充換電基礎(chǔ)設(shè)施充電模式與換電模式發(fā)展淺析

唐 川

(成都市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610094)

1 概述

目前全球均處于充換電設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)的探索階段，所以對(duì)于發(fā)展充電模式還是換電模式一直存在爭(zhēng)論。已有不少國(guó)家、地區(qū)乃至不同的公司都在積極探索和實(shí)踐；同時(shí)一些學(xué)者也在進(jìn)行相關(guān)研究并提出不同的觀點(diǎn)，但尚未有明確的定論，如雒煥強(qiáng)認(rèn)為應(yīng)主要發(fā)展充電模式[3]，寇亮認(rèn)為應(yīng)主要發(fā)展換電模式[4]。

充電模式和換電模式需要不同的技術(shù)支撐，不同的模式將對(duì)電動(dòng)汽車使用、充換電設(shè)施體系、設(shè)施布局、建設(shè)運(yùn)營(yíng)與管理模式、配套的產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)生重要影響，因此每個(gè)城市在建設(shè)電動(dòng)汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)均需要考慮發(fā)展模式，以提升城市資源使用效率、在時(shí)間和空間上節(jié)約社會(huì)成本。因此論文將從便捷性、技術(shù)統(tǒng)一性、建設(shè)與運(yùn)用適宜性、用戶便捷性以及案例實(shí)證來(lái)對(duì)兩種模式進(jìn)行多緯度的對(duì)比分析，以為國(guó)內(nèi)各城市電動(dòng)汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)提供借鑒。

2 現(xiàn)階段充電模式相比換電模式更具優(yōu)勢(shì)

2.1 便捷性

時(shí)間上，換電模式目前具有領(lǐng)先性，但隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者的差距在逐漸縮小。采用換電模式通常需要0.5 min～3 min，花費(fèi)時(shí)間較短，用戶體驗(yàn)與內(nèi)燃機(jī)車加油相近。充電模式主要通過(guò)充電樁對(duì)汽車進(jìn)行充電，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，約30 min可充至80%；若采用超級(jí)快充技術(shù)，可在5 min內(nèi)充滿70%的電量。

空間上，充電模式具有更多的靈活性。理論上，只要有車位的地方，均可安裝充電樁對(duì)車輛進(jìn)行充電：如住宅、工作地點(diǎn)、休閑娛樂(lè)場(chǎng)所、購(gòu)物中心、公共充電站等，人們可根據(jù)自己的出行安排靈活選擇。而換電模式一般需要電動(dòng)汽車到相關(guān)站點(diǎn)進(jìn)行，換電地點(diǎn)的選擇與加油加氣站類似。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性

任一模式均需要相應(yīng)的技術(shù)支撐，其推廣與普遍運(yùn)用的前提是統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)從2006年提出研究充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)到2015年發(fā)布《電動(dòng)車充電接口和通信協(xié)議》共歷時(shí)10年，而換電涉及的標(biāo)準(zhǔn)尚待統(tǒng)一。換電標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一會(huì)對(duì)采用不同電池標(biāo)準(zhǔn)的車輛共用電池造成影響，使得換電站的建設(shè)成本上升。參考充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一時(shí)間，排除其他因素影響，換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一時(shí)間大約需要10年。換電模式標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一將對(duì)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)整車設(shè)計(jì)、裝備、制造提出更高的要求，若同時(shí)考慮充電模式的競(jìng)爭(zhēng)，換電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng),見(jiàn)圖1。

2.3 建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的市場(chǎng)適宜性

不同的模式需要匹配不同的投資建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與管理模式，并具備不同的基礎(chǔ)條件。

充電模式主要通過(guò)充電樁實(shí)現(xiàn)。充電樁設(shè)置靈活，占用空間小，有停車位的地方均可安裝。充電樁可以通過(guò)購(gòu)買或租賃的方式獲得。因?yàn)槌潆姌秲r(jià)格較為便宜(價(jià)格約1萬(wàn)元)，各城市已經(jīng)出現(xiàn)了眾多充電樁運(yùn)營(yíng)企業(yè)(如上海普天、特來(lái)電等，通過(guò)安裝公共充電樁、提供充電服務(wù)獲得收益)提供充電樁安裝租賃解決方案服務(wù)。

換電模式主要通過(guò)換電站更換電池實(shí)現(xiàn)，這就要求汽車上的和換電站內(nèi)的電池物權(quán)統(tǒng)一。而目前一輛電動(dòng)汽車最大的成本便是電池，約占整車成本的1/3～1/2。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，采用換電模式時(shí)一輛電動(dòng)汽車共需準(zhǔn)備三塊電池。按照國(guó)產(chǎn)電動(dòng)乘用車(含電池)均價(jià)約20萬(wàn)元、電動(dòng)汽車保有量占機(jī)動(dòng)車保有量2.5%(2020年國(guó)家發(fā)展目標(biāo))，并假設(shè)某一城市機(jī)動(dòng)車保有量200萬(wàn)輛計(jì)算，采用換電模式需另外準(zhǔn)備的電池?cái)?shù)量約為10萬(wàn)塊，僅電池采購(gòu)費(fèi)就需約100億元。同時(shí)還需購(gòu)買土地、配套電池更換系統(tǒng)、充電架、電池箱存儲(chǔ)設(shè)備和電池更換設(shè)備等，初期投資巨大。我國(guó)正處于電動(dòng)汽車的初期階段，如若要保持目前內(nèi)燃機(jī)車的行駛特征不變，須在全國(guó)大多數(shù)城市推廣使用換電模式，并統(tǒng)一物權(quán)，其投資成本鮮有公司能夠承擔(dān)，這將極大阻礙民間資本進(jìn)入充換電設(shè)施領(lǐng)域，阻礙我國(guó)充換電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

所以在現(xiàn)階段充電模式適宜性較好，而換電模式適宜性相對(duì)較差。但是對(duì)于一些特定的、對(duì)時(shí)間比較敏感的領(lǐng)域——如公交車、出租車等領(lǐng)域——換電模式具有一定的適宜性。

2.4 用戶經(jīng)濟(jì)性

采用充電模式，用戶購(gòu)車需要包含電池，后期安裝充電樁，僅須支付電費(fèi)，購(gòu)車成本較高，使用成本較低。

采用換電模式，需同時(shí)發(fā)展電池租賃行業(yè)。在此前提下，用戶可僅購(gòu)買裸車(不包含電池)，從而降低購(gòu)車成本。在用車過(guò)程中，除充電費(fèi)用外，用戶還是需支付電池租賃費(fèi)，使用成本較充電模式高(見(jiàn)表1)。

3 國(guó)內(nèi)外案例證明充電模式更易在市場(chǎng)條件下取得發(fā)展

3.1 公司實(shí)證

國(guó)際上采用充電模式與換電模式的影響較大的公司分別是特斯拉(TESLA)和美好世界(BETTER PLACE)兩個(gè)公司。

特斯拉公司從電動(dòng)汽車研發(fā)之初，同時(shí)開(kāi)發(fā)了充電技術(shù)和換電技術(shù)，并同時(shí)投入市場(chǎng)。其中換電技術(shù)推廣困難，使用率低，最后被放棄；而充電技術(shù)推廣快速，現(xiàn)已在世界各洲廣泛推廣使用其最新的超級(jí)充電技術(shù)，見(jiàn)圖2。

美好世界公司在成立之初便是換電模式的堅(jiān)定推進(jìn)者。在2007年—2012年共取得渣打銀行、通用集團(tuán)、以色列集團(tuán)、摩根士丹利等公司及各地政府配套，獲得投資總額約10億美元～12億美元。2007年—2011年與以色列、丹麥、美國(guó)加州、德州三角、夏威夷、澳大利亞、韓國(guó)、加拿大安大略、中國(guó)大陸、法國(guó)等國(guó)家和地方政府進(jìn)行談判、簽訂合作協(xié)議。最終因虧損嚴(yán)重，于2013年破產(chǎn)。

表1 充電模式與換電模式對(duì)比一覽表

3.2 城市實(shí)證

與國(guó)內(nèi)外公司的發(fā)展相似，國(guó)內(nèi)各城市采用的模式也不盡相同，深圳為充電模式的典型代表，杭州為換電模式的典型代表。通過(guò)對(duì)深圳市和杭州市充換電模式發(fā)展的實(shí)踐進(jìn)行分析，可以直觀了解目前兩種模式在國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況。

截至2015年年底，深圳市已建成充換電站2座、充電站約200座、充電樁約24 000個(gè)。通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，帶動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。截至2016年年底，深圳市機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3 225 879輛，其中新能源汽車保有量達(dá)80 828輛，新能源汽車占比達(dá)2.5%。新能源汽車中，純電動(dòng)汽車44 099輛，插電式混合動(dòng)力及其他類型新能源汽車36 729輛，電動(dòng)汽車占汽車保有量的比例為1.21%，全國(guó)排名第二，僅次于上海市。深圳市計(jì)劃通過(guò)將充電樁建設(shè)納入《深圳市城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》、加強(qiáng)充電設(shè)施財(cái)政補(bǔ)貼、引入建立了投資回報(bào)機(jī)制等措施，進(jìn)一步加快充電設(shè)施的發(fā)展。

杭州市從2010年開(kāi)始建設(shè)換電設(shè)施，并于2014年開(kāi)始同步建設(shè)充電設(shè)施，至2016年年底，杭州市共建成換電站27座，充換電站6座，充電站2座，形成換電設(shè)施占絕對(duì)主導(dǎo)地位的格局。截至2016年年底，杭州機(jī)動(dòng)車保有量約229萬(wàn)輛，其中電動(dòng)汽保有量約2.3萬(wàn)輛，占汽車保有量的0.98%，低于深圳市的1.21%。根據(jù)2015年7月獲批的《杭州電動(dòng)汽車充電設(shè)施近期布點(diǎn)規(guī)劃》，杭州將新增充電站25座，新建分散布局的充電樁3 500個(gè)；新建的商務(wù)辦公樓、住宅、酒店賓館、超市賣場(chǎng)等民用建筑工程項(xiàng)目和自走式城市公共停車場(chǎng)，按不低于停車位總數(shù)10%的比例，配建充電樁位或預(yù)留充電設(shè)施接口。可以看出，杭州市已經(jīng)開(kāi)始由換電模式占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)向重點(diǎn)發(fā)展充電模式。

3.3 小結(jié)

綜上所述，按照政府引導(dǎo)、市場(chǎng)主導(dǎo)的原則，結(jié)合充電模式和換電模式的特征，在電動(dòng)汽車、充換電設(shè)施推廣的初期，充電模式更適宜。

4 未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)充電模式將繼續(xù)保持相對(duì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)

充換電模式相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將通過(guò)影響便捷性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)適宜性、用戶經(jīng)濟(jì)性而對(duì)未來(lái)充電模式和換電模式的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，主要包括電池技術(shù)、充電技術(shù)和換電技術(shù)。

4.1 充換電模式相關(guān)技術(shù)發(fā)展概述

1)電池技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外正在展開(kāi)第四代電池技術(shù)的研究，具有代表性的是鋰空氣電池(含石墨烯)和石墨烯表面介導(dǎo)超級(jí)電池，這兩種技術(shù)具有重量小、容量大、充放電快等優(yōu)點(diǎn)，且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中取得一定進(jìn)展。若第四代電池技術(shù)實(shí)驗(yàn)取得完全成功，那么采用第四代電池技術(shù)的電動(dòng)汽車將擁有更輕的車身、更遠(yuǎn)的續(xù)航歷程和更短的充電時(shí)間，這將對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)產(chǎn)生革命性影響。

2)充電技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外的充電技術(shù)主要分為兩類：剛性充電技術(shù)和柔性充電技術(shù)。剛性充電技術(shù)包括交流慢充技術(shù)和直流快充技術(shù)。柔性充電技術(shù)包括柔性快充技術(shù)和超級(jí)快充技術(shù)。目前普遍采用的技術(shù)是交流快充、直流快充，同時(shí)柔性快充也正在逐步推廣。

日本JFE Engineering、以色列StoreDot等多家公司均研制發(fā)布了超級(jí)快充技術(shù)，3 min即可充滿電池電量的50%，5 min充滿電池電量的80%。該技術(shù)正在由研發(fā)成果向應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化，未來(lái)該技術(shù)普遍投入使用后，將大大提高電動(dòng)汽車充電體驗(yàn)，極大縮小充電時(shí)間與換電時(shí)間的差距。從而提高充電模式對(duì)換電模式的競(jìng)爭(zhēng)力，見(jiàn)圖3。

3)換電技術(shù)。

換電技術(shù)是通過(guò)換電裝置或者人工對(duì)汽車上的電池組進(jìn)行更換實(shí)現(xiàn)。到目前為止，換電技術(shù)主要解決了電池卸下和裝載時(shí)保持電池與汽車連接穩(wěn)定性的問(wèn)題，在充電體驗(yàn)、充電效率上并沒(méi)有明顯的提升。

4.2 未來(lái)充電模式與換電模式的對(duì)比分析

在未來(lái)隨著科技的進(jìn)步，電池技術(shù)、充電技術(shù)和換電技術(shù)的發(fā)展對(duì)便捷性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)適宜性、用戶經(jīng)濟(jì)性將產(chǎn)生較大影響，并有利于充電模式的發(fā)展(見(jiàn)表2)。

表2 電池技術(shù)、充電技術(shù)、換電技術(shù)影響分析一覽表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)階段和未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)期內(nèi)，充電模式和換電模式在便捷性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性、建設(shè)與運(yùn)用適宜性、用戶經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面，以及案例實(shí)證分析，可以得出：在電動(dòng)汽車普及的現(xiàn)階段及未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)期內(nèi)，充電模式將是主要模式。各城市充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展的具體策略應(yīng)結(jié)合其電動(dòng)汽車規(guī)模結(jié)構(gòu)及其使用特征進(jìn)一步分析論證，同時(shí)在空間規(guī)劃上進(jìn)行空間資源的預(yù)留和控制，以在政府引導(dǎo)的模式下，真正實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主導(dǎo)，使社會(huì)資本在城市電動(dòng)汽車基礎(chǔ)服務(wù)方面可持續(xù)地參與和發(fā)展。