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CTM蓄电池迈向未来:电动汽车电池交换技术全面回顾与研究议程

发布时间:2026-05-19 22:45:02 点击:
全球对可持续交通的迫切需求加速了电动汽车(EV)的普及。然而,充电时间长、续航里程有限以及基础设施不足等挑战,仍是阻碍电动汽车广泛采用的主要障碍。电池更换技术(BST)通过快速能量补充提供了一种可行的替代方案——在专用站点将耗尽电量的EV电池快速替换为满电电池,并实现电池所有权与车辆所有权的分离。本系统性文献综述综合分析了电动汽车电池更换(BS)领域的研究成果,梳理了当前趋势、关键前置因素、战略决策、运营成效,以及该领域的理论基础、情境因素和方法论基础。采用PRISMA方法,对2015至2025年间78篇同行评审论文进行了综述,研究框架基于"前置因素-决策-结果"(ADO)和"理论-情境-方法"(TCM)构建。该综述着重探讨了电池交换(BS)模式的优势,包括缩短车辆停运时间、优化电网管理以及通过电池租赁模式降低消费者的初始成本。然而,高额资本支出与运营费用、标准化的缺失以及消费者信任问题等挑战仍是重要障碍。本文最后提出了政策建议与未来研究方向,旨在推动电池交换技术在可持续城市交通系统中的采纳与整合。

引言

电动汽车(EV)的采用代表着全球交通领域的关键转变,对环境可持续性、公共卫生和经济发展具有深远影响。电动汽车具备零尾气排放的优势,能显著降低有害污染物和颗粒物的排放,这在人口密集的城市地区尤为有益。随着各国应对气候变化与空气污染带来的紧迫挑战,从内燃机(ICE)车辆向电动汽车的转型已成为减少温室气体排放、改善空气质量的核心策略。因此,多国政府正有意识地推行淘汰内燃机车辆、转向纯电动汽车(BEV)的政策[1]。各国通过提供购置税优惠,并为电动汽车采购及充电基础设施建设提供补贴等措施[2],加速这一转型进程。挪威、英国(UK)、美国(US)、印度、荷兰、瑞典等多国已承诺逐步淘汰内燃机(ICE)车辆,并最早于2035年转向清洁能源[3][4][5][6][7]。捷豹(Jaguar)、迷你(Mini)、劳斯莱斯(Rolls-Royce)、雷克萨斯(Lexus)、路虎(Land Rover)和本田(Honda)等主要汽车制造商也已承诺停止销售内燃机车辆,其中捷豹更将目标设定为最早2025年实现[8]。此外,与传统燃油车相比,电动车( EV)具有更高的能源利用效率和更简化的技术结构,这意味着消费者和企业将承担更低的运营与维护成本[3][9]。
毫不意外的是,全球对可持续交通的推动加速了电动汽车(图1)的普及。然而,充电时间长、续航里程有限以及基础设施不足等挑战,仍是阻碍电动汽车广泛应用的主要障碍[10][11][12]。电池置换技术(BST)通过快速能量补充提供了一种可行替代方案——在专用站点将耗尽电量的电动汽车电池(EVB)迅速更换为满电电池,同时实现电池所有权与车辆所有权的分离[12]。电池置换站(BSS(s))通过实现快速电池更换,解决了电动汽车推广中的关键挑战,例如充电时间过长和电网压力等问题。
电动汽车充电基础设施对电动交通普及和可持续交通转型具有关键作用。现有文献界定了三种主要充电模式:传导充电、感应(无线)充电以及电池交换(BS)[13][14][15]。每种方式在技术特性、运营模式和经济属性方面均存在显著差异,这直接影响其在不同电动汽车应用场景中的适用性。传导充电亦称"插电式充电"或"有线充电"。对电网造成显著负担,高充电电流可能损害电池健康,且需要车辆长时间停用,这对用户而言是明显的不便[13][16]。%%感应式充电(或称无线能量传输)可实现非接触式能量补充,但由于气隙能量损耗和对准敏感性,这类系统通常较传导式充电效率更低,其当前应用也受限于技术和成本因素[13][17]。%%电池置换(BS)作为一种替代模式,通过在专用站点将耗尽电池替换为满电单元(通常仅需数分钟)实现补能。该方法以操作速度见长,相较最快的传导式充电方案,能显著缩短车辆停运时间[18][19]。
电池交换站(BSS)在车队运营和商用车辆领域具有显著优势,其快速周转与高利用率特性至关重要。集中式电池管理系统能实现充电周期优化、电池健康状态强化监测,并具备开展车网互动(V2G)服务的潜力,从而有效支撑电网稳定性与收益创造[16][20]。
电池交换系统(BS)为解决充电等待时间提供了解决方案,其优势在于可实现即时补能。该系统通过在专用电池交换站(BSS)将耗尽电池更换为充满电的电池,整个过程可在5分钟内完成。当电动汽车电池需要充电时,车辆通过物联网(IoT)技术或云平台发起交换请求。服务商协调整个流程,在车辆到达前准备好替换电池,并向电动汽车用户实时更新可用BSS站点及交换工位信息。用户到达站点后,系统快速完成身份凭证核验,并通常在机器人辅助下高效执行电池交换操作[15]。
图2展示了获取电池交换(BS)服务的过程。面板(d)呈现了电动汽车排队等候使用BS设施的景象。通过云平台(c),系统基于最近距离和可用充满电电池的情况确定服务时间与BSS站点。当车辆抵达BSS站点后,工作人员或机器人将完成放电电池与满电电池的人工更换操作,全过程耗时不足5分钟(b)。放电电池则通过多种电源进行充电(a)。
与普遍认知相反,电池交换(BS)概念可追溯至19世纪初,最初是为解决有轨电车和配送车辆的里程焦虑问题而提出的解决方案[21]。20世纪70年代,德国梅赛德斯-奔驰公司曾对电动巴士(e-Buses)进行BS测试,但受限于当时技术条件,该系统被证实可靠性不足[22]。2007年,以色列创立的Better Place公司尝试在商业层面重启BS技术,然而由于基础设施成本过高、战略失误、市场需求疲软及持续财务亏损,该公司最终于2013年宣告破产[15][18][23]。2008年北京奥运会期间,中国首次在电动巴士领域展示BS技术,此举显著推动了国内电池交换技术(BST)的发展。此后,通过奥动新能源(Aulton)与蔚来(NIO)等BS运营商的推动,中国始终保持着BST领域的全球领先地位[22][24]。
对现有BS文献的系统综述进行全面回顾表明,关于BS的研究可大致分为一次文献与二次文献。一次文献综述文章明确审查与BS直接相关的议题,而二次文献综述则详细探讨电动汽车充电基础设施、电池管理及充电策略(包含BS)。下文将先简要讨论二次综述文献,再展开一次文献分析。对1980年代初期至2014年间全球范围内电动巴士电池技术发展与实际运营的综合研究表明,BS能有效延长续航里程并实现错峰充电,但需为电池交换站(BSSs)和备用电池投入大量土地及资金[25]。一项关于电动汽车用锂离子电池(LIB)电池管理系统(BMS)全球发展趋势的现有研究综述,特别关注挑战与机遇,讨论了印度政府允许销售不带电池组的两轮和三轮车,以及在班加罗尔推出电池交换站(BSSs)并计划在德里建设基于物联网的充电站[26]。另一相关文献全面回顾了印度电动汽车充电基础设施在规划、政策及实施层面面临的挑战[27]。
另一项类似研究探讨了在技术快速发展的背景下,新型充电策略如何影响电动汽车电池的衰减。该综述指出,电池交换站(BSSs)能够整合可再生能源并支持电网稳定性,而模块化电池设计则可实现新技术的无缝适配。研究表明,在电网灵活性和能源利用率方面,受控换电与有序家充策略均优于无序充电模式[28]。针对交通网络与电力网络融合以实现高效电动汽车充电所涉及的复杂运营与规划挑战,文献[29]系统梳理了现有技术方案(如电池交换BS与无线充电车道),并研究了这些技术的组合应用与最优配置,以更好地促进电动汽车的无缝适配(表1)。
一项关于经济型电动汽车现状及未来前景的多学科评估指出,电池交换(BS)作为传统充电方式的有前景替代方案,其解决续航焦虑与长充电时间等关键障碍的能力得到了重点强调[30]。Narasipuram与Mopidevi针对电动汽车充电站场景下的BST技术进行了专题论述[20]。另有研究探讨了通过BS、插电或无线充电为电动汽车补充电能的不同技术路径[17]。Leijon对2019年以来不同充电策略如何影响电动汽车电池(EVB)老化与降解的最新科学文献进行了系统梳理,重点关注纯电动汽车(BEV)中的锂离子电池(LIB)[28]。[31]则通过系统综述将电力系统韧性、电动汽车供电及电力中断社会脆弱性三者关联,揭示了停电期间备用电源资源获取的不平等现象。本研究探讨了电动车集成策略(包括电池交换技术BST),通过提供快速充电替代方案及在电网中断时减轻负荷来增强系统韧性,同时应对标准化和基础设施需求等挑战。
对电池电动卡车(BETs)当前发展现状及未来前景进行全面系统的分析,重点考察其技术、商业、客户及环境维度,并对BST(电池快速更换技术)相对于快速充电和内燃机(ICE)进行SWOT分析。BST展现出显著的时间效率优势,仅需3-15分钟即可完成电池更换,远低于快速充电所需的30-90分钟,甚至可与柴油卡车加油速度相媲美。BST还能通过低谷时段对多组电池进行充电,实现更高效的负载管理,从而减少昂贵的电网升级需求[32]。在将共享自动驾驶电动汽车(SAEVs)整合至电力-交通耦合网络的背景下,一项研究通过全面评估此类系统的可行性,特别关注技术、经济及监管层面的挑战。在考虑的创新解决方案中,电池交换系统(BSSs)被强调为一种可最大限度减少充电停机时间、提高车队利用率,并使共享自动驾驶电动汽车(SAEVs)能够支持电网辅助服务(如可再生能源并网)的手段[33]。Hemavathi与Shinisha综述了电动汽车电池(EVB)充电方法的当前与未来趋势,并勾勒出印度电动汽车采用的路线图。该研究探讨了各类传统与先进电池充电方法、功率拓扑结构、充电站架构,以及可再生能源(RE)与电动汽车充电的整合[15]。其他综述文章将电池交换(BS)技术视为电动汽车其他不同组件领域的一项技术突破[13][34][35]。
既有文献主要将电池交换技术BS作为充电基础设施的子组件、电动车类型或电动车领域技术突破的附属品进行探讨。针对BS的专门研究较为匮乏。Feng和Lu采用CiteSpace进行关键词共现分析,对电动车电池交换站BSSs研究进行了全面综述,识别出BSS选址规划、背包管理、充电策略及分配优化等研究集群。针对每个主题领域,本研究总结了现有文献中提出的主流优化模型及求解算法。此外,通过案例分析探讨了电池共享系统(BSS)的商业模式与收益潜力。基于中国不同案例研究[18],该研究对BSS商业模式及其在未来运营中的收益可行性进行了系统分析。一项类似研究综述了电动汽车(包括混合动力及插电式混合动力电动汽车,统称为xEVs)电池共享系统的概念框架、基础设施、技术方案、优势效益、实施挑战以及未来研究方向[19]。
莫汉蒂、戈亚尔与奈坎对电动汽车电池共享(BS)与快速充电技术的现有文献与实践进行了综述与分析。该研究从运营规划、优势及对各利益相关方(包括消费者、车辆制造商、电池制造商及服务提供商)的挑战等维度,比较了电池共享与快速充电方法[36]。阿德博洪、茹安与李提出了一种通过电池共享网络(BShN)中的电池共享站(BShS)实现自动换电的框架与技术,旨在推动电动汽车普及。该框架被设计为智能电网的核心组成部分。研究评估了现有电池共享策略,并提出一种融合技术与社会经济因素的新型平行宇宙策略[23]。其他研究对电动汽车电池交换站(EV BS)及充电网络运行优化方法进行了系统分类与分析,重点关注既往研究中采用的数学方法、优化目标、约束条件及编程技术[37]。
关于电动汽车电池交换(EV BS)基础设施的现有研究在范围和技术层面均存在局限性。目前缺乏从理论基础、情境因素和方法论角度系统全面综述BS文献的研究,以提供整体性综合。本研究旨在通过从服务供需两侧对BS基础设施进行详尽深入的分析,以跨链桥这一研究空白。基于此,本研究重点解决了以下研究问题:(1)当前EV BS基础设施的发展趋势是什么?(2)与EV BS相关的关键前因、决策与结果(ADO框架)有哪些?(3)已报道的涉及EV BS的理论、情境及方法(TCM框架)是什么?(4)实施EV BS有哪些政策启示?(5)该主题学术文献中存在哪些研究空白与未来预期研究方向?
本综述遵循系统综述与荟萃分析优先报告条目(PRISMA)方法学,同时依据ADO(前因、决策、结果)与TCM(理论、情境、方法)框架对研究结果进行分析与整合。通过系统梳理现有文献,本研究识别出关键知识缺口,并提出针对性建议以指导并推动该领域未来研究方向。该综述指出传统电动汽车充电方式存在充电时间长、里程焦虑等局限性[10][11][38][39][40][41],并将电池交换(BS)技术定位为加速电动汽车普及的重要替代方案[12]。
研究发现大多数文献集中在三个主要领域:(a) 设施选址:BSS建设位置选择[42][43][44];(b) 电网交互:BSS与电网的相互作用机制[38][45][46];(c) 车辆路径规划:电动汽车前往BSS的路线优化[44][47][48][49]。文献的主要目标可归纳为:(i) 降低电网负荷:平抑负荷波动[23][38][45];(ii) 经济性优化:实现BSS利润最大化或成本最小化[43][44][45];(iii) 最小化拥堵与等待时间[41][49][50]。因此,本文献为分析电动汽车采用电池交换技术的影响因素(前因)、决策选择(决策过程)及实施效果(结果)提供了系统化研究框架。
本研究的主要创新点在于首次应用Antecedents-Decisions-Outcomes(ADO)与Theories-Contexts-Methods(TCM)双框架组合,对BS文献进行系统整合。尽管既往综述已从运营、技术或比较视角探讨过BS,但尚未有研究采用这种结构化双框架方法——既能同步捕捉驱动因素(antecedents)、战略与运营决策(decisions)及绩效结果(outcomes),又能系统梳理文献中的理论基础、地域与应用情境以及方法论取向。该集成框架实现了超越现有综述碎片化单维度分析特征的整体性综合。本综述通过提供可操作的政策与管理启示,进一步展现出重要的实践价值。这些建议以系统整合的证据基础为依托,为决策者实施BST时提供了明确的行动指南。

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