新能源电动汽车换电技术及备用电池技术

当你开着电动汽车行驶在公路上，电力储备临近50%时，它会自动提示要充电，并用车载的移动导航系统将你带到最近的电池屋。在那里，用1-2分钟便可完成更换电池，重新上路。

上述为此技术路线的先驱BetterPlace公司在2007年的一幅畅想场景。时至今日发展如何？

用户也可以选择成为BetterPlace的会员——每月预定购买一定的充电量，在此范围内，BetterPlace就不会再向你收取多余的费用，并会供应导航、网络等全方位的服务。

这听起来像是手机流量套餐。BetterPlace正是希望通过换电模式成为未来电动汽车世界的运营商——无论你购买的是哪家汽车厂商生产的电动汽车，都能够为你供应电池维护、更换和充电服务。但这笔巨大的生意还没等到照进现实的那一天，BetterPlace就因为盈利能力不足、规模扩张速度太慢而计划申请破产。而其创始人，出生于以色列的夏嘉曦(ShaiAgassi)在2012年底就已离开董事会，这恐怕也是他第一次让投资人失望。

BetterPlace在成立之初是坚定的“换电”派，认为这种模式一方面将电动汽车中最贵的部分——电池，从车身剥离出来，降低了购车成本，可加速电动汽车的推广。另一方面，换电比充电更省时。尤其对集团客户而言，可以更加有效地控制充电成本，当一辆车废弃时，也并不意味着电池也必须要一起被丢弃。

但这种业务模式承担着巨大的运作风险：通常要覆盖非常大的区域，才能满足电动汽车主的服务半径;假如要采用一种换电方法，动力锂离子电池的相关标准也要统一。BetterPlace此前一直致力于推广一套全球统一的电动汽车充电插口标准，但至今连个统一的国家标准都没有实现。

BetterPlace的推广也遇到了来自公司和政府的阻力。成立一年后，BetterPlace在以色列推出了第一个“电池屋”，但这并没有给投资者带来任何兴奋，反而是重重一击——硬件永远是用来“烧钱”的。BetterPlace只有750个司机用户，而建设和维护一个电池屋却要“烧掉”百万美元，更别提高昂的消费者和公司教育成本。

之后的运营情况越来越糟。根据BetterPlace的计划，用户通过BetterPlace购买电动汽车，并每月支付350美元租用电池和换电。但全球范围内，只有雷诺与BetterPlace签订了合作协议，供应10万辆FluenceZE电动汽车。

直到现在，这款车的销量不及计划的1%。雷诺汽车CEO戈恩更是公开宣称，“换电模式是死路一条(Adeadend)。FluenceZE将是雷诺最后一款采用换电模式的电动汽车。”

BetterPlace曾在2010年与奇瑞达成合作协议，共同开发可更换电池的电动汽车，以期获得我国地方政府的试点项目合同。但目前并未见任何合作成果。前美国汽车新闻我国分社社长Alysha认为：“我国公司对开发和生产纯电动汽车并不积极，因为政府在这个领域缺少实质性的、长远的承诺。至今为止，我国只有比亚迪在大量地生产纯电动汽车。而比亚迪对换电这种方法也不支持，因为比亚迪不希望自己的电池技术知识产权在这种操作模式下流失或被盗。”

在与能源方和政府的合作上，BetterPlace优先选择了面积较小的国家以色列和丹麦来进行试验，尤其是以色列给与了极大的支持，前任以色列总统甚至承诺夏嘉曦：“假如你筹到20亿美元的资金，汽车制造商愿意生产200万辆符合BetterPlace换电模式的汽车，我可以给你整个国家来投资。”

尽管如此，BetterPlace在以色列的销量也不足1000辆，丹麦更是只有几百辆。

BettePlace在2011年还与我国南方电网就换电模式签订了战略合作协议，彼时的南方电网也对外宣称，“我国电动汽车的未来趋势或以换电为主”。双方还在广州合作建立了体验中心。Alysha在分析其可行性时表示：“针对集团客户，电池置换的确是个很合适的解决方法，例如南方电网的内部用车，或出租车队，这可以更加有效发挥出换电模式的优势。但这取决于政府的政策倾向、汽车厂商的统一标准、消费者的接受度，变数太多。”

2012年，确定以充电路径为重要发展方向的国家《节能与新能源汽车产业发展规划》正式颁布后，BetterPlace又调转思路，将充电换电比例改为9:1。但双方的合作就此还是销声匿迹。

2013年二月，由于高投入无回报，BetterPlace停止其在美国加州的换电业务。美国政府也表示，将不会大力推广换电模式;离开加州后，Better-Place再度返回欧洲，重新进行欧洲市场的开发。但也无力回天。

三个多月后，尽管曾经手握12.5亿美元，BetterPlace最终还是宣告失败。而更多的说法是，这是换电模式的失败宣言。

一、换电技术的实现方式：

电动汽车的电池由电站供应，卖汽车的不用收电池钱，买车的不付电池钱只付电费。充电池内安装有芯片，换电公司将通过芯片了解到汽车的位置，以及汽车还有多少电量，从而提醒司机是否要充电，以及附近充电站的位置。充换电站将在夜间用电低谷时段对换下来的电池进行集中充电。新电池会用在电动汽车上，而旧电池则会用到储电站上作为储能装置，最后回收翻新再利用。

二、换电技术的正反方：

电网公司主打“换电池”

国家电网、南方电网、普天海油纷纷提出建设换电站的计划。

据国家电网总经理刘振亚介绍，国家电网已确定以换电为主、插充为辅、统一配送的商业运营模式。国家电网将尽快通过国家对公司充换电站建设模式和技术标准的鉴定认证，在经营区域内推广应用。将完成北京、杭州、天津、合肥、南昌等城市的电动汽车充换电服务网络建设。

南方5省电力供应商———南方电网公司，也明确表态：他们更倾向于电动汽车充、换电的商业运营模式，以更换电池为主、快慢充为辅；倡导在政府的主导下，电池生产厂家出台相关技术标准，南方电网出台支撑电动汽车产业化的综合服务体系。

欲抢占电动汽车充电基础设施市场的普天海油公司，一开始就倡导、推广换电池模式，通过电池组储能，晚上电力波谷时储能，白天再把储能器中的电销售掉。普天海油原相关负责人、电动汽车商业模式资深研究学者谢子聪接受专访时曾用“20字方针”来概括这种换电池为主的商业模式，即：裸车销售、电池租赁、充换兼容、智能管理、刷卡消费。这20字的前8个字，代表目前基础条件下，解决目前的电池消耗快、整车价格高、使用不方便、电池维护难等问题的方法；中间8个字“充换兼容、智能管理”，代表了这个模式的配套技术体系和工装设备的路线；最后4个字表示这个模式从消费者到生产公司再到配套服务公司形成共赢的一种保障。在杭州，普天海油和中海油联合投资上亿元，已经开始了换电模式的试点运营。

国家电网正在研究汽车充电、换电池的方法及相关标准，但这首先要国家出台相关的统一标准，预计在“十二五”期间肯定能出台。

汽车公司主打“插充式”

全国政协经济委员会副主任陈清泰曾表示：“插电式电动汽车更加符合我国发展的战略性新兴产业方向。”在目前的电动汽车市场上，插电式电动汽车和插电式混合动力车唱主角，换电式电动汽车很少见。

“假如投资足够大，大规模建设换电站是能够实现的。但是，能不能盈利就要打一个大大的问号了。”重庆长安新能源汽车公司资深技术专家段志辉对换电站能否出现经济效益表示怀疑，他认为建换电站是非常复杂的工程。

首先，从电池数量来看，A级车、B级车、C级车、D级车的电池容量是不相同的。即便换电站能估算出每天换电池的数量，每天前来更换电池的电动汽车级别比例却无法预估。因此，如何配置不同容量的电池满足各级别电动汽车的要，是一个很大的挑战。其次，从电池体积来看，电动汽车的电池基本在150斤到200斤，体积比较大，如何存放、装卸都是问题。再次，从电池的附件来看，一次性安装的电池与经常更换的电池的附件是不同的。比如有的紧固件、接插件用过一次就不能再次使用了。最后，从电池规格来看，要实现换电池的模式，必须对电池规格尺寸进行统一。不过，目前有关电池规格尺寸的标准还没有出台。

作为江淮汽车股份有限公司技术中心乘用车研究院项目的总监，吕召全也认为在短时间内电动汽车很难采用换电模式。原因有二：其一，从物理安装上来讲，换电池看起来是一件很简单的事情，实际上很复杂。除了要安装电池，电池的相关附件也要在更换电池时一起安装，现有的电动汽车技术是不可能实现这一点的。其二，从性能上来说，电控系统也很难实现换电模式。因为汽车公司要对汽车进行各种各样的标定，包括对电池的标定、程序的控制，这些是不可能通过更换一个电池就能搞定的。

吕召全说：“江淮汽车曾经也有过研发换电式电动汽车的想法。根据多方研究论证，我们认为换电模式可能会是未来电动汽车的发展方向，但在短时间内不可能实现。”

三、试验性的开展：

1、电动汽车顺势换电技术：

肇庆国家高新技术产业开发区引进了一家民营新能源汽车公司，开发出了一套以电动汽车快速换电为核心技术的顺势换电平台产品，给一辆电动汽车换一套电池的时间比给一辆汽油汽车加油的时间还短。

一位工作人员掀开吉普车上的篷布，递给记者一张卡，让记者在操作台上刷一下，并让记者开始计时。很快，换电槽里升起一台升降机，托着三根方柱体电池停在吉普车前，随后，三根电池被顶进吉普车底盘上预留的三个电池方筒中，升降机落回原处。同时，吉普车上原有的三根方柱体电池被从车后部顶出，落在另一台升降机上，升降机落下后，电池被送入充电器充电。整个换电池过程大概持续了半分钟。“换电的标准时间是28秒”梅森说。“比加满一箱汽油的时间还快。”黄强说。

电动汽车换电技术重要有两种，一种是底部换电技术，一种是侧面换电技术。底部换电多用于乘用车，即电池安装在车辆底部，换电设备固定在沟槽或台架上。换电池时，将车辆开到沟槽或顶升到台架上，换电设备升起，将安装在汽车底盘下部的电池摘取下来，移送到一旁的充电机上充电。然后取出充好电的电池，返回汽车底盘下安装就位，一个换电流程就结束了。换电时间大约要15-20分钟。侧面换电方式多用于大客车，即换电设备置于车辆侧面，采用插抽方式对置于车辆行李箱部位的电池进行更换。

这两种换电方式的特点是，车辆基本保持传统汽车结构不变，电机、电控、电池布置在原车辆发动机舱、后备廂、底盘或行李箱位置，车辆性能基本不受影响。缺点是一台换电设备要完成取送旧电池、换取新电池两个程序，换电行程长，时间也长。

梅森的顺势换电技术是他的个人发明专利，该技术可通过路面底下预设的自动感应快速升降系统，自动完成电动汽车电池的更换。该系统包括智能化运营服务管理系统、充放电管理系统、电池包维护系统、车辆维护保养系统等完善的充换电配套设施。独特之处是用两台升降机操作，新电池从前边进，旧电池从后边出，新电池的进入就位、旧电池的解锁退出一个程序完成，大大简化了换电程序，缩短了换电时间。

这套换电系统的机械设计结构简单，相应地简化了电动汽车的底盘结构，标准化的电池包可实现多种电动汽车电池槽位的通用化。该电池包能够支持不同类型的电池，具有很宽的兼容性和可拓展性。换电站实现了电动汽车换电过程全自动无人值守，能够人不离车快速换电，认证计费等过程通过运营信息系统完成。

顺势换电技术的成功，又基于梅森的另两个发明专利：四轮轮毂驱动电机和电动汽车通用底盘。四轮轮毂驱动电机安装在4个车轮上，能够分别输出不同的动力和速度，使得车辆重心均匀分布。该技术去除了发动机、变速器等传动机构，可以充分利用底盘空间设置电池槽，去除差速器，降低了车辆结构的复杂程度。在此基础上，梅森开发出了拥有自主知识产权的电动汽车通用底盘，有几个特点：一是安全防火，底盘的标准配置是贯穿于整个车辆底部的五根或三根标准化柱状型高强度钢电池槽，与电池槽配套的方柱状型电池包分置于电池槽内，电池槽、电池与底盘结为一体，增强了底盘的强度。若车子发生碰撞，电池被动移位可吸能，减少了碰撞出现的惯性力，同时，电池在电池槽内移位，两端正负极移位断开，电池也不会起火燃烧。二是防水，电池槽、电池包都是全密封的，即使在深泡在道路积水中，也能保证为车子供应动力。三是兼容使用各类电池，与通用车辆底部电池槽配套的电池包，是一个工业标准化通用尺寸的电池包（我们形象地称它为“电池集装箱”），可以装置目前世界上广泛使用的锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍氢电池、镍铬电池、水平铅酸电池等等电池组，让消费者选择使用。四是车辆轻量化，抛弃了传统汽车发动机、变速器等配置的汽车的重量大幅度下降，充电站库房一角停放的2辆F1电动跑车的车身重量仅为500公斤，那辆梅森为父亲开发的吉普车的重量约700公斤。更巧妙的是，该底盘技术能够根据车辆续驶里程的要调整电池数量，单根电池包充满电后，续航里程约100公里，可以用5根，可以用3根，也可以用1根。

建站设备投资大约300万元左右，这个充电站具有充能、换能、储能三大功能，换下来的电池包，可以利用夜间电网用电低谷、低电价时充电，储存到白天高电价时卖出，也可独立储存风能、太阳能。

2、中科力帆开发的LF7002CEV纯电动轿车底盘换电技术。

已于2014年四月十六日取得了国家知识产权局实用新型发明专利。该项底盘换电技术是国内首创，改善了新能源汽车单次充电续航里程的问题。上海中科力帆电动汽车有限公司(以下简称“中科力帆”)由重庆力帆乘用车有限公司、我国科学院电动汽车研发中心(暨上海中科深江电动汽车辆有限公司)共同投资组建，是中科院电动汽车相关学科领域单项与整车集成技术的验证平台，更是最重要的产业化对接平台。

中科力帆开发的LF7002CEV纯电动轿车底盘换电技术，已于2014年四月十六日取得了国家知识产权局实用新型发明专利。该项底盘换电技术是国内首创，改善了新能源汽车单次充电续航里程的问题。首创的自动调节触点连接器提高了高压电底盘对接的可靠性(防水性能达到IP67)，解决了新能源汽车能源补充时间长的问题，并在3分钟内更换完电池包，车辆可快速补充电能。

3、许继旗下的电动汽车充电事业部成立于2010年三月，下设许继电源有限公司和许继驭能电气有限公司。这两个公司的主营业务是为电动汽车充换电站和规模化储能电站供应整体解决方法，并为客户供应关键设备的设计与制造以及工程服务。

4、新乡新能电动汽车有限公司开发的“底盘换电”技术和商业模式，使电动汽车换电比加油还便捷，为推动我国新能源汽车加速发展探索出了一条新路。

从2011年十二月至今，我市100辆纯电动出租车上路营运已经一年半。这些纯电动出租车单车平均行驶9万多公里，累计行驶里程超过900多万公里，经历了春、夏、秋、冬四季各种气候条件下的检验，证明其性能安全可靠，运行平稳。

这些车最高时速120公里以上，满电续航里程最高170公里，平均140公里。每公里耗电0.14千瓦时，成本仅0.31元，比燃油成本降低57%。所有示范运营车辆的运行数据，实时显示在新能公司充换电系统管理中心的大屏幕上，电池的电量、电压、电流、温度，电机转速等关键部件信息实时采集上传，执行全程安全监测。一年半时间运转良好，无安全事故发生，同时使广大消费者使用成本大大下降，经济与社会效益显著。

新乡换电式纯电动出租车示范运营实现了“三个突破”：一是技术创新的突破。新能汽车底盘换电式电动汽车是我国人自主研发的纯电动汽车技术，拥有完全自主知识产权，获得国家发明专利。二是运营量的突破。100台换电式电动出租车集中投入示范运行，这是世界上第一批有量的底盘换电式电动汽车投入商业运营。三是商业模式的突破。新乡换电式出租车示范运营建立了“车电分离、换电为主”的商业模式。

发现自己驾驶的车子发出电池电量不足警报，就驶到换电站，机械手伸到底盘下，旧电池取下，新电池就位，不到3分钟，打卡付费40元。

成功应用于国家电网的新乡振中街换电站，是国内第一家投入运营的“地盘换电”式电动汽车换电站。

四、换电技术作为主路线推广后对行业的影响

一旦使用“换电”模式，那么，意味着电池和汽车将成为独立分离的产品，每一辆车都在对应不同的电池。充电站将会主导这些电池的保管、使用和流通。将可能导致三个结果：

其一，汽车电池和汽车销售的渠道分离。4S店卖汽车，而电池将重要从充电站销售(也可能会是租赁的模式)。

其二，充电站逐步主导电池标准。一旦“换电”模式普及，充电站将影响电池配套商的标准(也可以通过官方公布一个强制性标准)。充电站完全有可能抛开主机厂，去和独立的电池供应商建立合作关系。或者干脆，自己来制造电池。

其三，充电站将有利于占领价值链的其他环节，例如服务和金融。例如电池租赁，电池保养，电池剩余电量的交易和回收。甚至是点对点送货上门、电子商务等多种可能性。假如电动汽车能够达到一定规模，这些衍生业务具有极大的想象空间。

五、换电技术的问题

（一）技术问题

在以换电为主的纯电动汽车试运行中，第一个电池储能核心技术没有取得突破，分析国内普遍使用的充电电池发现，电池存在体积大、笨重、储存容量小（相对而言），充电时间长，因此必须专门建设充换电站，充换电站要有足够的存放蓄电池空间场地，要配套建设自动控制系统，让机器人（机械手）帮助取、放和移动更换电池，频繁更换到汽车上的电池固定又带来新的运行缺陷，更换电池供应能源方式不科学（好比手机没电后频繁换电池，会带来诸多问题），还有在换电站内充电的电池要长达3-4小时充电时间，这种长时间慢充注定不能支持大量车辆运营要，对充电完成的每组电池参数进行严格检测筛选，再有每辆汽车更换的若干组电池要经过严格电压参数匹配，以保证电池使用寿命周期，更换放置到汽车上的电池必须固定良好、接触良好，目前公交和轿车固定电池方式，车辆运行要求公路路面平整，不适宜颠簸和震动运行，目前这种运营客车续航里程短。

（二）大规模车辆运行问题

一是充换电站建设问题，每辆公交车一般要配置九组蓄电池，通过机器人在两侧更换电池，每辆车充电模式不同，电池充电电量在80—300千瓦小时，大车一般1.5千瓦小时能够支持车辆运行1KM，小车0.3千瓦小时运行1Km，每次充换电后车辆行驶里程50——200KM，当夏季和冬季要启用车辆空调时，续航里程大打折扣，每组电池充电时间3-4小时，要满足几十辆，上百车辆运行必须建设相当规模的充换电站，要解决充换电池存放和车辆停放排队场地，还要配备相当数量人员管理、运行维护充换电站内设备和电池。

（三）管理问题

大规模换电车辆运行，必须考虑车辆购置、运行成本，后续管理和电池对环境的污染问题。一是车辆购入成本大幅度新增，以公交车辆为例，厂家每辆车售价约150—170万元，其我国家每辆财政补贴50万元，气电混合公交每辆100万元，国家补贴42万元，纯电动小轿车每辆30万元（其中电池大约10万元），国家补贴6—8万元，而传统燃油公交车辆燃油和燃气公交每辆售价大约在45万元左右，购车单位（者）要投入更多资金，可能带来商业运行的严重亏损或支出更高的运行成本。二是车辆运行成本问题，换电车辆和传统燃油车辆比较，充电电费与燃油运行成本基本持平，但电池使用周期结束后要投入巨额资金更换电池，附带换电站运行成本远大于加油站运行成本。三是后续运行管理问题，为了保证车辆运行，要新增专门的充换电站服务管理环节，车辆运行过程中涉及电池日常维护、充电换电池操作、车辆行驶过程中电池故障，如何保证夏季高温条件下电池散热和暴雨情况下防雨水进入（渗入）电气回路，换电站自身设备和站内电池安全问题不可忽视，还有斜坡（陡坡）起步和驻车问题。四是众所周知电池会带来更大的环境污染问题，国内电池使用周期一般5—7年，废旧电池如何处理，对环境出现的污染如何消除，还没有找到有效途径。

（四）统一问题

电动汽车身上还有更多待统一的东西，比如电池的制式，大小，无法统一大小容量、体积，但至少可以做成统一标准的小分格，就像铅酸蓄电池里的电池槽与电池格板格式统一，可以更换。这个问题要比充电接口问题更大：因为充电桩的建设无非就是南方电网和国家电网，生产商无非就是汽车公司，而电池生产商却真是太多了，规模、资质也多种多样，他们生产的电池，最终决定了整车厂的电池格式。

（五）消费者支持问题

电动汽车充电好还是换电好的争论也逐渐升温，争论的焦点集中在哪种方式能更多地节省消费者的时间，能更大地降低社会成本，能更好地利用夜间用电低谷时间充电等问题上。

六、国家顶层设计层面对此路线的态度

随着近日国务院正式公布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，近年来围绕新能源汽车的一系列争议也一锤定音。在技术路线之争上，新能源汽车规划敲定以纯电动汽车和插电式混合动力汽车作为战略方向，并兼顾普及混合动力汽车；而在至关重要的商业模式上，电网主推的换电模式被边缘化；备受争议的低速电动汽车则被完全否决。

换电池模式被边缘化

电动汽车推广一直存在充电和换电两种商业模式之争。换电模式的推手国家电网和南方电网，近几年来也积极建设电动汽车充换电站。去年初，国家电网首次提出“换电”模式，认为电动汽车的基本商业运营模式应为“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送”。

但换电模式在新能源汽车规划中最终被淡化。规划专门有一小章节论述“积极推进充电设施建设”，而对换电模式只是简单提及“探索新能源汽车及电池租赁、充换电服务等多种商业模式，形成一批优质的新能源汽车服务公司”。

据国家863“节能与新能源汽车”项目监理咨询专家组组长王秉刚向媒体介绍，《规划》制定初期，已经基本确定了“充电为主，换电为辅”的路径，但最后改了，并没有写明这一条。“换电模式基本上没有被提及，实际上它只成为一种实验性的模式存在未来的发展路径中。”

汽车分析师崔东树向南方日报记者介绍，电动汽车的量产初期一般是公交和出租使用，可以采用换电模式。但换电模式也将导致耽搁车主大量时间，以及不够安全等问题，也缺乏社会合力。

他还认为，换电模式是电池供应商和电网公司把电池的全部利益垄断。厂家只能按照电池的标准规格进行车辆设计和生产，无法实现消费者的个性选择需求，而且无法形成对电池供应商的优胜劣汰，垄断供应不利于电池技术的提升。

王秉刚也认为，假如充电时间过长，是可以采用换电模式的，所以在某些领域，也还是可以考虑使用的。但假如目前考虑换电模式，成本会新增。采用换电模式一台车平均要配1.7套电池，一个电池在充，另外一个电池在车上使用，成本还是太高。

一位比亚迪电动汽车经销商也向南方日报记者介绍，由于电池模块的一致性问题，在私人用纯电动汽车上，换电模式的弊端较为明显。而且，由于电池在车上的组装位置，也造成了换电池的不方便。

七．应用的方向

换电技术路线公共运输系统的采用性比较高。而民用上在更可能采用的是快充和慢充两种技术路线，这在顶层设计上已基本明确。

八．备电技术

对此种技术我只供应两组数据来说明。在目前可广泛应用的技术层面上：

1、一套整车动力锂离子电池的售价在10万元左右。

2、一套整车动力锂离子电池的重量在350KG左右。

所以从这两个数据上，要么在资金上备用不起、要么无设备的情况下换不上。个人认为商业化的路漫漫。