从专利情报一窥汽车换电技术产业化历程

“换电技术在我国的首次尝试是从商用车开始的。”

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- 令人意想不到的是，汽车换电技术构思早在1981年就出现了。

- 换电技术在我国的首次尝试是从商用车开始。

- 换电站作为储能系统的组成部分，未来前景广阔。

电动汽车具有能源清洁、无噪声污染、智能化程度高等特点，是我国汽车产业发展战略方向；但电动汽车续航里程短、充电时间长的问题仍是制约其进一步发展的瓶颈，为了解决充电速度慢、充电桩难寻等一系列问题，汽车换电技术应运而生。

技术产业化是以技术创新为驱动，进而培育发展，形成可持续性发展的新产业，最终变革社会-技术体制的转型过程。

目前汽车换电技术已经基本形成产业，根据工信部对2022年一季度工业和信息化发展情况介绍来看[1]，换电模式的车型累计产量接近4万辆，同比增长了82%。

然而汽车换电技术在产业化的过程中，并不是一帆风顺的，让我们通过专利情报来一窥汽车换电技术产业化的历程。

图1 汽车换电技术重要结点技术路线图

令人意想不到的是，最早的汽车换电专利出现于1981年，由Marion V.Gwyn提出的名为电动车电池更换系统的美国专利（专利号：US4450400A）。在该篇专利中，其描述了换电的基本原理：一种用于在一分钟或更短的最短时间内更换电动车辆中的电池的系统。其说明书数中描述“车厢升降机结构设置在电池充电站的前面，以在充电站和停放的固定车辆之间传送选定的电池。车辆和充电站设有滚轮支撑单元，所述滚轮支撑单元适于承受电池重量，并允许将单个电池手动推和/或拉到前述电梯或从前述电梯移出。该系统能够在非常短的时间内，例如大约一分钟内，将基本上放电的电池从车辆上移除并用完全充电的电池替换。”

该专利不仅公开了换电技术的初步思想：替换电池单元，还公开了采用升降机构进行电池替换。

很难想象在上世纪80年代，一位发明家就提出了电动汽车的换电技术，并申请专利，而此时电动汽车还并未形成产业，此时的燃油气汽车也才发展了不过百年。彼时大众汽车推出了第二代帕萨特系列车型，也就是为我国消费者所熟知的桑塔纳车型。人们还在燃油汽车的消费热潮中，并未预见电动汽车的出现，更别提电动汽车换电技术了。因此，当时该技术的提出并没有在汽车领域引起波澜，很快就被大家淡忘了。

图2 1981年第二代帕萨特（PASSAT B2)（即桑塔纳系列车型）（来自网络）

换电技术的首次商业应用，始于2009年，据首次换电技术的提出过去了30年。在当年的硅谷指数年会上，以色列人夏嘉曦曾雄心勃勃地宣称“你的座驾开进充电站那间精致的‘电池屋’，一只电动手会将备好的电池换到你车上。新电池能支持你至少160公里的车程。”这个概念也获得了雷诺-日产联盟的青睐。佳境公司（Better Place）2010年底推出一款四门中型电动轿车——Fluence ZE。然而，2013年，这家专门开发充换电技术的跨国公司向以色列法院申请破产。原计划销售10万辆采用换电模式的FLUENCE ZE电动车，最终却只卖出1400辆。换电模式的早期尝试宣告失败。

从专利情报中，我们也可以一窥其貌，2009年9月15，佳境公司（Better Place GmbH）向我国知识产权局提交了一篇名为用于操作电动车辆的系统和方法发明专利（公开号：CN102164773A），该专利只是其在全球其他8个国家布局的专利之一。该公司共在我国布局12件专利，涉及换电方法、换电电池车辆对准系统、换电小车、换电站、换电站部署等。

图3 佳境公司电动汽车换电技术专利布局图

佳境公司倒下的第二个月(2013年)，特斯拉创始人伊隆·马斯克在美国发布了可在93秒内完成的“换电技术”。2015年初，特斯拉在加州超级充电站附近的第一个换电站试运行，但响应者寥寥。由于高昂的收费，换电技术又一次商业化的尝试失败了。

过去换电模式之所以未能实现大规模推广，主要在于费用。据行业人士透露，一个换电站最早期的成本在800万元，即使是现在，建设换电站及电池的成本也接近500万元，属于重资产运行模式，一旦出现闲置，分分钟贴钱，更别谈盈利了。而早期的两次尝试，均是将换电的成本分摊在车主身上，属于TO C模式，所以费用很难降下来，如果首次尝试为TO B模式，情况又会如何呢？

换电技术在我国的首次尝试恰好是从商用车开始的。2004年，北京电巴科技有限公司申请了能够换电的电动公交系统专利（公告号：CN1261319C），自此拉开了我国企业汽车换电技术的序幕。据该专利的摘要记载：“一种电动公交系统，包括装备有卡式电池组和车载控制系统的电动公交车，设置于固定地点给电池组充电的充电站以及卡式电池组装卸装置，当所述电动公交车需要更换卡式电池组时，所述装卸装置取下所述电动公交车上的卡式电池组，并将已充好电的电池组安装到电动公交车上。”该专利披露了电动公交车换电的基本原理。

图4北京电巴科技有限公司专利技术路线图

2008年，借着北京奥运会的东风，电动大巴换电技术得以与世人见面，同时，北京电巴科技有限公司与北京理工大学合作申请了换电平台、定位机构、解锁结构、充电平台等关键部件的相关专利。随后在2009年，又对电池的电连接器和装卸装置进行专利布局。至此，汽车换电技术的关键环节——从原理到关键设备的专利布局基本形成。北京电巴科技有限公司随后也发展成为上海电巴新能源科技有限公司（也就是大家所熟悉的奥动电巴），并持续致力于新能源汽车的换电产业。

在换电技术的产业化实现中，除了需要解决电池更换环节外，还需要考虑换电站的能源供给。而这部分的实现，得益于国家电网的入局。早在2011年，国家电网就提出“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送”方式，鼓励集中充电统一管理。

2010年，国家电网及下属公司提交的专利申请（公开号：CN101950998A）也恰恰印证了该消息。按照国家电网的构想，汽车物联网、电池物联网、充换电设施网络构成三级物联网架构，而换电站则属于智能电网的一个小节点。

电动汽车换电站除了可以满足电动汽车的换电需求之外，还可以对电池进行统一的充放电管理，具有储能电站的功能。国家电网集团积极布局换电站相关专利。与换电设备生产或新能源汽车企业不同的是，国家电网侧重于布局换电站中能源管理和监测相关专利，例如换电站的运行监控、电源管理控制等。随着换电站储能、梯次利用电池概念的提出，小小换电站不再是一个个独立的个体，而是联结在一起的储能网络系统，同时换电站能够对接风电、光电等新能源，真正做到绿色清洁。