汽车后市场供给侧改革之新能源汽车发展及汽车后市场的应对策略分析（五）

6　电动汽车能源供给模式选择

能源供给是电动汽车产业链中的重要环节，能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。当前，电动汽车的能源供应可分为插充、换电池和无线充电3种模式，其中插充可分为慢充（常规充电）和快充。电动汽车3种能源供给模式的比较见表1所列。

6.1　插充模式

插充模式可分为慢充（常规充电）和快充两种模式。

6.1.1常规充电（慢充）模式

电池在放电终止后，应立即充电（在特殊情况下也不应超过24 h）。说起充电，一般人都认为把插头插上便可。实际上电动汽车也可以采用平时所习惯的直接插入家用电源的方法进行充电，这就是常规充电（慢充）模式。常规充电便是采用随车配备的便携式充电设备或充电线（图10）进行充电，可使用家用电源（图11）或专用的充电桩电源（图12），充电电流较小，一般在16 A～32 A，电流可直流或两相交流和三相交流，充电速度较慢，根据电池容量的大小，充电时间一般为5 h～8 h，甚至长达10 h～20 h。电动汽车多数采用16 A（也有10 A）插头的电源线，配合合适的插座和车载充电机即可在家为电动汽车充电。值得注意的是，一般家用电源插座为10 A的，16 A的插头并不通用，需要使用电热水器或空调的插座。

表1　电动汽车3种能源供给模式的比较

尽管常规充电模式的缺点非常明显，其充电时间较长，有紧急运行需求时难以满足，但因为其所用功率和电流的额定值并不关键，因此常规充电的充电器和安装成本比较低，可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；更为重要的优点是可对电池进行深度充电，对电池寿命百利无一害，能提高电池充放电效率，延长电池的使用寿命。

图10　充电线

图11　利用家用电源为电动汽车充电

图12　使用专用充电桩电源为电动汽车充电

常规充电模式适用非常广泛，可设立在家里、公共停车场与公共充电站等可长时间停放车辆的地方。因为充电时间较长，可大大满足白天运作、晚上休息的车辆。整车企业为家庭配置的充电桩就属于常规充电模式。

常规充电模式主要采用定流充电和定压充电两种方式进行充电。不过现在的常规充电模式基本都采用定流和定压充电混合工作，充电前期采用定流充电，可保证电池深度充电，后期则采用定压充电，可自动减少电流大小结束充电，避免过充电。车主无需选择何种充电方式。

6.1.2快充模式

快充模式顾名思义为能快速为电池充满电的充电方法，通过非车载充电机采用大电流给电池直接充电，使电池在短时间内可充至80%左右的电量，大大减少充电时间。快速充电模式的代表为特斯拉超级充电站。快充模式的电流和电压一般在150 A～400 A和200 V～750 V，充电功率大于50 kW。此种方式多为直流供电方式，地面的充电机功率大，输出电流和电压变化范围宽。特斯拉快速充电时，充电电流达到265 A，充电电压接近380 V，充电功率可达120 kW，电池组75 min即可充满电。虽然快速充电的充电速度非常高，其充电时间接近内燃机注入燃油的时间，但是充电设备的安装要求和成本非常高，并且快速充电的电流和电压较高，短时间内对电池的冲击较大，容易导致电池的活性物质脱落和电池发热，因此对电池保护散热方面的要求有所提高，并不是每款车型都可快速充电。无论电池多好，长期快速充电终究会影响电池的使用寿命。由于快速充电是采用脉冲快速充电，也就是在充电过程中不断用反复放电充电的循环充电，首先给电池用0.8倍～1倍额定容量的大电流进行定流充电，使蓄电池在短时间内充至额定容量的50%～60%，然后由电路控制先停止充电25 ms～40 ms，接着再放电或反充电，使电池组反向通过一个较大的脉冲电流，然后再停止充电。之后的充电都按照正脉冲充电-前停充-负脉冲瞬间放电-后停充-再正脉冲充电的循环，直至将电池充满电。脉冲充电的最大优点是充电时间大为缩短，且可适当增加电池容量，但是脉冲充电电流较大，对电池组寿命有一定影响。

快速充电模式实质上为应急充电模式，其目的是短时间内给电动汽车充电，高功率高电压的工作条件使得快速充电模式仅存在于大型充电站或公路旁作为应急使用。从使用层面来说，并不建议常使用快速充电模式进行充电。现阶段大多数电动汽车仅可使用常规充电模式，快速充电模式仅部分车型（如特斯拉、比亚迪戴姆勒腾势、北汽新能源E150/200、启辰晨风和荣威E50等）支持。

快速充电充电时间短，在短时间内（约为10 min～15 min）就能使电池储电量达到80%～90%，与加油时间相仿，因此，建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是，相对常规充电模式，快速充电也存在一定的缺点，充电器充电效率较低，且相应的工作和安装成本较高。由于采用快速充电，充电电流大，这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求，同时计量收费设计也需特别考虑。

因为快充对配套设备、电网负荷和电池技术要求较高，成本较大而无法普及，因此目前纯电动汽车的充电方式还是以慢充为主、快充为辅。在插充模式下，制约电动汽车发展的电池问题尤为突出：一方面是购买电池的初期投资成本太大，一般占到电动汽车本体费用的50%以上，昂贵的电池成本在很大程度上阻碍了电动汽车的推广；另一方面是充电时间太长，慢充一般要4 h～5 h，即使快充也需要0.5 h，与当前传统能源汽车的加油或者加气相比其获取能源的便捷性远不能满足人们的需要。同时快充对电池有较大损伤，会造成电池寿命急剧衰减，因此实际上也进一步增加了电动汽车的电池成本。此外，在插充模式下，电动汽车充电负荷具有显著的时空随机性，对电网的运行和规划会带来不利的影响。

6.2　换电模式

6.2.1换电模式的概念及优势

电动汽车换电模式（Electric vehicle switching mode）是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务或者集电池的充电、物流调配及换电服务于一体。此模式可以省去车主大笔购买电池的费用，并可解决充电时间过长的问题，但因电池重量极大则必须使用机械方式操作，且要求整车企业必须统一电池标准，对基础设施建设要求高。

6.2.2换电模式的分类

（1）集中充电模式。集中充电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务。这是国家电网公司于2011 年提出的建设模式。在该运营模式中至少有 2 种类型的工作站，其中集中型充电站实现对电池的大规模集中充电，而配送站则不具备充电功能，只是作为用户获得更换电池服务的场所。相对于采用充换电模式的电池更换站，这样的运营模式具有更多的优点：配送站不承担充电功能，没有电网接入的问题，站址选择灵活，以方便用户更换电池为主要规划目标；集中型充电站充电功率大，且可集中控制充电功率，有利于制定电网友好的充电方案，在时空随机性方面，充电具有优越性。集中充电统一配送方式的主要缺点是：充电站所需供电容量很大，一般需依托变电站建设，投资成本很高；需解决电池箱在集中充电站与配送站之间的物流配送问题。

（2）充换电模式。充换电模式是以换电站为载体，这种电池换电站同时具备电池充电及电池更换功能，站内包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理系统等部分。根据所服务车辆类型的不同，换电站主要可以分为综合型换电站、商用车电池更换站和乘用车电池更换站3类。目前，国内在北京、上海、杭州等城市已建设有商用车和乘用车电池更换站。在国际上，以色列较早采用了这种充换电模式，其业务模式主要是通过建设充换电设施网络为电动汽车用户提供基础设施及能源供给服务。这种充换电模式在加拿大、澳大利亚、丹麦等国也已经有了现实的应用和推广。采用这种充换电模式无需考虑电池的物流配送问题，充满电的电池可以立即用来满足车辆的换电需求。其主要缺点有：换电站的建设既要考虑地价因素及交通便利性，又要顾及电网接入的问题，站址选择不够灵活；每座换电站均需配置充电机、电池箱换电设备等，投资大且需要专业维护，日常运营成本高。

6.2.3换电网络运营模式及网络管理系统

换电网络集电池的充电、物流调配及换电服务于一体，这种一体化的运营结构有利于电池企业的标准化生产，有利于能源供给企业的集约化管理，能够显著降低运营成本。以国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》为例，换电网络中包含集中型充电站、换电站、配送站等3类，其中集中型充电站承担大规模的电池充电功能，满电池将被配送至具有小规模充电能力和换电池功能的换电站及仅具备换电池功能的配送站，从而实现对用户的电池能量供应。图13所示为换电网络基本运行结构，其中具有小规模充电能力的换电站因可分解为配送站和额外的电池供应量而未纳入其中。

电动汽车换电网络管理系统可保证电动汽车运营高效有序，提升电动汽车能源供给网络的智能化水平，是电动汽车大规模推广的前提和保障。电动汽车示范运行期间，由于有较为固定的行驶路线，因此无须对换电网络进行控制也可保证车辆的正常运行。但车辆大规模运行时，交通状况等原因会使得充电电池和换电车辆在换电网络中的分配具有较强的随机性，可能会造成一部分充电站及配送站较为拥挤，而另一部分充电站和配送站较为清闲。因此，有必要而且急需解决换电网络这样一个规模庞大、动态性高的分布式系统的优化控制问题。如国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》一样，上述几种系统均仅针对换电管理进行了功能性设计，却没有涉及有关运行阶段如何优化系统运行，因此还有待进一步研究。

当前针对换电网络的实际优化运行及相应的充电站、换电站的规划的研究还较少，这与当前我国已投入了大量的人力、物力进行换电模式的试点工作是极不相称的，换电网络的规划和运行存在大量的基础理论问题亟待解决。从图14可以看出，换电网络的规划包括集中型充电站规划、配送站规划、电池的数量规划等。目前国内一些省市在进行所在区域换电网络长远规划时，即使明确了未来数年采用换电模式的电动汽车数量，但是对于集中式充电站的规模选址，电池数量配比的计算均缺乏科学合理的建模方法，无法做出合理的描述。换电网络的运行包括充电优化管理、物流优化（运力优化与路径优化）、电池需求优化等，以及建立在这三者之上的综合优化，既要考虑对用户需求的满足和对电网的影响，又要考虑各单元的约束。在换电网络运营时，换电站的电池需求、物流优化调度和充电负荷三者密切相关、相互牵制，对充电站而言，换电站的电池需求为间歇性的电量需求，而该需求受物流能力限制，最终到充电站须转化为对电网的功率需求，在此基础上还要考虑电网优化运行的需求，因涉及变量众多，其优化运行极为复杂。

图13　换电网络基本运行结构

图14　换电网络规划运行研究对象和研究内容

电池是电动汽车运行的能量来源，其本质是电量的聚合，即一段时间内充电功率的累积。电动汽车的换电需求能否满足与电池储备数量密切相关。在进行电池组需求规划时，除了考虑车辆自身携带的电池组，还需设置一定的冗余度以满足车辆在电池耗尽时的换电需求。由于电池购置费用昂贵，冗余度太高会导致经济性下降，而冗余度过低则无法满足车辆正常的换电服务。因此，有必要针对换电模式下的电池数量规划问题展开研究。

换电站作为一种特殊的电网负荷，其规模和选址要权衡电网投资的经济性与安全性，一方面要满足市场的换电需求，另一方面也要顾及电网要求。将其纳入电源电网规划中进行综合优化，是迫切需要解决的问题，而当前的试点工作对这些内容大都未能予以涉及。

在整个充电站网络内，可配送的电池数量是十分庞大的，所以及时、准确地配送数量庞大的可更换电池，不仅能够保证整个充电站网络的正常运行，还将大大降低配送过程中的人力、物力成本。关于换电网络的电池配送问题，目前鲜有文献论述。而研究发现，电池物流调配属于典型的旅行推销员（travelling salesman problem，TSP）问题。因此，可以借助解决TSP问题的智能算法（如遗传算法）来解决。

在换电模式下，通过对集中型充电站或换电站进行充电管理，可实现电池的统一调度和监控。规模化的电池可作为巨大的储能单元，有效地参与负荷管理和系统调峰，提高电网负荷率，最大限度地减少谐波污染等对电网的不利影响，从而提高系统整体运行的效益。

6.2.4换电模式的应用探索

在国际上，换电模式在以色列、加拿大、澳大利亚、丹麦等国已经有了一定的应用和推广。加拿大多个地区引入电动交通体系，建设充换电服务网络。在亚洲，东京推出充换电结合的电动出租车运营服务。总体而言，国外电动汽车在能源供给模式的选择方面充电与换电均占据一定的市场，但目前充电仍是主导，换电模式发展相对滞后。换电模式曾经因以色列电动汽车生产商Better Place而一度成为了电动汽车界的热点话题。Better Place的模式类似于现在的电信运营商，不管电动汽车使用什么品牌的电动汽车，Better Place希望对所有电动汽车提供电池维护、更换和充电服务，而Better Place的主要业务则是换电模式，电动汽车进入Better Place换电站后通过机械手可以在3 min内完成自动换电池业务。但是和燃油汽车的油箱不同，电动汽车的动力电池和对应的电池管理系统（BMS）是各大整车企业的核心技术，动力电池高昂的造价是整车企业的核心利润来源，是电动汽车费用的大头，显然，将电动汽车动力电池这块蛋糕从整车里面剥离出来不符合汽车整车企业的核心利益，因此只有某些非主流的电动汽车会配合Better Place的换电池设计。2013年5月26日，入不敷出的Better Place最终宣告停止运营，给换电模式蒙上可一层阴影。如果说Better Place的昙花一现很大程度上败在公司盲目扩张而用户寥寥无几上的话，同一时期发生在国内的换电池大潮可能会带来另一个不同角度的解读。

2009年初，科技部、财政部、发改委、工业和信息化部启动“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，计划用3年时间，每年发展10个城市，每个城市推出1 000辆新能源汽车开展示范运行，从此电动汽车便以出租车、公交车、公务车等形式出现在人们的视野。2011年国家电网公司发布了《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》和《国家电网公司“十二五”电动汽车充电服务网络发展规划》，提出了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的商业运营模式，统一进行了有关智能充换电服务网络运行管理系统的开发，并开展充换电网络的示范运营和电池租赁试点。北京、苏沪杭、青岛等城市已经建成了一批电动汽车充换电示范工程，同时将在环渤海和长三角2个区域建设跨城际的智能充换电服务网络。2011年4月，南方电网公司也推进电动汽车换电池技术及商业模式。截至2011年底，除西藏以外，全国绝大部分省市均进行了有关电动汽车换电网络建设的规划。但由于在电池控制权、标准化建设等方面仍存在较大争议，国家电网公司与南方电网公司并未真正大规模推进换电池站建设。这里比较有代表性的就是国家电网公司和众泰汽车在杭州主导的换电模式。和私家车不一样，公交系统或者特殊工作车辆的工作时间直接与价值创造成正相关，行驶距离、能量消耗相对容易预测。而出租车更是要进行24 h无休运转的驾驶人倒班运转，时间对于电动出租车而言真的就是金钱，因此在出租车行业应用换电模式虽然需要更高的成本进行换电站设置，但在有出租车的体量保证和稳定而迫切的能量补给需求下，换电模式显现出比充电模式具有更强的盈利能力，动态投资回收期比充电模式更短。加上利用算法控制，在保证换电服务不受影响的情况下，对换下来的电池尽可能使用夜间低谷电价充电，动态投资回收期会更短。另外，南方电网公司、中国普天和比亚迪在深圳主导的充电模式中，由于大部分出租车驾驶人都会选择在固定的一些时间段（比如午休、交班前等）和一些特定的充电站（如市中心或交通便利处的充电站）进行充电，这样便会出现充电站突然爆满的情况，再加上部分充电桩的损坏或充电位不足，争抢充电桩的情况便会发生。由此可见，换电模式似乎在出租车领域更具有竞争力。但是，虽然换电模式具有更强的盈利能力，但这份利润却被换电服务商拿走了，传统整车企业不但失去了销售电池这一大块蛋糕，连后续的换电服务营收都失去了，还要配合国家电网安全性、便准不明的电池系统，自然是非常不愿意配合。因此在国家电网公司发布以换电模式为主的路线时，曾一度引发不少整车企业的反对，国家电网公司最终也只好选择相对不太强势的众泰汽车作为合作伙伴。

2012年，国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，确立了以充电为主的电动汽车发展方向。提出完善的充电设施是发展新能源汽车产业的重要保障，要科学规划，加强技术开发，探索有效的商业运营模式，积极推进充电设施建设，适应新能源汽车产业化发展的需要。迫于各方的压力，国家电网公司也渐渐开始妥协。2015年1月10日，国家电网公司发起电动汽车“京沪行”活动，带领北汽新能源、比亚迪公司、比亚迪-戴姆勒公司、东风日产公司等4家整车企业组建由北汽EV200、比亚迪e6、腾势、启辰晨风等纯电动汽车组成的车队，从上海嘉定安亭快充站出发，途径上海、江苏、山东、河北、天津、北京等6省（市），历时4天，行程1 262 km，全程都使用充电桩，这预示着国家电网公司从换电模式的战略转向充电模式，也意味着国家电网公司和整车企业转为合作关系。而国内首个高速公路跨城际快充网络——京沪高速公路快充网络也随着这次活动的结束被证明已经全线贯通。至此，曾经在国家战略上与充电模式平起平坐的换电模式也从战略到执行上全面退居充电模式之后，换电模式的发展暂时进入低谷期。但在国家层面上，推行的电动汽车能源供给方式仍将采用充换电相结合的模式，换电模式作为一种重要的电动汽车发展的探索模式，依然受到国家的重视，国务院于2012年5月颁布的《节能与新能源汽车发展规划2012-2020年》中，明确提出要探索新能源汽车及电池租赁、充换电服务等多种商业模式，并鼓励成立独立运营的充换电企业，逐步实现充换电设施建设和管理的市场化、社会化。

从Better Place和国家电网公司这两个例子可以看出，换电模式除了需要庞大的市场基础和成熟的技术以外，还需要强大的整车整合能力才能不受整车企业的制约。那么是否打通上述瓶颈后，换电模式就可以顺利突围了呢？较之Better Place和国家电网公司，拥有核心技术、用户群体、基础设施和整车生产能力的特斯拉在2013年6月推出了换电池技术，其实特斯拉对换电池技术早已有铺垫，从一开始设计和生产Model S时就考虑了换电池的功能。但是，较之特斯拉成熟的充电服务而言，换电模式的用户体验似乎非常不友好。一次换电服务的价格在60美元～80美元，比汽油车加油还贵，就更不要说面向已经习惯了完全免费的超级充电站服务的车主了。而用户体验更加不友好的是，还需要车主返回换电站换回电池，如果不返回换电站换回电池，就需要通过付费邮寄的方式换回电池，如果不换回电池，则需要补上新旧电池的差价。而完全免费的超级充电站服务的用户体验则要友好的多，大多数超级充电站设在高速公路的出入口和购物中心的边上，非常方便。拥有核心技术、用户群体、基础设施和整车生产能力的特斯拉换电模式于是便败在了糟糕的用户体验和应用场景上。

目前，国内采用换电模式的主要有3家企业——北汽新能源、浙江时空电动、重庆力帆。

北汽的换电模式是底盘换电，主要应用在出租车上。电动汽车停在换电站后，工作人员操控按钮，电动汽车底盘下方的升降机随即升起，将位于车底部的旧电池取下并送入后台，接着运出一块新电池并安装好，整个过程大约只需3 min。2017年末，北汽新能源将建成充换电站200座，支撑3万台纯电动汽车换电需求的规模；到2022年，北汽新能源的“擎天柱计划”预计将投资100亿元人民币，在全国范围内建成3 000座光储换电站，累计投放换电车辆50万台，梯次储能电池利用超过5 GWh。“擎天柱计划”具体将分为3个阶段实施：第一阶段（2016年～2017年），由北汽新能源、奥动新能源、出租车公司三方联合共建换电站，初步组建公共出行运营平台和梯次储能运维平台，组建以光储能换电站为中心的城市级能源互联网，建成换电站100座，运营车辆超过4 000台，实现梯次储能电池综合利用100 MWh（10万度电）。第二阶段（2018年～2020年），以北京、厦门、广州、深圳、兰州、西安、昆明、郑州等城市辐射展开，组建各城市公共出行运营平台和梯次储能运维平台，组建以光储能换电站为中心的区域级能源互联网，建成换电站1 000座，运营车辆10万台，梯次储能电池综合利用1 GWh（100万度电）。第三阶段（2021年～2022年），在全国范围内开展，覆盖全国主要城市及重点城乡区域，组建以光储能换电站为中心的全国范围能源互联网，建成光储换电站3 000座，运营车辆50万台，梯次储能电池利用5 GWh。未来，换电模式还将进化到3.0时代，将移动换电站升级为分布式可再生能源能量采集器，引入可再生能源企业，并依托互联网技术，实现能量的最优化利用。

浙江时空电动是侧方换电，主要采用“网约车+换电站”模式，主要运用在网约车、出租车、物流车上。“时空超级移动电网”换电站能做到辐射城区半径5 km，为每天20 h跑在路上的车辆提供能源支持。目前分为手工换电站和半自动换电站两种。半自动化换电站的场景很具未来感：从电动汽车进入换电位置，工人通过操作半自动化的机械臂，从汽车电池仓位取出电池，再由机械臂将满电电池插入汽车，全程只需3 min～5 min。

重庆力帆采用的分箱换电模式，主要用在分时租赁车上。力帆旗下控股品牌盼达用车的盼达换电模式具体运行起来有2种：第一种场景是用户把车开到能源站，由专业人员操作换电；第二种是电量低于40%之后，通过前装的车联网系统会自动生成订单并派移动服务车前往。力帆主要采用的是分箱换电技术，“移峰填谷”是实现换电模式的关键之一。分箱换电的优点有采用分布式电池温控系统；具有多个充电接口；不改底盘结构；封装工艺简单；封装能量比高；标准化容易；可以即换即修。缺点是存在一定的安全隐患。2020年计划兴建500座能源站，服务100万车主，盼达用车投放30万辆新能源汽车，新推出21款新能源汽车。

除了北汽、力帆、时空电动正在如火如荼地开展换电模式外，蔚来汽车也将发布充换电新模式。此外，早在2008年，河南新乡市就提出了“车电分离、换电为主”的电动汽车商业运营模式，制定了国内第一个“换电模式”的电动出租车商业运营方案。2010年，通过整合科隆集团、环宇集团等本地电池企业和新能电动汽车公司成立新能出租车公司，按照“车电分离、裸车销售、电池租赁”思路开展商业运营，即“裸车”销售、电池租赁；集中充电、分散配送；底部换电、自动快捷。

6.2.5换电模式面临的难题

换电模式可以解决电动汽车目前所面临的几乎所有问题——续驶里程太短、充电时间太长、电池寿命短、整车价格太贵等等。换电模式还有一个好处，那就是可以随着电池技术更新，电池容量会上升，就好像人们购买宽带一样，今年1 M包月100元，明年2 M包月100元，5年后运营商说，所有宽带免费升级成光纤，这期间，对于用户来说，升级成本接近于0。电动汽车换电池同理，购买电动汽车的用户，可以免费享受电池技术发展的红利，刚购买的电动汽车可能只能跑120 km，5年后就能跑240 km了。而基于电池租赁的换电模式配合大规模集中型充电被认为是当前电动汽车发展具有竞争力的商业技术模式。这是由于首先采用电池租赁方式，由电网公司承担电池的初期投资成本，可显著降低用户的初始购车费用；其次对电池进行集中充电可采取慢充方式，避免快充而引起的电池寿命缩短问题；第三，采用换电方式一般可在几分钟内完成换电过程，即使与常规能源汽车相比，其便捷性也毫不逊色；第四对电池进行集中充电管理可避免大规模电动汽车随机充电对电网运行带来的不利影响，甚至可以根据电网需要，在统一管理的框架下进行电池充电的优化运行。此外还可避免绿色能源损失，减少可再生能源发电成本。因此，虽然换电模式存在着要求电池等标准统一的问题，但是这并不妨碍其成为未来电动汽车可能的重要发展模式之一。

（1）通用性问题。一是电池的布置方案为题。各家整车企业的电池布置方案不一致，甚至一个企业的不同产品的电池布置方案都不一致，这导致实际换电电池的种类繁多，在实际操作过程中，仅能是某种车型在某些特性使用环境下进行换电，所以企业或者集团用户是换电的首选客户，但是仅限于区域运营。二是通信及功能问题。各家整车企业电池的具体功能可能会有差异，而且通信协议由于是车辆内部的CAN总线通信，各家整车企业的通信协议一致的可能性极低，除非国家出台相关法律法规统一相关内容。三是电池重量分配问题。电池包内部布置方案不同可能会影响到整车的重量分配，可能会影响到车辆驾驶体验。四是电池的安全性问题。相同的电池功能，不同的厂家可能在工艺及内部控制方面不可能做到完全一致，质量控制做得好的电池包自然成本会略高，但是涉及到用户的安全，不是儿戏，后期的责任分担可能是车企和电池企业扯皮的焦点。不同充放、不同规格、不同原理、不同厂家的不同质量电池使换电服务提供商风险骤增。

（2）换电需要对整车设计提出更高的要求。从电池包接插件的耐久性，到冷却管路的处理，甚至换电时的车辆定位问题，目前都还没有特别完美的解决方案。特别是连接器问题。基于换电技术的连接器往往都是定制（通用性做到后，那就是标准连接器），常见的连接器设计插拔次数的要求相对较低，一般汽车上的连接器大概是500次插拔的设计寿命，但电动汽车换电的话，一般设计寿命都要超过1万次以上，加上一般电动汽车的设计工作电流往往都在100 A～200 A，这样连接器的端子就会比较粗壮（为了保证端子之间的接触面积，保证安全长时间通过电流）。一是端子接触面积的问题。从宏观角度来看，连接器插合后端子就可靠连接了，但如果仔细观察大电流连接器的端子，可以看到母端端子实际接触的主要是簧片，而端子之间可靠接触与簧片和公端子之间的接触面积相关，这主要可以通过接触电阻进行判断，而接触电阻受簧片形式、材料、镀层等影响，接触电阻会影响到端子发热，如果温度快速上升且热量无法得到有效的散热（一般连接器都要保证IP67的密封），端子壳体就有可能出现变形或其他安全隐患。不过一般在使用前期，该风险是相对可控的，但长期使用后其风险相对会较大，这要通过更换连接器去解决。二是端子的磨损及公差问题。对于频繁插拔的连接器，插拔的磨损是不可忽略的，往往会影响到端子和簧片的镀层，长期使用风险大增大。连接器通用后，连接器就有可能是多个厂家生产的，但是各家的材质、工艺不一样，不同厂家的公差控制也会是一个相对难以控制的因素。三是带电插拔问题。一般在设计快换插件的过程中，高压端子相对信号类的端子都较长，在低压信号中断时，高压接口便会切断供电，这样可有效防止用户误动作时（如车辆上电进行快换）高压端子出现电弧，对端子表面产生较大的破坏。不过该问题一般厂家都会考虑，因此风险相对可控。

（3）车电分离问题。换电模式必须做到车电分离，但这不符合整车企业的利益。电池和传统汽车的油箱不同，电池是占据了电动汽车成本50%左右的重要部件，更是电动汽车的核心部件，整车企业自然不肯放手电池的控制权。“车电分离”，要做到的不是技术上的分离，而是商业上的分离。用户在购买电动汽车时，只购买裸车，不购买电池，这样价格就会降低50%左右。那电池哪儿来呢？从运营商那里租电池，租的电池只需要满足行驶里程的需求即可，无论新旧，无论品牌，无论寿命，无论材质。

（4）大量电池的统一集中充电，不符合电网利益。在传统情况中，大规模用电必然是在线在网的，但电动汽车却创造出了一个巨大的离网电能源应用场景，必然对传统电能源产业造成一定的冲击。大家想想看，如果一个地方集中了几百、上千的动力电池进行统一充电，那么当地电网的压力有多大，而电网在这种大规模的行业变动中，却没有任何利益可言，还要适应环境投入建设和研发，纯亏本生意。电网曾经支持换电模式，是因为想把控电池。公交车换电模式大多是电网搞的，但电动汽车又是汽车行业的事情，乘用车是看市场不看行政的，第一次交锋，在乘用车领域电网惨败。

（5）电池技术与投资成本。现阶段电池产业处于发展初期，电池能量密度低，续航里程短，寿命周期短。在现有电池技术水平下推行换电方式，电池投资高，将会给能源供给企业带来很大负担。其实换电站推广最困难的地方在于无法承受巨大的电池折旧成本。如果真正运营起来，每个换电站至少配备1.2倍～1.5倍服务车次的电池数量。由于动力电池循环寿命低，换电站集中购买的一大批电池折旧成本过高，高频次的换电池，电池使用3年～5年便无法继续使用，换电模式相当于把大批次电池折旧的巨大成本和衰减风险都转嫁给换电站，如果不是国家积极推，在目前的电池技术水平下，恐怕哪个企业都无法承受巨大的电池折旧成本。前面说特斯拉的换电服务不友好，价格比较贵，大家想想，建换电站的电池折旧成本如此之高，而且需要配备更多的电池以满足使用，服务价格怎么能不贵呢？为什么Better Place最后失败，而且Tesla仅仅将换电作为应急手段，相信大家已经有了答案。

（6）换电站需要的基础设施比充电桩要求高。为了支持换电，需要对单个电池包而不是整车进行快充，需要的电网功率大不说，如何存放这些电池包都是个问题，放不好就是炸弹。

（7）安全性与责任界定。换电模式的发展有可能彻底改变传统汽车企业、能源企业和消费者的三方结构，而出现电池制造商和充电运营商等参与方。在这种新兴格局下，电池的日常维护工作由谁来承担，当出现安全问题时责任如何界定等都是有待解决的难题。

（8）换电模式标准体系建设。不同厂家生产的电池和电动汽车都有所不同，包括尺寸、接口和布置方式等，这给换电模式的统一标准化操作带来了很大的困难，因此，亟需制定与换电模式相配套的标准体系。

（9）如何评价换好电池包的能量并按照电池包的能量来收费。电池存储的能量不像加油油量那样可以很容易测得，但电量完全没有一种公平的方法来测，或者说客户没有办法去评估。而且可用电量和电池衰减、温度有很大关系，尤其是电池衰减很难估测，可能只能等大数据分析成气候了才能精确估计，但无论估测都有主观嫌疑，不像油箱跳枪那么直观。

在宋代的词中，具有同样效果的还有欧阳修的《踏莎行》：“寸寸柔肠，盈盈粉泪，楼高莫近危阑倚。平芜尽处是春山，行人更在春山外。”倚栏而望，来排遣自己的闺怨愁苦之情。

（10）换电网络建设。对于用户而言，换电模式的主要优势在于其能源更新的便利性，但是在现实中其便利性更有赖于密集布点的规模化换电网络，这也意味着超大规模的投资要求，在目前其商业模式可行性仍存疑的环境下，其规模化建设也面临着巨大的资金瓶颈。

（11）成本及费用。动力电池包基本上都是以万元为单位的。换电不无偿的，电池寿命折损、充电费用、充电设备使用费、充电设备维护与维修费用、换电设备费用、换电人员人工费、换电站适当的利润等等，大概算算，一块20 kWh的电池，按照按15 kWh/100 km计算，续航里程约为130 km，换电的费用大约是41元/100 km。

（12）补贴分配问题。由于电动汽车和电池的成本很高，为促进电动汽车的发展，国家将会提供一定形式的补贴。换电模式下，该补贴在汽车生产商、电池制造商及能源供给企业中如何分配，目前没有明确的划分方法。

换电模式虽然因为对外部环境要求高而拥有不少硬伤，但换电模式还是具有非常多充电模式所不具备吸引力的优势，譬如可以用来做储能电站、削峰填谷、减少电网谐波、提高电网负荷率、可对电池进行慢充延长电池使用寿命、可使用谷底电价进行充电降低成本等。其实换电模式能很好地对充电模式的一些缺陷进行补充，充换电并无孰优孰劣之分，两者更像是相辅相成的2套技术体系，各自的优势也决定了各自适用于不同的使用场景，只有找到适合的使用场景，便可以扬长避短，充分发挥其优势。换电模式适合有固定里程的应用场景，可以完美解决工具车辆运营受限的问题。换电模式的潜在市场需求主要存在于以营运为主的商用车辆（电动出租车、电动客车、电动物流车、电动公交车、电动通勤/专用车等），以营运为主的车辆迫切需要极短的充/换电时间，因为时间就是金钱，因此，一旦运营类公司能够在车辆运营时间方面获得成本优势，换电模式就会存在优势，就具有潜在需求。除传统的电池数据跟踪外，换电模式可为电池服务带来更多的可能性，如在区域内实现电池共享，通过统一充电管理，延长电池寿命；缓解里程焦虑，减少对电池容量的要求；可对电池进行统一回收和梯次利用，为后续进一步商业创新奠定基础。在电动汽车发展初期，建议建立以分散停车位慢充为主的充电网络，对公交、出租、环卫等行驶习惯相对固定的用户采用换电模式。换电模式的真正实施方式应该是电池租赁模式，也可叫功能租赁模式，就是车主拿着一组电瓶使用后，总共花掉了多少瓦的功率，按功率数据算钱，当然要有协议方式保证不能超放电。就要求电池上有自动记录所执行的功率数量，当然，如果是快速放电或超放电情况出现时，电池要有自我保护系统。在产业发展成熟阶段，适时推出换电为主、充电服务并存的能源供给模式。

6.3　无线充电模式（未来充电模式）

无论是使用16 A、10 A电流的传统充电方式，还是使用高充电电流的快速充电，其都会受到“线的羁绊”，充电装置及充电时使用的线路令其多少会受到场地制约，无线充电则在一定程度上解决了这个问题。

无线充电模式即无需通过电缆来传递能量。无线充电技术，即Wireless charging technology，是指具有电池的装置不需要借助于电导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，源于无线电力输送技术。采用无线充电模式首先要在电动汽车上安装车载感应充电机，利用车载感应充电机接收电能给电池充电，车辆的受电部分与供电部分没有机械连接，但是需要受电体与供电体对接较为准确。无线充电模式主要有电场感应、电场耦合、磁共振和无线电波4种电能传送模式。各种无线充电方式都有各自的特点，具体比较见表2所列。

当前最成熟、最普遍的是电磁感应式无线充电。其根本原理是利用电磁感应原理，类似于变压器，在发送端和接收端各有一个线圈，初级线圈上通一定频率的交流电，由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端（图15）。在电动汽车上无线方式传输电能主要是通过2个线圈（嵌入地面的发射线圈和置于车内的接收线圈）之间产生的电感耦合进行的，发送线圈内的交流电形成电磁场，处于该磁场辐射范围内的接收线圈发生电磁感应，产生电流 。

磁共振式无线充电也称为近场谐振式无线充电，由能量发送装置和能量接收装置组成，当2个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，可从一个向另一个供电（图16）。技术难点是小型化和高效率化，被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。高通拟推出的无线充电技术Halo（图17）就是采用磁共振原理，通过让地面充电板的接受线圈与电动车充电板的发射线圈处于一个相同的频率来传输能量。如图18所示，磁共振无线充电技术主要由电源、发射面板、车载接收面板及控制器组成，无需任何的线缆链接，可确保更高的耦合系数，降低系统电流，实现更高效率和更高功率无线充电，现在Halo无线充电技术可达到90%以上的充电效率。这种利用电磁波进行电力传输的技术可以在一定程度上减少充电站的资金、场地投入，由于不需要充电电缆，而且支持各种类型的电池，车主充电也可以更加灵活方便。此外，磁共振的能量损失低，充电效率可达到90%，这个效率甚至高于线缆充电。从上述可见，Halo技术的推广显然需要2个条件，一是有充足的充电站提供地面充电板，二是电动车要配置接受充电板。对于第一点，高通已经有了动作。2017年3月，高通宣布注资英国最大的电动汽车充电服务商——Chargemaster。这家充电服务商目前已在英国及欧洲等地相继建成超过1万个同时可兼容无线充电的网点，有了这些网点的支持，高通的目标就实现了50%。高通与Brusa的交易则有助高通实现第二点。此前高通已经与梅赛德斯奔驰的母公司戴姆勒集团签署战略协作关系，将Halo系统引入其电动汽车内。但毕竟这只是一个厂商，而Brusa是全球首款车载电动汽车充电器的制造商，通过与Brusa的合作，高通可以让更多的厂商车型支持自己的技术。Brusa表示，目前已与若干领先汽车制造商商谈，准备在不久的未来引入无线充电技术。

表2　各种无线充电方式的特点

图15　电磁感应式无线充电原理

图16　磁共振式无线充电示意图

图17　高通的磁共振无线充电装置Halo

图18　磁共振无线充电技术的组成

无线电波式无线充电的基本原理类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗（William C. Brown）的微波输电系统，整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分；微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率；发射天线是64个缝隙的天线阵，接收天线拥有25%的收集和转换效率。

电场耦合式无线充电则是利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能，其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端，具有抗水平错位能力较强的特点。

现在无奈受制于技术成熟度和基础设备的限制，无线充电技术暂时没有大批量产应用。业内主流的无线充电技术主要采用电磁感应和磁共振方式传递电能，但磁共振方式充电效率更高，而且磁场辐射强度更低，更重要的一点是其送电线圈与受电线圈无需对得非常齐，这一点是电磁感应所不及的。

无线充电模式未来应用的前景无法估量，肯定的是不再是现阶段“伪”无线充电那样需要停在固定位置进行充电，电能可能来自于路面铺装的供电系统，或者来自于汽车上接受的电磁波能量。未来电动汽车充电的发展必定会脱离线束的捆绑，实现边行驶边充电，充电便不会再是电动汽车发展的绊脚石。