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我国新能源汽车换电模式发展研究与建议摘要：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200V500V°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BetterPlace,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，BetterPIaCe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：20062011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。20122018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（20122020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410小时，快充时长0.5l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%o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IOooO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80VPRO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%o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XeH908E2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1.5小时，通过引入换电技术，能够显著缩短补能时间至35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Io表1旋转锁止和前后平移锁止机构性能对比评价维度旋M债止平移候止缶注.7kg1.722.8加薪镇过程托举+拧紧/松托举+前后平移Bmm用久性/次>10000>10000不同车型适应性可采用电池包冏定孔位，车身增加固定块Y方向尺寸限制,需新增换电框架平移需要水平空间更大味浑、震动与滔振粗忸度性能高速行车过坎白哑音高速行车过坎行曝音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2o表2乘用车换电模式对比换电方式底盘换皿分箱换电侧方换电从底盘卜方进行整体换电将没有电的小电池组拆卜杵换电池箱位于车体侧面进行更换优点电池在保护壳中.不容受到其它因素影响,保证了安全性:换电时间屈不改变车体前后轴垂量.有利广保障汽乍安全和运行性能电池体枳小、设置了多个模块,便于生产与安装,适用范围广能弊为不同乍型提供支持。安全性敦高统点需要调整电池底盘，生产难度高,难以实现标准化,后续维护管理需要支出较多费用电池分仓框架及连接件多,承照增加对空间要求较高：换电设的成本高,难以实现标准化换电时长<5分钟5-10分钟5-10分钟电池哙蔽性好差较好电池箱密封性好差较好换电设番成本高低较高自动化程度全自动半自动半自动操作工艺标准化程度易实现不易实现不易实现插接件安全Jg低高较低应用车型出租生、私家车分时租赁车M为乍、出租乍、物流乍（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。体双侧点换电示意图商用车/重卡换电模式优缺点如表3o表3商用车/重卡换电模式对比弟体单借（换电预吊换电整体双侧换电换电站整体高度主:体高度与乍辆等高E体位于车辆上方下.体与乍辆等高换电时间35分钟37分钟<5分钟占地面枳200平方米200平方米大于300平方米定位方式激光雷达+视觉减速带机械定位/车生适应性自动校准司机控制件乍前后位置/成木控制系统成本高控制系统成本低4机器人成本高可扩展性开放式机器人地轨，可接轨加长，增加电池仓：开放站房.无需改造整体式天轨和站房，M定长度,不能扩展开放式机器人地和.可加长,增加电池仓.整体站房需改造优点引入智能化技术，自动化水平高，无需临时建筑卬批采用钢索吊装包,具有一定柔性，易实现误差兼容：技术简单、成本较低电池占用空间小，-些空间较小的车型可以采用这种换电模式统点抓取机构刚性,电池与既定位置对位在偏¥.时可能对导向机构造成损伤：需要达到较商的控制精度自动化水平低，换电效率较低I设缶总高较高.部分城巾可能需进行临时建筑审批需装备两套机器人及两套电池存储充电仓.成本较高使用场景城市公共换电站港II、矿山等专川封闭场景丁山五、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8MWho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128000TlLo5 .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充换电模式对比换电模式充电模式补电时长37分钟慢充470小时、快充0.57小时电池#命集中掩护.白利于减慢电池衰减长期快充加剧电池损耗电网响应采川统管理方式，能够充分利川电池,满足用电需求充电负荷集中在几个时间段.降低r电网运行效率诙源供给支持光伏等方式，顺应分布式能源发展需求电力容量需求高.俄源供给方式较为固定产品标准电池炭、车端、接11等相关规格、尺寸需实现标准化，需国家统一协调推动需要调整支付方式，将充电桩和充电设施等联系起来地域影响不容易受到地域气候等影响气温较低影响充电效率悌次利用仅留电池回收柒道,易实现统笄管理无运泮成本管理人员、电池冗余配置展础设施为Jtt资产（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、人一车一站一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1O963O%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。