新能源电动汽车换电站发展与应用研究

王磊

（上海永乾机电有限公司，上海 201619）

1 国内电动汽车换电站技术发展背景

当前国家大力号召节能减排，新能源电动汽车绿色、环保、无污染，正在大面积推广，但电动汽车行驶里程短，充电难、充电时间长(大约0.5 ～2h)，快充又损耗电池、减少电池使用寿命等因素大大降低了新能源电动汽车的推广范围，只能在市区跑短途，不能跑长途高速，还要在其公司或小区申请安装充电桩等，这些都会给用户选择购买电动汽车带来负面影响。在这种前提下，如果有能为电动汽车“加油”的装置就能实现电动汽车跑长途，绿色出行，节能减排，主要还省“油”钱。

新能源电动汽车换电站就是为解决新能源电动汽车“加油”困难而创新研发出的自动、快速、简便更换电池的设备，解决电动汽车行驶里程短、充电难、充电时间长等难点，延长电池使用寿命，以更换电池来达到为电动汽车“加油”的目的，加快推广普及电动汽车，真正达到汽车节能零排放。

新能源电动汽车换电站就是快速给电动汽车更换电池（3min 左右）来解决电动汽车续航的自动换电设备，达到让电动汽车“加电”的目的。当前国家大力补贴新能源汽车企业，推动电动汽车技术发展，尤其给可换电的新能源汽车企业政策及资源扶持，电动汽车换电技术是未来提倡推广电动汽车主要发展方向和趋势。

2 新能源电动汽车换电站发展历史

“换电”概念最早在20 世纪90年代，一家台湾投资公司大力开发电力助动车。他们用霍克铅酸电池作为动力源，但出现电池没地方充电、充电时间长等困难。因此公司提出了“在上海建设电力助动车的充换电站系统”的想法，当时得到了上海市政府的大力支持。准备在上海全市范围内投资建设100 个充换电站，各站间距约为5km，形成一个充换电网络。当用户电池电量不足时，充换电网络可以满足就近更换电池，这就是最初换电概念的雏形。

换电技术在新能源电动汽车的应用启始于21世纪初期，新能源汽车发展刚刚起步，电机效率低，电池续航里程短，电芯技术发展缓慢，新能源电动汽车要面对多重困难，所以有些公司提出并开始研发汽车电池的更换电技术，来辅助增加电池的续航里程问题。最早以色列的一家公司在当地建设38 座换电站和少量充电桩，用于给车辆提供更换电池或充电服务。特斯拉在2013年发布耗时仅90s 的换电技术，这期间有很多公司尝试并建设换电站，但是，换电站加工制造等产业链整合复杂、换电站建设成本高、收益期长，推广困难，广大用户又对换电概念了解非常少，这也和宣传力度等因素有关，最终导致大部分公司放弃汽车更换电池的模式，开始开发充电桩的建设。

同期，在国外公司积极开发换电技术研发的同时，国内也有很多公司尝试研发换电技术。2006年国内新能源汽车产业起步阶段，为响应国家号召，国家电网首先启动新能源电动汽车项目，并在2010年首次提出并验证了“车电分离、里程计费”的商业模式；2008年北京奥运会、2010年上海世博会期间投资建设公交车换电站运营服务，成效显著；北汽新能源也发布相关换电站实施计划，预计2022年将在全国范围内投入100 亿元人民币建造3000 座新能源汽车换电站，主要应用在出租车等乘用车型，暂不涉及私人用车领域。

2017年12月16 日，蔚来汽车正式公布针对私人车主的Nio Power 换电站，可以实现3min 内完成电池的快速更换，是全球首个面向私人用户的汽车换电服务系统，填补私家车换电领域的空白。

目前，中国的汽车换电领域不论是技术水平还是商业模式的发展，都已经走在世界最前沿。

3 新能源电动汽车换电站发展和运用优势

相较传统的充电模式，换电模式有诸多优势。

（1）延长电池寿命，梯次利用电池储能，由于目前大部分新能源汽车的动力电池是固定在车底盘，不能运用换电技术，只能用充电桩充电，即使当前出现超级充电可以缩短充电时间，但由于短时间内通过电池电流和电压过大，导致动力电池的还原能力降低，电池充放电的循环次数减少，加速了电池容量的衰减，进而缩短了动力电池的使用寿命，而短时间大功率充电又造成基建要求高。而换电站可根据实际地点车辆数量储备多块电池，使用慢充对电池充电，并进行电池平衡电压，延长了电池使用寿命，车辆到换电站快速更换电池即可。此外，每次电池更换后，换电站系统会对电池进行检测，如需保养系统会自动上传终端，通知人员对其保养，保证电池的正常使用，客观上减少了对动力电池的损伤和容量的衰减，延长电池的使用寿命，当电池衰减到不能使用在车端时，会梯次利用，运用到储能端，使电池再次利用创造价值。

（2）快速更换电池，节省时间，大幅度提高效率，目前新能源汽车的电池以充电为主，通过充电桩为车辆充电，即使是大功率的直流电快充，一般充满时间也在0.5 ～2h，而换电时间一般在1 ～3min，换电最慢是快充所需时间的1/10 左右，差不多与车辆加油时间相同或更快，极大地缩短了纯电动汽车的充电时间，大幅度提高了新能源汽车的使用效率。

（3）解决续航里程问题，截至2019年年底，车桩比为3.4:1，充电桩仍然存在巨大缺口，特别是高速公路服务区的充电桩数量较少，充电速度慢，设备故障率高，无法满足新能源汽车长途行驶的需要，而换电站的快速建设可以弥补充电桩的缺口，换电时间短，与加油时间相当或更短，此外，由专业的运营公司自主建设换电站，有专业的团队负责运营和后期维护，能够保证换电站长期稳定使用，目前换电技术是解决续航里程问题的最理想方案。

4 新能源电动汽车换电站发展现有困难

（1）新能源电动汽车底盘分化。各自汽车品牌车型独立生产，无统一换电车底盘规范标准，新能源电动汽车技术在我国的发展比较早，尤其是中国政府大力鼓励、补贴发展新能源、绿色环保出行，新能源电动汽车犹如雨后春笋，遍地开花，最早的大型汽车企业比亚迪、北汽新能源等，又如2014年横空出世的、要与美国特斯拉比肩的蔚来汽车，投入巨大资金来发展新能源电动汽车。目前换电方式主要分3 种：Z 向垂直插接式、侧抽插接式、平行横移插接式。轿车、SUV等小型车辆采用的是Z 向垂直插接式或平行横移插接式，例如，蔚来汽车、吉利汽车采用的是Z 向垂直插接，北汽新能源采用的是平行横移插接式，动力电池组一般布置在车底盘大梁端，采用螺栓或涨紧机构固定电池，公交大巴、客车、卡车等大型车辆采用的侧抽插接式，动力电池组布置在车底盘上端电池箱中，左右对称布置2 组或4 组电池。由于动力电池体积较大，大部分换电汽车的动力电池放置在底盘，一方面可以充分利用车身的有限空间；另一方面，使汽车重量集中在底盘，重心下降，增加车辆行驶稳定性，而换电技术要求车辆的动力电池要在1 ～3min 内更换完成，所以电动汽车底盘是开放式的，将底盘结构进行全面性改造增强，以方便动力电池的拆卸和安装。但是，各车企底盘结构不统一，导致换电设备的不一致。同时，随着政府在新能源汽车补贴逐渐取消的前提下，电动汽车出现大面积亏损，小企业逐渐破产，面临着市场自然调节，等待国家出台相关换电电动汽车底盘统一规范标准。

（2）电池分化。电动汽车有各自品牌车型，对应自家适配车型的电池，电池不能共享不同品牌的多种车型，市场上电池多种多样，储能也不同，根据新的国家政策，少于300km 的电动汽车将要被淘汰，各家车企及电池厂家又加大研发力度，来加大电池储能，增加电动汽车续航里程，但还是存在多种多样的电池，无法统一，同样等待市场自然调节后，国家出台相关换电电池标准。

（3）技术门槛较高，需大量资金建站、运营。换电技术近年来发展较快，新能源汽车销量连续增加，换电站落站数量也在提高，但车电分离需要主机厂对车辆底盘、车身结构、动力电池等方面进行重新设计、校核，产线变更，成本高，换电技术又是一项新科技，既没有技术知识储备也没有经验积累，需要投入大量的研发资金，同时建站和运营需要大量资金，收益期长，换电站除了换电业务外，还要对电池进行充电、检测、保养等，需要专业运营团队进行保养维护，很多公司无法承担资金的压力，持续观望中，只有个别公司小批量投入试运行。

由于上述汽车车型底盘和电池的分化，导致换电站也只能更换自有品牌车型的电池，不能互换共享，出现换电站不能连成网，即使一个车型布局再多站也不可能像加油站共用共享所有车系，可能经过市场自身消化，最终会导致一些车企消失，一些生存到最后，最后可能就会成为国家标准，不符合标准的车型被淘汰，相应的电池及换电站就会报废，这样会对国家资源造成严重浪费。所以，尽快出台相关电动汽车底盘标准、电池标准，才能定位好换电站的统一标准，减少资源浪费。

5 电动汽车换电站的应用状况

电动汽车换电站发展困难很多，但总有解决的办法，如现在各车企在一些城市启用换电站试点运行，为将来电动汽车换电站发展定位方向，积累经验，为后期国家统一标准试验先行，这些试点换点运营站也有不同发展方向。

现有换电电动汽车按大类划分：（1）私家车，以蔚来汽车为主；（2）运营车辆，以北汽、吉利等为主；运营车辆又可分出租车、快递、物流分流等，所以换电站的运营方式也有所不同，虽然说现有分化、方向都不一致，但为将来换电站的发展应用做铺路，试行。

①以蔚来汽车为主的私家车换电站应用，主打售后服务，一键换电等目标建立起来的换电体系，注重客户体验，由于面向私家车，换电量很小，所以换电站占地面积很小，约50m2，只存储5 块电池充电，一键换电，换电时间3min，客户可以坐在车上或有工作人员代为换电，还为车主提供上门换电服务，就是电话预约后，有专门工作人员上门取车，开到换电站换电后在开回交由车主使用，车主体验感很强，服务周到，但由于私家车普及面很广，集中换电量非常小，前期收费很高，所以以私家车为主的换电站遇到很大瓶颈，亏损严重，换电站布站速度减缓，使用率非常低，有的甚至闭站，虽然后期蔚来的换电站可以免费换电，换电量有所增加，但以私家车为主的换电站应用效果弊端很多，主要是换电站成本比较高，使用率低，没有盈利点。

②以运营车辆为主打的换电站就现有发展来看，要比私家车换电站好得多，运营车辆以出租车为例，私家车的诸多弊端，出租车换电站都巧之化解。由于以出租车为主的换电站在一个城市内大部分车辆可以做到统一为一种车辆品牌，电池统一，换电站也就统一，车辆体系也比较大。以杭州为例，2019年出租车保有量大约在1 万辆左右，相同品牌的电动出租车大约占3 成，即约3000 辆，每百量出租车建设一座换电站，现大约在杭州建设30 座换电站即可满足电动出租车日常换电量，这样换电站规模就要比私家车的换电站要大，占地一般约在100 m2，电池存储充电约24 块左右，平均5min 换一辆，理论一天可以换288 辆，满足按100 辆每天换电使用。每辆出租车一般情况下，一天需要换电1 ～2 次，所以换电站使用率很高，换电价格约在2 ～3 角每公里，汽油4 ～5 角每公里，综合对比，出租车换电站可以达到盈利，实际现有试运行站点已基本实现盈利。

综上，以出租车为主的换电站应用运营到目前为止综合状况良好，达到车企、运营商和地方政府多方面共赢状态，出租车尾气排放量占城市总体很大一部分，这一部分得到充分化解，使城市空气净化、绿色出行、环保等一系列目标实现。

6 结语

新能源电动汽车换电站发展还是需要国家的支持，需要尽快出台相关车辆底盘、电池、换电站等一系列标准，争取节约资源，相信在不久的将来，电动汽车换电站就如现在的加油站一样，可以满足各种车辆的电池更换，实现给电动汽车“加电”的目标，换电站的共享，最终达到“电”代替“油”，真正实现绿色环保出行。