电动汽车换电技术分析及标准化发展思考

樊 彬，李 杨，徐 枭

（1.天津大学化工学院；2.中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司；3.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

电动汽车换电技术，即快换电池技术，是指通过专用装置或人工辅助快速更换动力蓄电池实现电动汽车电能补充的技术。作为电动汽车能源供给模式之一，电动汽车换电具备效率更高、方式更灵活的特点，可以大幅缩短电能补给时间，提高车辆使用效率，缓解电动汽车用户的充电时长和里程焦虑问题，正在成为电动汽车未来新的技术发展趋势，并将促进中国电动汽车快速发展和“双碳”战略目标的实现。

本文以电动汽车换电技术为研究对象，详细分析换电技术的发展现状、优势劣势、安全性/兼容性/适用性标准化工作要点等内容，并提出未来发展思路建议。

1 概况

近年来，随着我国电动汽车产业化发展的不断深入，电动汽车换电技术也在稳步发展，以北汽和蔚来为代表的电动车企正在尝试“电车分离”的模式，不断探索发展电动汽车换电技术，有了进一步的应用实践和成功案例。截止目前，《公告》车型近200款，累计推广超过15万辆，建成换电站近1300座，但换电技术仍面临换电站的设计、车辆结构的改进、服务网络的设计、充换电结合与换电算法等技术难题。

为了推动电动汽车换电技术的发展，我国政府管理部门陆续推出多项管理通知（图1），电动汽车换电技术迎来了发展的转折点和机遇。

图1 电动汽车换电相关政府政策通知

近年来，我国换电设施稳步发展，2015、2016年仅有少量增长，2017~2020年明显加速，进入2021年出现急速增加，每年换电站新增数量详见图2。目前绝大多数省份都已分布有换电站，其中TOP5省份（北京、广州、浙江、上海、江苏）换电站数量均超过90座，且分布在东部发达地区，各省换电站保有量详见图3。随着政府不断支持、企业积极发展，未来换电产业势必有长足进步，换电技术及发展模式也将快速成熟。

图2 国内换电站增量

图3 国内各省换电站地图

2 换电与充电技术对比

充电和换电都是电动汽车的能源补充方式，换电与充电两种供能方式之间并不是替代关系，而应该是互补关系。换电、充电基于自身特点具有各自的应用场景和客户基础，综合对比如图4所示。

图4 充电技术与换电技术对比分析

1）换电模式满足电动汽车用户的快速补能需求。由于电池固有的特性，电动汽车在冬季存在充电慢的难点，北方寒冷地区用户的补能焦虑持续存在；此外，在某些特定的用车场景，如对补能时间成本敏感的营运车辆车主、电池电量无法满足紧急出行需求的私人用户等，而换电模式可以实现快速补能和续航升级。

2）换电模式提升电池系统可靠性能及安全性能。换电模式可以实现电池维护管理、物流调配以及状态监测的一体化管控。一方面，对电池实行全天候的安全监控，确保电池储存、补能过程中的安全性；另一方面，在恒温环境下采用慢充对电池进行补能，有助于延长电池寿命，避免电池快充过热的安全风险。

3）换电模式创新电动汽车市场销售商业化模式。换电模式可以积极带动车电分离商业模式的大规模普及，分离电池和车身物权，用户可通过租赁方式使用电池，促进新能源汽车购置门槛下探，大幅降低购车成本，促进换电车辆的销售，焕发市场全新活力，助力新能源汽车推广应用。

4）换电模式助力新能源汽车全产业链蓬勃发展。换电模式实现车电物权分离，通过电池银行掌握电池物权，串联电池产业链上下游（上游：电池企业，中游：整车厂，下游：电池回收利用企业），形成包含整车制造商、电池制造商、换电设备制造商、换电运营商、电池运营商、技术服务商、电力企业等在内的换电绿色生态圈，打破产业链各环节壁垒，赋能产业链向好发展，提升电池梯次利用回收全生命周期价值。

5）换电模式提高电网能源双向流动升级可能性。换电站本质是能源载体，换电网络是一个分布式储能系统，能够让电池成为流动的能量块，支持能量的双向流动。换电网络参与电网调度，实现与电网、车辆的能源友好交互，形成面向低碳电网的新型协作体系。在清洁能源消纳方面，换电站还将积极联动新能源产业，通过光、储、充、换结合，形成自发自用、余电存储、可充可换的一体化综合能源站解决方案，促进能源网与交通网的融合发展。

3 换电技术标准化要点

电动汽车换电一般会涉及车载换电系统、换电服务设施和网络通信平台等三大系统。车载换电系统是电动汽车上与换电操作或换电功能相关的部件所组成的系统，一般包括换电电池包、换电接口、换电机构以及车身与之相连接的部分，还包括位置监测等功能的辅助电气装置；换电服务设施是用于实现电动汽车的电池更换服务的设施，能够在换电过程中对电池更换设备、动力电池的运行状态进行监控，并对电池进行集中存储、集中充电及状态监测的一体化管控，一般包括换电设备、充电设备、监控系统、消防系统等；网络通信平台是立足于换电站、电池及车辆三个基本要素，提供全套支撑换电业务的云数据平台，具有支持换电运营、电池管理及站点管理等功能。

电动汽车换电的大规模推广应用，需要系统考虑不同品牌、不同车型的换电实现方案，尽可能地实现互换性和兼容性，以摊薄建设运营成本，提升换电的可行性。标准具有规范产品、统一要求和引导技术发展的普遍作用。换电技术标准化工作重点是围绕换电车辆的安全性、兼容性和使用性应用目标，通过分析其在换电过程和行车环境的场景下引起换电特有部件发生故障的可能性，确定车载换电系统、换电服务设施和网络通信平台等三大系统的性能及功能要求，进而保障换电技术使用安全、实现互换和品质/效率提升。具体如图5所示。

图5 换电技术标准化工作思路

3.1 换电安全性标准化

可换电电动汽车在换电操作及道路行驶过程中会产生一定的冲击、振动和磨损，可能引发换电系统的结构和电气安全风险，表1列出了换电可能相关的安全失效风险。

表1 换电安全失效分析用例

在换电安全性标准化方面，我国已经于2021年4月30日发布了GB/T 40032-2021《电动汽车换电安全要求》，并于2021年11月1日起开始实施。该标准规定了可换电电动汽车在换电方面的特殊安全性要求、试验方法和检验规则，以确保电动汽车运行中的人员及财产安全，具体要求详见图6。该标准作为汽车行业在换电模式领域制定的首个基础通用类国家标准，填补了汽车行业的标准空白，解决了换电模式无标准可依的紧迫问题，有助于引导汽车企业的产品研发，提升换电电动汽车的安全性，支撑新能源汽车产业高质量发展。

图6 GB/T 40032-2021《电动汽车换电安全要求》试验程序

然而，该项标准的要求还远远不够，后续需要在车载换电系统、换电服务设施和网络通信平台等三大系统层面开展持续深入研究，围绕结构安全、电气安全、机械安全、功能安全、网络安全等多个领域，不断更新迭代相关安全标准，以促进换电技术的安全发展。

3.2 换电兼容性标准化

电动汽车换电兼容性标准化工作主要包括车电兼容和车站兼容两部分内容。车电兼容标准化方面，需要考虑软件和硬件的兼容性。软件兼容性主要是指车辆与换电电池系统的通信功能，硬件兼容性主要是指电池包的互换性，即电气接口、冷却接口、换电机构、电池包等型式的一致性，如图7所示。

图7 车电兼容标准化工作要点

车站兼容标准化方面，同样需要考虑软件和硬件的兼容性。软件兼容性主要是指车辆与换电站点的通信和站点与换电电池系统的通信两个方面，硬件兼容性主要是指车辆换电平台和电池存储平台的通用性。车辆换电平台需要考虑车辆外廓、质量、轴距、轮距、换电方式等参数，电池存储平台需要考虑功能电流、保护电路、电压电流、外形尺寸等参数，如图8所示。

图8 车站兼容标准化工作要点

基于以上换电兼容性分析，全国汽标委“电动汽车换电标准工作组”初步完成了换电标准体系构建，包含纯电动乘用车/商用车换电通用平台、换电系统互换性和兼容性在内的5个系列20项标准规划，并组建了乘用车换电和商用车换电2个起草组推动标准制定，目前完成了纯电动乘用车通用平台、换电系统互换性和纯电动商用车换电系统互换性3个系列的14项标准立项申报，如图9所示。

图9 换电兼容性标准体系

3.3 换电适用性标准化

换电适用性标准化方面，主要考虑换电电池系统、换电接口系统、换电机构系统等部件系统的技术要求。具体分析如下。

1）目前电动汽车的整车设计以及换电电池系统的型号规格和安装位置都没有统一的国家标准。目前的换电模式通常只能在同一车型下实现，导致换电站的建设成本过高难以发展推广。各厂商在开发电动汽车时会最大限度增加电池体积从而导致电池外部形态完全不同，同时电池的安装位置也不尽相同，这给电动汽车换电模式的推广带来了挑战。因此需要有统一的国家标准来规范电动汽车的总体设计、电池规格及安装位置等，来进一步推进电动汽车换电模式的发展。

2）换电接口系统是换电系统的关键部件，其性能好坏将直接关系到换电技术的使用性的程度。一般来说，换电接口系统集功率传输功能、信号传输功能、液冷传输功能、机械连接功能、环境防护功能和其他拓展功能等6个功能为一体，其标准化工作除了考虑GB/T 20234.1-2015《电动汽车传动充电用连接装置第1部分：通用要求》规定的各项技术要求以外，还需要额外考虑这6个功能相关的特殊技术要求，建立换电接口系统专项技术标准化体系（图10），才能增强换电技术的适用性，实现换电行业的进一步发展。

图10 换电接口系统功能框架

3）换电机构系统是用于紧固和分离电池与车身的机械连接装置，可以为独立的机械装置，也可以是车体或电池包壳体的一部分，具有引导、定位、紧固、承载、锁止和解锁等功能。目前换电机构系统主要有滑块式、卡扣式、螺栓式及涨珠式等。电动汽车的使用场景非常复杂，对换电机构系统各项技术指标提出了车规级可靠性和耐久性要求，亟需建立集电气、机械、环境和耐用于一体的综合测评标准化方法体系，助力换电技术可靠稳定发展。

4 换电技术发展阶段

随着电动汽车市场占有率的进一步提升，未来电动汽车对换电的需求愈发强烈，换电技术正由快速、安全的核心诉求向智能化、共享化、标准化方向迭代发展，由各技术路线独立扩张向换电网络互联互通方向演进。换电技术未来几年会呈现以下发展步骤。

第1步：首先做到产业闭环，即土地、电力、安防等基础设施共享，柔性化机械换电机构系统共享，换电车辆智能识别系统共享。

第2步：不断深化车站耦合，即电池系统充电通信协议共享、电池系统机械/电气/冷却等接口共享、换电车型兼容平台共享。

第3步：进而实现互联互通，即电池系统结构及功能模式共享、换电标准化车型平台共享、充换电大数据分析监控平台共享。

5 结论与展望

目前我国甚至世界上电动汽车的电能补给方式几乎都为充电模式，但在对充电模式与换电模式进行系统分析后，换电模式有很大的发展前景，预计未来电动汽车的发展将以充电模式、换电模式并行的“两条腿走路”模式发展。

今后，全行业需要立足换电模式发展的各项环节，形成涵盖顶层设计、技术创新、产业落地、推广应用、能源保障、安全监管六大方面的政策支撑体系，推动换电有关标准出台，形成车辆、电池、换电站、电网之间互联互通、协同发展的换电模式体系，同时针对车辆、动力电池、换电站等关键系统的研发评价需求，研究全面系统的测试评价技术，建立国际先进的测试评价体系和软硬件性能测试评价平台，以此推动换电电动汽车产业健康可持续发展。