

隨著換電技術的逐漸成熟以及制造成本的逐漸降低，越來越多的企業開始熱衷于換電技術的研究和開發。在知識產權日益重要的今天，產品的研究和開發與專利密切相關，特別是研發水平較高的大型企業，尤其重視專利的申請和布局。

檢索發現，目前中國范圍內，有關換電站的專利申請量為14 055 件,其中發明7 354 件，實用新型6 597 件，外觀設計104 件。中國專利數量前十的申請人或專利權人如表1 所示。國家電網公司、中國廣核集團有限公司、奧動新能源汽車有限公司是位列前三的企業。由表1 可知，國家電網公司對換電技術的關注度頗高，累計專利達到了1 621 件，占據申請量的主體，是低調且具有實力的專利巨頭。

如表1 所示，國家電網對換電站的重視程度遠超其他公司。這也無疑體現出換電站的重要性。排名第二的中廣核是國資委控股的大型央企，是中國最大、全球第三的核電企業。第三位的奧動與北汽、上汽、廣汽、長安、東風和智駿等都有所合作，均致力于推廣換電模式，且于2021 年與中石化簽署戰略合作協議。第四位的蔚來，則是底盤換電的領軍企業，該企業已與國際能源巨頭荷蘭皇家殼牌集團、中石化簽署戰略合作協議。

表1 中國專利數量前十的申請人或專利權人

國內2005—2021 年專利申請數量趨勢變化如圖1所示。換電站的專利申請數量處于逐年攀升的態勢。某種程度上，也意味著換電站具有一定的市場潛力，并越來越受到人們的認可。綜合各方面的考慮，申請量的變化情況與當時推行的政策、技術水平以及國民對換電技術的關注度息息相關。根據圖1，在2009 年之前，相關專利申請數量并不多。即便當時引入了相關概念，但公眾對換電技術的認知度尚且不夠，受限于當時的技術水平，新能源電動汽車的發展仍困難重重，因此，當時從事相關研究的人員并不多。2017 年以后，隨著換電技術獲得長足發展以及環保觀念逐漸深入人心，換電技術領域專利申請數量快速增加，換電站進入了快速發展階段。盡快采取換電技術是新能源汽車發展的重中之重，可以預期的是，在電動汽車商業化的當前，其申請量也會繼續較大[3]。

圖1 2002—2021 年換電站相關專利申請數量趨勢變化圖

4 研究熱點及發展趨勢

通過前文對換電技術的相關專利數量的研究和分析，能夠發現換電技術具有巨大潛力，下面介紹目前換電技術以及換電站的研究熱點和發展趨勢。

4.1 研究熱點

目前國內的換電站仍處于起步階段，國民對其關注度及重視度逐漸增加。隨著新能源汽車保有量近年來不斷增加，換電站研究具有十分可觀的發展前景。

4.1.1 延長電池壽命

充電模式相對于換電模式而言仍存在很多問題，不能夠及時結束充電或者長時間缺電等問題都是充電模式的痛點。充電線質量和電流強度等諸多因素也會影響充電效率，甚至存在一定安全隱患。汽車的動力電池放置于底盤的位置，換電技術并不能夠很方便進行補能，因此不得不采用充電樁進行充電。換電站的出現是電動汽車擺脫了這種兩難的境地。換電站可根據具體需求在相應地點設置適宜數量的儲備電池，采用慢充的方式對電池進行充電，避免強電流或高電壓對電池帶來的損害。也避免了資源的不合理安置帶來的資源浪費。當車輛處于缺電狀態時，到換電站立刻更換電池即可。此外，更換下的電池會統一檢測其安全性，一旦發現問題及時通知相關人員進行必要的保養或替換，提高其安全系數。在一定程度上，可以延長電池的使用壽命。

4.1.2 解決續航里程問題

截至2021 年年底，全國新能源汽車保有量達到784 萬輛，然而目前全國的充電樁保有量僅262 萬個，車樁比約為3.3 ∶1。由此可見，現有充電樁數量并不能完全滿足人們的需求。充電模式下汽車的充電速度比較慢，即便目前已出現了快速充電的方式，但充電時間也要20～120 min。除此之外，快充是采用高強電流給電池進行充電，某種程度會損壞電池。換電站恰恰可以彌補充電樁的供不應求的問題，也能實現快速補充能量。換電站的建設應當由專業人員組建的團隊全權負責，只有這樣，才能確保換電站長期穩定使用。綜上所述，換電技術才是目前電動汽車補能的最優解決方案[4]。

4.1.3 降低成本，提高效率

在充電模式下，車與電是緊密相連、息息相關的一個整體；在換電模式下，車與電是完全獨立的兩部分?！败囯娨惑w”的充電模式使得以往的購車成本大大提高，而“車電分離”的換電模式則滿足人們降低購置成本的基本需求。

與此同時，換電模式較于充電模式，其補能效率大大提升。耗時長、效率低是充電模式的通病，換電模式則很好地解決了這一問題，僅僅1～3 min 的時間就可以使得汽車電量達到100%，換電所需時間差不多與車輛加油相當，極大地節省了時間，并提高了新能源汽車的使用效率。不僅極大地滿足車主短時高效補能的需求，也緩解了目前新能源汽車車主的“充電焦慮”。

4.2 發展趨勢

國家政策是行業發展的風向標，對換電模式的發展起著決定性作用。為了滿足國民的需求，同時隨著環保觀念的深入，國內的換電技術及換電站政策也經歷了一系列轉變。2013 年之前，我國推行“換電為主，插電為輔”的政策，一直到2019 年主導政策慢慢傾向于“換電為輔，快充兼慢充為主”。2020 年4 月，重新提及并高度重視換電政策，并特別強調“換電車輛”不受補貼前售價30 萬元限制。現今，各地區推進換電模式的積極性普遍高漲，蔚來、東風等著名車企紛紛選擇換電技術新賽道，引領新能源汽車走向全新的時代。由此可見，換電技術前景可期[5]。

5 結束語

文章首先對換電技術進行了簡單闡述，接著分析了國內外新能源汽車換電模式的發展現狀，淺析了換電站相關專利在國內的申請情況，并指出研究熱點，對近年的相關換電政策進行了簡單列舉，分析了其發展趨勢。目前，政府不斷推行換電技術及設立換電站，使得換電技術進入了飛速發展階段，鞏固了新能源汽車在我國汽車行業的重要地位。未來，相關領域需要不斷引進先進技術、加大對基礎設施的建設，同時應大力鼓勵研發新型換電技術，以緊跟時代的發展。