电动汽车充换电服务模式研究

聂规划，刘 畅，郭 萌

(武汉理工大学 经济学院，湖北 武汉 430070)

一、问题的提出

能源与环境问题是当今社会发展的重要议题。为缓解能源危机，减少环境污染，世界各国都推出了一系列电动汽车发展政策，保障电动汽车的市场化与规模化。美国自1976年起开始推动电动汽车发展，推出了《清洁空气法》、《电动汽车发展法案(草案)》、《推动电动汽车与充电设施的指导原则》等一系列政策对电动汽车科研开发、组织管理、基础建设、购车优惠等方面进行支持，推动了特斯拉、福特、通用等汽车商电动汽车的产量激增与技术革新，扩大了美国各地区电动汽车的普及率。英国联邦政府实施“伦敦电器化计划”，对电动汽车的研发提供了一系列补助，预计到2025年其电动汽车及其相关产业产值达1.1万亿美元。法国于2002年推出《电动汽车研究计划》，前后投资了5500万欧元用于电动汽车研发，截至2008年法国政府电动汽车补贴累计达23亿欧元。中国秉承科学技术是第一生产力的原则，坚持可持续发展路线，在电动汽车发展过程中紧跟时代步伐，国家自2001年起从国家整体战略与各地区发展特点出发，出台了《新能源汽车生产准入管理规则》、《国务院关于印发节能和新能源汽车发展产业规划(2012-2020)》、《国务院发展改革委关于电动汽车用电价格策略有关问题的通知》、《关于“十三五”新能源汽车充电基础设施奖励政策及加强新能源汽车推广应用通知》等一系列政策，从研发、补贴、充电基础设施等角度对电动汽车发展进行推进，计划2012—2020年累计投入1000多亿元，加速了电动汽车落产全国40个城市，同时提高了电动汽车的接受度与普及率。在各国的政策推动下，全球电动汽车销量规模不断增大，2013年在2012年的基础上增加了一倍，达40万辆，预计2050年将突破10亿辆，累计减少100亿吨二氧化碳排放[1]。

电动汽车是创新驱动战略推进的重要环节，是实现“中国蓝”的重要手段，虽然受到国家高度重视，扶持政策层出不穷，但其推广效果并不明显，除了研发技术问题外，影响其商业化与普及的关键在于如何创新充电服务模式，为电动汽车提供优质服务(充电或换电池服务)的同时降低服务成本。创新充电服务模式需要考虑到经济性、灵活性、便捷性、安全性等特点，才能有效促进电动汽车快速发展，这也是电动汽车推广发展中重要的研究课题。王辉[2]对比分析了我国现存的三种充换电设施运营模式的优缺点及适用的范围，主要包括政府主导型、企业主导型、用户主导型；张菁菁[3]利用合作博弈模型分析了政府、企业、用户之间的利益关系，研究了政府支持力度和充电价格的问题；Winkler[4]分析了德国两种不同类型充电站的主要结构和运营情况；Christensen[5]提出了一种新型的电动汽车充换电商业模式来促进丹麦电动汽车发展。

本文对电动汽车充电站服务模式相关研究进行分析，参考国内外充电站研究中的经验，以用户为中心，用户需求为导向，提出到点式的换电站服务模式，提高了换电站服务的灵活性，使得换电站服务场景多元化，为互联网+交通模式下，智能化、个性化的电动汽车换电池服务提供了参考。

二、电动汽车基础研究

(一)电动汽车类型

目前，电动汽车驱动模式有两种，全电能驱动与不完全电能驱动，根据驱动方式与驱动能源的区别，可将电动汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车三大类，三种电动汽车特点如表1所示。

表1 不同种类电动汽车特点

三种类型电动汽车其实是电动汽车发展不同阶段的产物，混合动力电动汽车是汽车由传统能源汽车向电动汽车过度的产品，与传统汽车相比大大降低了对石油等资源的依赖，一定程度做到了节能减排；纯电动汽车与燃料电池电动汽车是电动汽车发展中供电方式不同形成的两类分支，纯电动汽车运行中清洁无噪，其短板在于蓄电池的蓄电能力与充电方式以及电池寿命，燃料电池电动汽车利用燃料燃烧转化为电能，在续航能力与排污方面具有一定优势，但燃料电池的价格及稳定性等方面是制约其发展的重要因素。综上分析，电动汽车纯电力驱动的汽车在随着蓄电池材料更新，蓄电续航能力不断提升过程中拥有广阔的发展前景。

(二)电动汽车充电站类型

北京推出的《电动汽车电能供给与保障技术规范》，根据蓄电池的能力，配电容量，服务能力将充电站划分为4个等级[6]，如表2所示。

表2 充电站等级

等级划分是充电站选址定容的基础，按照现有的分级制度可知，一级充电站常规的储电能力不低于6 800kW·h，配电容量至少为5 000kW·h，每天能为至少200辆大中型商务车或200～500辆乘务车提供充电或换电池服务；二级充电站储电量为3 400～6 800kW·h，配电容量为3 000～5 000kW·h，日服务大中型电动汽车100～200辆或小型电动汽车200～500辆；三级充电站储电量为1 700 ～3 400kW·h，配电容量为1 000～3 000kW·h，日服务大中型电动汽车40～100辆或小型电动汽车100～200辆；四级充电站储电量不超过1 700kW·h，配电容量为1 000kW·h及以下，每天最多服务40辆大中型商务车或100辆小型乘务车。

三、到站式服务模式

现有的充电站服务模式是用户到充电站接收服务，称为到站式服务。到站式服务根据电动汽车的构造分为整车充电模式和非整车充电模式两种[7]，其中整车充电模式是蓄电池与汽车车身一体模式下的电动汽车充电方式，也称为插电模式；非整车充电模式是指蓄电池可以与车身分离的充电方式，此时的电池可以从车身分离进行充电与电池更换服务，两种模式特点如表3所示。

表3 整车充电模式与非整车充电模式特点

(一)整车充电模式

整车充电模式由于车与电池一体，只能采取充电方式进行供能，服务方式是充电桩充电，充电的方式主要有快充和普通充电两种方式[8]。充电站的资源形式是充电桩，建设受地理位置、电网布局等的约束；服务过程中按照充电量或者充电时间进行收费，利用电价差获利。

快充又称为直流快充，充电中利用150～400A的强电流对蓄电池进行电量补充，充电时间为15～30min，主要优势在于降低了充电时间，提高了服务点单位时间的充电服务能力；其缺点是选址布局受地理环境影响大，充电中的强电流加大了公用电网负荷，对电网产生巨大冲击，电池寿命短，安全性能差，建设成本较高，不适合大规模推广发展。

普通充电又称为交流慢充，以约15A的正常电流为电动汽车充电，充电时间为6～10h，主要优势在于建设成本低，充电功率相对较低，对充电设备设施的要求较低，提高了电动汽车蓄电池的使用次数，同时不会对电网的输送产生极大冲击，降低了充电成本；其缺点在于充电时间长，服务应急性差，对充电站的空间规模有更高的要求。

对整车充电的两种充电模式以其关键因素进行对比分析，具体内容如表4所示。

表4 快充与普通充电特点对比

(二)非整车充电模式

非整车充电模式是随着电动汽车发展而形成车与电池分离下出现的服务模式，电池可从电动汽车上拆卸下来，用户可以根据自身需求选择充电服务或换电池服务。非整车充电模式按照能源获取方式可以分为充电模式和换电池模式[9]。

1.充电模式。充电模式与整车充电模式类似，也可以选择快充和普通充电两种方式，但充电的专业化要求高，换电池需求就是用户直接从充电站获取电池进行快速更换。

2.换电池模式。换电池模式是直接更换充好电的电池箱，平均操作时间3～5min，这种模式很大程度上提高了电动汽车的获取能源方便性和快捷性，提高了电动汽车使用效率。换电模式中由于电池归属不同可以细分为电池租赁模式与电池交换模式。

3.电池租赁模式。电池租赁模式中车与电池所有权分离，用户购买裸车，从充电站租用电池，当电动汽车驱动电能不足时，去充电站更换已充满电的电池，并对电池进行维护与保养。

4.电池交换模式。电池交换模式是基于电池租赁模式形成的网络化充电服务模式，用户与电池供应商建立长期合作关系，电池供应商建立大量的充电站为用户提供充电服务或换电池服务。两种模式特点如表5所示。

表5 电池租赁模式与电池交换模式特点

针对站点服务功能特点，衍生出充换电模式与集中充电统一配置模式两种服务模式[10]。

5.充换电模式。充换电模式是整车充电模式随着车与电池分离产生的一种模式，随着电动汽车的发展，鉴于充电模式充电时间长，建设局限大等原因，充电服务模式逐渐发展为换电池服务模式，原有的充电服务模式下的充电站发展为“换电池为主、充电为辅”的新模式。充电站在原来充电模式的基础上增加换电池服务，用户可以根据需要选择合适的服务。充换电站由于其服务的多样性，需要同时配备充电装置与电池更换装置，维护成本高，建设成本大，选址布局受地理环境与电网约束严重。

6.集中充电统一配置模式。集中充电统一配置模式只为电动汽车提供换电池服务，换电站将换下来的电池送往电池集中充电站进行充电与专业维护，电池集中充电站将充好电的电池送返相应的换电站等待服务，如图1所示。集中充电统一配置模式下，由集中充电站对电池进行集中充电，之后将充好的电池配送到换电站，保障换电站的相关服务。该模式优点：实现了电池的规模化管理，可定期对充电池进行维护保养，提高电池的寿命与安全性；换电站不需要配备充电设备，建设面积小，选址布局不受地理环境与电网约束，运营成本低；电池集中充电站采用普通充电模式充电，可避开用电高峰，减小对电网的负载。

图1 集中充电统一配送模式

(三)整车充电模式与非整车充电模式对比分析

整车充电模式与非整车充电模式的核心区别在于是否具备换电池功能，分别从电池维护、经济性、电网冲击、商业运营、站点建设、投资模式六个方面对这两种模式的核心部分进行比较，具体如表6所示。

表6 整车充电模式与非整车充电模式对比分析

四、到点式服务模式

(一)到点式服务模式描述

随着电动汽车技术、设备及管理体系的发展与完善，充电站商业化服务逐渐形成“通用化、智能化”的趋势，换电池模式的优势日益突出，统一充电集中配送的换电池模式将成为未来主流的服务模式。目前充电站的服务都是到站式服务，用户需要到充电站接收服务，服务的灵活性较差。随着电动汽车接口标准化与电池通用性提升，电池更换技术要求逐渐降低，用户需求逐渐趋于多样化，到站接收换电池服务的模式将会被打破。本文总结了现有的充电站服务模式特点，以统一充电集中配送模式为基础，借鉴物流、外卖等配送相关思路[11]，提出了到点式的换电站服务模式。到点式的换电站服务模式是到站式服务模式的发展与延伸，换电站根据用户需求点的电池种类与数量要求进行移动化服务，如图2所示。

图2 到点式的换电站服务模式示意图

到点式的换电站服务模式下的电池资源是可以移动的，用户可以根据需求选择在需求点或换电站进行换电池服务，模式中主体为四个部分：电池供应商、电池集中充电站、换电站、用户。换电站利用运输工具将需求点所需电池运输到需求点，进行电池更换服务；需求点的问题电池(无电或者有故障的电池)被换电站带回集中返还到电池集中充电站进行充电及维护检修；电池集中充电站将充好电的电池运输到换电站，为换电站服务能力提供保障；换电站根据用户需求量变化调整电池资源池，选择不同的电池供应商构建新的电池资源池，为用户提供及时有效的服务；电池集中充电站的问题电池返还电池供应商进行更换与维修，以保证电池的安全性。此时，电动汽车换电池接口标准化程度高，电动汽车电池不受汽车型号约束(同一种电池可以被应用于不同类型的电动汽车中)，续航能力由电池种类决定。到点式的换电站服务模式主要优点有：一是服务的灵活性，换电站的电池资源可以为服务范围内的用户提供配送式服务，极大程度地提高了换电站服务的灵活性，同时也为用户提供了更多的服务选择；二是电池安全性能高，到点式的换电站服务模式下实现的是基于电池供应链的服务，电池在换电站中循环使用，及时进行维护检修，保障了电池的安全性与可用性；三是电池利用率高，到点式的换电站服务模式下基于用户需求对换电站进行资源配置，提高了换电站资源的利用效率，从而降低了充换站电池储存成本。

(二)到点式服务模式应用场景

现实的电动汽车运行环境非常复杂，互联网与智能技术的渗透使得用户对电动汽车换电池的需求趋于多元化、个性化，到点式服务能够适应“互联网+交通”环境下，用户对换电站的服务需求，如图3所示。

图3 “互联网+交通”环境下的换电站服务示意图

电动汽车服务需求具有及时性、多样性的特点，到点式的换电站服务模式在此情形性更能发挥其移动、灵活的优点。互联网+交通环境下，用户可以根据表盘显示的电量判断电动汽车的续航时间与续航距离，以此为依据搜索续航到达点附近范围内的换电站，选择合适的服务预约点，分析路况判断到达预约点需要的时间；然后将预约点的位置信息、自身所需的电池种类与数量信息及服务时间信息发送到换电站的服务信息系统；换电站对用户的需求信息进行处理，将合适种类、合适数量的电池在用户预约时间之前到达服务点，为用户提供换电池服务，将用户的问题电池带回集中送往电池集中充电站进行充电或检修；用户对服务的情况进行评价；换电站对用户服务评价进行分析，便于了解用户的需求特性，分析现有电池资源池与市场用户需求的匹配度，从而指导换电站对电池资源池的调整。

随着互联网布局的升级，车联网更加成熟，到点式的换电站的服务趋于智能化，换电站可以通过路网监测了解其服务半径范围内电动汽车的流量，再通过物联网技术监测电动汽车电池状况，通知用户进行服务，并提供相关服务方案，在合适的时间段内送至服务点进行服务，解决了电动汽车的电池问题，减少了服务等待时间，提高了电动汽车的运行效率和换电站的服务效率。

五、两类换电服务模式比较分析

换电站的运营过程为：电动汽车产生更换电池的需求，用户通过信息系统查找就近的换电站，选择服务类别(到站式服务或到点式服务)；电动汽车到达电池更换区域(或预约上门进行服务)，先对电池进行故障检测，然后更换蓄满电的动力电池；更换后的电池如果检测没有故障就放入充电区进行充电，若有故障，则先送专业人员维修，再另行充电；电池充满电后根据需求配置到各个换电站，等待下一次更换。整个过程主要可以分为四大部分进行：服务预约、电池更换、电池充电、电池配置。

到站式的换电服务步骤可详细描述为：

Step1：更换请求。为了更加快速地完成电池的更换任务，需要进行电池更换的电动汽车可以依靠信息系统向换电站发出请求，换电站接受到请求后及时备好蓄满电的电池，并准备好换电设备和其他服务设施。

Step2：车辆进入换电站。车辆发出电池更换请求之后，按照一定路线将车辆驶入换电站，根据调度指令指定的停靠车位将车辆行驶到准确的换电位置，排队准备接受换电服务。

Step3：更换电池。在电池更换之前，为了保证用户和运营商之间的利益，以及防止出现故障问题后产生不必要的纠纷，需要读取动力电池车载监控的历史故障记录，检查动力电池在行车过程中是否曾出现过故障，并进行判责；故障诊断之后，遵循一定的操作规程进行电池更换操作；最后将换下来的电池合理处置之后进行充电。

Step4：服务结束。换电服务结束，车辆驶出换电站，更换下来的电池进入充电状态并准备进行下一轮更换。

到点式的换电服务是移动化的服务模式，不需要用户到达换电站，并且免去了排队时间，只需要预约服务并接受服务，其与到站式的换电服务模式比较如表7。

表7 两类换电服务流程表

六、结 语

电动汽车充电问题是制约其推广普及的主要瓶颈之一，现有以用户到站接受服务为主的电动汽车充电服务模式存在充电时间长，充电困难，充电站资源效用差，用户满意度低等一系列问题，已严重阻碍了电动汽车的推广普及。针对现有问题本文提出了换电站到点式服务模式，解决了充电站建设对电网布局的依赖，降低了服务时长与用户等待时长，提高了电动汽车运行效率。同时本文设计的“互联网+交通”环境下换电站到点式服务模式的应用场景，也印证了到点式服务模式的先进性。