從專利情報一窺汽車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化歷程

專利

阿耐3年前

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“換電技術(shù)在我國的首次嘗試是從商用車開始的?！?/strong>

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：孫晶晶

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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)在我國的首次嘗試是從商用車開始。

- 換電站作為儲能系統(tǒng)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(diǎn)，是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略方向；但電動汽車?yán)m(xù)航里程短、充電時間長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，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-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提出的名為電動車電池更換系統(tǒng)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(nèi)更換電動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，并允許將單個電池手動推和/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?！?/p>

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)明家就提出了電動汽車的換電技術(shù)，并申請專利，而此時電動汽車還并未形成產(chǎn)業(yè)，此時的燃油氣汽車也才發(fā)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(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)見電動汽車的出現(xiàn)，更別提電動汽車換電技術(shù)了。因此，當(dāng)時該技術(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’，一只電動手會將備好的電池?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轎車——Fluence ZE。然而，2013年，這家專門開發(fā)充換電技術(shù)的跨國公司向以色列法院申請破產(chǎn)。原計(jì)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(chǎn)權(quán)局提交了一篇名為用于操作電動車輛的系統(tǒng)和方法發(fā)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(zhǔn)系統(tǒng)、換電小車、換電站、換電站部署等。

圖3 佳境公司電動汽車換電技術(shù)專利布局圖

佳境公司倒下的第二個月(2013年)，特斯拉創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在美國發(fā)布了可在93秒內(nèi)完成的“換電技術(shù)”。2015年初，特斯拉在加州超級充電站附近的第一個換電站試運(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，更別談盈利了。而早期的兩次嘗試，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，情況又會如何呢？

換電技術(shù)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(tǒng)專利（公告號：CN1261319C），自此拉開了我國企業(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(shù)路線圖

2008年，借著北京奧運(yùn)會的東風(fēng)，電動大巴換電技術(shù)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(xué)合作申請了換電平臺、定位機(jī)構(gòu)、解鎖結(jié)構(gòu)、充電平臺等關(guān)鍵部件的相關(guān)專利。隨后在2009年，又對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)，得益于國家電網(wǎng)的入局。早在2011年，國家電網(wǎng)就提出“換電為主、插電為輔、集中充電、統(tǒng)一配送”方式，鼓勵集中充電統(tǒng)一管理。

2010年，國家電網(wǎng)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(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)成三級物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，而換電站則屬于智能電網(wǎng)的一個小節(jié)點(diǎn)。

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(jìn)行統(tǒng)一的充放電管理，具有儲能電站的功能。國家電網(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，國家電網(wǎng)側(cè)重于布局換電站中能源管理和監(jiān)測相關(guān)專利，例如換電站的運(yùn)行監(jiān)控、電源管理控制等。隨著換電站儲能、梯次利用電池概念的提出，小小換電站不再是一個個獨(dú)立的個體，而是聯(lián)結(jié)在一起的儲能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時換電站能夠?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)申請人數(shù)量歷年變化趨勢

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，使得資本市場對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。

從專利情報來看，未來，換電技術(shù)將與儲能、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：https://www.miit.gov.cn/gzcy/zbft/art/2022/art_f372aff43c3148db83385ded7c685c27.html

（原標(biāo)題：從專利情報一窺汽車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化歷程）

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：孫晶晶

編輯：IPRdaily趙甄校對：IPRdaily縱橫君

注：原文鏈接：從專利情報一窺汽車換電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化歷程（點(diǎn)擊標(biāo)題查看原文）

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