[科普中国]-电动汽车换电模式

电动汽车作为一种新能源交通工具，具有噪音低、能源利用效率高、无移动废弃排放等特点，已成为我国重点支持的战略性新兴产业之一。

能源供给是电动汽车产业链中的重要环节，能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。当前，电动汽车的能源供应可分为插充和换电池2 种模式，其中插充可分为慢充和快充。在插充模式下，制约电动汽车发展的电池问题尤为突出：一方面购买电池的初期投资成本太大，一般占到电动汽车本体费用的一半以上，昂贵的电池成本在很大程度上阻碍了电动汽车的推广；另一方面充电时间太长，慢充一般要4~5 h，即使快充也需要0.5 h，与当前传统能源汽车的加油或者加气相比其获取能源的便捷性远不能满足人们的需要。同时快充对电池有较大损伤，造成电池寿命急剧衰减，因此实际上也进一步增加了电动汽车的电池成本。

此外，在插充模式下，电动汽车充电负荷具有显著的时空随机性，对电网的运行和规划会带来不利的影响。

另一方面，基于电池租赁的换电池模式配合大规模集中型充电已经成为当前电动汽车发展具有竞争力的商业技术模式。

这是由于首先采用电池租赁方式，由电网公司承担电池的初期投资成本，可显著降低用户的初始购车费用；

其次对电池进行集中充电可采取慢充方式，避免快充而引起的电池寿命缩短问题；

第三，采用换电方式一般可在几分钟内完成换电过程，即使与常规能源汽车相比，其便捷性也毫不逊色；

第四对电池进行集中充电管理可避免大规模电动汽车随机充电对电网运行带来的不利影响，甚至可以根据电网需要，在统一管理的框架下进行电池充电的优化运行，此外还可避免绿色能源损失，减少可再生能源发电成本。

因此，虽然换电模式存在着要求电池等标准统一的问题，但是这并不妨碍其成为未来电动汽车可能的重要发展模式之一。1

换电模式发展现状1、国际情况

在国际上，换电模式在以色列、加拿大、澳大利亚、丹麦等国已经有了一定的应用和推广。加拿大多个地区引入电动交通体系，建设充换电服务网络。在亚洲，东京推出充换电结合的电动出租车运营服务。总体而言，国外电动汽车在能源供给模式的选择方面充电与换电均占据一定的市场，但目前充电仍是主导，换电模式发展相对滞后。2

2、国内情况

在国内，作为电动汽车产业的积极参与方，国家电网公司和南方电网公司也将换电模式作为电动汽车发展的重要模式，在各自的辖区范围内开展了相关的示范建设。

2011 年国网公司发布了《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》和《国家电网公司“十二五”电动汽车充电服务网络发展规划》，提出了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的商业运营模式，统一进行了有关智能充换电服务网络运行管理系统的开发，并开展充换电网络的示范运营和电池租赁试点。北京、苏沪杭、青岛等城市已经建成了一批电动汽车充换电示范工程，同时将在环渤海和长三角2 个区域建设跨城际的智能充换电服务网络。

2011 年4 月，南方电网公司推进电动汽车换电池技术及商业模式。截至2011 年底，除西藏以外，全国绝大部分省市均进行了有关电动汽车换电网络建设的规划。由于在电池控制权、标准化建设等方面仍存在较大争议，国网与南网并未真正大规模推进换电站建设，与2011 年的大张旗鼓相比，2012 年换电模式的发展暂时进入低谷期。3

在国家层面，推行的电动汽车能源供给方式仍将采用充换电相结合的模式，换电模式作为一种重要的电动汽车发展的探索模式，依然受到了国家的重视，国务院于2012 年5月颁布的《节能与新能源汽车发展规划2012—2020》中，明确提出要探索新能源汽车及电池租赁、充换电服务等多种商业模式，并鼓励成立独立运营的充换电企业，逐步实现充换电设施建设和管理的市场化、社会化。1

分类1、集中充电模式

集中充电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务。这是国家电网公司于2011 年提出的建设模式。在该运营模式中至少有 2 种类型的工作站，其中集中型充电站实现对电池的大规模集中充电，而配送站则不具备充电功能，只是作为用户获得更换电池服务的场所。

相对于采用充换电模式的电池更换站，这样的运营模式具有更多的优点：

1）配送站不承担充电功能，没有电网接入的问题，站址选择灵活，以方便用户更换电池为主要规划目标。

2）集中型充电站充电功率大，且可集中控制充电功率，有利于制定电网友好的充电方案，在时空随机性方面，充电具有优越性。

集中充电统一配送方式的主要缺点是：

1）充电站所需供电容量很大，一般需依托变电站建设，投资成本很高。

2）需解决电池箱在集中充电站与配送站之间的物流配送问题。

2、充换电模式

充换电模式是以换电站为载体，这种电池换电站同时具备电池充电及电池更换功能，站内包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理系统等部分。

根据所服务车辆类型的不同，换电站主要可以分3 类：综合型换电站、商用车电池更换站和乘用车电池更换站。

目前，国内在北京、上海、杭州等城市已建设有商用车和乘用车电池更换站。在国际上，以色列较早采用了这种充换电模式，其业务模式主要是通过建设充换电设施网络为电动汽车用户提供基础设施及能源供给服务。这种充换电模式在加拿大、澳大利亚、丹麦等国也已经有了现实的应用和推广。

采用这种充换电模式无需考虑电池的物流配送问题，充满电的电池可以立即用来满足车辆的换电需求。其主要缺点有：

1）换电站的建设既要考虑地价因素及交通便利性，又要顾及电网接入的问题，站址选择不够灵活。

2）每座换电站均需配置充电机、电池箱换电设备等，投资大且需要专业维护，日常运营成本高。1

换电网络1、换电网络运营模式

换电网络集电池的充电、物流调配、以及换电服务于一体，这种一体化的运营结构将有利于电池企业的标准化生产，有利于能源供给企业的集约化管理，能够显著降低运营成本。

以国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》为例，换电网络中包含集中型充电站、换电站、配送站等3 类，其中集中型充电站承担大规模的电池充电功能，满电池将被配送至具有小规模充电能力和换电池功能的换电站以及仅具备换电池功能的配送站，从而实现对用户的电池能量供应。图示意了换电网络基本运行结构，其中具有小规模充电能力的换电站因可分解为配送站和额外的电池供应量而未纳入其中。

2、换电网络管理系统

电动汽车换电网络管理系统可保证电动汽车运营高效有序，提升电动汽车能源供给网络的智能化水平，是电动汽车大规模推广的前提和保障。电动汽车示范运行期间，由于有较为固定的行驶路线，因此无须对换电网络进行控制也可保证车辆的正常运行。但当车辆大规模运行时，交通状况等原因会使得充电电池和换电车辆在换电网络中的分配具有较强的随机性，可能会造成一部分充电站及配送站较为拥挤，而另一部分充电站和配送站较为清闲。因此，有必要而且急需解决换电网络这样一个规模庞大、动态性高的分布式系统的优化控制问题。

如国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》一样，上述几种系统均仅针对换电管理进行了功能性设计，却没有涉及有关运行阶段如何优化系统运行，因此还有待进一步研究。1

换电网络运行与规划1、 研究对象与内容

当前针对换电网络的实际优化运行以及相应的充电站、换电站的规划的研究还较少，这与当前我国已投入了大量的人力、物力进行换电模式的试点工作是极不相称的，换电网络的规划和运行存在大量的基础理论问题亟待解决。

从图 2 可以看出，换电网络的规划，包括集中型充电站规划、配送站规划、电池的数量规划等。目前国内一些省市在进行所在区域换电网络长远规划时，即使明确了未来水平年采用换电模式的电动汽车数量，但是对于集中式充电站的规模选址，电池数量配比的计算均缺乏科学合理的建模方法，无法做出合理的描述。

换电网络的运行包括充电优化管理、物流优化(运力优化与路径优化)、电池需求优化等，以及建立在这3 者之上的综合优化，既要考虑对用户需求的满足和对电网的影响，又要考虑各单元的约束。在换电网络运营时，换电站的电池需求、物流优化调度和充电负荷3 者密切相关、相互牵制，对充电站而言，换电站的电池需求为间歇性的电量需求，而该需求受物流能力限制，最终到充电站须转化为对电网的功率需求，在此基础上还要考虑电网优化运行的需求，因涉及变量众多，其优化运行极为复杂。

2、换电网络规划

1）电池规划

电池是电动汽车运行的能量来源，其本质是电量的聚合，即一段时间内充电功率的累积。电动汽车的换电需求能否满足与电池储备数量密切相关。在进行电池组需求规划时，除了考虑车辆自身携带的电池组，还需设置一定的冗余度以满足车辆在电池耗尽时的换电需求。由于电池购置费用昂贵，冗余度太高会导致经济性下降，而冗余度过低则无法满足车辆正常的换电服务。因此，有必要针对换电模式下的电池数量规划问题展开研究。

2）换电站规划

换电站作为一种特殊的电网负荷，其规模和选址要权衡电网投资的经济性与安全性，一方面要满足市场的换电需求，另一方面也要顾及电网要求。将其纳入电源电网规划中进行综合优化，是迫切需要解决的问题，而当前的试点工作对这些内容大都未能予以涉及。4

换电网络运行1、电池调配

在整个充电站网络内，可配送的电池数量是十分庞大的，所以及时、准确地配送数量庞大的可更换电池，不仅能够保证整个充电站网络的正常运行，还将大大降低配送过程中的人力、物力成本。关于换电网络的电池配送问题，目前鲜有文献论述。而研究发现，电池物流调配属于典型的旅行推销员(travelling salesman problem，TSP)问题。因此，可以借助解决TSP问题的智能算法(如遗传算法)来解决。

2、充电管理

在换电模式下，通过对集中型充电站或换电站进行充电管理，可实现电池的统一调度和监控。规模化的电池可作为巨大的储能单元，有效地参与负荷管理和系统调峰，提高电网负荷率，最大限度地减少谐波污染等对电网的不利影响，从而提高系统整体运行的效益。

换电模式面临的难题虽然换电模式具有诸多优点并且一度受到国家电网与南方电网的大力推崇，但从2012 年的发展情况来看，换电模式似乎进入瓶颈时期。随着换电模式建设的不断开展，这一新兴模式存在的问题也日益突出：

1）电池技术与投资成本。

现阶段电池产业处于发展初期，电池能量密度低，续驶里程短，寿命周期短。在现有电池技术水平下推行换电方式，电池投资高，将会给能源供给企业带来很大负担。

2）安全性与责任界定。

换电模式的发展有可能彻底改变传统汽车企业、能源企业和消费者的3方结构，而出现电池制造商和充电运营商等参与方。在这种新兴格局下，电池的日常维护工作由谁来承担，当出现安全问题时责任如何界定等都是有待解决的难题。

3）换电模式标准体系建设。

不同厂家生产的电池和电动汽车都有所不同，包括尺寸、接口和布置方式等，这给换电模式的统一标准化操作带来了很大的困难，因此，亟需制定与换电模式相配套的标准体系。

4）换电网络建设。

对于用户而言，换电模式的主要优势在于其能源更新的便利性，但是在现实中其便利性更有赖于密集布点的规模化换电网络，这也意味着超大规模的投资要求，在目前其商业模式可行性仍存疑的环境下，其规模化建设也面临着巨大的资金瓶颈。

5）补贴分配。

由于电动汽车和电池的成本很高，为促进电动汽车的发展，国家将会提供一定形式的补贴。换电模式下，该补贴在汽车生产商、电池制造商以及能源供给企业中如何分配，目前没有明确的划分方法。

可以看出，现阶段电动汽车换电模式的应用仍面临较多问题，就目前的技术水平和相关法律、商业模式配套而言，还不足以支撑该模式的大规模应用。5

建议及展望换电网络的管理是一种较为复杂的分布式系统的优化控制问题，目前的研究仅针对换电管理进行了功能性设计，却没有涉及有关运行阶段如何优化系统运行，这一方面仍有待深入研究。而且，有关换电模式的研究还较少，远远不能满足该领域发展的需要，关于换电网络的运行与规划方面的研究工作，可按以下2 个方面开展：

1）换电网络规划，包括集中型充电站规划、配送站规划、电池的数量规划；

2）换电网络运行，包括充电优化管理、物流优化(运力优化与路径优化)、电池需求优化等，以及建立在这3 者之上的综合优化。

换电模式由于其众多优点目前已发展成为电动汽车的重要能源供给模式，但依然面临电池技术与投资成本、安全性与责任界定、标准体系建设等众多问题。换电模式是否能取得突破性进展，主要取决于这些难题是否可以得到合理解决。

因此，在电动汽车发展初期，建议建立以分散停车位慢充为主的充电网络，对公交、出租、环卫等行驶习惯相对固定的用户采用换电模式。在产业发展成熟阶段，适时推出换电为主、充电服务并存的能源供给模式。1