充换电基础设施充电模式与换电模式发展浅析

唐 川

(成都市规划设计研究院，四川 成都 610094)

1 概述

目前全球均处于充换电设施建设运营的探索阶段，所以对于发展充电模式还是换电模式一直存在争论。已有不少国家、地区乃至不同的公司都在积极探索和实践；同时一些学者也在进行相关研究并提出不同的观点，但尚未有明确的定论，如雒焕强认为应主要发展充电模式[3]，寇亮认为应主要发展换电模式[4]。

充电模式和换电模式需要不同的技术支撑，不同的模式将对电动汽车使用、充换电设施体系、设施布局、建设运营与管理模式、配套的产业等产生重要影响，因此每个城市在建设电动汽车配套基础设施时均需要考虑发展模式，以提升城市资源使用效率、在时间和空间上节约社会成本。因此论文将从便捷性、技术统一性、建设与运用适宜性、用户便捷性以及案例实证来对两种模式进行多纬度的对比分析，以为国内各城市电动汽车充换电基础设施的规划建设提供借鉴。

2 现阶段充电模式相比换电模式更具优势

2.1 便捷性

时间上，换电模式目前具有领先性，但随着技术的发展，两者的差距在逐渐缩小。采用换电模式通常需要0.5 min～3 min，花费时间较短，用户体验与内燃机车加油相近。充电模式主要通过充电桩对汽车进行充电，可采用慢充方式和快充方式。慢充一般需6 h～8 h；采用快充方式，约30 min可充至80%；若采用超级快充技术，可在5 min内充满70%的电量。

空间上，充电模式具有更多的灵活性。理论上，只要有车位的地方，均可安装充电桩对车辆进行充电：如住宅、工作地点、休闲娱乐场所、购物中心、公共充电站等，人们可根据自己的出行安排灵活选择。而换电模式一般需要电动汽车到相关站点进行，换电地点的选择与加油加气站类似。

2.2 技术标准统一性

任一模式均需要相应的技术支撑，其推广与普遍运用的前提是统一的技术标准。

我国从2006年提出研究充电技术标准到2015年发布《电动车充电接口和通信协议》共历时10年，而换电涉及的标准尚待统一。换电标准的不统一会对采用不同电池标准的车辆共用电池造成影响，使得换电站的建设成本上升。参考充电技术标准统一时间，排除其他因素影响，换电技术标准统一时间大约需要10年。换电模式标准的统一将对我国汽车产业整车设计、装备、制造提出更高的要求，若同时考虑充电模式的竞争，换电技术标准统一的时间将会更长,见图1。

2.3 建设与运营的市场适宜性

不同的模式需要匹配不同的投资建设、运营与管理模式，并具备不同的基础条件。

充电模式主要通过充电桩实现。充电桩设置灵活，占用空间小，有停车位的地方均可安装。充电桩可以通过购买或租赁的方式获得。因为充电桩价格较为便宜(价格约1万元)，各城市已经出现了众多充电桩运营企业(如上海普天、特来电等，通过安装公共充电桩、提供充电服务获得收益)提供充电桩安装租赁解决方案服务。

换电模式主要通过换电站更换电池实现，这就要求汽车上的和换电站内的电池物权统一。而目前一辆电动汽车最大的成本便是电池，约占整车成本的1/3～1/2。根据国内外经验，采用换电模式时一辆电动汽车共需准备三块电池。按照国产电动乘用车(含电池)均价约20万元、电动汽车保有量占机动车保有量2.5%(2020年国家发展目标)，并假设某一城市机动车保有量200万辆计算，采用换电模式需另外准备的电池数量约为10万块，仅电池采购费就需约100亿元。同时还需购买土地、配套电池更换系统、充电架、电池箱存储设备和电池更换设备等，初期投资巨大。我国正处于电动汽车的初期阶段，如若要保持目前内燃机车的行驶特征不变，须在全国大多数城市推广使用换电模式，并统一物权，其投资成本鲜有公司能够承担，这将极大阻碍民间资本进入充换电设施领域，阻碍我国充换电基础设施的发展。

所以在现阶段充电模式适宜性较好，而换电模式适宜性相对较差。但是对于一些特定的、对时间比较敏感的领域——如公交车、出租车等领域——换电模式具有一定的适宜性。

2.4 用户经济性

采用充电模式，用户购车需要包含电池，后期安装充电桩，仅须支付电费，购车成本较高，使用成本较低。

采用换电模式，需同时发展电池租赁行业。在此前提下，用户可仅购买裸车(不包含电池)，从而降低购车成本。在用车过程中，除充电费用外，用户还是需支付电池租赁费，使用成本较充电模式高(见表1)。

3 国内外案例证明充电模式更易在市场条件下取得发展

3.1 公司实证

国际上采用充电模式与换电模式的影响较大的公司分别是特斯拉(TESLA)和美好世界(BETTER PLACE)两个公司。

特斯拉公司从电动汽车研发之初，同时开发了充电技术和换电技术，并同时投入市场。其中换电技术推广困难，使用率低，最后被放弃；而充电技术推广快速，现已在世界各洲广泛推广使用其最新的超级充电技术，见图2。

美好世界公司在成立之初便是换电模式的坚定推进者。在2007年—2012年共取得渣打银行、通用集团、以色列集团、摩根士丹利等公司及各地政府配套，获得投资总额约10亿美元～12亿美元。2007年—2011年与以色列、丹麦、美国加州、德州三角、夏威夷、澳大利亚、韩国、加拿大安大略、中国大陆、法国等国家和地方政府进行谈判、签订合作协议。最终因亏损严重，于2013年破产。

表1 充电模式与换电模式对比一览表

3.2 城市实证

与国内外公司的发展相似，国内各城市采用的模式也不尽相同，深圳为充电模式的典型代表，杭州为换电模式的典型代表。通过对深圳市和杭州市充换电模式发展的实践进行分析，可以直观了解目前两种模式在国内的发展情况。

截至2015年年底，深圳市已建成充换电站2座、充电站约200座、充电桩约24 000个。通过基础设施的建设，带动了电动汽车的发展。截至2016年年底，深圳市机动车保有量达3 225 879辆，其中新能源汽车保有量达80 828辆，新能源汽车占比达2.5%。新能源汽车中，纯电动汽车44 099辆，插电式混合动力及其他类型新能源汽车36 729辆，电动汽车占汽车保有量的比例为1.21%，全国排名第二，仅次于上海市。深圳市计划通过将充电桩建设纳入《深圳市城市规划标准与准则》、加强充电设施财政补贴、引入建立了投资回报机制等措施，进一步加快充电设施的发展。

杭州市从2010年开始建设换电设施，并于2014年开始同步建设充电设施，至2016年年底，杭州市共建成换电站27座，充换电站6座，充电站2座，形成换电设施占绝对主导地位的格局。截至2016年年底，杭州机动车保有量约229万辆，其中电动汽保有量约2.3万辆，占汽车保有量的0.98%，低于深圳市的1.21%。根据2015年7月获批的《杭州电动汽车充电设施近期布点规划》，杭州将新增充电站25座，新建分散布局的充电桩3 500个；新建的商务办公楼、住宅、酒店宾馆、超市卖场等民用建筑工程项目和自走式城市公共停车场，按不低于停车位总数10%的比例，配建充电桩位或预留充电设施接口。可以看出，杭州市已经开始由换电模式占主导地位转向重点发展充电模式。

3.3 小结

综上所述，按照政府引导、市场主导的原则，结合充电模式和换电模式的特征，在电动汽车、充换电设施推广的初期，充电模式更适宜。

4 未来一段时期内充电模式将继续保持相对发展优势

充换电模式相关技术的发展，将通过影响便捷性、技术标准统一性、建设与运营适宜性、用户经济性而对未来充电模式和换电模式的发展起着至关重要的作用，主要包括电池技术、充电技术和换电技术。

4.1 充换电模式相关技术发展概述

1)电池技术。

国内外正在展开第四代电池技术的研究，具有代表性的是锂空气电池(含石墨烯)和石墨烯表面介导超级电池，这两种技术具有重量小、容量大、充放电快等优点，且已经在实验室实验中取得一定进展。若第四代电池技术实验取得完全成功，那么采用第四代电池技术的电动汽车将拥有更轻的车身、更远的续航历程和更短的充电时间，这将对电动汽车行业产生革命性影响。

2)充电技术。

目前国内外的充电技术主要分为两类：刚性充电技术和柔性充电技术。刚性充电技术包括交流慢充技术和直流快充技术。柔性充电技术包括柔性快充技术和超级快充技术。目前普遍采用的技术是交流快充、直流快充，同时柔性快充也正在逐步推广。

日本JFE Engineering、以色列StoreDot等多家公司均研制发布了超级快充技术，3 min即可充满电池电量的50%，5 min充满电池电量的80%。该技术正在由研发成果向应用成果转化，未来该技术普遍投入使用后，将大大提高电动汽车充电体验，极大缩小充电时间与换电时间的差距。从而提高充电模式对换电模式的竞争力，见图3。

3)换电技术。

换电技术是通过换电装置或者人工对汽车上的电池组进行更换实现。到目前为止，换电技术主要解决了电池卸下和装载时保持电池与汽车连接稳定性的问题，在充电体验、充电效率上并没有明显的提升。

4.2 未来充电模式与换电模式的对比分析

在未来随着科技的进步，电池技术、充电技术和换电技术的发展对便捷性、技术标准统一性、建设与运营适宜性、用户经济性将产生较大影响，并有利于充电模式的发展(见表2)。

表2 电池技术、充电技术、换电技术影响分析一览表

5 结语

通过现阶段和未来可预见的一段时期内，充电模式和换电模式在便捷性、技术标准统一性、建设与运用适宜性、用户经济性等几个方面，以及案例实证分析，可以得出：在电动汽车普及的现阶段及未来可预见的一段时期内，充电模式将是主要模式。各城市充换电基础设施建设发展的具体策略应结合其电动汽车规模结构及其使用特征进一步分析论证，同时在空间规划上进行空间资源的预留和控制，以在政府引导的模式下，真正实现市场主导，使社会资本在城市电动汽车基础服务方面可持续地参与和发展。