新型电力系统深度研究1：换电模式分析

双重因素利好，换电行业有望迎来快速增长。1)新能源汽车2025年年销量预计将达600万辆，届时保有量超过2770万，“十四五”期间保有量CAGR为37.1%，相关配套设施需求陡增。2)换电模式因其可解决电动汽车发展瓶颈被政策提及。参考充电行业受政策激励后建设速度加快，换电增速有望进一步提升。 政策青睐，中上游企业纷纷布局换电行业。1)上游电池企业将受益于电池需求激增，以宁德时代为首的众电池厂商自2020年起布局换电领域，与车企成立电池资产有限公司。2)换电需求增加增厚中游运营商业绩，当前行业仍处于起步阶段，竞争格局暂不明朗。除车企外，国家电投、中石油、中石化等行业相关央国企开始入局。 电池标准即将出台，行业有望向C端拓展，2025年换电站或将达到3万座。 1)商用车如重卡、矿卡更注重运营效率而非个性化定制，为电池标准统一提供了有利条件。2)《电动乘用车共享换电站建设规范》团体标准通过审查，重点推荐了四种典型换电电池包包容，为电池包尺寸统一提供了参考标准。 3)“车站兼容”模式有望拓展换电C端市场。4)按各企业建设规划进行测算，至2025年我国换电站数量有望达到3万座；以换电车型保有量增速进行预测，乐观情况下2025年换电站可达2.7万座，届时对应投资规模过千亿。 换电车保有量增加助力运营效率提升，换电站盈利能力进一步增强。通过我们测算，营运车换电站利用率超过25%即可开始获利，当利率用达到100%时，对应净利润率为20.9%，回本周期仅为1.1年；商用车换电站回本周期更短，利用率超过29%后开始盈利。 建议关注—— 1．协鑫能科：受益于发电主业，换电站运营方面公司共有电力成本低、有效依托电厂布局开展离网换电、储能项目丰富三点优势，可有效降低电力成本，增厚收益。 2．山东威达：公司于2015年收购苏州得迈科，开始进行换电设备的研发。 2017年与蔚来控股公司武汉蔚能共同成立昆山斯沃普（山东威达控股孙公司），后者为蔚来一代换电站的主要设备供应商，二代换电站的唯一供应商（截至2021年10月）。 3．瀚川智能：公司主营业务为智能装备制造，受益于汽车电子和锂电池设备的技术与经验的积累，公司拥有较高技术壁垒。 风险提示：1)换电车辆普及不及预期2）电池安全责任归属问题暂不明确3）电池标准化统一进度尚不清晰4）假设条件、市场发展或导致测算结果偏差 1.双重因素利好，换电行业有望迎来快速增长 1.1.新能源汽车“十四五”销量陡增，相关配套设施需求提速 新能源汽车销售量及保有量有望“十四五”期间飞速增长。2017年以来，新能源汽车在国内汽车市场渐受重视，销售量及保有量均稳步增长。“碳达峰、碳中和”口号提出后，增速进一步上升。2021年新能源汽车销量为352万辆，同比增长157%，占汽车总销量的比重由2017年的2.7%增长至13.4%。新能源汽车保有量于2021年达到784万，同比增长59%，占比由17年的0.7%升至2.6%。 根据中汽协预测及《新能源汽车产业发展规划》指引，2025年全国汽车年销量有望达到3000万辆，其中新能源汽车占比将达到20%，年销量为600万辆。根据销量预测与当前保有量的核算，2025年新能源汽车保有量将超过2770万辆，四年的CAGR为37.1%。 届时新能源汽车保有量占比将由2021年的2.6%提升至2025年的6.7%。随着新能源汽车高速发展，相关配套设施也将迎来重大机遇。 图1：2017-2025年新能源汽车销量及占比（万辆） 图2：2017-2025年新能源汽车保有量及占比（万辆） 1.2.充电桩为目前补能主体，换电迎来发展 相比于燃油汽车，补能为用户购买新能源汽车的重要考量因素，分为充电与换电两种，目前充电为市场主流。根据中国充电联盟统计数据，截至2021年底，我国共拥有充电站7.5万座，环比增速总体趋于稳定，约为2%。换电站1298座，环比增速呈快速增长趋势，10月份达到历史高点22%。 图3：2021年全国充电站保有量（千座）及环比增速 图4：2021年全国换电站保有量（座）及环比增速 历经10年发展，充电桩已在全国范围内形成一定规模。但相比充电，换电可有效解决用户里程焦虑，提升司机收益、排除电池安全隐患、降低用户初次购车成本。 1.2.1.分箱换电、底盘换电为主流换电类型 换电模式是指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模式。 目前市面上乘用车主要存在模块分箱换电、整体式底盘换电两种类型。底盘换电的主要代表为北汽新能源与蔚来，模块分箱换电的代表为力帆、杭州伯坦。 底盘换电以蔚来为例，首先由换电工程师将车辆在相应位置固定，随后换电室将车辆从底部升起，机械手臂将整车底盘的电池拉出放置在操控室后，再从操控室中将新电池插入到汽车底部进行重新安装。 图5：蔚来ES6汽车底盘结构示意图 图6：蔚来ES6汽车快换机构示意图 分箱换电以伯坦科技为例，当车辆驶上操作台后，底盘的电池仓下降露出电池后，由工作人员或机械臂操作专用夹放入电池传输系统，再将满电电池插入电池槽中。分箱换电将电池包做成标准化、可拆卸的动力电池箱，根据车型需求在车辆底部布置不同数量的标准箱动力电池，实现换电站设备和车型的兼容。 图7：分箱换电中车门下方电池槽侧板打开 图8：分箱换电中工作人员将电池放入电池槽 表1：两种乘用车换电模式优缺点对比 商用车如重卡、矿卡分为整体单侧、整体双侧、顶吊式换电三种。顶吊式换电采用钢索吊装电池包，由于钢索具有一定柔性，可以兼容特定的停车误差。因此顶吊式换电技术简单、成本低、可行性较好，为最早商用化的手段。 整体单侧换电智能化程度较高，对司机专业性要求低。但由于电池抓取机构为刚性，若车辆停放位置与既定位置产生偏差，容易对导向机构造成损伤，同时由于对控制精度要求高，需要配套激光雷达及视觉传感器等设备，导致成本相比顶吊式换电也更高。 整体双侧换电优势为电池不占货箱空间，更适用于电池存储位置有限的矿卡，并契合特定需要双侧布置电池的车型。但由于其需要同时配备两套机器人及电池存储充电仓，造价也相对较高。 图9：顶吊式换电 图10：整体单侧换电 表2：三种重卡换电模式对比 1.2.2.平均换电时长3-5分钟，有效缓解用户里程焦虑，提高司机收益 尽管公共充电桩大多已采用快充模式，但半小时以上的充电时间也会造成用户排队充电现象，实际充电时长或将更久。此外，快充通常采用较大电流，也会对电池寿命进行一定损耗。慢充虽然降低了电池损耗，但6-8小时的充电时长更适合于私家车用户，针对营运车及商用车等用于盈利的车型劣势较大。 表3：三种补能方式比较 营运车如出租车、网约车看重盈利能力，在仅考虑月收入和补能费用后，换电模式下司机月收入有所提高。假设出租车司机每日工作总12小时（包含补能时间），平均每小时行驶40公里，参考北京市出租车收费标准，超出起步价后每公里收取2元，出租车电池容量为60kwh（参考北汽EU5车型），剩余电量20%时进行补能。经测算，除补能费用后，使用快充单日收入为843元，使用换电单日收入可达876元，换电可使司机月收入增加约1000元。 表4：快充和换电模式下司机日收入比较 商用车如服务于沿海港口、大型物流园、矿区等地的重卡、矿卡耗电量高，单日补能次数更多；同时电池容量大，充电时间较长。采用换电后可有效提升运营时间，实现连续运营。 重卡电池普遍容量为282kwh，续航里程150-200公里，按单日行驶里程300-500公里计算，单日需补能2次。快充补能时间为1-1.5小时/次，换电相比快充可为司机节省出2-3小时的工作时长，提升了盈利能力。 表5：国内纯电动重卡车型及参数 1.2.3.电池受换电站运营商统一监控管理，增加安全系数 工信部在《关于启动新能源汽车换电模式试点工作的通知》（以下简称《试点工作通知》）中提到，换电模式在提升安全水平方面具有一定优势。 动力电池事故导致的召回数量占比仍在提升。根据国家市场监督管理总局的召回公告统计，2019年我国因动力电池问题召回车辆占召回总量18.7%，2020年为31.3%，动力电池是新能源汽车召回的主要原因且占比仍在上升。 动力电池造成的事故率未随技术进步而降低。据《2020年电动汽车起火事故分析》的不完全统计，仅2020年被媒体报道的因动力电池故障导致的新能源汽车安全事故超过120起（自燃+冒烟），事故率与2019年基本持平。参考电池安全技术提升以及老旧车辆退出，事故率没有下降侧面印证了电池安全问题依然存在。 图11：2019年与2020年新能源汽车烧车事故对比图（起） 换电模式下电池由运营商进行统一管理、在适合的温度下以稳定的电流统一充电，可以有效提高电池安全系数。此外，换电站拥有多种监测系统，包括视觉、烟感、温感以及BMS（电池管理系统）机制，可以对所有站内电池进行安全监测，第一时间排除有安全隐患的电池。 蔚来的BMS机制中的BRMS（实时监控系统）主要负责安全相关状态的监控及预测。通过售后团队及换电，在异常发生前即可对电池包进行处理，工程师在第一时间确认异常原因并制定改进方案。换电作为提高电池更换频率的方式，使蔚来有更多的电池包样本数据进行分析。综合考虑，相比于充电模式，换电在增强车主安全性方面有着明显优势。 图12：蔚来BMS机制 1.2.4.“车电分离”模式可降低用户前期购车成本 换电产业下衍生出的“车电分离”模式能有效降低用户初次购车门槛。车电分离即在换电基础上，客户购买整车后，由电池管理公司回购电池产权，客户以租赁方式获得电池使用权，实现车电价值分离，是为客户降低初始购车成本的一种方式。 2020年6月，工信部公布的《道路机动车辆生产企业及产品（第333批）》中第一次出现换电型车的新产品名称，并在公告的其他信息部分标注有“车电分离”字样，该模式初步进入市场。 蔚来的BaaS（Battery as a Service）电池租用服务率先通过成立第三方租赁公司，依托换电站建立起电池可租可换的营销服务体系。新能源车架（不含电池）所属权属于用户，动力电池所有权转移至电池资产公司。用户只需支付电池租赁费用，无需担心电池折旧导致的贬值问题，“车电分离”模式逐渐成熟。 图13：蔚来BaaS模式 除蔚来外，一汽、北汽、东风、吉利和小鹏汽车等诸多车企纷纷推出换电车型。根据我们测算，乘用车“车电分离”后，初次购车成本可降低20%-40%。 表6：代表性车企及旗下换电车型 表7：采用“车电分离”模式购车成本比较 纯电动重卡（自卸车、牵引车、载货车、环卫车、专用车等）电池售价更高，采用“车电分离”可降低更多前期购车成本。 自2021年起以换电型新能源物流重卡（牵引车、自卸车、载货车，不包含自卸式垃圾车）为代表迅速发展。截止2021年9月，物流重卡销量占新能源重卡销量的68.43%，其中换电车型占比达到45.13%，为新能源物流重卡中销量最高的车型。 表8：2021年1-9月新能源重卡销量车型分类 表9：2021年1-9月新能源物流重卡补能类型及占比 整体来看，截至2021年5月中旬，换电车数量为15.59万辆，较2019年增长30%。 随着车企推出换电车型增多，营运车、商用车对换电效率需求的提高以及“车电分离”商业模式的完善，我们预计换电型电动汽车销量将会持续提高。 图14：2019-2021年中国换电型电动汽车发展规模（万辆） 图15：截止2021年5月中国换电型电动汽车类型分布比例（%） 1.3.政策促进换电行业增速，充电经验可供借鉴 1.3.1.行业标准统一、补贴明确，充电行业高速发展 2012年国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》（以下简称《发展规划》），鼓励成立独立运营的充换电企业，充电设施建设与新能源汽车产销规模相适应。 伴随电动汽车增速加快，充电桩及充电站进入高速发展阶段。