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评论丨新能源车充电设施再启投资新蓝海?

北极星储能网  来源:中信建投证券研究    2020/6/12 8:47:51  我要投稿  

北极星储能网讯:V2G在技术层面障碍较小,主要影响因素是商业价值。如果峰谷差足够大、电池循环寿命足够高,则V2G技术可能也会在分时充电等方式的基础上得到一定程度的发展。

本文来源:微信公众号 中信建投证券研究

整车续航里程、整车充能便利性、整车安全性和动力电池回收四个方面是我国新能源汽车产业长期良性发展的必要保证。随着我国新能源汽车保有量的逐渐增加,充电桩建设、充电服务的有效需求也将大幅提升。充电桩位列“新基建”充分说明了有关领域的重要地位。电新团队上周发布深度报告《充电设施:新基建赋能,便捷性之梦》。在上述逻辑基础上,优质电池材料、动力电池及整车供应商、充电基础设施供应商和充电服务供应商有望充分受益。‍今天我们邀请到了中信建投证券电力设备及新能源行业首席分析师杨藻,与各位投资者共读研报,探索新能源充电设施领域的投资机会。

对于目前大家普遍关注的新能源汽车的充电和续航问题,您认为这里的核心需求在于什么?

使用便捷性是绝大多数情况下用户对汽车的接受底线和核心需求,可简明体现为汽车在某工况/工况组合下运行的行驶时间和充能时间,及对应的行驶路程。不考虑路的影响而只从车的角度出发,行驶路程越长(对应续航能力)/行驶速度越快(对应动力性能),单次充能时间越短/充能时间占总时间的比例越小(对应充能能力),可认为整车的使用便捷性越高;在充能不便的条件下,单次充能的行驶路程越长,整车的使用便捷性越高。

汽车的续航能力、动力性能和充能时间的决定性因素是其储能(及配套动力)系统的本质理化属性。这已为长逾百年的汽车进化史所证实。随着锂离子电池技术的持续优化,新能源汽车的续航能力也持续增长。仅以2020年我国范围内推出/拟推出的纯电动乘用车新品论,特斯拉Model 3长续航单电机版、比亚迪汉EV、上汽荣威Ei6、广汽Aion-V、长安e-rock等车型的工况续航均超过600km。在满电状态下,新能源汽车(主力技术路线仍是纯电动,本文也仅对纯电动相关内容展开讨论)的“里程焦虑”现象有望得到充分控制。

但是燃油车型的配套设施和加油时间方面的巨大优势仍然存在。至2018年,我国已有超过10万个加油站,总量充足;单车加油时间约3分钟,快速方便。这使得消费者使用便捷性方面,燃油车型总体仍然相当程度领先纯电车型,很大程度上可以影响用户购车决策。所以,发力新能源汽车充能的“能源链条”对产业发展乃至国家新能源汽车战略的推进而言势在必行。

综合来看,目前我国的充电基础设施建设进展如何?充电设施中的协同作用体现在哪里?

有线充电大概率是长期主流,便捷快充需多环节协同。

消费者角度出发,能量补充的持续需求都是方便、快捷、廉价。不同的能量补充模式中,利用充电桩的有线充电是最广泛应用的充电方式,该方式结构简单、效率较高。

无线充电以空气为介质,单位截面积无线能量传播功率上限取决于评论,所以最大功率有限,而且效率随距离衰减严重;换电需解决电池库存、电池型号统一等问题,普适性尚未体现。总体而言,各个能量补充模式都有其发展前景和适用领域,有线充电大概率是长期主流。

按照不同的空间尺度,纯电动车型的充能受到原子尺度、微观尺度、电池单体、电池包和系统(乃至充电基础设施)等层级的影响。电池具备快充能力、整车可承受较高快充功率、大量快充基础设施有效协同方可获得最佳快充效果;如某个或某些环节现实情况和理想需求差距较大,则需综合权衡得出支持产业发展、具有可实现性的最优路径。

您对于新能源电池一直有着深入的研究,能否请您简单介绍一下快充电池材料持续发展的关键是什么?

对动力电池进行充电,一方面锂离子从正极脱出,经过正极-电解质界面、(液态)电解质、负极-电解质界面,嵌入负极;另一方面电子从正极导出、经外电路自负极导入,保证整个电池的电中性。放电过程相反。充电时间要求较短则需快充能力(高倍率充电,可认为是倍率性能)强,对电池材料的要求也更高。

不同的正极材料,电子电导、锂离子电导/离子扩散系数、粒径形貌、涂布厚度和面密度等因素均可影响脱锂能力。本征的影响因素是材料体系区别:层状结构的钴酸锂、三元材料的锂离子扩散通道是二维通道,橄榄石结构的磷酸铁锂扩散通道是一维通道,所以锂离子嵌入/脱出更容易,体现为离子电导更高。纳米化等手段可以改进离子电导,但是对体积容量密度有负面影响;过大的比表面积也会给生产工艺、寿命方面的指标带来一些不利影响。

钴酸锂/三元材料的本征电子电导好于磷酸铁锂,但二者不同程度需要炭黑、碳纳米管等导电剂掺杂、表面包覆等手段提升电子电导,优化倍率性能。

为支持电池倍率性能的发挥,电解液通常需要在工作温域内具备较高的离子电导以及较低的极化,并且控制和正负极的反应。

负极是充电过程中锂离子的接受体,是电池快充性能的关键。石墨是最常用的负极材料,但其层间距较小(0.354nm),在快充时由于界面反应阻抗的增加使得石墨负极相比慢充下更容易达到析锂电位,锂离子不能正常嵌入到石墨负极,而是以原子的形式沉积在负极表面形成锂枝晶。钛酸锂零应变,具有三维扩散通道,但成本高、对锂电压高,对应电池能量密度低。动力电池的负极对快充的优化仍多依托石墨基体,进行锂离子扩散通道构建、高导电材料包覆等方面工作。

所以,在电池材料层面,正极材料的纳米化、掺杂和包覆改性,电解液的成分调控,隔膜的厚度、孔径与涂覆调控,负极的扩散通道构建和包覆改性等,可以提升电池的倍率性能,发挥更强的充放能力。但是,倍率性能的提升也会对电池能量密度、寿命、成本方面带来不同程度的负面影响。侧重倍率性能的电池,能量密度通常低于类似体系、侧重能量密度的电池。

再来从整个电池系统的角度来看,保证快速充电能够平稳运行的探索方向是什么?

多节电池单体串并联组成电池模组-电池包,形成电池系统。单体层面快充的负面影响可能在系统方面被放大。如前所述电池单体在快充时的温度不均匀性被拉大,到系统层面电芯之间的温度不均匀性也会增加。这使得不同电芯的性能差距增加,电池包整体材料功能微元的性能差距被进一步拉大。相对更热的电芯及功能微元轻则老化加速,重则局部过充,发生负极析锂,刺穿隔膜导致热失控安全事故发生的概率成倍增加。控制变量角度看,电池系统的寿命不及电池单体,高倍率条件下差距拉大。

相应的解决方案包括采取成熟稳定的电池制造工艺,提高电池单体的一致性;采用更高性能的热管理系统,提升温度管控能力与均热效率;运用实时收集、监控电芯/模组信息更丰富精确的BMS,保证充电的功率处于电芯的合适工作窗口范围内;优化整车-电池包设计等。

所以,希望优化快充倍率的电池在材料、单体、系统层面不同程度需要在能量密度、寿命、安全性和成本方面做出权衡,而且高倍率充电对电池的容量发挥、安全性保持等方面有不利影响。当前应用于纯电动车型的动力电池多关注C/3、1C、3C等不同倍率下的性能表现,作为综合评价电池的重要组成部分。

分析了电池之后我们再来聊一下整车的快速充电情况,目前车载充电和通过充电桩充电的区别是什么?该领域未来可以有哪些新的发展和新的探索?

车载充电系统安装在车辆内部,具有体积小、冷却和封闭性好、重量轻等优点,但功率普遍较小,充电所耗时间长。充电桩相比于车载充电系统功率更高,高功率充电桩可实现快速充电效果。根据ev-database的统计,主要国际纯电动乘用车产品的车载充电机支持的最大功率以11kW居多,也有6.6kW、7.2kW、17kW、22kW等其他数值;连接外界充电桩的最大快充功率多已接近或超过100kW,考虑到整车最大带电量的不同以快充倍率估算,大多数车型的最大快充倍率在约2C以内,平均快充倍率在1~1.5C(高电位下充电通常需要降低电流强度,故快充功率一般只维持到80%SOC甚至更低,充满电时间可压缩至1小时以内需要的平均快充倍率1C,最大倍率须相当程度大于1C);以快充折合续航(线性外推至单小时续航提升量)计,多数车型在500km/h上下。

以日产leaf/宝马i3为例,具有常规快充速度的车型(也包含大多数充电30分钟或稍多,续航增长至80%的自主纯电动A级车)通常搭配60kW快充桩即可较好地实现车-桩匹配。对于带电量更大、快充倍率也更高的车型而言,更大功率的充电桩与更高倍率、容量动力电池匹配就是实现有效快充、获取更多的单位时间充电续航的关键。主要产品中,特斯拉Model 3/Y、保时捷taycan的充电倍率达到/接近3C,快充折合续航增加达到700km/h以上。

特斯拉和保时捷的努力:

以400V电压平台的高压系统和超级快充站相配合,自2012年开始特斯拉系列产品为纯电动乘用车提供了相对较好的充电使用体验。400V高压系统的巅峰可能也就是特斯拉系列产品的对应表现。

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截至2020年初,特斯拉在全球范围内已有逾1600座超级充电站和1.44万个超级充电桩,北美、欧洲、东亚是布局重点。

Model S、Model X即兼容超级快充,Model 3、Model Y在它们基础上更进一步。

对Model 3标准续航版,采用175kW充电桩其最大充电功率也仅有100kW,对应动力电池倍率约2C(100kW/50kWh);而对长续航版,同样使用175kW充电桩其最大充电功率可达到约150kW,对应动力电池倍率仍然为2C(150kW/75kWh)。

到了Model Y,整车的最大充电功率和平均快充功率都有了进一步提升,但是250kW最大功率仍未跑满350kW直流快充桩。

保时捷Taycan则将高压系统的母线电压提升至800V,功率模块兼容400V的超级快充网络。800V高压系统部分规避了更粗的电线造成的不变,一方面使得更大功率的电机得以应用,对应其跑车所需的动力性;一方面也提高了快充功率在系统层面的“天花板”。但是对绝缘的要求也更高。现阶段800V高压快充的最大功率仍不足300kW,达到350kW或需等到2021-2023年(据NE时代估计)。

快速充电还不够完善,据您分析制约快速充电发展的技术瓶颈是什么?展望未来快速充电将会有多快?

超级快充的技术瓶颈是多环节的。动力电池方面,过高的倍率需要的性能妥协太大,电池系统的管理难度也提升,综合考虑各种因素,800V、400kW~500kW约对应4C~5C倍率,基本是具有可实现性的前瞻指标(事实上,大电流要求单位长度充电线重量大幅增加,使用便利性下降;充电桩也因为大功率而需要考虑实际体积、散热等要求,成本增加,建设难度提升)。

我们预计,几小时慢充、1小时快充和部分15分钟-半小时的超级快充将分享整车充能的不同时间范围(而“五分钟从零充满”基本没有可实现性);常规新能源汽车的充能手段限于几小时慢充和1小时快充,高端车型对超级快充的需求高;未来或也存在部分续航能力一般,但快充能力强的车型占据细分市场(300km-400km工况续航,40-50kWh带电量,但可支持120-150kW超级快充,短途城内-短距离城间使用便捷性强)。

最后我们想请杨总来分析一下充电设施的建设,我们看到充电桩今年第一次被写进政府工作报告,又上升到 “新基建”国家战略高度,请问杨总对充电桩建设的前景和规模怎么看?

综合各方面信息,我们估计:

充电桩规模和类型方面:根据电科院研究《中国电动汽车现状技术及发展》,结合《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》征求意见稿,可以2025年我国新能源汽车保有量在2200万辆左右为基准情景。2020-2025年我国公共充电桩建设和新能源汽车增速基本同步,车桩比在5:1(乐观情景)到10:1(谨慎情景)之间;私人充电桩占比相比于当前有一定程度提升,车桩比在3:1(乐观情景)到5:1(谨慎情景)之间。考虑到超充桩对电网较大的冲击以及配网改造在渐进性,至2025年我国公共充电桩以60kW~80kW左右功率的直流快充桩为主,私人充电桩以7kW功率的交流慢充桩为主。至2030年,新能源汽车保有量增至6000万辆以上,届时公共充电桩占比大概率保持,而私人充电桩占比有望继续提升,使得总体车桩比进一步降低。

在此基本假设下,我们中性预期2025年我国充电桩数量将突破800万个,其中公共充电桩275万个。总体车桩比约2.67,较2020年4月有一定程度下降。

用户习惯方面:逐渐增加的新能源汽车保有量如果没有合适的充电习惯匹配,将对电网造成一定程度冲击。2019年北京市尖峰负荷约2600万kW,如假设至2025年北京市尖峰负荷基础值不变,同时新能源汽车保有量达80万辆,而且其中半数车辆在尖峰时段通过7kW慢充桩集中充电,则增加负荷280万kW,相当于增加了10%。假设至2025年北京市尖峰负荷基础值不变,新能源汽车保有量达80万辆,其中10%车辆在尖峰时段通过60kW快充桩充电,则增加负荷480万kW,相当于增加了近20%。如还有部分超充桩参与充电,则负荷增加更多。

但是同样的充电需求如果在谷段施加于电网,则可以起到有效“填谷”的作用。2015年北京的最大制冷负荷比重高达51.5%,如我们假设夜间1时-早上7时空调负荷比重比最大制冷负荷减半,则夜间2时-早上6时的实际负荷可削减600万kW。以7kW慢充桩工作估计,至少可为单车补充42kW电量,足以满足正常条件下2-3日甚至更多时间的用电需求。

所以,慢充为主、应急快充为辅,以分时电价等方式引导用户合理有序充电,并使用户形成利用谷段电力的习惯,大概率将成为充电桩使用的合理手段;V2G在技术层面障碍较小,主要影响因素是商业价值。如果峰谷差足够大、电池循环寿命足够高,则V2G技术可能也会在分时充电等方式的基础上得到一定程度的发展。此外,共享私人充电桩等方式可能提高充电桩利用率及效能,在新能源汽车保有量逐年增加的背景下也可能取得相当程度的用户认可;和前述充电桩规模、类型部分的分析一致,在新能源汽车充分丰富,保有量份额达1/3甚至更高的情况下,私人/共享慢充桩的长期增速/规模可能高于快充/超充桩。

商业模式和市场空间方面:以慢充桩单桩价值3000元、快充桩单桩价值30000元估计,2025年中性情景下我国充电桩总价值量将接近1000亿元;综合考虑乘用车、商用车的运行里程,充电及服务费用单价差别,2025年中性情景下我国新能源汽车充电及服务费用总量将超过600亿元。另外可以看出,充电基础设施建设适度超前的合理性在于,大规模进行充电桩建设,“以桩等车”可能导致充电服务费用/充电桩总价值量下降,也就是说大规模超前进行充电桩建设但充电无序,其经济社会效益大概率不及适度超前进行充电桩建设,同时引导用户有序充电。此外,如将增值服务(如广告业务等)的收入考虑在内,则新能源汽车实际市场有更大空间。

我们认为,整车续航里程、整车充能便利性、整车安全性和动力电池回收四个方面是我国新能源汽车产业长期良性发展的必要保证。随着我国新能源汽车保有量的逐渐增加,充电桩建设、充电服务的有效需求也将大幅提升;充电桩位列“新基建”充分说明了有关领域的重要地位。在此逻辑基础上,优质电池材料、动力电池及整车供应商、充电基础设施供应商和充电服务供应商有望充分受益。

原标题:中信建投首席说 | 新能源车充电设施再启投资新蓝海?

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