电动汽车换电模式及运行策略研究

随着人们对全球气候变暖、大气污染、人类生存环境等问题的关注越来越密切，新能源汽车的竞争力越来越强，新能源汽车产业的前景也越来越清晰。发展新能源汽车符合国家意志，也符合汽车产业发展趋势。电动汽车作为新能源汽车中的一类，主要靠电能驱动，能源供给主要分为插充和换电2 种模式[1]。其中，插充模式在当前市场占主导地位，而换电模式的应用才刚刚起步。换电模式指的是当电动汽车的动力电池电量不足时，可快速将其从整车上拆卸下来并安装满电量动力电池，该模式实现了车体与动力电池的分离。拆卸下来的无电电池由换电站统一充电、存储和调配。2020 年5 月，“换电”首次被写入政府工作报告，报告指出要增加换电站设施。同年7 月，工信部表示继续大力推进充换电基础设施建设，鼓励企业研发换电模式车型[2]。2021 年政府工作报告明确提出要继续增加换电站设施建设。因此，从国家的重视程度来看，换电模式可能成为电动汽车的重要发展模式之一[3]。

1 换电模式发展现状

1.1 政策支持

国家对电动汽车换电模式的重视程度前所未有，政府各部委、多省市纷纷出台相关政策文件推动换电模式发展。2020 年4 月，财政部、工信部、科技部及发改委联合发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴的通知》，强调要继续发展换电新型商业模式，对换电模式车辆的补贴不受价格限制。2020 年11 月，国务院办公厅正式发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035 年）》，为未来很长一段时期内我国新能源汽车产业的发展指明了方向，规划指出要加强充换电基础设施建设，并鼓励新能源汽车换电模式的应用。同时，北京、上海、海南、济南、天津等地都积极响应国家号召，结合地方实际，印发了系列政策制度，加大充换电基础设施的建设，开展换电模式试点。其中，上海市政府最新发布《上海市加快新能源汽车产业发展实施计划（2021—2025 年）》，对符合条件的换电运营给予补贴；海南省即将出台支持电动汽车换电站建设的指导意见，以“充电为主、换电为辅”推广新能源汽车换电模式和换电站建设，意在构建电动汽车换电模式服务网络。政策的大力支持为换电模式的健康持续发展提供了充足保障。

1.2 市场需求

根据中国充电联盟公布的数据，截至2020 年12 月，全国共有充电桩80.7 万台，车桩比例约为3:1；同期，全国换电站总量555 座，不及充电桩总量的0.07%，其中换电站运营数量排名前3 的省市分别是北京市、广东省和浙江省，其运营数量分别为203 座、89 座和55 座，其余各省市的换电站数量仍略显不足。海南省政府指出，将在2021 年推广换电模式电动汽车2 000 辆，并加大换电站建设。随着新能源汽车产销量的增加和换电模式的加速应用，充换电站等基础设施的需求将会更加紧张。市场的旺盛需求为换电模式的健康持续发展提供了广阔前景。

1.3 标准制定

电动汽车换电模式的推广在一定程度上受车体设计、动力电池规格尺寸不统一、连接接口不一致等多方面的制约。换电模式标准的制定可有效解决此类问题，汽车生产商、电池生产商、第三方换电运营商统一换电标准，提升消费空间，可进一步扩大换电市场。工信部建议以企业标准、团体标准的方式开展新能源汽车换电模式标准研究。近年来，《电动汽车换电安全要求》、《电动汽车电池更换站设计规范》等一系列国家标准、行业标准、规范的印发，也再次表明了我国推进电动汽车换电模式的决心。标准的有效制定为换电模式的健康持续发展提供了有序规范。

1.4 企业布局

早在2006 年，国家电网就已经开始对换电模式的研发，然而进展却不甚顺利[4]。随着换电技术的进步、政策的支持、换电标准的完善，北汽新能源、奥动新能源、蔚来汽车等企业也纷纷布局电动汽车换电模式领域。布局换电模式的企业主要分为2 种，一种是以北汽新能源、蔚来汽车为代表的汽车生产商，自行研发换电车型，运营换电站，仅为本系统的车型提供换电服务；另一种是以奥动新能源、伯坦科技为代表的第三方运营商，通常与汽车生产商、电池生产商等开展合作，可为不同品牌不同型号的电动汽车提供换电服务。伯坦科技现已推广换电模式电动汽车3 万余辆，产品涉及10余款车型；哪吒汽车表示将于2021 年开始布局换电模式，推出车电分离、电池租赁、保值回购、服务无忧的服务政策。企业的加速布局为换电模式的健康持续发展提供了经验。

2 换电模式研究分析

2.1 换电模式优缺点分析

2.1.1 换电模式优点

1）能源补给时间短。将待更换动力电池的电动汽车驶入换电站指定位置，换电机构从电池组定位到拆卸再到新电池组安装的整个过程用时短，全自动机器人仅需几分钟就可完成换电操作，与传统燃油车加油时间相当。与插充模式相比，可为消费者节省大量的充电等待时间，解决了电动汽车推广速度慢的一大痛点，更加符合消费者意愿。

2）消费者购车成本低。同种车型、相同配置的电动汽车的价格普遍高于传统燃油汽车的价格，多出来的价格大部分来源于动力电池的成本，其价格约占整车价格的40%。由于换电模式推行的是车电分离，因此消费者在购买换电模式电动汽车时，可选择不购买动力电池而采用租赁的方式，这就大大降低了购车成本，非常有利于电动汽车的推广。

3）延长电池使用寿命。消费者普遍缺乏动力电池的维护保养知识，很难对动力电池进行日常维护和检测，而且为了追求充电速度，经常采用直流快充的方式进行充电，这样会对电池产生冲击，导致电池衰减速度加快，缩短电池寿命。换电模式电动汽车的动力电池可由换电站统一集中充电和维护保养，可延长电池使用寿命。

4）及时排除安全隐患。插充模式电动汽车可能只有到了维护保养周期或者汽车本身出现故障时才会被送到4S 店检查维修，如果长时间使用含有隐藏风险的汽车会存在安全隐患。而换电模式电动汽车当电池电量不足时即会驶往换电站进行换电，每次换电时都会对整车电气系统及动力电池进行检测，能及时排除潜在隐患。

5）缓解用电压力。截止2020 年底，我国新能源汽车保有量达492 万辆，比2019 年增长29.1%，且仍处于上升阶段；2020 年12 月全国电动汽车充电总电量达8.2 亿kW·h，同比增加38.3%。当电动汽车达到一定数量且随机充电时，可能会对电网和居民用电造成影响[5]。换电模式下动力电池的充电可由换电站工作人员科学合理安排，在低谷时段进行充电，避开用电高峰期，可较大程度地降低换电站的购电成本，提高其经济效益，同时缓解城市用电压力[6]。

6）换电站用地面积小。由于换电模式电动汽车具有更换电池速度快的特点，因此相对充电站而言，1 个换电站提供较少的换电工位即可满足该区域内电动汽车的换电需求，也就意味着建设换电站所需的用地面积相对于建设同等电量供给的充电站来说要小很多。因此，换电站建设可节约用地，也可在现有充电站的基础上将其改造成为集充换电为一体的服务中心，利于换电模式的推广。

当然，换电模式的优点还有很多，比如：由于无需出售电池，因此可提高报废电池回收率，有利于电池的报废回收，减少环境污染；由于电池可由技术人员统一充电，因此在某些地区可以利用太阳能、风能等对电池进行充电，将传统能源发电站与换电站一同建造，以此达到节能减排的目的[7]；当市场电价低时电网对电池充电、市场电价高时电池对电网放电或者电池对电池能量传输，换电站可以最优化调度这3 种模式，以获取利润[8]。

2.1.2 换电模式缺点

1）换电站前期投入成本高。换电站的建设除了用地、人力、换电设备购置等成本外，还需要巨额的电池储备成本和电池充电用电成本。北汽新能源曾表示建设1 个换电站的成本近1 000 万元，电池储备的成本超过300 万元，远远大于充电站的投入成本，这为投资换电站的企业带来了巨大挑战，可能需要很长一段时间才能收回成本。如果该地区的换电模式电动汽车未能达到一定规模，企业还会存在面临亏损、无法收回成本的情况。

2）换电站后期运营成本高。充电站几乎可实现无人值守，车主可自行操作充电桩进行充电，其运营成本相对较低。而换电站中换电设备的操作及维护保养、动力电池的统一充电、存储和调配都需要一定数量的工作人员，因此，换电站的后期运营成本要高于充电站。

3）换电标准还未实现统一。各汽车生产商和电池生产商对于电池的更换形式、尺寸、接口等标准各不相同，导致换电站很难实现对所有车型的换电，这对换电站的效率造成极大影响，同时导致消费者的体验感较差，不利于换电模式的推广。

2.2 换电模式案例分析

2.2.1 换电企业案例

以蔚来汽车换电模式为例。蔚来汽车公司可提供充电桩、换电站和充电车3 种补电方式。其中，换电站主要建立于停车场、高速公路服务等场所，1 个换电站约占3 个标准停车位，大约45 m2，可对电池进行全自动更换，换电时间约3 min。采用底盘换电形式，电池隐蔽性较好，换电过程中需将整车举升，车内人员无需下车即可完成换电操作。换下的电池被储存在换电站并充电，电池的相关信息接入公司云系统，实时监控其动态信息。2020 年8 月，蔚来汽车发布了新的换电运营模式——BaaS(Battery as a Service)方案，实现了车电分离，消费者对电池进行租赁，每月只需花费980 元。由于无需购买电池，车辆售价降低7 万元左右，还可享受国家补贴，大大降低了消费者的购车成本和用车成本。其电池组出售给了由蔚来汽车、宁德时代和其他两家公司合资成立的电池资产管理公司，由其统一对电池组进行管理、维护和出租。截止2021 年2 月，BaaS 用户比例已达55%。

2.2.2 换电站案例

截止当前，蔚来汽车已在全国建设190 余座换电站，覆盖70 余个城市，且仍处于扩建进程中。2020 年4 月完成了贵阳首座蔚来全自动换电站的建设并投入运营，可为部分车型提供换电服务。换电站分为换电室和控制室，换电室对汽车实现定位、举升和更换电池；控制室中有专业工作人员操作换电设备，并对更换下来的电池进行充电。换电站由南方电网贵州黔能企业有限责任公司和星星充电共同投资建设，地处贵阳火车站附近，交通便利、人流量大、用电需求大；建有洗车、餐饮、超市等设施，配套服务完善；除换电站外，还设有76 个自助充电车位。由此可知，此换电站是在充电站的基础上进行建设升级的，实现了充换电协同配合，保障了本地区各类消费者的用电需求；换电时间短、收费低、操作便利，故消费者体验较好；配套设施齐全，提升了消费者吸引力。但由于只有部分电动车型能够使用此换电站进行换电，不能与其他品牌的电动汽车实现兼容，服务对象受限，影响了换电站的收益。

3 换电模式运行策略

3.1 政府主导继续完善换电标准体系

充电技术接口的标准化极大地推动了插充模式电动汽车的普及和推广，统一标准的重要性不言而喻[9]。近年来，关于电动汽车换电模式的国家标准和行业标准不断推出，主要涉及换电站建设、电网接入、安全规范、动力电池组、换电车辆、运行服务网络等方面，在一定程度上规范了换电行业。然而由于换电标准的操作性不强、企业之间联合困难等原因致使换电模式仍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仍然是车企的一大核心竞争力，利润大、技术要求高。假如统一电池标准，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，导致市场上换电模式规模小、盈利难。因此，需要政府继续主导换电标准的建设和实施，从企业标准、行业标准、国家推荐性标准到国家强制性标准逐步过渡，联合各汽车生产商、电池生产商、第三方换电运营商等企业统一换电标准，尤其是在电池标准的统一上多加引导、循序渐进。

3.2 制定符合地方实际的换电模式推广策略

电动汽车换电模式得到了国家的大力支持，各省市应积极响应、超前谋划、探索制定适合地方实际的换电模式政策和指导意见。工信部于2020 年7 月强调指出，支持北京、海南等地开展电动汽车换电模式试点推广。目前，这些地区推广换电模式电动汽车的步伐已走在全国前列，其他未启动换电模式推广和换电站建设的地区，可借鉴试点地区的成功经验，以充电为主，换电为辅，在原有充电站的基础上建设换电站，在人流量大的车站、机场、文体中心、旅游景区等地开展试点工作，将换电模式作为插充模式的有效补充相互配合，共同为广大消费者提供便捷服务。地方政府要加大投资引入力度，对于社会资本的介入做好服务保障工作，给予他们土地、税收、资金等各方面的大力支持，吸引他们投资建设换电站及其配套设施，并简化建设换电站设施的审批程序。

3.3 从营运车辆试点推广换电模式

公交车、物流车、出租车、网约车等营运车辆对于换电模式电动汽车的推广具有独特优势：1）营运车辆行车规律，其运营线路较为固定，有利于换电站的选址建设；2）营运车辆的换电频率高，有利于换电服务商的投资收益；3）营运车辆以效率优先，几分钟的换电过程有利于提高车主的认可度；4）营运车辆均为定制车型[10]，其车辆品牌、电池规格尺寸和接口均一致，适合统一换电；5）营运车辆基本是由运营公司统一订购，若采用换电模式，则可省去电池购买成本，使运营公司的投入成本大大降低。因此，鼓励企业先从营运车辆开始试点换电模式，实现小范围盈利然后再扩大规模[11]；对集中采购换电模式电动汽车的公交车公司和出租车公司加大补贴力度，并在土地使用、金融支持等各方面给予适当倾斜。

3.4 创新换电商业运营模式

由于换电站是重资产投入，风险较大，企业要想实现可持续发展，必须创新换电商业运营新模式。根据蔚来汽车公开发布的2020 年财报，公司全年总营业收入162.6 亿元，同比增长107%，电动汽车销售量显著提升，然而公司并未实现盈利，净亏损达53 亿元，这与公司加大换电技术研发、在全国范围内大力布局换电站、商业运营模式尚未成熟等因素有很大关系。无论是汽车生产商、电池生产商、第三方运营商，还是电网公司、政府部门都要全面开展合作，共同探索高效可行的商业运营模式，推动我国换电模式发展。

3.5 加强换电模式舆论引导

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，有些消费者不喜欢租用电池，而是选择购买电池，采用充电服务；也有消费者认为换电池若换到有安全隐患的旧电池则会得不偿失；还有消费者认为车电分离并不会降低成本，与分期付款并无差别。总之，除了换电模式技术的进步、动力电池规格不统一等制约因素外，消费者的认可度对换电模式的推广也是至关重要。因此，应通过加强换电模式优势宣传、发挥换电示范区域带动效应、信息化智能化提升消费者体验等方式方法，营造良好舆论氛围，引导广大消费者接受换电模式电动汽车。

4 结论

换电模式电动汽车具有能源补给时间短、消费者购车成本低、延长电池使用寿命、及时排除安全隐患、缓解用电压力、换电站用地面积小等独特优势，应用前景广阔，是未来一段时间内重点推广的技术路线。然而换电站前期投入成本高、后期运营成本高、换电标准不统一等因素也制约着换电模式的推广应用。在政策支持、市场需求、标准制定和企业布局等现行条件下，各车企、电池生产商、换电服务商、电网与政府部门之间都要加强合作，抢抓机遇，从完善换电标准体系、制定换电模式推广策略、试点运营、创新换电运营新模式、加强换电模式舆论引导等方面出发，发展换电模式电动汽车，构建换电新生态。随着越来越多的企业对换电模式的布局和广大消费者对换电模式的认可，再加上政策的支持和换电标准体系的完善，换电模式必将迎来快速发展。