新能源汽車換電模式關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0016-03

【Abstract】Therisein global environmental awareness the intensification energy crises have propelled the rapiddevelopmentnew energyvehiclesasaglobal trend.Electricvehicles，asrepresentatives green transportation， havegarneredsignificant attentiondue totheir zero emissions low energy consumption.However，thewidespread adoptionelectric vehicles faces challenges suchas lagging charging infrastructure excessivelylong charging times， which constrain consumer experience market expansion.To address these issues more efectively，batery swappng fornewenergyvehicles is graduallbeingrecognizedasan innovativesolution.This modelreplacestraditional charging methodswiththequickreplacement bateries，significantlyreducing charging timeoptimizingresourceutilization through batery sharing，therebyenhancing userconvenience.Thisarticle explores the battery swapping model for new energyvehicles，aiming tocontributenewideas practicalapproaches tothesustainable development the new energy vehicle industry.

【Keywords】new energyvehicles；battry swapping mode；commercial innovation；technological innovation; sustainable development

0 引言

隨著全球氣候變化和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型已成為全球發(fā)展的必然趨勢(shì)。新能源汽車，尤其是電動(dòng)汽車，以其低碳環(huán)保的特點(diǎn)，逐步成為交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。然而，電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，尤其是在充電問(wèn)題上，傳統(tǒng)的充電樁布局和充電效率無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了電動(dòng)汽車的普及速度與消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。為解決這些問(wèn)題，新能源汽車換電模式作為一種創(chuàng)新的能源補(bǔ)充方式，逐漸被業(yè)內(nèi)和消費(fèi)者認(rèn)可。與傳統(tǒng)充電模式不同，換電模式通過(guò)快速更換電池，不僅顯著縮短了充電時(shí)間，還能提升電池管理的效率和靈活性。這一模式在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)逐漸獲得應(yīng)用，并展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而，換電模式的廣泛應(yīng)用仍面臨技術(shù)、市場(chǎng)、政策等多重因素的挑戰(zhàn)。換電技術(shù)的突破與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，以及相應(yīng)的商業(yè)模式創(chuàng)新，都是推動(dòng)這一模式成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，新能源汽車換電模式成為當(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要議題。如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式的創(chuàng)新，推動(dòng)換電模式的成熟與應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

1新能源汽車換電模式概述

1.1換電模式的定義與特點(diǎn)

新能源汽車換電模式是指通過(guò)專用站點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池進(jìn)行快速更換的技術(shù)路線，其核心特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)能源補(bǔ)給方式從“充電等待”向“即換即走”的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)充電模式相比，換電模式建立了標(biāo)準(zhǔn)化電池倉(cāng)、自動(dòng)化裝卸設(shè)備、云端電池管理系統(tǒng)的三位一體架構(gòu)2。車輛進(jìn)入換電站后，通過(guò)機(jī)械臂精準(zhǔn)拆卸虧電電池并替換為滿電電池，全程耗時(shí)僅需傳統(tǒng)快充的十分之一。該模式的關(guān)鍵創(chuàng)新在于電池資產(chǎn)與車輛所有權(quán)的分離一用戶無(wú)需購(gòu)買電池，轉(zhuǎn)而通過(guò)租賃或訂閱服務(wù)獲取能源補(bǔ)給，大幅降低購(gòu)車成本。技術(shù)特點(diǎn)上，換電模式要求電池規(guī)格統(tǒng)一化、接口標(biāo)準(zhǔn)化，如寧德時(shí)代的巧克力換電模塊通過(guò)尺寸與電壓的嚴(yán)格規(guī)范，可適配 80% 以上乘用車型。運(yùn)維層面，換電站對(duì)電池進(jìn)行集中監(jiān)控與梯次利用，通過(guò)恒溫恒濕環(huán)境延緩電池衰減，相比分散的私人充電樁更有利于延長(zhǎng)電池壽命。

1.2換電模式在新能源汽車中的優(yōu)勢(shì)

換電模式正成為破解新能源汽車普及瓶頸的重要突破口。當(dāng)前用戶普遍面臨充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航焦慮、電池貶值快等痛點(diǎn)，而換電模式通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)模式重構(gòu)，展現(xiàn)出多維競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3]。

換電模式的核心優(yōu)勢(shì)在于效率革命與成本重構(gòu)，見(jiàn)表1。補(bǔ)能效率的提升直接緩解續(xù)航焦慮，例如出租車駕駛員可在交接班間隙完成換電，避免營(yíng)運(yùn)時(shí)間損失。車電分離模式打破“一車一電池”的綁定關(guān)系，用戶無(wú)需承擔(dān)電池衰減導(dǎo)致的車輛貶值，車企則通過(guò)電池租賃費(fèi)獲取持續(xù)收益。電網(wǎng)側(cè)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能源管理的集約化一換電站可利用夜間低谷電價(jià)集中充電，白天通過(guò)換電服務(wù)獲取差價(jià)收益，同時(shí)平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。更重要的是，換電模式為電池技術(shù)迭代提供緩沖空間，當(dāng)新型高能量密度電池上市時(shí)，用戶無(wú)需更換整車即可享受技術(shù)進(jìn)步紅利。

2換電模式技術(shù)體系架構(gòu)

2.1換電模式技術(shù)分類

換電模式技術(shù)分類是構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化體系的基礎(chǔ)，當(dāng)前主流技術(shù)路線依據(jù)電池組布局與更換方式可分為底盤(pán)換電、側(cè)方換電及分箱換電三類。如表2所示，不同技術(shù)路線在兼容性、運(yùn)營(yíng)效率和技術(shù)成熟度方面存在顯著差異。底盤(pán)換電因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被乘用車廣泛采用；側(cè)方換電憑借低場(chǎng)地要求成為商用車型優(yōu)選方案；分箱換電則通過(guò)模塊化組合實(shí)現(xiàn)靈活補(bǔ)能。技術(shù)路線的選擇需綜合車輛平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和基礎(chǔ)設(shè)施條件進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃。

底盤(pán)換電技術(shù)采用整體式電池包設(shè)計(jì)，以蔚來(lái)第三代換電站為例，其雙機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)可實(shí)現(xiàn)電池包鎖止機(jī)構(gòu)（扭矩精度 ±2N?m， 的精準(zhǔn)對(duì)接，但受制于車輛軸距差異，跨車型適配需重構(gòu)底盤(pán)結(jié)構(gòu)。側(cè)方換電技術(shù)通過(guò)滑軌導(dǎo)向裝置（北汽專利CN1126226B）實(shí)現(xiàn)電池模塊的水平置換，其導(dǎo)向槽角度優(yōu)化至 45^° 時(shí)可降低 32% 的摩擦損耗，特別適用于出租車等高頻次運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。分箱換電技術(shù)突破性地采用 300×400× 150mm 標(biāo)準(zhǔn)箱體（時(shí)空電動(dòng)參數(shù)），每個(gè)箱體配備獨(dú)立BMS實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但模塊間電氣連接損耗導(dǎo)致系統(tǒng)能效較整體式下降 5%～7% 。

2.2電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電池系統(tǒng)作為換電模式的核心載體，其技術(shù)演進(jìn)直接決定換電體系的經(jīng)濟(jì)性與安全性。當(dāng)前技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)三大特征： ① 無(wú)模組技術(shù)（CelltoPack，CTP）使成組效率突破 75% ； ② 液冷系統(tǒng)溫差控制 lt;3^°C ③ 快換接口循環(huán)壽命 gt;5000 次。如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)化電池包需集成機(jī)械固定、熱管理、電氣連接三大子系統(tǒng)，其中蔚來(lái) 100kW?h 電池包通過(guò)雙水冷板設(shè)計(jì)將溫差波動(dòng)降低至 1.8^°C ，顯著提升循環(huán)壽命。

電池包標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方面，寧德時(shí)代推出的 1350× 1050×140mm 標(biāo)準(zhǔn)箱體（兼容率 gt;85% 采用6061-T6鋁合金框架，在實(shí)現(xiàn)減重 15% 的同時(shí)將結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升至 800MPa 。熱管理系統(tǒng)創(chuàng)新體現(xiàn)在： ① 特斯拉雙流道設(shè)計(jì)使冷卻液接觸面積增加 40% ； ② 北汽EU5車型采用相變材料（熔點(diǎn) 28^°C ）實(shí)現(xiàn)極端工況溫升控制?？鞊Q接口技術(shù)突破重點(diǎn)在于TEConnectivity研發(fā)的浮動(dòng)自補(bǔ)償連接器，其三點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)（公差補(bǔ)償量 ± 1.5mm ）使插拔次數(shù)壽命達(dá)到10000次，是行業(yè)新高。

3新能源汽車換電模式的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1 電池標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計(jì)

電池標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計(jì)的核心在于通過(guò)分層協(xié)同解決兼容性與靈活性矛盾（圖1）。物理層統(tǒng)一電池尺寸（長(zhǎng)寬高）和外殼材料，確保不同車型電池倉(cāng)可通用安裝；質(zhì)量分級(jí)設(shè)計(jì)則兼顧乘用車與商用車的差異化需求。接口層通過(guò)規(guī)范電氣連接、冷卻系統(tǒng)與機(jī)械鎖止方式，例如采用防水防塵的高性能接口和快速插拔式冷卻接頭，大幅降低換電站設(shè)備改造成本，同時(shí)雙保險(xiǎn)鎖止機(jī)制提升操作安全性。

數(shù)據(jù)層建立統(tǒng)一的電池信息管理規(guī)則，包括電池身份編碼、電量狀態(tài)與健康度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)跨品牌電池狀態(tài)實(shí)時(shí)共享。例如，每塊電池內(nèi)置唯一編碼，配合云端數(shù)據(jù)同步，可精準(zhǔn)追蹤電池全生命周期表現(xiàn)。應(yīng)用層則通過(guò)模塊化組合設(shè)計(jì)，在保持外殼尺寸不變的前提下，靈活增減內(nèi)部電芯數(shù)量，既滿足不同車型的續(xù)航需求，又避免換電站頻繁調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)。

量充足的電池，同時(shí)將替換下的電池自動(dòng)送入檢測(cè)通道，通過(guò)充放電測(cè)試與溫控校準(zhǔn)恢復(fù)最佳狀態(tài)。針對(duì)極端天氣場(chǎng)景，換電站配備環(huán)境自適應(yīng)系統(tǒng)：夏季高溫時(shí)啟動(dòng)液冷循環(huán)降低電池表面溫度，冬季極寒時(shí)通過(guò)紅外加熱模塊預(yù)熱電池倉(cāng)，確保換電操作全天候安全可靠。

3.3換電站的智能化與自動(dòng)化技術(shù)

換電站的智能化與自動(dòng)化技術(shù)是提升用戶體驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)效率的核心突破。傳統(tǒng)換電依賴人工操作，存在效率低、誤差率高等問(wèn)題，而智能化技術(shù)通過(guò)機(jī)械臂、視覺(jué)識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)全流程無(wú)人化操作。例如，車輛駛?cè)霌Q電位后，激光雷達(dá)與攝像頭自動(dòng)掃描電池倉(cāng)位置，誤差控制在毫米級(jí)；機(jī)械臂在30s內(nèi)完成解鎖、拆卸、安裝動(dòng)作，全程無(wú)需人工干預(yù)。更深層的創(chuàng)新在于電池健康管理系統(tǒng)的智能化一每塊電池內(nèi)置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)阻、溫度等參數(shù)，云端算法預(yù)測(cè)剩余壽命，自動(dòng)將性能下降的電池調(diào)配至儲(chǔ)能梯次利用環(huán)節(jié)。運(yùn)維層面，智能調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)用戶換電預(yù)約數(shù)據(jù)、電池庫(kù)存和電網(wǎng)電價(jià)波動(dòng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整各站點(diǎn)電池儲(chǔ)備量。例如，在晚高峰前向市區(qū)站點(diǎn)集中調(diào)撥滿電電池，避免用戶排隊(duì)。這些技術(shù)不僅將單次換電時(shí)間壓縮至 3min 以內(nèi)，更通過(guò)數(shù)據(jù)閉環(huán)優(yōu)化資產(chǎn)利用率，使單站日均服務(wù)能力提升至300車次以上。

4結(jié)論

新能源汽車換電模式的創(chuàng)新標(biāo)志著能源補(bǔ)給方式的根本性變革，其核心價(jià)值在于通過(guò)技術(shù)重構(gòu)與模式突破實(shí)現(xiàn)多方共贏。研究表明，換電模式的推廣不僅依賴電池標(biāo)準(zhǔn)化與高效換電設(shè)備的技術(shù)突破，更需要構(gòu)建用戶需求-資源調(diào)度-價(jià)值循環(huán)的協(xié)同生態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)化電池設(shè)計(jì)打破品牌壁壘，自動(dòng)化換電站提升服務(wù)效率，智能化管理系統(tǒng)保障安全與可持續(xù)性。

3.2 高效換電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑

換電效率的提升依賴于全流程自動(dòng)化與精準(zhǔn)協(xié)同控制。當(dāng)車輛駛?cè)霌Q電站時(shí)，視覺(jué)定位系統(tǒng)自動(dòng)掃描底盤(pán)結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂在3s內(nèi)完成電池倉(cāng)蓋開(kāi)啟動(dòng)作。采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂與柔性?shī)A具組合，電池拆卸與安裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)“抓取-抬升-平移-對(duì)接”全自動(dòng)操作，單次換電時(shí)間壓縮至 2min30s 以內(nèi)，比傳統(tǒng)充電模式節(jié)省時(shí)間。換電站內(nèi)部采用立體倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)，電池存儲(chǔ)架分為高周轉(zhuǎn)區(qū)與緩沖區(qū)，通過(guò)AGV（自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人）實(shí)現(xiàn)電池的智能調(diào)度一高頻使用電池存放在靠近出口的倉(cāng)位，低頻電池則移至深處4。用戶掃碼換電時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先分配健康度高、電

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（編輯楊凱麟）