“換電技術(shù)在我國(guó)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(shù)構(gòu)思早在1981年就出現(xiàn)了。
- 換電技術(shù)在我國(guó)的首次嘗試是從商用車開始。
- 換電站作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成部分，未來前景廣闊。
電動(dòng)汽車具有能源清潔、無噪聲污染、智能化程度高等特點(diǎn)，是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略方向;但電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)的問題仍是制約其進(jìn)一步發(fā)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而培育發(fā)展，形成可持續(xù)性發(fā)展的新產(chǎn)業(yè)，最終變革社會(huì)-技術(shù)體制的轉(zhuǎn)型過程。
目前汽車換電技術(shù)已經(jīng)基本形成產(chǎn)業(yè)，根據(jù)工信部對(duì)2022年一季度工業(yè)和信息化發(fā)展情況介紹來看[1]，換電模式的車型累計(jì)產(chǎn)量接近4萬輛，同比增長(zhǎng)了82%。
然而汽車換電技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化的過程中，并不是一帆風(fēng)順的，讓我們通過專利情報(bào)來一窺汽車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的歷程。
圖1 汽車換電技術(shù)重要結(jié)點(diǎn)技術(shù)路線圖
令人意想不到的是，最早的汽車換電專利出現(xiàn)于1981年，由Marion V.Gwyn提出的名為電動(dòng)車電池更換系統(tǒng)的美國(guó)專利(專利號(hào)：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(shí)間內(nèi)更換電動(dòng)車輛中的電池的系統(tǒng)。其說明書數(shù)中描述“車廂升降機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(gè)電池手動(dòng)推和/或拉到前述電梯或從前述電梯移出。該系統(tǒng)能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)，例如大約一分鐘內(nèi)，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(shù)的初步思想：替換電池單元，還公開了采用升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行電池替換。
很難想象在上世紀(jì)80年代，一位發(fā)明家就提出了電動(dòng)汽車的換電技術(shù)，并申請(qǐng)專利，而此時(shí)電動(dòng)汽車還并未形成產(chǎn)業(yè)，此時(shí)的燃油氣汽車也才發(fā)展了不過百年。彼時(shí)大眾汽車推出了第二代帕薩特系列車型，也就是為我國(guó)消費(fèi)者所熟知的桑塔納車型。人們還在燃油汽車的消費(fèi)熱潮中，并未預(yù)見電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，更別提電動(dòng)汽車換電技術(shù)了。因此，當(dāng)時(shí)該技術(shù)的提出并沒有在汽車領(lǐng)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(wǎng)絡(luò))
換電技術(shù)的首次商業(yè)應(yīng)用，始于2009年，據(jù)首次換電技術(shù)的提出過去了30年。在當(dāng)年的硅谷指數(shù)年會(huì)上，以色列人夏嘉曦曾雄心勃勃地宣稱“你的座駕開進(jìn)充電站那間精致的‘電池屋’，一只電動(dòng)手會(huì)將備好的電池?fù)Q到你車上。新電池能支持你至少160公里的車程。”這個(gè)概念也獲得了雷諾-日產(chǎn)聯(lián)盟的青睞。佳境公司(Better Place)2010年底推出一款四門中型電動(dòng)轎車——Fluence ZE。然而，2013年，這家專門開發(fā)充換電技術(shù)的跨國(guó)公司向以色列法院申請(qǐng)破產(chǎn)。原計(jì)劃銷售10萬輛采用換電模式的FLUENCE ZE電動(dòng)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(bào)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(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交了一篇名為用于操作電動(dòng)車輛的系統(tǒng)和方法發(fā)明專利(公開號(hào)：CN102164773A)，該專利只是其在全球其他8個(gè)國(guó)家布局的專利之一。該公司共在我國(guó)布局12件專利，涉及換電方法、換電電池車輛對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、換電小車、換電站、換電站部署等。
圖3 佳境公司電動(dòng)汽車換電技術(shù)專利布局圖
佳境公司倒下的第二個(gè)月(2013年)，特斯拉創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在美國(guó)發(fā)布了可在93秒內(nèi)完成的“換電技術(shù)”。2015年初，特斯拉在加州超級(jí)充電站附近的第一個(gè)換電站試運(yùn)行，但響應(yīng)者寥寥。由于高昂的收費(fèi)，換電技術(shù)又一次商業(yè)化的嘗試失敗了。
過去換電模式之所以未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，主要在于費(fèi)用。據(jù)行業(yè)人士透露，一個(gè)換電站最早期的成本在800萬元，即使是現(xiàn)在，建設(shè)換電站及電池的成本也接近500萬元，屬于重資產(chǎn)運(yùn)行模式，一旦出現(xiàn)閑置，分分鐘貼錢，更別談?dòng)恕６缙诘膬纱螄L試，均是將換電的成本分?jǐn)傇谲囍魃砩?，屬于TO C模式，所以費(fèi)用很難降下來，如果首次嘗試為TO B模式，情況又會(huì)如何呢?
換電技術(shù)在我國(guó)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(qǐng)了能夠換電的電動(dòng)公交系統(tǒng)專利(公告號(hào)：CN1261319C)，自此拉開了我國(guó)企業(yè)汽車換電技術(shù)的序幕。據(jù)該專利的摘要記載：“一種電動(dòng)公交系統(tǒng)，包括裝備有卡式電池組和車載控制系統(tǒng)的電動(dòng)公交車，設(shè)置于固定地點(diǎn)給電池組充電的充電站以及卡式電池組裝卸裝置，當(dāng)所述電動(dòng)公交車需要更換卡式電池組時(shí)，所述裝卸裝置取下所述電動(dòng)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(dòng)公交車上。”該專利披露了電動(dòng)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(shù)路線圖
2008年，借著北京奧運(yùn)會(huì)的東風(fēng)，電動(dòng)大巴換電技術(shù)得以與世人見面，同時(shí)，北京電巴科技有限公司與北京理工大學(xué)合作申請(qǐng)了換電平臺(tái)、定位機(jī)構(gòu)、解鎖結(jié)構(gòu)、充電平臺(tái)等關(guān)鍵部件的相關(guān)專利。隨后在2009年，又對(duì)電池的電連接器和裝卸裝置進(jìn)行專利布局。至此，汽車換電技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——從原理到關(guān)鍵設(shè)備的專利布局基本形成。北京電巴科技有限公司隨后也發(fā)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(dòng)電巴)，并持續(xù)致力于新能源汽車的換電產(chǎn)業(yè)。
在換電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)中，除了需要解決電池更換環(huán)節(jié)外，還需要考慮換電站的能源供給。而這部分的實(shí)現(xiàn)，得益于國(guó)家電網(wǎng)的入局。早在2011年，國(guó)家電網(wǎng)就提出“換電為主、插電為輔、集中充電、統(tǒng)一配送”方式，鼓勵(lì)集中充電統(tǒng)一管理。
2010年，國(guó)家電網(wǎng)及下屬公司提交的專利申請(qǐng)(公開號(hào)：CN101950998A)也恰恰印證了該消息。按照國(guó)家電網(wǎng)的構(gòu)想，汽車物聯(lián)網(wǎng)、電池物聯(lián)網(wǎng)、充換電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成三級(jí)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，而換電站則屬于智能電網(wǎng)的一個(gè)小節(jié)點(diǎn)。
圖5 專利CN101950998A的附圖
電動(dòng)汽車換電站除了可以滿足電動(dòng)汽車的換電需求之外，還可以對(duì)電池進(jìn)行統(tǒng)一的充放電管理，具有儲(chǔ)能電站的功能。國(guó)家電網(wǎng)集團(tuán)積極布局換電站相關(guān)專利。與換電設(shè)備生產(chǎn)或新能源汽車企業(yè)不同的是，國(guó)家電網(wǎng)側(cè)重于布局換電站中能源管理和監(jiān)測(cè)相關(guān)專利，例如換電站的運(yùn)行監(jiān)控、電源管理控制等。隨著換電站儲(chǔ)能、梯次利用電池概念的提出，小小換電站不再是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是聯(lián)結(jié)在一起的儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)換電站能夠?qū)语L(fēng)電、光電等新能源，真正做到綠色清潔。
圖6 汽車換電技術(shù)相關(guān)申請(qǐng)人數(shù)量歷年變化趨勢(shì)
隨著換電站技術(shù)的進(jìn)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(chǎng)對(duì)于換電模式也熱度高漲。從近十年的汽車換電技術(shù)相關(guān)申請(qǐng)人數(shù)量來看，越來越多的車企也加入到了汽車換電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)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(shù)已經(jīng)找到了產(chǎn)業(yè)生存的土壤。
從專利情報(bào)來看，未來，換電技術(shù)將與儲(chǔ)能、車聯(lián)網(wǎng)、電池物聯(lián)網(wǎng)深度融合，其產(chǎn)業(yè)化的道路仍然在繼續(xù)。
注釋：
[1]來源：工業(yè)和信息化部：一季度工業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)開局 工業(yè)和信息化發(fā)展取得積極成效;網(wǎng)址：http://www.miit.gov.cn/gzcy/zbft/art/2022/art_f372aff43c3148db83385ded7c685c27.html
(原標(biāo)題：從專利情報(bào)一窺汽車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化歷程)
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