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我国新能源汽车换电模式发展研究与建议

马天泽 于德营

摘要：目前，我国新能源汽车主要采用以充电为主的补能方式，但新能源汽车用户因充电桩存在充电时间较长、分布不均匀等一系列问题，里程和充电焦虑仍较为严重。换电模式由于具有补能效率更高、辅助电网错峰配电、便于电池闭环管理等优势，经过多年探索，已进入快速发展阶段。基于此背景，本文对换电模式发展历程、市场情况、技术发展态势进行了梳理，总结了换电模式优势及存在问题，并提出了发展建议。

关键词：换电模式；市场情况；技术发展态势；优势及存在问题；发展建议

一、换电站基本概述

（一）换电站概念

换电站是对大量电池进行集中存储和集中充电，并提供电动汽车电池更换服务的能源站。换电站采取换电方式，将汽车和电池分离，电动汽车不通过充电，而是直接更换电池进行补能，以满足续航里程要求。换电站结构可分为换电系统、充电系统、换电平台及控制系统等四部分。

换电系统主要由换电机器人、加解锁平台、码垛机、锁止机构组成，作用是从电动汽车上卸下亏电电池，将亏电电池转移至电池仓充电，并同时从电池仓内获取已经充满电的电池，安装至车辆内完成换电工作。换电机器人是换电系统最重要的设备之一，加解锁平台可实现车辆电池包的更换与加解锁功能，码垛机主要完成电池的运输和交换，锁止机构主要完成锁止、分离等操作。

充电系统实现充放电功能，通常情况下采用交流慢充方式。在充电系统中，电池箱体对安全防护、锁止/解锁等技术要求较高。充放电功率一般为10kW~60kW，充电电压一般为200V~500V。

换电平台由换电仓和停车底座组成，实现车辆的停放与定位。现阶段有两类换电平台，一类是下沉式定位平台，主流换电站均采用该类换电平台，但存在土建结构设计麻烦、建设周期长、需另行增加排水措施、无法搬迁等问题；另一类是将车辆利用顶升装置抬起，但由于汽车悬架的存在，顶升装置设计要求较高。换电模式下，车辆定位需要达到较高的精度，如果停车定位不准确，车辆定位难以顺利完成，可能影响后续换电工作。

控制系统负责站内设备间的协同控制，以及与车辆/用户通信。控制系统接收来自车辆/用户的电池更换请求，并控制换电平台执行换电操作。控制系统涉及车载RFID（电子标签）识别、车牌识别等技术。

（二）换电模式产业链整体架构

换电模式产业链上游由电池、硬件平台、充换电系统等供应商组成，分别负责提供动力电池、换电设备和软件系统等；中游换电运营商主要有整车制造商、电池制造商和能源企业等，负责换电运营维护；下游主要由用户和电池回收企业构成。现阶段，商用车和出租车等B端用户（商家用户）已逐渐倾向购买换电版车型。随着换电技术不断发展，换电时间已大幅度下降至90秒左右。换电站开始引入自动化技术，不用安排专门的工作人员。换电过程也正朝着标准化方向发展，未来将实现换电站对多种车型换电。

二、换电模式发展历程

（一）国外换电站发展情况

2007年起，国外企业推出了换电站，但是应用推广效果并不理想。同年，以色列的沙伊·夏嘉曦推出了纯电动汽车换电技术，成立了换电企业Better Place，一年后在以色列建立了第一座换电站，并与雷诺汽车签订了合作协议。但是该换电站的建设需要投入大量资金，前期购置电池成本较高，且当时市场需求较小，实际订单仅有1%，难以支撑项目运营，Better Place最终于2013年破产清算。同年，特斯拉提出90秒快换技术，但因成本较高，兼容性较差，难以满足用户需求，两年后特斯拉放弃了该技术。至此，国外再无换电站企业。

（二）国内换电站发展情况

国内换电模式发展可分为三个阶段：

2006-2011年，换电技术储备与商业模式探索阶段。国家电网在2006年开始组织电动汽车充换电设施研发工作，2010年在杭州完成了500台纯电动换电型出租车试点，首次提出并验证了“车电分离，里程计费”的商业模式，该模式将电动汽车与电池分开销售，换电价格按行驶公里确定，降低了用户购车和换电成本。2011年，国家电网确定“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的智能充换电运营模式。

2012-2018年为充电模式初步发展阶段。国务院于2012年颁布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，明确了以充电为主的发展方向。在此期间，尽管国家政策重点鼓励发展充电，但各车企并没有停止换电研发的脚步。北汽新能源开展了换电运营，并提出“擎天柱”计划开展换电运营。蔚来推出了可车电分离购买的换电版ES8车型。

2019年至今为换电模式快速发展阶段。2020年，换电作为新基建的重要组成部分，首次被写入《政府工作报告》。此后，国家推出一系列政策，鼓励开展换电模式应用，并于2021年正式启动新能源汽车换电模式应用试点工作。2023年国家发展改革委发布《关于恢复和扩大消费措施的通知》，明确加快换电模式推广应用，换电模式迎来了发展新局面。

三、换电模式市场情况

（一）换电站市场规模

目前，我国新能源汽车采用以充电为主的补能方式，其中，慢充时长4~10小时，快充时长0.5~1小时。尽管我国车桩比持续降低，但新能源汽车用户因充电时间较长、冬季续航里程缩水、充电桩分布不均匀等一系列问题，里程和充电焦虑仍较为严重。为此，部分整车企业陆续布局换电业务，推出换电版车型。截至2022年底，我国换电站数量达到2000座。从市场格局来看，蔚来、奥动新能源、伯坦科技为主要的换电站建设和运营企业，其中蔚来的市场份额达到65.51%。预计到2025年，国内建设换电站数量合计将达3万余座，其中，国家电投规划4000座、蔚来规划4000座、吉利规划5000座、中国石化规划5000座、协鑫能科规划5000座、奥动新能源规划10000座。

（二）换电站运营商

运营商作为换电模式全生命周期中最重要的一环，参与企业众多，主要可以分为四类。一是以北汽、吉利、蔚来、三一、上汽、汉马为代表的整车企业。北汽新能源2011年开始研发换电技术，2016年开展换电模式示范运营，2018年开始大规模推广，出租车、网约车等B端车型陆续运营。北汽新能源布局时间较早，已在20多个城市投放超3万辆换电式电动车，建成270余座换电站。蔚来主打C端（个人用户）市场，推出BaaS车电分离服务模式，并大力建设推广换电运营网络。吉利与力帆科技合资成立睿蓝汽车，主要面向B端和C端市场，已在多个城市建设了换电站。

二是奥动新能源等运营商，与广汽、一汽、北汽、三一等整车企业合作，针对相关车型建设运营换电站。

三是宁德时代等电池企业成立子公司专门从事换电业务。电池作为建设换电站投入最大的环节，动力电池企业参与换电运营核心优势在于可以降低电池采购价格，大幅度减少前期换电站建设成本以及运营管理等方面费用，缩短建设周期。

四是以中国石化、中国石油、国家电投为代表的能源央企，与整车企业和电池企业合作推行换电模式，凭借购电成本较低的优势，降低换电站运营维护成本，提高盈利水平。

（三）换电站应用场景

换电站按应用场景分类可分为乘用车C端换电和重卡/出租车等B端换电。

C端换电推广和盈利门槛较高，仍处前期投入抢占市场阶段。私家车品牌车型众多，且电池包型号规格各异，补能需求场景和地域范围广阔，换电模式的推广需建立较为完善的换电城市网络。以蔚来为例，根据蔚来最新公布的数据，截至2022年底，蔚来在国内已布局换电站1305座，换电站日均换电近4万次，单站日均换电约30次，目前仍处于前期快速铺站阶段，尚未实现盈利。标准不统一、前期需要投入大量资金、盈利难度高等问题是乘用车换电应用与推广面临的主要阻碍。整车企业中仅有蔚来率先布局并主打C端换电市场，自2017年推出ES8车型以来，其所有电动汽车均支持换电技术。2022年以来，上汽、吉利也陆续进入C端换电市场，吉利旗下睿蓝汽车相继推出睿蓝7、睿蓝枫叶80v PRO等车型。上汽集团和中国石油、中国石化等企业建立了合作关系，共同布局换电业务，依托中国石油、中国石化全国5万余座加油站网络，打造“可换电、可充电”的综合能源服务站。

与C端换电相比，B端换电市场发展速度不断加快，出租车、网约车、重卡等B端换电市场进入商业化提速期。截至2022年11月，北汽新能源累计建成换电站175座，其中，投入运营115座，为北京市3.2万辆换电出租车提供换电服务。目前，干线物流车、渣土车、牵引车、矿卡等各类用车场景均大力发展换电模式，相关产品及商业化模式已逐步被市场验证。2022年，新能源重卡销量大幅提高，换电重卡更是逐步成为新能源重卡的主流车型。2022年新能源重卡销量19312辆，同比增长157.91%，渗透率从2021年的0.56%提升至3.12%。其中，换电重卡销量9000余辆，同比增长265%，远超其他类型重卡销量。此外，在节能减排的国家政策推动下，徐工、柳工等工程机械企业研发并发布换电工程机械，例如，徐工XCH908E2堆高机主要应用于港口集装箱空箱装卸、场地转运及堆垛作业，可实现3分钟快速换电，相比传统内燃堆高机，每年可节省30多万元。

由于政策支持、场景适配经济性凸显、商业模式更易落地等因素，B端换电站将成为换电站加速落地的重要应用场景。B端车型与路线较为统一，换电应用范围更广，更利于推广应用。重卡使用频次高，运输负荷大，运输距离长，单车带电量大，按照现有充电技术，常见的重卡电池包（282kWh容量）充电时间为1~1.5小时，通过引入换电技术，能够显著缩短补能时间至3~5分钟，运营效率大幅提升。不同场景运营数据显示，换电模式整体油电经济性将提升10%~30%。换电重卡可解决充电重卡使用效率低的问题，现阶段主要应用于港口、钢厂和矿山等封闭、短倒运输场景，高速公路干线等中长途运输场景。

四、换电站技术发展态势

（一）乘用车换电站

乘用车换电站技术路线按电池安装位置可分为底盘换电、侧方换电、分箱换电。其中，底盘换电由于其换电时间短，不改变车体前后轴重量，能够保障汽车安全，已成为主流的换电方式。

底盘换电由地面下的机构横向传送电池，上下升降电池实现电池安装，并通过伺服电机拧紧或松开电池锁止机构完成换电。底盘换电按电池形态分类可分为异形电池包和扁平电池包两种，其中，异形电池位于后排座位与后备箱之间的底盘上，对底盘影响较小，但会缩小后排空间；扁平电池包扁平布置在底盘上，基本不占用乘坐空间、后备箱空间和整车高度，电池包固定在换电框架上，换电框架适配现有车身结构，换电时，电池包与换电框架进行整体拆装。底盘换电如图1所示。

图1 底盘换电示意图

底盘换电技术方案中，快换电池包的更换动作分为托举和锁止。托举动作为垂直方向运动，锁止动作可分为旋转拧紧/松、前后平移两种。旋转拧紧/松动作主要通过锁止机构旋转，完成卡位、拧紧、锁止等动作。锁止点均有明显的定位槽，锁止更为可靠、准确。

前后平移动作依靠底盘上的止口，完成卡位、锁止等动作，但存在锁止不容易到位、锁止松动等问题。旋转锁止和前后平移锁止机构相关参数如表1。

表1 旋转锁止和前后平移锁止机构性能对比

分箱换电和侧方换电由于对空间和标准化要求较高、框架及连接件较多，应用较少。分箱换电和侧方换电如图2所示。

图2 分箱换电（左图）、侧方换电（右图）示意图

乘用车各种换电模式优缺点如表2。

表2 乘用车换电模式对比

（二）商用车/重卡换电站

商用车/重卡换电站技术路线按电池安装位置可分为顶吊换电、整体单侧点换电和整体双侧点换电。

1.顶吊换电

顶吊换电包括准备和换电阶段。准备阶段，换电机器人将电池从电池存放区移动至待换重卡上方。换电阶段，定位锁紧机构解锁重卡电池箱，换电机器人从上方抓取重卡电池箱，并吊装放入电池存放区。换电机器人从电池存放区上方抓取已充电电池箱，并吊装放置于重卡上的电池箱定位锁紧机构所在位置，通过定位锁紧机构进行定位锁紧，实现电池箱更换。

该种换电方式采用钢索吊装电池包，由于钢索具有一定的柔性，比较容易实现误差兼容，但对司机的驾驶技能要求较高。顶吊式换电的定位方式较为简单，能够发挥司机技术优势，简化控制系统，降低成本，属于技术简单、成本较低、可行性较好的换电方案，是最早商用化的换电方案，但是自动化水平不高，换电效率较低。顶吊换电如图3所示。

图3 顶吊换电示意图

2.整体单侧点换电

整体单侧点换电包括前预备、上车和后预备阶段。在前预备阶段，堆垛机抓取新电池并送到装卸中转站上的伸缩吸盘机构上，伸缩吸盘机构将新电池放置在伸缩盘上。在上车阶段，车辆开上驻车平台后，导正机构的导正轴把车辆推动到居中位置，举升机构将车辆抬起，装卸中转站的空置伸缩盘卸下商用车/重卡内的电池，装有新电池的伸缩盘通过抓取吸盘套件将新电池放入车辆电池仓中，完成更换电池。在后预备阶段，伸缩吸盘机构将卸下的电池包送到堆垛机中，完成换电流程，其中前预备阶段和后预备阶段可在一个工作工序中实现。

该种换电方式智能化程度较高，对司机停车要求较低，但整体单侧换电的电池抓取机构是刚性的，抓取电池时全部为刚性环节，如果车辆电池与既定位置存在偏差，换电机器人需要进行校正，对导向机构产生很大的损伤。该换电方式对智能化技术提出了更高要求，需增加视觉传感器等部件以达到更高控制精度，成本较高。整体单侧点换电如图4所示。

图4 整体单侧点换电示意图

3.整体双侧点换电

整体双侧点换电流程较为简单，车辆开上驻车平台后，导正机构的导正轴把车辆推动到准确的居中位置，举升机构将车辆抬起露出下侧电池更换位。堆垛机抓取车辆下侧电池包并运送至换电站电池仓，抓取吸盘套件将电池架上的电池取出放置到车辆电池仓内，完成一个循环。

整体双侧换电占用空间较小，适用于电池存储位置有限的矿卡车型，但由于整体双侧换电需要装备两套机器人及两套电池存储充电仓，其成本相对较高。整体双侧点换电如图5所示。

图5 整体双侧点换电示意图

商用车/重卡换电模式优缺点如表3。

表3 商用车/重卡换电模式对比

五、换电模式优势及存在问题

（一）优势

1.土地利用率更高

在充电模式下，每一个停车位都需要配备一个充电桩，新增的补能需求通过新建充电桩的方式满足。同时车辆对于车位的占用时长难以控制，车位利用率较低，容易出现充电桩闲置的情况。换电站换电效率较高，车辆能够在较短时间内完成换电，实现“随换随走”。

2.补能效率更高

在快充模式下，电池充电时间仍然较长，电量达到80%仍需要半小时。换电模式整体效率更高，更换电池所需时间更短，能够显著减少补能时间，平均换电时间少于5分钟。

3.有利于电网错峰配电，降低充电成本

受用户工作与生活的影响，目前充电桩的使用主要集中在某几个时间段，加重电网负担。换电模式下，换电站可作为分布式储能单元，能够在夜间用电低谷期对电池充电，有利于电网削峰填谷，减少对电网的冲击。通过V2G技术（V2G是车辆到电网的缩写，是指车辆动力电池与电网侧能量双向互动的技术），换电站可在日间用电高峰时段向电网释放多余电能，充当虚拟电厂，协助电网满足高峰负荷需求，提高电力资源利用率，以蔚来为例，在2022年夏季全国电力供应紧张时期，合肥15座换电站曾集体参与“虚拟电厂”电网调峰，在不影响用户正常换电使用的同时，五天内累计调整电力负荷8MWh。另外，夜间充电还能降低充电成本，以北京一般工商业为例，电压在1千伏以下的充电电价为峰时每度1.42元，谷时每度0.29元，相差1.13元。

4.降低用户端购车成本

消费者购买换电车型时可选择车电分离形式，降低购车成本。以蔚来为例，用户选择租用服务长续航电池包，购车价格可降低128000元。

5.实现电池闭环管理

在换电模式下，换电站可以高效管理运营电池资产，从而更好地通过动力电池的精细化管理挖掘动力电池在梯次利用、材料回收等方面的价值，提高电池利用率和盈利水平，实现电池效益最大化。不同充换电模式的对比情况如表4。

表4 充换电模式对比

（二）存在问题

现阶段，换电模式主要存在三类问题：一是电池规格和换电标准尚未统一。目前新能源品牌车型的动力电池规格、尺寸、技术标准等都存在较大差异，换电站通常仅适用于单一品牌车型，换电方式和换电标准不同，兼容性差。换电市场处于发展初期，尚未形成行业统一标准，对换电模式的推广造成阻碍，难以形成规模效应降低成本。二是盈利性差。换电站前期一次性建设投入大，现有城市已建换电站密度较低，用户尚未形成换电习惯，导致换电站利用率不高，投资回报周期过长，无法支撑换电站运营。三是利益分配不平衡。车企与换电站运营商利益分配难以平衡。

针对上述问题，我国积极推出换电标准，2021年10月，工业和信息化部发布《关于启动新能源汽车换电模式应用试点工作的通知》，提出要完善标准体系，制修订换电安全、换电接口、标准化电池箱等标准。次月，换电模式首个通用的国家行业标准《电动汽车换电安全要求》实施。2022年，中汽协提出了换电站建设规范和相关技术规范，为换电站的建设和换电技术的应用提供参考。

六、换电模式发展建议

一是提升产品技术水平，以提高换电安全性。围绕换电模式整车、动力电池、换电装备等方面开展关键技术研发，重点研发锁止机构的冗余系统、电源实时监测系统、防爆系统、人—车—站—云数据安全交互系统，建立轴距可调、轮距可调的高兼容性、高安全换电系统。

二是持续探索标准化电池换电体系，提升换电站相关系统标准化水平，实现平台共享。建立换电站土地、电力、水、安防、数据、充电、基建等基础资源的统一标准，统一换电站电池包形状和尺寸、接口结构、通讯协议、电连接器、水冷管路接口标准，并同步统一机械锁止机构解锁、更换平台、搬运设备、安全防护设施、车辆识别系统、电池包存放货架、电力系统、充电机、数据分析系统等标准，逐步实现不同车型换电平台共享。

三是以重卡换电为重点，加大重卡换电站布局。传统重卡企业为节能减排，积极转型发展新能源重卡，换电模式可提升10%~30%的整体油电经济性，为重卡换电站的发展奠定了良好基础。重卡动力电池供应商宁德时代占据84%的市场份额并呈现“马太效应”，依托宁德时代头部重卡动力电池供应商的市场地位，动力电池包将向相同规格方向发展，有利于换电模式在重卡领域推广应用。因此以重卡换电为切入点，将车电分离的商业模式和换电技术相结合，提升换电重卡运营效率，减少换电重卡购置费用，促进换电站大规模推广应用。

四是探索互利共赢的换电商业模式，形成电池包研发/生产、车企合作、换电运营、梯次利用及回收再生的全闭环商业模式。推动融资租赁在换电模式中的应用，整车企业、动力电池企业、第三方运营商、电池回收企业、金融公司联合成立电池资产管理公司，负责日常电池管理、储能等业务，整车企业和第三方运营商负责换电服务与消费者对接；金融公司将电池作为金融产品为其提供资金支持；电池企业提供专业化电池维修和残值处理服务，分工合作提高效率。在电池使用末期可以将换电模式淘汰的电池出售给电池回收企业。对于部分损坏、整体状况良好的电池，重新组装并再次应用于其他场景。对于完全报废的电池，拆解后将原材料回收，用于新电池生产。最终通过运营电池资产，协同梯次利用场景，充分发挥电池全生命周期产业链价值。

课题组成员：马天泽、于德营、汪志鸿、

李红燕、李宗阳、陈炳全、孙源涵

参考文献

[1]新能源汽车换电行业专题研究报告：换电元年,十倍空间[EB/OL].中信证券,2022.

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

[2]岳凯凯,马文源,袁蜀翔,等.电动汽车换电模式发展现状及趋势综述[J].时代汽车,2021(10):66-67.

[3]刘青.纯电动乘用车换电技术方案分析[J].汽车实用技术,2022,47(18):10-14.

[4]戴淼,齐涛.我国重卡换电模式发展前景分析[J].专用汽车,2021(08):38-40.

[5]高峰,郭琦.换电重卡发展现状及前景分析[J].商用汽车,2022(07):63-65.

注：文中图片来源于网络，版权归原作者所有。