1 换电模式的发展历史及现状

汽车换电技术是指将新能源汽车已经衰减或能量耗尽的动力电池从车身中取出并替换全新动力电池的技术。换电技术目前主要分为单次换电和快换电池2种，单次换电主要为电池容量衰减到一定比例的新能源汽车一次性更换新的动力电池，这样可以保证汽车继续以原有的电池容量行驶，续航里程得到保障，目前比亚迪、荣威、吉利、广汽等新能源汽车企业可以提供免费单次更换动力电池的业务，缺点是由于新的电池容量与之前的相同，续航里程没有实际增加，在目前充电桩普及程度不高的环境下并没有实质性解决行驶过程中续航里程不足的问题。在此背景下汽车企业开始研发多次换电技术，又称为快换电池技术，是指可以在新能源汽车使用的任意时间段，通过特定的装置短时间内快速更换动力电池，与燃油车的加油过程类似，使汽车可以继续以足够的续航里程行驶，快换电池技术相比于单次换电技术更加高效、灵活、机动，可以真正解决行驶过程中电量耗尽的问题，快换电池技术（以下简称换电技术）是未来换电技术的主要发展方向和趋势。

换电技术最早始于21世纪初，当时新能源汽车产业还处于发展初期，续航里程不尽人意，电池技术发展缓慢，针对这一窘境，相关企业已经开始研发换电技术，其中最具代表性的是总部设在以色列的Better Place公司，该公司在首先与以色列政府合作，投资6亿美金在以色列建成了38个换电站和少量充电桩。公司相继与丹麦、澳大利亚、加拿大、日本等国合作，大力推行旗下的换电网络服务项目。但2013年5月在巨额建站成本和极低回报率的情况下，Better Place公司宣布破产，其相应的换电业务也宣告终止。不久之后，美国电动汽车制造商特斯拉演示了其最新研发的耗时仅90 s的换电技术，但由于产业链整合难度大、建站投入高、收益极微等因素，特斯拉最终也宣告放弃换电模式。

在国外相关企业纷纷投身换电技术研发的同时，国内企业也在积极推进换电模式的发展。2006年国内新能源汽车产业尚处于萌芽状态，国家电网响应国家号召启动电动汽车项目，2010年项目团队开发完成了中国首台可上牌的纯电动汽车，并完成了基础换电技术的储备，发展了一套标准箱换电的技术，在杭州用众泰朗悦和海马普力马车型与高箱体标准箱完成500台纯电动换电型出租车试点，并在该项目中首次提出并验证了“车电分离、里程计费”的商业模式；国内最大客车企业宇通集团多年来研发大型车辆的换电技术，并在2008年北京奥运会、2010年上海世博会期间正式在旗下公交车辆运营换电业务，成效显著，目前已经应用于国内多座城市的公交系统；北汽新能源在2017年发布了“擎天柱计划”，预计到2022年将在全国范围内投入100亿元人民币建造3 000座分布式储换电站，截至2019年底，北汽新能源已经在北京市推广6 000多台换电模式车辆，目前在全国15个城市，有接近2万台换电模式新能源汽车在运行。此外，国金汽车、申沃客车、华菱汽车、万向集团、南方电网等相关企业都在积极投身于换电模式的研发，但其换电模式都是针对出租车等商用车型，没有涉及私人乘用车领域。

2017年12月16日蔚来汽车在其Nio Day发布会上正式公布针对私人车主的Nio Power换电技术，可以实现3 min以内完成动力电池的快速更换，是全球首个面向私人用户的汽车换电服务系统。截至2019年12月，蔚来共拥有换电站123座，分布在全国超过20个省份，近4万名车主已经体验到蔚来的快速换电服务，此外，蔚来还首次实现旗下所有车型使用统一规格标准的电池组，方便不同车型的动力电池更换，同时推出电池租用服务，真正实现私人乘用车市场“车电分离”的商业模式，为新能源汽车企业换电业务的发展树立了行业标杆。目前中国的汽车换电领域不论是技术水平还是商业模式的发展都已经走在世界最前列。

相较于传统的充电模式，换电模式有诸多优势。

1.1 缩短能源补给时间，大幅度提高效率

目前新能源汽车的电能补给仍然以充电为主，通过私人充电桩和公共充电桩的慢充和快充模式为车辆充电，但即使是大功率的直流电快充，目前投入运营的最高功率仅为90 kW，纯电动汽车的电池容量普遍在60 kW·h左右，容量较高的达到90～100 kW·h，而且后期的涓流充电会显著降低速度，一般充满时间在0.5～2 h，而换电时间一般在3～5 min，是快充所需时间的1/10左右，与燃油车加油时间相当，极大地缩短了纯电动汽车的电能补给时间，大幅度提高新能源汽车的使用效率。

1.2 延长电池使用寿命

由于目前大部分新能源汽车的动力电池是不可快速拆卸的，需要一直持续使用，快充虽然可以缩短补给时间，但由于短时间内电流和电压过大，会降低动力电池的还原能力，减少电池充放电的循环次数，加速电池容量的衰减，进而缩短动力电池的使用寿命。由于换电站会储备多块动力电池，可以使用慢充对电池充电，用充满的电池进行更换，此外，每次换电操作之后都需要对电池进行检测和保养，以确保电池的正常使用，客观上减少了对动力电池的损伤和容量的衰减，延长电池的使用寿命。

1.3 消除续航里程短板

截至2019年底，全国安装公共类充电桩51.64万台，安装私人类充电桩70.3万台，公共桩和私人桩共计约121.94万台，同比增速为57.0%。国内充电桩保有量保持了持续快速增长态势，但车桩比仅为3.4∶1，充电桩仍然存在巨大缺口，特别是高速公路服务区的充电桩目前数量较少，充电速度慢，设备损坏率高，无法满足新能源汽车长途旅行的需求，而换电站的快速普及可以很好地补充充电桩缺口，换电时间大大缩短，已经与加油时间相当，此外换电站全是由相关企业自主建设，有专业的团队负责运营和后期维护，能够保证车主长期稳定使用，目前换电技术是解决续航里程问题的最理想方案。

2 换电技术的存在问题

换电技术近两年来快速发展，进一步缓解了新能源汽车的里程焦虑问题，提升了新能源汽车的产品吸引力，间接促进了新能源汽车的销量，成为新能源汽车近年来快速发展的重要因素之一，但由于换电技术发展时间较短，尚不成熟，出现了一些急需解决的问题。

2.1 普及率仍然偏低，发展较慢

虽然换电技术近年来发展较快，汽车销量和换电站数量持续增加，但由于所需资金数额庞大，技术门槛较高，多数企业对此仍处于观望状态，仅有数家企业投身，换电汽车数量占新能源汽车总量比例仍然偏低，截至2019年底中国新能源汽车保有量达381万辆，而具备换电功能的汽车不足10万辆，占新能源汽车保有量的比重不到3%。全国范围内的换电站数量不足500座，远远低于充电桩121.94万台的保有量，2019年8月底蔚来宣布旗下所有车型的首任车主可享受终生免费换电，免费换电首日全国各地的蔚来换电站就相继出现长时间排队等待的状况，甚至超过充电时间，效率严重降低，这一现象说明目前换电站数量和普及率远不能满足车辆的换电需求，势必会影响现有车主的体验和潜在消费者的购买意愿，进而影响换电模式的发展。

2.2 底盘结构松散，增加安全隐患

目前快换电池主要包括3种方式：垂直对插式、侧面对插式、平行对插式，如图1所示。轿车、SUV等小型车辆采用的是垂直对插式或平行对插式，动力电池组布置在底盘或后备箱，客车、卡车等大型车辆采用的侧面对插式，动力电池组布置在侧面。由于动力电池体积较大，同时要与电动机相连来输出动力，80%以上的换电汽车的动力电池铺设在底盘，一方面可以充分利用车身的有限空间，另一方面使汽车重量集中在底盘，重心下降，增加车辆行驶稳定性，换电技术要求车辆的动力电池要在3～5 min内更换完毕，车辆的底盘考虑到可快速拆卸的动力电池，不会像普通新能源汽车的动力电池完全固定封死在底盘，而是将底盘结构进行针对性改造，以方便动力电池的拆卸和安装，相对于封闭底盘更加松散，同时坚固性和耐久性不可避免地出现一定程度的下降，出现碰撞事故的情况下车辆损失比其他固定安装动力电池的车型更加严重，驾乘人员的安全不能得到充分保障。以蔚来汽车为例，在中汽研公布的2019年第二批C-NCAP车辆碰撞测试成绩中，蔚来ES8仅排在参与测试的全部9款车型中的第5位，表现一般，与其底盘结构松散有一定的关系。

除了使底盘结构安全性下降之外，换电技术还会影响动力电池本身的放置结构，由于需要频繁快速拆卸和安装，动力电池组无法完全紧密固定在底盘，会有间隙存在，整体结构松散，导致电池组在行驶过程中出现松动等状况，稳定性下降，在发生碰撞时易造成损坏，在车辆停止时同样会造成事故，国内一家新能源换电车型仅在2018年底至2019年上半年就发生了4次自燃事件，另一家新能源汽车公司在2019年4月22日至6月14日的两个月内发生了3起自燃事件。经调查，上述自燃事件的原因全部为动力电池存在安全隐患，这两家公司随后相继宣布召回旗下相关新能源汽车产品。

图1 快换电池的3种实现方式

2.3 增加运营成本，加重企业负担

换电技术需要生产企业对车辆底盘、动力电池、车身结构等方面进行重新设计，与传统充电方式相比差别较大，加之是一项新技术，没有之前的技术储备和积累，研发费用和技术门槛较高，客观上导致研发换电技术的企业较少。同时，换电站除了换电业务外，还需要对电池进行充电、检测、保养等，加之目前换电站还无法实现智能汽车充电桩的无人自助操作，需要单独组建专业团队进行运营，建设成本和人力成本骤增，进一步加重企业负担，最终影响其整体经营发展。换电模式的创始公司Better Place因为巨额的财政负担已经破产，特斯拉在评估其换电业务的投入产出比过高会给公司造成极大财务风险之后直接放弃，甚至没有投入运营，国内的换电企业同样面临着资金困境，北汽新能源已经向主营换电技术的北京奥动累计投资数亿元，但目前仍处于亏损状态，蔚来汽车2019年前三季度总收入为18.36亿元人民币，净亏损25.21亿元人民币，居高不下的换电服务体系建设成本是其亏损的重要原因。

3 换电模式的未来发展趋势

虽然换电技术目前遇见了一些问题，但它可以大幅度提高电能补充效率、延长电池使用寿命、消除续航里程焦虑，发展前景仍然利好，是今后新能源汽车重要的辅助技术，近两年又在技术和模式方面出现了新的方向和趋势。

3.1 集约型换电设施

换电站除了要为新能源汽车提供换电服务之外，还要对动力电池进行储备、充电、检测、保养等，保证其能够正常稳定使用。基于以上多种功能的换电站相比于充电桩占地面积更大、建设和运营成本更高，一直制约和阻碍换电模式的推广应用。针对这一现状，国内最大的电网企业国家电网正在主导研发占地面积更小、建设成本更低、自动化水平更高的集约型换电站。

集约型换电站是在原有换电站的基础上，基于集约型、模块化、高效率为核心的技术研发思路提出的集成式换电设备，为了最大限度地利用土地，换电站地主体采用高箱集装箱，并对内部进行一体化充换电系统设计、电气模块化设计，对功能子系统集成优化，采用信息监控和多工位集约化，实现电池充换电自动甄选和存取，提高自动化水平，一般可以提供超过20个充电工位。由于储存的动力电池较多，为保障使用过程中的安全，集装箱体增加了雨棚、卷闸门、安全护栏等防护设备，以保障使用过程中的安全稳定，如图2所示。

图2 集装箱主体效果[9]

电池取放系统是整个集约型换电站的核心系统，如图3所示，负责快换电的操作，主要由底座、电池缓存架和电池取放行走机构3部分组成，为全自动智能系统，基本流程是由电池缓存架的电动推拉机构将集装箱内的待换动力电池推出电池架，放置于电池缓存架等待更换，电池自动取放装置通过伺服定位模块与标签定位模块组成的定位系统完成对电池的精确定位。电池取放装置通过吸盘完成对电池的抓取与推放动作，单节电池取（放）时间为20 s，负重达到200 kg以上，能够同时取放2组电池，与现有技术相比，大幅提高了换电工作效率和安全性。

图3 电池取放系统[9]

集约型换电站由于设备集成度和自动化水平高，相比常规的充、换电仓减少50%以上的占地面积，大幅度降低建设和运营成本，提高换电服务的质量，目前国家电网已经开始在部分地区试验集约型换电站，预计在不久的将来会正式投入使用。

3.2 “车电分离”商业模式

传统新能源汽车因为动力电池固定在底盘不可快换，对外是按整车销售，由于目前动力电池成本较高，技术还不成熟，导致新能源汽车续航里程有限且价格较高，产品吸引力有限，与燃油车竞争时处于劣势，换电技术可以让车辆和动力电池分离，为厂商提供可以单独销售动力电池的可能性，相关企业根据这一独有特性，探索出“车电分离”的新模式，即动力电池与车辆分离，单独进行销售和租赁，而租用电池可以将一次性购买成本分摊到每月，极大地缓解消费者的资金压力。2010年国家电网率先提出“车电分离”商业模式，并在众泰和海马换电出租车上试点，蔚来汽车在2017年底发布的首款车型ES8推出电池租用方案，车主可以一次性支付电池费用或者按月支付租赁费用来使用动力电池，是全球首个推出的针对私人乘用车市场的“车电分离”商业模式，引起业界关注。此后的2018年7月北汽新能源跟进正式推出针对私人车主的“车电分离”方案，允许车主租用动力电池，目前已经有上万消费者享受到了“车电分离”模式带来的便利和实惠，今后“车电分离”商业模式会进一步推广到更多的换电车型上，让更多车主从中受益。

2020年2月29日中国工程院院士陈立泉在《中国经济大讲堂》的演讲中提出，新能源汽车产业应发展车电分离的商业模式，可以破解用户的里程焦虑问题，避免电池快充带来的问题，可以防止由于新能源汽车补贴退坡带来的新能源汽车产业下滑的问题。陈立泉院士指出换电商业模式的大规模实施需要政府出台统一的换电商业模式相关的政策，包括企业生产的电动车与换电相关的车辆标准化和电池的标准化。

3.3 制定统一标准

新能源汽车的充电技术与产业本身几乎是同步发展，经过近20年的不断完善和进步，目前充电技术的接口标准已经统一，纯电动汽车已经可以在其他品牌的充电桩进行充电，统一标准使充电变得更加便利高效，显著提升产品的吸引力和竞争力，加速新能源汽车的普及推广，促进产业整体的发展，统一标准对其重要性不言而喻。换电技术由于起步较晚，同时涉及专利与商业机密，目前还处于各大厂商自主研发、各自为政的发展阶段，而各车企内部的发展阶段和路径也不尽相同，其中，蔚来汽车的发展阶段走在了行业前沿，其在换电模式的初始阶段就制定了统一标准，旗下所有车型均使用相同规格的动力电池，同一种电池可以给不同的车型更换，高效便捷。2018年底蔚来又推出了业界首创的电池升级服务，用户可以付费更换更高容量的动力电池，费用远低于购买整车，使用现有车辆就可以提升续航里程，极大地节省了费用，在新能源汽车发展历史上有重要的意义。

虽然标准化对产业发展有诸多益处，但换电技术需要电池规格和更换方式两方面的一致，制定统一标准依然面临着巨大障碍，首先动力电池品牌众多，全球目前有近10家主要动力电池生产商，材料、排列、能量密度等规格各不相同，强制统一标准要求不同企业改变自己的生产方式，势必会涉及产业各方利益，甚至遭到反对，主观上会遭遇巨大阻力；其次不同车型的换电方式也存在巨大差异，轿车、SUV等小型车辆多采用垂直对插式，客车、卡车等大型车辆多采用侧面对插式，强制统一标准就需要对不同的车身及底盘结构进行改造，势必会对车辆行驶和安全方面造成重大影响，客观上也难以实现。

统一标准虽然目前困难重重，但从长远来看对产业发展有明显的促进作用，是换电模式的必经之路，目前已经出现能储备同一换电方式的不同规格动力电池的换电站，可以为相应的不同品牌车辆进行换电，随着技术的进一步改进，标准化换电模式终将会实现。

4 结束语

换电技术目前已经为新能源汽车续航里程焦虑提供了行之有效的解决方案，换电商业模式可以在共享和大规模租赁车辆上实施，但同时存在一些现阶段难以解决的问题，随着无线充电、固态电池技术的日渐成熟，未来会有更多解决续航里程不足问题的方案，与换电技术最终共同促进新能源汽车产业的发展。