“換電技術在我國的首次嘗試是從商用車開始的。”
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- 令人意想不到的是，汽車換電技術構思早在1981年就出現了。
- 換電技術在我國的首次嘗試是從商用車開始。
- 換電站作為儲能系統的組成部分，未來前景廣闊。
電動汽車具有能源清潔、無噪聲污染、智能化程度高等特點，是我國汽車產業發展戰略方向;但電動汽車續航里程短、充電時間長的問題仍是制約其進一步發展的瓶頸，為了解決充電速度慢、充電樁難尋等一系列問題，汽車換電技術應運而生。
技術產業化是以技術創新為驅動，進而培育發展，形成可持續性發展的新產業，最終變革社會-技術體制的轉型過程。
目前汽車換電技術已經基本形成產業，根據工信部對2022年一季度工業和信息化發展情況介紹來看[1]，換電模式的車型累計產量接近4萬輛，同比增長了82%。
然而汽車換電技術在產業化的過程中，并不是一帆風順的，讓我們通過專利情報來一窺汽車換電技術產業化的歷程。
圖1 汽車換電技術重要結點技術路線圖
令人意想不到的是，最早的汽車換電專利出現于1981年，由Marion V.Gwyn提出的名為電動車電池更換系統的美國專利(專利號：US4450400A)。在該篇專利中，其描述了換電的基本原理：一種用于在一分鐘或更短的最短時間內更換電動車輛中的電池的系統。其說明書數中描述“車廂升降機結構設置在電池充電站的前面，以在充電站和停放的固定車輛之間傳送選定的電池。車輛和充電站設有滾輪支撐單元，所述滾輪支撐單元適于承受電池重量，并允許將單個電池手動推和/或拉到前述電梯或從前述電梯移出。該系統能夠在非常短的時間內，例如大約一分鐘內，將基本上放電的電池從車輛上移除并用完全充電的電池替換。”
該專利不僅公開了換電技術的初步思想：替換電池單元，還公開了采用升降機構進行電池替換。
很難想象在上世紀80年代，一位發明家就提出了電動汽車的換電技術，并申請專利，而此時電動汽車還并未形成產業，此時的燃油氣汽車也才發展了不過百年。彼時大眾汽車推出了第二代帕薩特系列車型，也就是為我國消費者所熟知的桑塔納車型。人們還在燃油汽車的消費熱潮中，并未預見電動汽車的出現，更別提電動汽車換電技術了。因此，當時該技術的提出并沒有在汽車領域引起波瀾，很快就被大家淡忘了。
圖2 1981年第二代帕薩特(PASSAT B2)(即桑塔納系列車型)(來自網絡)
換電技術的首次商業應用，始于2009年，據首次換電技術的提出過去了30年。在當年的硅谷指數年會上，以色列人夏嘉曦曾雄心勃勃地宣稱“你的座駕開進充電站那間精致的‘電池屋’，一只電動手會將備好的電池換到你車上。新電池能支持你至少160公里的車程。”這個概念也獲得了雷諾-日產聯盟的青睞。佳境公司(Better Place)2010年底推出一款四門中型電動轎車——Fluence ZE。然而，2013年，這家專門開發充換電技術的跨國公司向以色列法院申請破產。原計劃銷售10萬輛采用換電模式的FLUENCE ZE電動車，最終卻只賣出1400輛。換電模式的早期嘗試宣告失敗。
從專利情報中，我們也可以一窺其貌，2009年9月15.佳境公司(Better Place GmbH)向我國知識產權局提交了一篇名為用于操作電動車輛的系統和方法發明專利(公開號：CN102164773A)，該專利只是其在全球其他8個國家布局的專利之一。該公司共在我國布局12件專利，涉及換電方法、換電電池車輛對準系統、換電小車、換電站、換電站部署等。
圖3 佳境公司電動汽車換電技術專利布局圖
佳境公司倒下的第二個月(2013年)，特斯拉創始人伊隆·馬斯克在美國發布了可在93秒內完成的“換電技術”。2015年初，特斯拉在加州超級充電站附近的第一個換電站試運行，但響應者寥寥。由于高昂的收費，換電技術又一次商業化的嘗試失敗了。
過去換電模式之所以未能實現大規模推廣，主要在于費用。據行業人士透露，一個換電站最早期的成本在800萬元，即使是現在，建設換電站及電池的成本也接近500萬元，屬于重資產運行模式，一旦出現閑置，分分鐘貼錢，更別談盈利了。而早期的兩次嘗試，均是將換電的成本分攤在車主身上，屬于TO C模式，所以費用很難降下來，如果首次嘗試為TO B模式，情況又會如何呢?
換電技術在我國的首次嘗試恰好是從商用車開始的。2004年，北京電巴科技有限公司申請了能夠換電的電動公交系統專利(公告號：CN1261319C)，自此拉開了我國企業汽車換電技術的序幕。據該專利的摘要記載：“一種電動公交系統，包括裝備有卡式電池組和車載控制系統的電動公交車，設置于固定地點給電池組充電的充電站以及卡式電池組裝卸裝置，當所述電動公交車需要更換卡式電池組時，所述裝卸裝置取下所述電動公交車上的卡式電池組，并將已充好電的電池組安裝到電動公交車上。”該專利披露了電動公交車換電的基本原理。
圖4北京電巴科技有限公司專利技術路線圖
2008年，借著北京奧運會的東風，電動大巴換電技術得以與世人見面，同時，北京電巴科技有限公司與北京理工大學合作申請了換電平臺、定位機構、解鎖結構、充電平臺等關鍵部件的相關專利。隨后在2009年，又對電池的電連接器和裝卸裝置進行專利布局。至此，汽車換電技術的關鍵環節——從原理到關鍵設備的專利布局基本形成。北京電巴科技有限公司隨后也發展成為上海電巴新能源科技有限公司(也就是大家所熟悉的奧動電巴)，并持續致力于新能源汽車的換電產業。
在換電技術的產業化實現中，除了需要解決電池更換環節外，還需要考慮換電站的能源供給。而這部分的實現，得益于國家電網的入局。早在2011年，國家電網就提出“換電為主、插電為輔、集中充電、統一配送”方式，鼓勵集中充電統一管理。
2010年，國家電網及下屬公司提交的專利申請(公開號：CN101950998A)也恰恰印證了該消息。按照國家電網的構想，汽車物聯網、電池物聯網、充換電設施網絡構成三級物聯網架構，而換電站則屬于智能電網的一個小節點。
圖5 專利CN101950998A的附圖
電動汽車換電站除了可以滿足電動汽車的換電需求之外，還可以對電池進行統一的充放電管理，具有儲能電站的功能。國家電網集團積極布局換電站相關專利。與換電設備生產或新能源汽車企業不同的是，國家電網側重于布局換電站中能源管理和監測相關專利，例如換電站的運行監控、電源管理控制等。隨著換電站儲能、梯次利用電池概念的提出，小小換電站不再是一個個獨立的個體，而是聯結在一起的儲能網絡系統，同時換電站能夠對接風電、光電等新能源，真正做到綠色清潔。
圖6 汽車換電技術相關申請人數量歷年變化趨勢
隨著換電站技術的進步，以及整體成本的下降，政策層面的大力支持，使得資本市場對于換電模式也熱度高漲。從近十年的汽車換電技術相關申請人數量來看，越來越多的車企也加入到了汽車換電技術的產業化浪潮中，諸多車企，如蔚來、北汽新能源以及后來的吉利、上汽等。汽車換電技術已經找到了產業生存的土壤。
從專利情報來看，未來，換電技術將與儲能、車聯網、電池物聯網深度融合，其產業化的道路仍然在繼續。
注釋：
[1]來源：工業和信息化部：一季度工業經濟實現平穩開局 工業和信息化發展取得積極成效;網址：http://www.miit.gov.cn/gzcy/zbft/art/2022/art_f372aff43c3148db83385ded7c685c27.html
(原標題：從專利情報一窺汽車換電技術產業化歷程)
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