电动汽车换电模式发展情况、研究现状与挑战分析

王信锐

（遵义职业技术学院 汽车工程学院，贵州 遵义 563006）

推广和应用新能源汽车是全球环境改善和碳达峰、碳中和的重要推动力。2020年12月，中央经济工作会议就曾明确指出要继续大力发展新能源汽车，做好碳达峰、碳中和工作。长期以来，新能源汽车在我国得到了极大的重视，在我国的推广工作也取得了一定的成绩。根据2021年3月的国新办发布会可知，我国新能源汽车产销量连续6年位居世界第一，累计推广的新能源汽车超过了550万辆[1]。随着国家政策的不断加持和地方政府的有力引导，传统燃油汽车将逐步退出历史舞台。作为新能源汽车的一种类型，电动汽车的发展一直受动力电池的容量和能源供给的快慢所制约，因此，能源供给方式对电动汽车的推广运营和规模化发展至关重要[2]。当前市场上的绝大多数电动汽车都是采用插充的方式（插充模式）来补充电能，但是这种类型的电动汽车存在初始购车成本高、“里程焦虑”、“充电焦虑”等问题，动力电池容量有限，不支持电动汽车长时间长距离行驶，这些都限制了电动汽车的大规模应用[3]。与插充模式相对应的换电模式却可以很好的解决上述问题。因此，本文对换电模式的发展情况、研究现状和挑战进行分析，以期了解换电模式的痛点，为将来推广换电模式电动汽车进而实现新能源汽车的全面推广奠定基础。

1 换电模式发展情况

1.1 国外换电模式发展情况

国外对换电模式的研究较早，加拿大、以色列等国家都推广过换电模式的使用。其中，对换电模式的研究和商业化应用较早的也是较为知名的公司是以色列的Better Place公司[4]。作为一家换电模式运营服务商，Better Place曾与雷诺汽车公司开展合作，由雷诺汽车公司生产制造换电车型，但是由于当时电动汽车充电技术的提升和换电标准的不统一等各方面因素使得此换电车型并不具备优势，电池的更换反而不方便，因此很少有消费者选择此换电车型，导致雷诺公司的此换电车型销量较差，效益不好，致使雷诺汽车宣布不再采用换电模式，放弃了换电车型的生产，以致于Better Place再也找不到合适的合作伙伴，加上换电站的重资金投入而得不到回报，导致公司大量亏损，从而宣布破产，以失败而告终。随后，特斯拉也尝试过换电模式的研究和应用，曾投资大量资金建设换电站和生产换电车型，但与其公司正在研发的超充模式形成竞争关系，并且与超充模式车型相比，所生产的换电模式车型并不具备优势，其动力电池与其它车型无法实现共享，也得不到消费者的大力支持，也因此放弃了换电模式[5]。

综上所述，通过分析国外换电模式的两个失败案例可知，由于换电模式在当时是一种刚兴起的产业，缺乏政策的引导和支持，换电技术的标准化等均不成熟，并不具备技术优势，也不具备群众基础，广大消费者并不看好换电模式的未来；再加上换电站的建设需要大量的资金支持，销量不好的话很容易发生资金链断裂，从而导致了换电模式商业化运营的失败。

1.2 国内换电模式发展情况

早在2006年，国家电网就已经开始了对换电模式的研发，然而由于国家政策不支持，进展却不甚顺利，最终不得不于2015年转向插充模式领域[6]。随着政策的支持、换电标准的完善，大众视野开始向换电模式转变，以北汽新能源、蔚来汽车、长安新能源为代表的汽车生产商和以奥动新能源、伯坦科技、库伦能网为代表的第三方换电服务运营商均纷纷布局电动汽车换电模式领域[7]，开发换电技术、建设换电站、创新换电商业运营模式等。值得一提的是作为传统燃油供给的老牌企业中石化竟然也开始布局换电模式。今年4月份，中石化分别与蔚来汽车、奥动新能源签署战略合作协议，围绕换电站建设、商业模式创新、换电网络构建等方面开展全方位合作，依靠加油站布局换电站和换电网络，进军新能源汽车换电行业。截止2020年12月，我国运营换电站最多的前三大企业分别是奥动新能源、蔚来汽车和杭州伯坦科技，所运营的换电站数量分别为286座、175座和94座，其中奥动新能源所运营的换电站数量最多，但是相对全国的巨大市场前景来说，所建设和运营的换电站数量仍远远不足，仍不满足换电模式电动汽车的大规模应用。

2 换电模式研究现状

尽管国外换电模式商业运作的早期失败，但国外学者对此模式的研究并未停止；随着我国政府对换电模式的支持和引导，国内学者们对换电模式的研究方兴未艾。总体来说，国内外学者们主要在换电站、动力电池、换电方式等几个方面对换电模式进行了研究。

2.1 换电站研究现状

国内外学者对换电站的研究较多，究其原因主要是由于换电站是电动汽车动力电池的中转中心，也是资本投入最大的基础性设施，其建设成本、运营好坏等直接关系着换电模式的成功与否，与换电模式的推广和应用至关重要。对换电站的研究主要集中在换电站的选址布局、换电站的充放电策略、换电站的商业运营等方面。

2.1.1 换电站的选址布局

换电站的选址布局是否合理关系消费者换电的便利性，也会对换电运营商的收益产生影响，甚至会影响换电站的安全性。一般来说，换电站的总体规划受地方政府的总体规划、换电模式电动汽车的保有量、土地成本、配电网的供电能力等因素的制约。如果在建设换电站时，没有综合考虑城市规划和配电网建设，那么随着电动汽车的推广和销量的增加，势必会对电网产生很大压力，危害人们用电安全，到时候再对配电网进行升级改造也是很麻烦。不同类型的交通工具都可以作为换电模式下换电站选址规划的研究对象。杨珺,冯鹏祥,孙昊,等提出电动汽车物流配送系统[8]，以使包含换电站设施建设成本和车辆的配送运费的总成本最低为目标，考虑到电动汽车续航能力和装载容量约束，建立了换电站选址和配送路径混合整数规划模型，但是他们仅考虑了单一配送中心的换电站选址和路径优化问题（ELRP），而未考虑多配送中心的换电站选址和路径优化问题。同样研究的是电动汽车物流配送系统，周炳海,谭芬却将目光转移到了厂内循环配送，以最小化配送系统总成本为目标[9]，分别建立了厂内配送路径和换电站选址优化问题的数学模型。也有学者研究了公交车换电模式，其中文献[4]提出了电动公交车的一种云集成大数据驱动的（S34X），使其在尽可能少的时间内实现换电过程。也有学者研究了专门针对出租车市场的换电站选址布局，比如Wang Y,Ding W,Huang L提出为了最小化所有出租车电池更换的总时间成本[10]，给出了一种计算换电站规划方案的优化方法和一种避免拥塞的换电调度机制；Wang Y,Huang L,Wei H,et al提出以所有电动出租车电能补充的总时间成本最小为目标[11]，给出了一种针对城市电动出租车的换电站优化布局计算方法，但是作者并没有考虑换电站设置对整个交通网络均衡状态的影响；针对于此张勇,顾腾飞提出以社会总成本最小为目标[12]，确定了交通网络均衡状态，获得了最优的换电站选址和建设方案，还对换电站电池保有量也建立了优化模型，分析了电池保有量增加的影响性。

2.1.2 换电站的充放电策略

换电站的充放电策略指的是换电站对动力电池采取有序充电、适时放电等方式以获得最大利润。Rao R,Zhang X,Xie J,et al提出以中国海口市出租车的实际运行数据作为参考[13]，通过研究出租车司机的换电行为对电网侧和发电侧的影响，给出了一种换电站中电池的最优充电模式，该模式有助于平衡电力负荷，减小峰谷负荷差，并且在发电机组发电时，也会降低煤耗和成本。Mahoor M,Hosseini Z S,Khodaei A提出以换电站日运行成本（与电网交换电力的成本和电池退化成本）最小为目标[14]，建立了不确定约束下的基于混合整数线性规划的换电站最优调度模型。毛海鹏,张勇军,王浩林,等提出也是以换电站的运营成本（年化运营净利润）为目标[15]，创新性的将模块分割式换电站作为研究对象，构建了它的有序充电模型。同样的，Zaher G K,Shaaban M F,Mokhtar M,et al提出以换电站运营成本最低为目标，考虑了电池组的充放电周期、一天中客户的换电需求、电网价格、电网对充电器的功率限制和电池的自我退化等因素[16]，给出了一种换电站中电池充电、放电和换电的最优操作方法。

2.1.3 换电站的商业运营

换电站的商业运营主要是引导消费者去换电站换电，提高换电站效率和利用率，从而增加换电站运营收入。张浩,唐雾婺,张宁,等提出了一种移动式的电动汽车换电服务[2]145，作为固定换电站的补充，将按照就近服务策略对需要更换电池的客户进行换电服务。Jing W,Yan Y,Kim I,et al提出了将物流管理纳入电池组运输的一种换电站运行模式[17]，通过合理的物流管理和库存信息系统的运作来解决换电站中电池数量和充电器数量不足的问题。周万阳,陈均泳介绍了一种预约换电引导策略[18]，通过在电动汽车和换电站之间建立信息通讯的方式，引导车主选择最佳换电站去更换电池，以节约换电等待时间，这种策略方法可以提高换电站的利用率。众所周知，很多消费者选择插充模式的主要原因之一就是能源补给便宜（充电费与加油费相比），因此有的学者还研究了换电的定价模型和定价策略[19-20]，以期在换电模式上寻找突破，合理科学的电池租金和换电服务定价有利于引导消费者购买换电模式车型，对电动汽车的推广也大有益处。

2.2 动力电池研究现状

动力电池是电动汽车的能源补给来源，也是换电模式得以实现的核心关键。对换电模式动力电池的研究主要集中在电池管理系统上面，因为电池管理系统是整个动力电池的核心，主要用来控制和管理动力电池的，具有很高的技术壁垒，也是各个布局换电模式的企业无法实现换电电池标准统一的主要障碍，因为一旦实现了动力电池规格、尺寸、接口等方面的标准化，可能就会导致企业失去核心竞争力，进而威胁他们的自身利益。孙明洁提出针对换电模式电动汽车开展研究，通过研究设计了一款嵌入式电池管理系统[21]，并能够合理估算电池的荷电状态(SOC)。另外，由于动力电池主要是装在动力电池箱内的，然后再将动力电池箱更换到汽车上以便实现电池的更换，因此动力电池箱是动力电池的承载装置，其受力状况随着汽车工况而发生变化[22]，故针对电池箱的研究也有很多，主要集中在电池箱振动特性、模态特性、刚强度等方面。也有很多学者研究了电池的全寿命周期，对电池的回收利用进行了分析[23-24]。

2.3 换电方式研究现状

目前市场上换电的主流方式是底盘换电、侧方换电和分箱换电等[25]。如蔚来汽车的换电车型采用的是底盘换电的方式对电池进行更换；浙江时空电动有限公司的换电车型采用的是侧方换电的方式对电池进行更换；力帆汽车的换电车型采用的是分箱换电的方式对电池进行更换。当然，除了这几种主流换电方式之外，也有企业采用了其它的换电方式并投入运营，在此同时，也有学者的新的换电方式开展研究。比如Adegbohun F,Von Jouanne A,Lee K Y提出对电动汽车动力电池的安装位置进行了重新设计[26]，在电动汽车上专门预留一处位置来安装通用电池组（UBP），实现了不同汽车制造商在电池接口上的通用化、标准化和模块化，该通用电池组可以提供161km或更大的行驶里程，与汽车生产商设计的定制电池包（不可拆卸）配合使用，可在换电站中进行电池更换。

3 换电模式挑战分析

3.1 换电标准和规范完全统一难

当前电动汽车的换电标准日趋完善，为换电模式的推广和应用带来了机会，但是同样的也存在着挑战，这是由于之前制定的很多换电标准操作性不强、企业之间联合困难等原因致使换电模式仍然未能实现全面标准化，尤其是动力电池组的规格尺寸方面，各汽车生产商各自为阵，研发本系统内的换电车型、动力电池以及配套换电站，其主要原因是动力电池及其管理系统技术仍然是车企的一大核心竞争力，其利润大，技术要求高，且每家企业都有自己的定制化需求，假如统一电池标准后，汽车生产商担心可能会失去动力电池的研发能力，造成利润下降、失去议价空间的情况，因此汽车生产商本身对于电池标准化的意愿不强烈，只在企业内部实现电池标准的统一，导致市场上换电车型规模小，换电运营商盈利难，换电模式的推广受到一定限制。

3.2 换电商业运营模式构建难

换电商业运营模式指的是针对换电模式电动汽车而设立的，汽车生产商、电池生产商、换电运营服务商、电网公司等企业之间在投资建设换电站、提供换电服务、电池租赁等方面达成一致，各司其职，从而构成的一种多方共赢模式。这种模式主要为电动汽车消费者提供换电服务，将市场上分散的电动汽车负荷集中起来统一管理[27]。各换电企业都在构建自己的换电商业运营模式，如蔚来汽车就成立了电池资产管理公司用以提供换电服务。然而换电商业运营模式的构建相对较难，涉及多方利益，有的构建出来的商业运营模式甚至还不能实现盈利，这对换电模式的推广构成一定的威胁。

3.3 消费者思想观念改变难

换电模式中的电池租赁服务与我国广大消费者的所有权观念相矛盾，更多的消费者难以接受不拥有自己的动力电池，他们更希望的是将动力电池“据为己有”，这样的电动车用着才会更安心。虽然换电模式在我国已开展了很多年的推广，但是选择租赁电池的消费者却是寥寥无几，这也印证了我国消费者的这一思想观念。有的消费者虽然购买了换电车型，但是由于存在本地换电站数量不足等客观原因或者想要对电池有拥有权等主观原因等因素，因此在购买换电车型的同时也购买了动力电池，那么在换电模式的进一步推广下，他们更多的可能还是会选择插充模式，因为他们担心他们的原始电池在换电时会被性能较低的电池取代。消费者固有的思想观念对换电模式的推广也带了一定的挑战。

3.4 换电站规划布局不合理

由于换电站具有前期投入成本高的缺点，所以对于企业来说，换电站的选址、布局、数量就显得异常重要，可能企业为了节约成本，会尽可能少的布局换电站。换电站布局不合理，位置较偏僻，建设数量不足等都会影响消费者的换电体验感。如果消费者在换电时，由于需要换电的车次比较多，导致换电站内没有多余的可用电池或者本区域内换电工位不足而出现换电排队的情况，则会让消费者对换电模式是否可行产生疑问。因此，换电站规划布局不合理对换电模式的推广和应用带来了一定的挑战。

3.5 换电模式定价机制不合理

电动汽车吸引消费者的最主要原因是能源补给成本低，相对于传统燃油汽车加一次油需要几百元钱的燃油费来说，插电模式电动汽车充一次电所需的费用仅有几十元钱。以蔚来ES8为例，本车搭载了100kWh的电池包，按照20%的充电损耗率进行计算的话，本电池从完全无电到充满电需要用电120度，按照遵义市第一档电价0.4556元/度进行计算，大约需要55元。对于换电模式，如果消费者租用电池的成本过高或者每次的换电服务费过高的话，都会让换电模式失去吸引力。因此，市场上换电模式的定价机制是否合理，也会对换电模式的推广带来挑战。

3.6 充电技术的快速发展

正因为由于电动汽车充电时间长，即使是快充，相对于传统燃油车的加油时间来说也相对较长，因此，插充模式的电动汽车在能源补给上耗费了大量的时间，正因为有这一方面的因素也催生了换电模式的发展。然而，随着技术发展速度越来越快，无线充电、电磁感应等充电技术以及动力电池技术也逐步成熟，如果电动汽车的快速充电模式能够突破现有技术限制，在短时间内快速补给电能，并对电池不会造成大的负面影响，则会有很大一部分消费者放弃换电模式进而选择插充模式，这会削减换电模式的发展空间，为换电模式的发展带来挑战。

4 结语

电动汽车换电模式的应用对我国新能源汽车的推广具有重要的作用。相比于插充模式，电动汽车换电模式可以有效缓解消费者的“里程焦虑”和“充电焦虑”问题，近年来受到了政策的大力支持。文章梳理了国内外换电模式的发展情况，并分别对换电模式下的换电站、动力电池和换电方式的研究现状进行了文献综述，提出了当前换电模式的发展需要应对换电标准和规范完全统一难、换电商业运营模式构建难、消费者思想观念改变难、换电站规划布局不合理、换电模式定价机制不合理和充电技术快速发展等6种挑战，在处理好上述挑战后，换电模式才会迎来迅 速发展。