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我國新能源汽車換電模式發展研究與建議

馬天澤 于德營

摘要：目前，我國新能源汽車主要采用以充電為主的補能方式，但新能源汽車用戶因充電樁存在充電時間較長、分布不均勻等一系列問題，里程和充電焦慮仍較為嚴重。換電模式由于具有補能效率更高、輔助電網錯峰配電、便于電池閉環管理等優勢，經過多年探索，已進入快速發展階段。基于此背景，本文對換電模式發展歷程、市場情況、技術發展態勢進行了梳理，總結了換電模式優勢及存在問題，并提出了發展建議。

關鍵詞：換電模式；市場情況；技術發展態勢；優勢及存在問題；發展建議

一、換電站基本概述

（一）換電站概念

換電站是對大量電池進行集中存儲和集中充電，并提供電動汽車電池更換服務的能源站。換電站采取換電方式，將汽車和電池分離，電動汽車不通過充電，而是直接更換電池進行補能，以滿足續航里程要求。換電站結構可分為換電系統、充電系統、換電平臺及控制系統等四部分。

換電系統主要由換電機器人、加解鎖平臺、碼垛機、鎖止機構組成，作用是從電動汽車上卸下虧電電池，將虧電電池轉移至電池倉充電，并同時從電池倉內獲取已經充滿電的電池，安裝至車輛內完成換電工作。換電機器人是換電系統最重要的設備之一，加解鎖平臺可實現車輛電池包的更換與加解鎖功能，碼垛機主要完成電池的運輸和交換，鎖止機構主要完成鎖止、分離等操作。

充電系統實現充放電功能，通常情況下采用交流慢充方式。在充電系統中，電池箱體對安全防護、鎖止/解鎖等技術要求較高。充放電功率一般為10kW~60kW，充電電壓一般為200V~500V。

換電平臺由換電倉和停車底座組成，實現車輛的停放與定位。現階段有兩類換電平臺，一類是下沉式定位平臺，主流換電站均采用該類換電平臺，但存在土建結構設計麻煩、建設周期長、需另行增加排水措施、無法搬遷等問題；另一類是將車輛利用頂升裝置抬起，但由于汽車懸架的存在，頂升裝置設計要求較高。換電模式下，車輛定位需要達到較高的精度，如果停車定位不準確，車輛定位難以順利完成，可能影響后續換電工作。

控制系統負責站內設備間的協同控制，以及與車輛/用戶通信。控制系統接收來自車輛/用戶的電池更換請求，并控制換電平臺執行換電操作。控制系統涉及車載RFID（電子標簽）識別、車牌識別等技術。

（二）換電模式產業鏈整體架構

換電模式產業鏈上游由電池、硬件平臺、充換電系統等供應商組成，分別負責提供動力電池、換電設備和軟件系統等；中游換電運營商主要有整車制造商、電池制造商和能源企業等，負責換電運營維護；下游主要由用戶和電池回收企業構成。現階段，商用車和出租車等B端用戶（商家用戶）已逐漸傾向購買換電版車型。隨著換電技術不斷發展，換電時間已大幅度下降至90秒左右。換電站開始引入自動化技術，不用安排專門的工作人員。換電過程也正朝著標準化方向發展，未來將實現換電站對多種車型換電。

二、換電模式發展歷程

（一）國外換電站發展情況

2007年起，國外企業推出了換電站，但是應用推廣效果并不理想。同年，以色列的沙伊·夏嘉曦推出了純電動汽車換電技術，成立了換電企業Better Place，一年后在以色列建立了第一座換電站，并與雷諾汽車簽訂了合作協議。但是該換電站的建設需要投入大量資金，前期購置電池成本較高，且當時市場需求較小，實際訂單僅有1%，難以支撐項目運營，Better Place最終于2013年破產清算。同年，特斯拉提出90秒快換技術，但因成本較高，兼容性較差，難以滿足用戶需求，兩年后特斯拉放棄了該技術。至此，國外再無換電站企業。

（二）國內換電站發展情況

國內換電模式發展可分為三個階段：

2006-2011年，換電技術儲備與商業模式探索階段。國家電網在2006年開始組織電動汽車充換電設施研發工作，2010年在杭州完成了500臺純電動換電型出租車試點，首次提出并驗證了“車電分離，里程計費”的商業模式，該模式將電動汽車與電池分開銷售，換電價格按行駛公里確定，降低了用戶購車和換電成本。2011年，國家電網確定“換電為主，插充為輔，集中充電，統一配送”的智能充換電運營模式。

2012-2018年為充電模式初步發展階段。國務院于2012年頒布了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》，明確了以充電為主的發展方向。在此期間，盡管國家政策重點鼓勵發展充電，但各車企并沒有停止換電研發的腳步。北汽新能源開展了換電運營，并提出“擎天柱”計劃開展換電運營。蔚來推出了可車電分離購買的換電版ES8車型。

2019年至今為換電模式快速發展階段。2020年，換電作為新基建的重要組成部分，首次被寫入《政府工作報告》。此后，國家推出一系列政策，鼓勵開展換電模式應用，并于2021年正式啟動新能源汽車換電模式應用試點工作。2023年國家發展改革委發布《關于恢復和擴大消費措施的通知》，明確加快換電模式推廣應用，換電模式迎來了發展新局面。

三、換電模式市場情況

（一）換電站市場規模

目前，我國新能源汽車采用以充電為主的補能方式，其中，慢充時長4~10小時，快充時長0.5~1小時。盡管我國車樁比持續降低，但新能源汽車用戶因充電時間較長、冬季續航里程縮水、充電樁分布不均勻等一系列問題，里程和充電焦慮仍較為嚴重。為此，部分整車企業陸續布局換電業務，推出換電版車型。截至2022年底，我國換電站數量達到2000座。從市場格局來看，蔚來、奧動新能源、伯坦科技為主要的換電站建設和運營企業，其中蔚來的市場份額達到65.51%。預計到2025年，國內建設換電站數量合計將達3萬余座，其中，國家電投規劃4000座、蔚來規劃4000座、吉利規劃5000座、中國石化規劃5000座、協鑫能科規劃5000座、奧動新能源規劃10000座。

（二）換電站運營商

運營商作為換電模式全生命周期中最重要的一環，參與企業眾多，主要可以分為四類。一是以北汽、吉利、蔚來、三一、上汽、漢馬為代表的整車企業。北汽新能源2011年開始研發換電技術，2016年開展換電模式示范運營，2018年開始大規模推廣，出租車、網約車等B端車型陸續運營。北汽新能源布局時間較早，已在20多個城市投放超3萬輛換電式電動車，建成270余座換電站。蔚來主打C端（個人用戶）市場，推出BaaS車電分離服務模式，并大力建設推廣換電運營網絡。吉利與力帆科技合資成立睿藍汽車，主要面向B端和C端市場，已在多個城市建設了換電站。

二是奧動新能源等運營商，與廣汽、一汽、北汽、三一等整車企業合作，針對相關車型建設運營換電站。

三是寧德時代等電池企業成立子公司專門從事換電業務。電池作為建設換電站投入最大的環節，動力電池企業參與換電運營核心優勢在于可以降低電池采購價格，大幅度減少前期換電站建設成本以及運營管理等方面費用，縮短建設周期。

四是以中國石化、中國石油、國家電投為代表的能源央企，與整車企業和電池企業合作推行換電模式，憑借購電成本較低的優勢，降低換電站運營維護成本，提高盈利水平。

（三）換電站應用場景

換電站按應用場景分類可分為乘用車C端換電和重卡/出租車等B端換電。

C端換電推廣和盈利門檻較高，仍處前期投入搶占市場階段。私家車品牌車型眾多，且電池包型號規格各異，補能需求場景和地域范圍廣闊，換電模式的推廣需建立較為完善的換電城市網絡。以蔚來為例，根據蔚來最新公布的數據，截至2022年底，蔚來在國內已布局換電站1305座，換電站日均換電近4萬次，單站日均換電約30次，目前仍處于前期快速鋪站階段，尚未實現盈利。標準不統一、前期需要投入大量資金、盈利難度高等問題是乘用車換電應用與推廣面臨的主要阻礙。整車企業中僅有蔚來率先布局并主打C端換電市場，自2017年推出ES8車型以來，其所有電動汽車均支持換電技術。2022年以來，上汽、吉利也陸續進入C端換電市場，吉利旗下睿藍汽車相繼推出睿藍7、睿藍楓葉80v PRO等車型。上汽集團和中國石油、中國石化等企業建立了合作關系，共同布局換電業務，依托中國石油、中國石化全國5萬余座加油站網絡，打造“可換電、可充電”的綜合能源服務站。

與C端換電相比，B端換電市場發展速度不斷加快，出租車、網約車、重卡等B端換電市場進入商業化提速期。截至2022年11月，北汽新能源累計建成換電站175座，其中，投入運營115座，為北京市3.2萬輛換電出租車提供換電服務。目前，干線物流車、渣土車、牽引車、礦卡等各類用車場景均大力發展換電模式，相關產品及商業化模式已逐步被市場驗證。2022年，新能源重卡銷量大幅提高，換電重卡更是逐步成為新能源重卡的主流車型。2022年新能源重卡銷量19312輛，同比增長157.91%，滲透率從2021年的0.56%提升至3.12%。其中，換電重卡銷量9000余輛，同比增長265%，遠超其他類型重卡銷量。此外，在節能減排的國家政策推動下，徐工、柳工等工程機械企業研發并發布換電工程機械，例如，徐工XCH908E2堆高機主要應用于港口集裝箱空箱裝卸、場地轉運及堆垛作業，可實現3分鐘快速換電，相比傳統內燃堆高機，每年可節省30多萬元。

由于政策支持、場景適配經濟性凸顯、商業模式更易落地等因素，B端換電站將成為換電站加速落地的重要應用場景。B端車型與路線較為統一，換電應用范圍更廣，更利于推廣應用。重卡使用頻次高，運輸負荷大，運輸距離長，單車帶電量大，按照現有充電技術，常見的重卡電池包（282kWh容量）充電時間為1~1.5小時，通過引入換電技術，能夠顯著縮短補能時間至3~5分鐘，運營效率大幅提升。不同場景運營數據顯示，換電模式整體油電經濟性將提升10%~30%。換電重卡可解決充電重卡使用效率低的問題，現階段主要應用于港口、鋼廠和礦山等封閉、短倒運輸場景，高速公路干線等中長途運輸場景。

四、換電站技術發展態勢

（一）乘用車換電站

乘用車換電站技術路線按電池安裝位置可分為底盤換電、側方換電、分箱換電。其中，底盤換電由于其換電時間短，不改變車體前后軸重量，能夠保障汽車安全，已成為主流的換電方式。

底盤換電由地面下的機構橫向傳送電池，上下升降電池實現電池安裝，并通過伺服電機擰緊或松開電池鎖止機構完成換電。底盤換電按電池形態分類可分為異形電池包和扁平電池包兩種，其中，異形電池位于后排座位與后備箱之間的底盤上，對底盤影響較小，但會縮小后排空間；扁平電池包扁平布置在底盤上，基本不占用乘坐空間、后備箱空間和整車高度，電池包固定在換電框架上，換電框架適配現有車身結構，換電時，電池包與換電框架進行整體拆裝。底盤換電如圖1所示。

圖1 底盤換電示意圖

底盤換電技術方案中，快換電池包的更換動作分為托舉和鎖止。托舉動作為垂直方向運動，鎖止動作可分為旋轉擰緊/松、前后平移兩種。旋轉擰緊/松動作主要通過鎖止機構旋轉，完成卡位、擰緊、鎖止等動作。鎖止點均有明顯的定位槽，鎖止更為可靠、準確。

前后平移動作依靠底盤上的止口，完成卡位、鎖止等動作，但存在鎖止不容易到位、鎖止松動等問題。旋轉鎖止和前后平移鎖止機構相關參數如表1。

表1 旋轉鎖止和前后平移鎖止機構性能對比

分箱換電和側方換電由于對空間和標準化要求較高、框架及連接件較多，應用較少。分箱換電和側方換電如圖2所示。

圖2 分箱換電（左圖）、側方換電（右圖）示意圖

乘用車各種換電模式優缺點如表2。

表2 乘用車換電模式對比

（二）商用車/重卡換電站

商用車/重卡換電站技術路線按電池安裝位置可分為頂吊換電、整體單側點換電和整體雙側點換電。

1.頂吊換電

頂吊換電包括準備和換電階段。準備階段，換電機器人將電池從電池存放區移動至待換重卡上方。換電階段，定位鎖緊機構解鎖重卡電池箱，換電機器人從上方抓取重卡電池箱，并吊裝放入電池存放區。換電機器人從電池存放區上方抓取已充電電池箱，并吊裝放置于重卡上的電池箱定位鎖緊機構所在位置，通過定位鎖緊機構進行定位鎖緊，實現電池箱更換。

該種換電方式采用鋼索吊裝電池包，由于鋼索具有一定的柔性，比較容易實現誤差兼容，但對司機的駕駛技能要求較高。頂吊式換電的定位方式較為簡單，能夠發揮司機技術優勢，簡化控制系統，降低成本，屬于技術簡單、成本較低、可行性較好的換電方案，是最早商用化的換電方案，但是自動化水平不高，換電效率較低。頂吊換電如圖3所示。

圖3 頂吊換電示意圖

2.整體單側點換電

整體單側點換電包括前預備、上車和后預備階段。在前預備階段，堆垛機抓取新電池并送到裝卸中轉站上的伸縮吸盤機構上，伸縮吸盤機構將新電池放置在伸縮盤上。在上車階段，車輛開上駐車平臺后，導正機構的導正軸把車輛推動到居中位置，舉升機構將車輛抬起，裝卸中轉站的空置伸縮盤卸下商用車/重卡內的電池，裝有新電池的伸縮盤通過抓取吸盤套件將新電池放入車輛電池倉中，完成更換電池。在后預備階段，伸縮吸盤機構將卸下的電池包送到堆垛機中，完成換電流程，其中前預備階段和后預備階段可在一個工作工序中實現。

該種換電方式智能化程度較高，對司機停車要求較低，但整體單側換電的電池抓取機構是剛性的，抓取電池時全部為剛性環節，如果車輛電池與既定位置存在偏差，換電機器人需要進行校正，對導向機構產生很大的損傷。該換電方式對智能化技術提出了更高要求，需增加視覺傳感器等部件以達到更高控制精度，成本較高。整體單側點換電如圖4所示。

圖4 整體單側點換電示意圖

3.整體雙側點換電

整體雙側點換電流程較為簡單，車輛開上駐車平臺后，導正機構的導正軸把車輛推動到準確的居中位置，舉升機構將車輛抬起露出下側電池更換位。堆垛機抓取車輛下側電池包并運送至換電站電池倉，抓取吸盤套件將電池架上的電池取出放置到車輛電池倉內，完成一個循環。

整體雙側換電占用空間較小，適用于電池存儲位置有限的礦卡車型，但由于整體雙側換電需要裝備兩套機器人及兩套電池存儲充電倉，其成本相對較高。整體雙側點換電如圖5所示。

圖5 整體雙側點換電示意圖

商用車/重卡換電模式優缺點如表3。

表3 商用車/重卡換電模式對比

五、換電模式優勢及存在問題

（一）優勢

1.土地利用率更高

在充電模式下，每一個停車位都需要配備一個充電樁，新增的補能需求通過新建充電樁的方式滿足。同時車輛對于車位的占用時長難以控制，車位利用率較低，容易出現充電樁閑置的情況。換電站換電效率較高，車輛能夠在較短時間內完成換電，實現“隨換隨走”。

2.補能效率更高

在快充模式下，電池充電時間仍然較長，電量達到80%仍需要半小時。換電模式整體效率更高，更換電池所需時間更短，能夠顯著減少補能時間，平均換電時間少于5分鐘。

3.有利于電網錯峰配電，降低充電成本

受用戶工作與生活的影響，目前充電樁的使用主要集中在某幾個時間段，加重電網負擔。換電模式下，換電站可作為分布式儲能單元，能夠在夜間用電低谷期對電池充電，有利于電網削峰填谷，減少對電網的沖擊。通過V2G技術（V2G是車輛到電網的縮寫，是指車輛動力電池與電網側能量雙向互動的技術），換電站可在日間用電高峰時段向電網釋放多余電能，充當虛擬電廠，協助電網滿足高峰負荷需求，提高電力資源利用率，以蔚來為例，在2022年夏季全國電力供應緊張時期，合肥15座換電站曾集體參與“虛擬電廠”電網調峰，在不影響用戶正常換電使用的同時，五天內累計調整電力負荷8MWh。另外，夜間充電還能降低充電成本，以北京一般工商業為例，電壓在1千伏以下的充電電價為峰時每度1.42元，谷時每度0.29元，相差1.13元。

4.降低用戶端購車成本

消費者購買換電車型時可選擇車電分離形式，降低購車成本。以蔚來為例，用戶選擇租用服務長續航電池包，購車價格可降低128000元。

5.實現電池閉環管理

在換電模式下，換電站可以高效管理運營電池資產，從而更好地通過動力電池的精細化管理挖掘動力電池在梯次利用、材料回收等方面的價值，提高電池利用率和盈利水平，實現電池效益最大化。不同充換電模式的對比情況如表4。

表4 充換電模式對比

（二）存在問題

現階段，換電模式主要存在三類問題：一是電池規格和換電標準尚未統一。目前新能源品牌車型的動力電池規格、尺寸、技術標準等都存在較大差異，換電站通常僅適用于單一品牌車型，換電方式和換電標準不同，兼容性差。換電市場處于發展初期，尚未形成行業統一標準，對換電模式的推廣造成阻礙，難以形成規模效應降低成本。二是盈利性差。換電站前期一次性建設投入大，現有城市已建換電站密度較低，用戶尚未形成換電習慣，導致換電站利用率不高，投資回報周期過長，無法支撐換電站運營。三是利益分配不平衡。車企與換電站運營商利益分配難以平衡。

針對上述問題，我國積極推出換電標準，2021年10月，工業和信息化部發布《關于啟動新能源汽車換電模式應用試點工作的通知》，提出要完善標準體系，制修訂換電安全、換電接口、標準化電池箱等標準。次月，換電模式首個通用的國家行業標準《電動汽車換電安全要求》實施。2022年，中汽協提出了換電站建設規范和相關技術規范，為換電站的建設和換電技術的應用提供參考。

六、換電模式發展建議

一是提升產品技術水平，以提高換電安全性。圍繞換電模式整車、動力電池、換電裝備等方面開展關鍵技術研發，重點研發鎖止機構的冗余系統、電源實時監測系統、防爆系統、人—車—站—云數據安全交互系統，建立軸距可調、輪距可調的高兼容性、高安全換電系統。

二是持續探索標準化電池換電體系，提升換電站相關系統標準化水平，實現平臺共享。建立換電站土地、電力、水、安防、數據、充電、基建等基礎資源的統一標準，統一換電站電池包形狀和尺寸、接口結構、通訊協議、電連接器、水冷管路接口標準，并同步統一機械鎖止機構解鎖、更換平臺、搬運設備、安全防護設施、車輛識別系統、電池包存放貨架、電力系統、充電機、數據分析系統等標準，逐步實現不同車型換電平臺共享。

三是以重卡換電為重點，加大重卡換電站布局。傳統重卡企業為節能減排，積極轉型發展新能源重卡，換電模式可提升10%~30%的整體油電經濟性，為重卡換電站的發展奠定了良好基礎。重卡動力電池供應商寧德時代占據84%的市場份額并呈現“馬太效應”，依托寧德時代頭部重卡動力電池供應商的市場地位，動力電池包將向相同規格方向發展，有利于換電模式在重卡領域推廣應用。因此以重卡換電為切入點，將車電分離的商業模式和換電技術相結合，提升換電重卡運營效率，減少換電重卡購置費用，促進換電站大規模推廣應用。

四是探索互利共贏的換電商業模式，形成電池包研發/生產、車企合作、換電運營、梯次利用及回收再生的全閉環商業模式。推動融資租賃在換電模式中的應用，整車企業、動力電池企業、第三方運營商、電池回收企業、金融公司聯合成立電池資產管理公司，負責日常電池管理、儲能等業務，整車企業和第三方運營商負責換電服務與消費者對接；金融公司將電池作為金融產品為其提供資金支持；電池企業提供專業化電池維修和殘值處理服務，分工合作提高效率。在電池使用末期可以將換電模式淘汰的電池出售給電池回收企業。對于部分損壞、整體狀況良好的電池，重新組裝并再次應用于其他場景。對于完全報廢的電池，拆解后將原材料回收，用于新電池生產。最終通過運營電池資產，協同梯次利用場景，充分發揮電池全生命周期產業鏈價值。

課題組成員：馬天澤、于德營、汪志鴻、

李紅燕、李宗陽、陳炳全、孫源涵

參考文獻

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https://caifuhao.eastmoney.com/news/20220120131805137652090.

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注：文中圖片來源于網絡，版權歸原作者所有。