新能源電動汽車換電站發(fā)展與應(yīng)用研究

王磊

（上海永乾機(jī)電有限公司，上海 201619）

1 國內(nèi)電動汽車換電站技術(shù)發(fā)展背景

當(dāng)前國家大力號召節(jié)能減排，新能源電動汽車綠色、環(huán)保、無污染，正在大面積推廣，但電動汽車行駛里程短，充電難、充電時間長(大約0.5 ～2h)，快充又損耗電池、減少電池使用壽命等因素大大降低了新能源電動汽車的推廣范圍，只能在市區(qū)跑短途，不能跑長途高速，還要在其公司或小區(qū)申請安裝充電樁等，這些都會給用戶選擇購買電動汽車帶來負(fù)面影響。在這種前提下，如果有能為電動汽車“加油”的裝置就能實(shí)現(xiàn)電動汽車跑長途，綠色出行，節(jié)能減排，主要還省“油”錢。

新能源電動汽車換電站就是為解決新能源電動汽車“加油”困難而創(chuàng)新研發(fā)出的自動、快速、簡便更換電池的設(shè)備，解決電動汽車行駛里程短、充電難、充電時間長等難點(diǎn)，延長電池使用壽命，以更換電池來達(dá)到為電動汽車“加油”的目的，加快推廣普及電動汽車，真正達(dá)到汽車節(jié)能零排放。

新能源電動汽車換電站就是快速給電動汽車更換電池（3min 左右）來解決電動汽車?yán)m(xù)航的自動換電設(shè)備，達(dá)到讓電動汽車“加電”的目的。當(dāng)前國家大力補(bǔ)貼新能源汽車企業(yè)，推動電動汽車技術(shù)發(fā)展，尤其給可換電的新能源汽車企業(yè)政策及資源扶持，電動汽車換電技術(shù)是未來提倡推廣電動汽車主要發(fā)展方向和趨勢。

2 新能源電動汽車換電站發(fā)展歷史

“換電”概念最早在20 世紀(jì)90年代，一家臺灣投資公司大力開發(fā)電力助動車。他們用霍克鉛酸電池作為動力源，但出現(xiàn)電池沒地方充電、充電時間長等困難。因此公司提出了“在上海建設(shè)電力助動車的充換電站系統(tǒng)”的想法，當(dāng)時得到了上海市政府的大力支持。準(zhǔn)備在上海全市范圍內(nèi)投資建設(shè)100 個充換電站，各站間距約為5km，形成一個充換電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用戶電池電量不足時，充換電網(wǎng)絡(luò)可以滿足就近更換電池，這就是最初換電概念的雛形。

換電技術(shù)在新能源電動汽車的應(yīng)用啟始于21世紀(jì)初期，新能源汽車發(fā)展剛剛起步，電機(jī)效率低，電池續(xù)航里程短，電芯技術(shù)發(fā)展緩慢，新能源電動汽車要面對多重困難，所以有些公司提出并開始研發(fā)汽車電池的更換電技術(shù)，來輔助增加電池的續(xù)航里程問題。最早以色列的一家公司在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)38 座換電站和少量充電樁，用于給車輛提供更換電池或充電服務(wù)。特斯拉在2013年發(fā)布耗時僅90s 的換電技術(shù)，這期間有很多公司嘗試并建設(shè)換電站，但是，換電站加工制造等產(chǎn)業(yè)鏈整合復(fù)雜、換電站建設(shè)成本高、收益期長，推廣困難，廣大用戶又對換電概念了解非常少，這也和宣傳力度等因素有關(guān)，最終導(dǎo)致大部分公司放棄汽車更換電池的模式，開始開發(fā)充電樁的建設(shè)。

同期，在國外公司積極開發(fā)換電技術(shù)研發(fā)的同時，國內(nèi)也有很多公司嘗試研發(fā)換電技術(shù)。2006年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)起步階段，為響應(yīng)國家號召，國家電網(wǎng)首先啟動新能源電動汽車項(xiàng)目，并在2010年首次提出并驗(yàn)證了“車電分離、里程計(jì)費(fèi)”的商業(yè)模式；2008年北京奧運(yùn)會、2010年上海世博會期間投資建設(shè)公交車換電站運(yùn)營服務(wù)，成效顯著；北汽新能源也發(fā)布相關(guān)換電站實(shí)施計(jì)劃，預(yù)計(jì)2022年將在全國范圍內(nèi)投入100 億元人民幣建造3000 座新能源汽車換電站，主要應(yīng)用在出租車等乘用車型，暫不涉及私人用車領(lǐng)域。

2017年12月16 日，蔚來汽車正式公布針對私人車主的Nio Power 換電站，可以實(shí)現(xiàn)3min 內(nèi)完成電池的快速更換，是全球首個面向私人用戶的汽車換電服務(wù)系統(tǒng)，填補(bǔ)私家車換電領(lǐng)域的空白。

目前，中國的汽車換電領(lǐng)域不論是技術(shù)水平還是商業(yè)模式的發(fā)展，都已經(jīng)走在世界最前沿。

3 新能源電動汽車換電站發(fā)展和運(yùn)用優(yōu)勢

相較傳統(tǒng)的充電模式，換電模式有諸多優(yōu)勢。

（1）延長電池壽命，梯次利用電池儲能，由于目前大部分新能源汽車的動力電池是固定在車底盤，不能運(yùn)用換電技術(shù)，只能用充電樁充電，即使當(dāng)前出現(xiàn)超級充電可以縮短充電時間，但由于短時間內(nèi)通過電池電流和電壓過大，導(dǎo)致動力電池的還原能力降低，電池充放電的循環(huán)次數(shù)減少，加速了電池容量的衰減，進(jìn)而縮短了動力電池的使用壽命，而短時間大功率充電又造成基建要求高。而換電站可根據(jù)實(shí)際地點(diǎn)車輛數(shù)量儲備多塊電池，使用慢充對電池充電，并進(jìn)行電池平衡電壓，延長了電池使用壽命，車輛到換電站快速更換電池即可。此外，每次電池更換后，換電站系統(tǒng)會對電池進(jìn)行檢測，如需保養(yǎng)系統(tǒng)會自動上傳終端，通知人員對其保養(yǎng)，保證電池的正常使用，客觀上減少了對動力電池的損傷和容量的衰減，延長電池的使用壽命，當(dāng)電池衰減到不能使用在車端時，會梯次利用，運(yùn)用到儲能端，使電池再次利用創(chuàng)造價值。

（2）快速更換電池，節(jié)省時間，大幅度提高效率，目前新能源汽車的電池以充電為主，通過充電樁為車輛充電，即使是大功率的直流電快充，一般充滿時間也在0.5 ～2h，而換電時間一般在1 ～3min，換電最慢是快充所需時間的1/10 左右，差不多與車輛加油時間相同或更快，極大地縮短了純電動汽車的充電時間，大幅度提高了新能源汽車的使用效率。

（3）解決續(xù)航里程問題，截至2019年年底，車樁比為3.4:1，充電樁仍然存在巨大缺口，特別是高速公路服務(wù)區(qū)的充電樁數(shù)量較少，充電速度慢，設(shè)備故障率高，無法滿足新能源汽車長途行駛的需要，而換電站的快速建設(shè)可以彌補(bǔ)充電樁的缺口，換電時間短，與加油時間相當(dāng)或更短，此外，由專業(yè)的運(yùn)營公司自主建設(shè)換電站，有專業(yè)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)運(yùn)營和后期維護(hù)，能夠保證換電站長期穩(wěn)定使用，目前換電技術(shù)是解決續(xù)航里程問題的最理想方案。

4 新能源電動汽車換電站發(fā)展現(xiàn)有困難

（1）新能源電動汽車底盤分化。各自汽車品牌車型獨(dú)立生產(chǎn)，無統(tǒng)一換電車底盤規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，新能源電動汽車技術(shù)在我國的發(fā)展比較早，尤其是中國政府大力鼓勵、補(bǔ)貼發(fā)展新能源、綠色環(huán)保出行，新能源電動汽車猶如雨后春筍，遍地開花，最早的大型汽車企業(yè)比亞迪、北汽新能源等，又如2014年橫空出世的、要與美國特斯拉比肩的蔚來汽車，投入巨大資金來發(fā)展新能源電動汽車。目前換電方式主要分3 種：Z 向垂直插接式、側(cè)抽插接式、平行橫移插接式。轎車、SUV等小型車輛采用的是Z 向垂直插接式或平行橫移插接式，例如，蔚來汽車、吉利汽車采用的是Z 向垂直插接，北汽新能源采用的是平行橫移插接式，動力電池組一般布置在車底盤大梁端，采用螺栓或漲緊機(jī)構(gòu)固定電池，公交大巴、客車、卡車等大型車輛采用的側(cè)抽插接式，動力電池組布置在車底盤上端電池箱中，左右對稱布置2 組或4 組電池。由于動力電池體積較大，大部分換電汽車的動力電池放置在底盤，一方面可以充分利用車身的有限空間；另一方面，使汽車重量集中在底盤，重心下降，增加車輛行駛穩(wěn)定性，而換電技術(shù)要求車輛的動力電池要在1 ～3min 內(nèi)更換完成，所以電動汽車底盤是開放式的，將底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面性改造增強(qiáng)，以方便動力電池的拆卸和安裝。但是，各車企底盤結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，導(dǎo)致?lián)Q電設(shè)備的不一致。同時，隨著政府在新能源汽車補(bǔ)貼逐漸取消的前提下，電動汽車出現(xiàn)大面積虧損，小企業(yè)逐漸破產(chǎn)，面臨著市場自然調(diào)節(jié)，等待國家出臺相關(guān)換電電動汽車底盤統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

（2）電池分化。電動汽車有各自品牌車型，對應(yīng)自家適配車型的電池，電池不能共享不同品牌的多種車型，市場上電池多種多樣，儲能也不同，根據(jù)新的國家政策，少于300km 的電動汽車將要被淘汰，各家車企及電池廠家又加大研發(fā)力度，來加大電池儲能，增加電動汽車?yán)m(xù)航里程，但還是存在多種多樣的電池，無法統(tǒng)一，同樣等待市場自然調(diào)節(jié)后，國家出臺相關(guān)換電電池標(biāo)準(zhǔn)。

（3）技術(shù)門檻較高，需大量資金建站、運(yùn)營。換電技術(shù)近年來發(fā)展較快，新能源汽車銷量連續(xù)增加，換電站落站數(shù)量也在提高，但車電分離需要主機(jī)廠對車輛底盤、車身結(jié)構(gòu)、動力電池等方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、校核，產(chǎn)線變更，成本高，換電技術(shù)又是一項(xiàng)新科技，既沒有技術(shù)知識儲備也沒有經(jīng)驗(yàn)積累，需要投入大量的研發(fā)資金，同時建站和運(yùn)營需要大量資金，收益期長，換電站除了換電業(yè)務(wù)外，還要對電池進(jìn)行充電、檢測、保養(yǎng)等，需要專業(yè)運(yùn)營團(tuán)隊(duì)進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，很多公司無法承擔(dān)資金的壓力，持續(xù)觀望中，只有個別公司小批量投入試運(yùn)行。

由于上述汽車車型底盤和電池的分化，導(dǎo)致?lián)Q電站也只能更換自有品牌車型的電池，不能互換共享，出現(xiàn)換電站不能連成網(wǎng)，即使一個車型布局再多站也不可能像加油站共用共享所有車系，可能經(jīng)過市場自身消化，最終會導(dǎo)致一些車企消失，一些生存到最后，最后可能就會成為國家標(biāo)準(zhǔn)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的車型被淘汰，相應(yīng)的電池及換電站就會報(bào)廢，這樣會對國家資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)。所以，盡快出臺相關(guān)電動汽車底盤標(biāo)準(zhǔn)、電池標(biāo)準(zhǔn)，才能定位好換電站的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，減少資源浪費(fèi)。

5 電動汽車換電站的應(yīng)用狀況

電動汽車換電站發(fā)展困難很多，但總有解決的辦法，如現(xiàn)在各車企在一些城市啟用換電站試點(diǎn)運(yùn)行，為將來電動汽車換電站發(fā)展定位方向，積累經(jīng)驗(yàn)，為后期國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)先行，這些試點(diǎn)換點(diǎn)運(yùn)營站也有不同發(fā)展方向。

現(xiàn)有換電電動汽車按大類劃分：（1）私家車，以蔚來汽車為主；（2）運(yùn)營車輛，以北汽、吉利等為主；運(yùn)營車輛又可分出租車、快遞、物流分流等，所以換電站的運(yùn)營方式也有所不同，雖然說現(xiàn)有分化、方向都不一致，但為將來換電站的發(fā)展應(yīng)用做鋪路，試行。

①以蔚來汽車為主的私家車換電站應(yīng)用，主打售后服務(wù)，一鍵換電等目標(biāo)建立起來的換電體系，注重客戶體驗(yàn)，由于面向私家車，換電量很小，所以換電站占地面積很小，約50m2，只存儲5 塊電池充電，一鍵換電，換電時間3min，客戶可以坐在車上或有工作人員代為換電，還為車主提供上門換電服務(wù)，就是電話預(yù)約后，有專門工作人員上門取車，開到換電站換電后在開回交由車主使用，車主體驗(yàn)感很強(qiáng)，服務(wù)周到，但由于私家車普及面很廣，集中換電量非常小，前期收費(fèi)很高，所以以私家車為主的換電站遇到很大瓶頸，虧損嚴(yán)重，換電站布站速度減緩，使用率非常低，有的甚至閉站，雖然后期蔚來的換電站可以免費(fèi)換電，換電量有所增加，但以私家車為主的換電站應(yīng)用效果弊端很多，主要是換電站成本比較高，使用率低，沒有盈利點(diǎn)。

②以運(yùn)營車輛為主打的換電站就現(xiàn)有發(fā)展來看，要比私家車換電站好得多，運(yùn)營車輛以出租車為例，私家車的諸多弊端，出租車換電站都巧之化解。由于以出租車為主的換電站在一個城市內(nèi)大部分車輛可以做到統(tǒng)一為一種車輛品牌，電池統(tǒng)一，換電站也就統(tǒng)一，車輛體系也比較大。以杭州為例，2019年出租車保有量大約在1 萬輛左右，相同品牌的電動出租車大約占3 成，即約3000 輛，每百量出租車建設(shè)一座換電站，現(xiàn)大約在杭州建設(shè)30 座換電站即可滿足電動出租車日常換電量，這樣換電站規(guī)模就要比私家車的換電站要大，占地一般約在100 m2，電池存儲充電約24 塊左右，平均5min 換一輛，理論一天可以換288 輛，滿足按100 輛每天換電使用。每輛出租車一般情況下，一天需要換電1 ～2 次，所以換電站使用率很高，換電價格約在2 ～3 角每公里，汽油4 ～5 角每公里，綜合對比，出租車換電站可以達(dá)到盈利，實(shí)際現(xiàn)有試運(yùn)行站點(diǎn)已基本實(shí)現(xiàn)盈利。

綜上，以出租車為主的換電站應(yīng)用運(yùn)營到目前為止綜合狀況良好，達(dá)到車企、運(yùn)營商和地方政府多方面共贏狀態(tài)，出租車尾氣排放量占城市總體很大一部分，這一部分得到充分化解，使城市空氣凈化、綠色出行、環(huán)保等一系列目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語

新能源電動汽車換電站發(fā)展還是需要國家的支持，需要盡快出臺相關(guān)車輛底盤、電池、換電站等一系列標(biāo)準(zhǔn)，爭取節(jié)約資源，相信在不久的將來，電動汽車換電站就如現(xiàn)在的加油站一樣，可以滿足各種車輛的電池更換，實(shí)現(xiàn)給電動汽車“加電”的目標(biāo)，換電站的共享，最終達(dá)到“電”代替“油”，真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保出行。