原创研究 | 新能源汽车换电模式回顾与展望

原标题:原创研究 | 新能源汽车换电模式回顾与展望

作者:

周旼(天堂硅谷合伙人,专注于新能源、新材料、新汽车领域投资多年)

张成(天堂硅谷金融研究院高级研究员)

新能源汽车是新能源与新汽车结合,其前世今生及未来的产业变迁归结到能源与汽车的演化,当前谈新能源汽车从产业界到投资界往往焦点在“车”而极少探究能源领域的新,其中固然有特斯拉盛名之下的遮蔽因素,同时中国电网建设独步全球所导致多数人对电的感觉固化为如空气般的随处可取,我们认为新能源对于新能源汽车产业是重要的产业与投资课题,有必要认真研究并三思而行。

对照石油与燃油网络这传统燃油车能源供应范式,电与电能网络就是新能源汽车能源供应范式,过去20年以西方发达国家主导的新能源革命主要集中在发电领域的可再生发电侧,各国政府对光伏与风电投入极大,中国政府以负责任大国也积极参与可再生电能国际洪流并大力推动国内产业发展。我国自2006年开始征收可再生能源补贴,主要用于补贴光伏、风电等新能源电力的发展。发展至今,该补贴缺口巨大,国家能源局相关负责人表示,目前我国可再生能源发电补贴缺口已超过1200亿元。据国家发改委能源研究所测算,当年补贴需求峰值在2021-2025年,每年2000亿元左右。

随着欧洲电能价格持续走高与中国弃光弃风现象难题,新能源发电侧的痛点逐步显露其本质。可预见,随着新能源汽车(特别是纯电动汽车)这种既有规模电能储存特性,又有电能消耗特点的产业快速发展起来,储电、用电两方面要形式良好的平衡步伐才会真正引爆全球的新能源与新能源汽车两大巨型产业。

新能源汽车发展至目前阶段,充电模式似乎是市场普遍认可的一种方式,但其短板就是时间成本过大,以及电池衰减过快。据新闻报导,香港自2013年开始的绿色的士业务(比亚迪e6车型)因为充电时间长、充电站少等原因陆续退出了运营,香港纯电动出租车的时代在2018年画上了暂时的句点。退出的主要原因就是时间成本以及电池衰减后实际里程数下降。

我们认为,新能源汽车的换电模式是新能源汽车能源供应网络中的重要篇章,其发展能力与轨迹对未来新能源汽车产业能否进一步扩大有非常大的影响。在这种巨大的潜在影响之下,我们认为换电模式是值得市场对其过去再一次复盘。在了解过去、看清现状后,探讨其未来。

换电模式过往

2008年,以色列的Better Place公司就以换电的模式融资,并在美国和欧洲推广换电车,当时根据换电思路设计的车为雷诺Fluence ZE。但是这种换电模式没有取得成功,最后Better Place公司也停止运营。主要的原因在于换电站的造价过于昂贵,每一个换电站的投资在200-500万美元,而且换电站发展比较缓慢,雷诺Fluence ZE的销量又比较惨淡,用户数量少,入不敷出,最后只能不了了之。

同期,“十城千辆”为代表的中国新能源产业开始星星之火,国家电网与南方电网是能源供应服务商业模式创新主导参与方。其中国家电网积极试点换电模式,对于换电模式这种通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送,并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务或者集电池的充电、物流调配、以及换电服务于一体的方式,从国电顶层给予高度重视,特别在新能源汽车产业还缺乏足够产业链支持的情况下,高强度的研发与试点投入,以求构建一个以换电网络为核心,整车企业、三大电核心零部件企业充分参与的平台体系。国家电网设想“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的商业运营模式,统一进行了有关智能充换电服务网络运行管理系统的开发,并开展充换电网络的示范运营和电池租赁试点。北京、苏沪杭、青岛等城市已经建成了一批电动汽车充换电示范工程,同时在环渤海和长三角2 个区域建设跨城际的智能充换电服务网络。

国家电网换电模式杭州试点情况

在2009年全国选出的25个节能与新能源汽车示范推广试点城市中,杭州在2011年1月26日推出了30辆纯电动出租车,成为第一个推出商业运营新能源出租车的城市。国家电网向车辆提供智充电换电服务,最大的特点就是所谓的“电池供给+换充服务+里程计费”的商业模式。这些车辆一改新能源车只能停车充电续航方式,而是可以在指定的换电站花上2-5分钟换上重约260KG的四组电池后马上重新投入使用。速度上与传统燃油汽车加油相差无几。但是作为新生事物,核心问题之一就是三元电芯的安全性在没有充分验证前只能选择低能量密度的电芯导致续航里程较低,换电池之后里程只有80公里,这对于准一线城市尺度的杭州而言是必须解决的挑战。

由于在电池标准化、整车企业参与度、产业链成熟度等方面存在瓶颈,国网与南网并未真正大规模推进换电站建设,随着电网新一届领导班子调整新能源汽车产业的布局思路,2012 年换电模式在国内发展进入了低谷期。

2013年的时候,特斯拉也曾推出过换电技术,由于美国电网的基础建设不够完善,试点的换电服务没有达到理想状态,最终只能放弃。特斯拉的换电服务与其主推的超级充电站相比有不少问题,第一需要车主额外支付换电的服务费用,一次换电服务的价钱为60-80美金,相较汽油费用要更昂贵。第二车主要返回换电站换回电池,不然车主需补上新旧电池差价。特斯拉的换电模式没有真正实现换电模式首要解决的车电分离,试点的糟糕体验让其不得不放弃换电模式。

纯电汽车产业当前挑战

2018年新能源汽车产销超预期发展,中汽协表示在国内整体车市进入低增长时期,新能源汽车反而表现亮眼,截止2018年11月累计销量首次突破100万辆,达到103万辆。这其中纯电乘用车销售65.2万辆(图1)。

图1:2018年前11个月纯电乘用车销量

数据来源:中国汽车工业协会

但纯电汽车产业高速发展也难掩其面对的几大挑战:

1.纯电汽车销售明显受到补贴政策的影响,随着2020年补贴退出时间表临近,纯电汽车在成本与品质上还不足颠覆燃油车;

2.纯电汽车几大核心零部件生命周期错配,当前电池技术还不足以匹配其余纯电汽车其余核心零部件的有效生命周期,导致明显的资源浪费(图2);

图2:电动汽车各核心零部件生命周期对比

数据来源:时空电动股份有限公司

3.从2017年新能源汽车国补对于纯电汽车的电芯与电池组能量密度进行了高指标的明确倾向性,导致整车企业加速采用高能源密度的电池,纯电汽车频频出现电池燃烧高风险事故,2018年前三季度经证实的电池燃烧事件达27起。

换电模式优势

从十年前国家电网在杭州试点出租车换电服务到近期几大换电服务企业的情况看,换电模式相比普通充电模式优势在于:

1.不改变用户的能量补充习惯,换电效率到提升至与燃油车加油时间类似;

2.换电后的电池采用慢充方式补电,有效保护电池使用寿命;

3.平衡用电功率,提高电网能源效率,削峰填谷,还能减少可再生能源的浪费;

4.通过梯次利用使得电池资产价值最大化(图3);

图3:动力电池梯次利用规划

数据来源:时空电动股份有限公司

5.可实现电池包集中回收,回收率高,和原材料回收形成循环经济;

6.在建设方面一方面便于电网配网工程,一方面节约土地空间资源,能源供应效率高;

7.国内城市中心区域并不方便安装充电桩,影响私家车新能源汽车普及。而有了换电站,家用充电桩就不是必要的了。另外目前纯电汽车快充模式对电网冲击较大,需要未雨绸缪。举个例子,容量50度电的电动车,如果需要30分钟充满达到加油般的快速体验的话,功率需要达到100KW,20台纯电汽车同时快充可以达到一座办公楼的用电功率,对于城市中心区域老旧电网的冲击巨大;

8.充电需要占用大量停车位,在城市土地成本昂贵,利用停车位大量从事充电服务将导致充电服务费高企,影响纯电汽车进一步普及。但一个换电站只需要换电车位,电池取出后充电根本不占用地方,适合土地成本高昂的中国一二线城市。

另外随着出行市场的火热,高频用车与换电模式的结合优势明显,拥有性价比优势。

换电模式发展现状与瓶颈

新能源汽车企业对不同充电模式的探索正得到来自政府职能部门的认可与支持。国家发改委在2018年12月10日公布的《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》中明确要“继续探索出租车、租赁车等特定领域电动汽车换电模式应用”。相对于插电模式,换电模式目前仍处于行业发展初期,规模较小。但在政策红利的形势下,新能源汽车的换电模式无疑拥有广阔的发展空间。

近两年,时空电动、北汽、力帆是国内换电模式主要参与者。以北汽新能源为例,北汽的换电模式是底盘换电,电池不通用,主要应用在出租车上。但是北汽在新能源汽车整体快速发展之下,将换电模式由出租车延伸至私家车,并于2018年7月宣布启动针对私家车的车电价值分享商业模式。具体而言,消费者购买整车后,电池由电池管理公司回购,消费者之后则租用电池使用。这样就可以降低前期购车成本以及后期使用成本。以北汽的EU300车型做的测算显示,新车售价约为12.98万元,电池回购之后,消费者实际只需要支付7.8万元。

除北汽新能源在换电模式上的探索外,力帆采用的小分箱换电模式,主要用在分时租赁A00级车上,电池分布散,效率较低,通用性差。伯坦的换电技术(时空东风车系、力帆B级车系、东风物流车等)采用15度电的通用PACK,换电方式可以从底盘、侧面等多个位置实行,通用性、灵活性、效率、梯次利用率都很高,可以涵盖客车、物流车、轿车等各种车系,服务私人用车、网约车、出租车、物流车等多种应用。

从目前市场主要参与者的产品布局来看,换电模式面临几大挑战。该类模式距离大规模普及还需要几点突破。我们认为当下换电模式当下的瓶颈:

1.电池标准化仍是瓶颈

换电模式发展的阻力并不是来自于技术,而是来自产品标准化,来自于商业模式,来自整车厂、换电运营商、用户三方利益不统一。不断发展的电芯与统一规格的电池组还无法作为更换电池稳定的保障,对于私家车来说,不同品牌的电动汽车连充电设施充电桩都没有统一,更别提电池的统一;另外当前车电销售不分离的现状也影响电池资产的有效流转。即使是每个整车厂的不同级别车型续航里程不尽相同,电池容量与电芯供应商也也有所区别,换电难度不小;

2.换电站建设成本巨大

传统整车厂与蔚来新造车势力纷纷试行换电模式,但在实际的操作中几大换电站由于厂商电池布置不一样,尺寸、电池品牌不一样,且缺乏换电站国家统一标准而无法共享,如果各个汽车厂商都建设遍布全国的换电站,加上后期维护,这个成本无疑是巨大的,几乎没有一个整车厂能承受;

3.换电站电池投入较大

换电模式另一阻力来自高昂的前期成本投入,其中电池是大头。国家电网杭州换电出租车试点中,由于采用磷酸铁锂电芯和小尺寸标准电池箱,运行车辆与后备电池比例定为1:1,有100%的换电站后备电池冗余度。近年随着三元锂电与车联网技术的发展,电池组容量快速提升并可时刻监测车辆的SOC数据与实际运营数据,以时空电动为例,换电站的后备电池比例为1:0.3,冗余度有效降低趋势明显。

换电模式爆发窗口

随着纯电汽车在数量上快速提升,与之相匹配的电能供应网络需要必然快递提高,我们认为换电模式爆发窗口期临近,主要影响因素如下:

1.城市级换电网络模式验证

以燃油加油站作为参照,单点换电站的日服务纯电汽车数量约800辆,一个城市空间布局五座站(东南西北中)即可服务4000台左右的纯电汽车。目前单个换电网络服务商在单个城市具备五座以上换电站的城市数量尚在个位数,且与之配合的换电版纯电汽车在单个城市数量超过4000台的更寥寥无几,所以商业模式的实践验证尚需时日。但商业模式一旦在某些城市完成验证,在资本的推动下会以较快速度完成长三角、珠三角、沿海发达与中西部核心城市的布局;

2.出行市场高频市场纯电汽车与换电网络良好示范

2020年前,新能源汽车下游最确定性的市场需求就是出行市场,一方面地方政府乐见新能源汽车成为当地公共交通的主力,助推环境改善与绿色GDP;另一方面在补贴与油电差价的货币激励作用下,出行企业与司机有较强动力采用新能源汽车。回到本文前述中关于纯电汽车核心零部件周期错配与充电模式低效的问题,换电网络的比较优势随着充电版纯电汽车进入出行市场18个月后开始显现,预计2019年下半年是时间窗口开启;

3.车电分离销售模式突破

由于电芯与电池组是新能源汽车的核心零部件,且占据整车成本的50%左右,当下整车销售模式与补贴政策并不支持车电分离的销售模式。但随着补贴退出与电池成本下降的趋势下,加上燃油与燃油车的传统范式,我们认为车电分离并不存在刚性约束,且整车企业从电池安全与容量衰减风险倒逼,显然乐于接受车电分离模式;

4.车联网下的数字化能力提升

纯电汽车天然是“电”与“数字化”的,随着5G与车联网技术的快速发展,车将大概率取代PC与手机成为个人拥有的最大算力中心与网络接入点。所以基于车联网和算力禀赋的条件下,错峰换电、移动电池调配都将成为有效提升换电网络效率与用户体验的可行方案。

总结

综合而言,新能源汽车发展是一个全球性趋势。该产业以及相关产业链整体将是一个体量巨大的新兴产业。发展至今,我国新能源汽车年销量已经突破100万辆,但与之形成落差的是充电系统并没有深度发展。充电桩数量不足、充电时间长、电池衰减等都是新能源汽车后期发展的瓶颈。通过之前对新能源汽车产业过往十年的发展历程、换电模式发展的前世今生的分析,我们认为换电模式作为新能源汽车产业链中能源供应网络的重要组成,有其发展的价值。在政策支持以及相关企业进一步研发之下,或将成为一个新的发展方向。返回搜狐,查看更多

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