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新能源汽车行业初析

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新能源汽车行业初析

发布日期:2018-11-16 作者: 点击:

新能源汽车行业初析

据统计,2016年新能源车产量51.7万辆,同比增长52.06%,同年车产量为2811.9万辆左右,渗透率1.85%。预计2017-2020年,年复合增长率43.58%。新能源汽车行业为何有如此高的增长速度,新能源汽车销量的快速增长将带动哪些产业发展,其高速增长的背后又有哪些投资机会,应重点关注哪些早期公司或新三板公司,本文将围绕这些问题展开研究。

1新能源汽车行业增长驱动

1.1 新能源汽车生命周期成本低于汽油车

对于消费者而言,成本是衡量新能源车是否具有替代优势的核心问题。汽车的全命周期成本主要包含两部分,即首次购置的成本及每年行驶的成本;当前,电动车的首次购置的成本略高于汽油车成本,行驶成本已显著低于汽油车的行驶成本。若首次购置中包含政府补贴,则电动车的全命周期成本已显著低于汽油车。以吉利帝豪电动款和汽油款为例,如下图,在汽车使用时长大于6.5 年后成本优势体现,而汽车的平均使用年限超过10年。

对于客车而言,从全生命周期成本的角度看,新能源的替代优势则更加明显。在考虑国家营运补贴的假设下,使用年限超过0.6 年后纯电动公交车更加经济。在不考虑国家营运补贴的假设下,使用年限超过1.2 年后使用纯电动公交车更加经济。我国公交车实际平均使用年限为8~10 年,远大于1.2 年,新能源汽车的成本优势在商用车环节体现得更加显著。

新能源汽车的成本主要由三大部分构成:电池、电机、电控系统,电池系统成本占到了总体的30%-50%,降低电池成本成为了降低新能源汽车首次购置成本的关键。据有关数据显示,过去几年间,电池成本几乎下降了一半左右(数据详见2015年真锂研究)。如中国工信部2016发布的2025制造计划,将电池成本定位在0.8元/KWh(约合116美元/Kwh),其他如国际能源署(IEA)、美国能源部等也预测2020年左右,电池成本将会在200美元/Kwh以下,而只要电池成本降到100美元/Kwh,电动车的成本将与燃油车的成本基本接近;电池成本降低到150美元/Kwh,电动车在环保等理念附加的情况下已有较强竞争力。

2015年真锂研究、AOE、Avicenne等机构对电池成本的统计数据

1.2 国家政策助力新能源汽车行业腾飞

为达到国家节能减排目标和扶植新能源汽车厂商,以实现汽车工业弯道超车的经济战略。中国政府部门采取了大额补贴的政策措施。新能源刺激政策由普惠政策逐步过渡到市场化的奖惩督促政策。2016年04月29日,《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》正式发布,具体的退坡办法是:2017-2020年,除燃料电池汽车外,其他新能源车型补贴标准都实行退坡,其中:2017-2018年补贴标准在2016年基础上下降20%,2019-2020年补贴标准在2016年基础上下降40%。同时,2017 年6 月国务院法制办颁发了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》,双积分政策18 年实施落地。其中规定,2018年至2020年,新能源汽车积分比例要求分别为8%、10%、12%。2020年以后的比例要求另行制定,这一规定适用于所有在华汽车制造商。如果车企“双积分”不达标,将面临目录公告暂停、传统车停产乃至罚款等风险。在购车成本及国家政策的双重助力下,新能源汽车近几年呈现高速增长态势。

2、新能源汽车产业链

新能源汽车的“三电”模块电池、电机、电控是核心动力总成部件,累计成本占比约60%,大幅超越传统整车。新能源汽车的产业链,包括上游、中游、下游、充电设施等。

2.1 原材料

新能源产业的发展带动上游原材料需求量增加。上游原材料钴矿,锂矿、镍矿等均属于国家战略性矿产资源,2016 年全球钴矿产量为10.1 万吨,产量增速由过去的10%以上下滑至3.06%, 从近几年原材料价格走势来看,由于三元锂电池的使用,钴的价格呈上升趋势。

2.2 电池

动力电池的成本由三部分构成,电芯即锂电池的部分,占比大概66%。BMS即电池管理系统,能提高电池的利用率,监控电池的状态,防止电池出现过充电和过放电,延长电池的使用寿命,核心部分由硬件电路、底层软件和应用层软件组成,成本占比6%。PACK是指基于车厂客户不同车型的个性化需求,对动力电池BMS方案、热管理、空间尺寸、结构强度、系统接口、IP等级和防护等进行定制化研发与设计,通过各种成熟技术的交互使用实现动力电池组各模块的有机结合,保障核心储能装置电芯的安全性和稳定性,成本占比大概28%。

电池的基本原理是,放电时锂离子与电子从负极脱出,电子经由外部电路达到正极,而锂离子则通过电解液进入正极。锂离子、正极材料以及电子在正极重新结合完成电流传导,隔膜主要是将正极和负极隔离从而防止短路。 

2.2.1 正极材料

新能源电动车相较传统整车的核心优势在于能源结构与成本,短板在于续航里程。续航里程主要由正极材料的容量决定,而正极材料决定了电池的容量(续航里程)、寿命等多方面核心性能,因此正极材料是电池最重要的子环节。正极材料,主要包括磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等,各正极材料性能如图所示。

其中三元锂电池续航性能较好,但稳定性较差。乘用车作为个人使用,对续航里程要求较高,在下游充电桩尚未大面积普及时,续航性能目前是制约其发展的一个核心问题。鉴于此,各整车厂普遍开始在乘用车上采用三元锂方案,三元材料较弱的稳定性可以通过搭载性能优异的热管理系统加以弥补。预计未来三元锂的出货量的占比也将逐渐提高,此外为降低材料成本,“低钴高镍”化将成为三元电池的后期趋势。

整车厂中,比亚迪已在逐步扩充三元锂产能,上汽新推出的荣威ERX5 改为搭载三元锂电池,吉利、众泰以及奇瑞等整车厂则直接采用三元锂电池方案。国际主流的新能源车型特斯拉Model S,宝马i3、以及日产的Leaf 均更加注重续航里程而采用三元锂电池。

新能源客车普遍选择磷酸铁锂。这主要是由于新能源客车对使用寿命、安全性以及功率要求更高,续航里程以及运营线路较为固定,从而可以在电池容量上做出一定让步。未来其使用三元锂的比例也将保持稳定。

2.2.2 负极材料

负极材料,天然石墨、人造石墨、中间相炭微球、石墨烯、钛酸锂等,各材销量占比如图。目前,天然石墨和人造石墨是主要的类型。各材料性能对比如下。

钛酸锂寿命高,安全性高,充电快,但比容量低,比较适合用于对空间没有要求的大巴和储能领域。未来2-3年石墨类负极材料,尤其是人造石墨将是主流技术路线。对天然石墨类材料进行氧化、包覆聚合物、包覆碳材料以及金属氧化等改性后能够使得其容量提升,同时成本相对较低,后期也是负极材料的主要突破方向。

长期来看,碳硅复合材料等具备较高的比容量与安全性,但循环稳定性较差,同时制备工艺复杂成本高,后期该类材料的攻破重点在降低成本提高稳定性。目前各大材料厂商纷纷在研发硅碳复合材料,如BTR、革鑫纳米、杉杉、华为、三星等,但还没有可大规模商用的产品。

2.2.3 隔膜

隔膜的作用是将电池的正、负极分隔开从而防止两极接触发生短路,也为电解质离子提供流动通道隔膜性能决定了电池的界面结构、内阻等,因此也会影响到电池的容量、循环以及安全性能。 

隔膜的制备方法,现在主要分为干法制备和湿法制备。干法制备,是将聚烯烃树脂熔融、挤压后吹制成结晶性高分子薄膜、经过结晶化热处理、退火后在高温下进一步拉伸,从而将结晶界面进行剥离,形成多空结构,干法工艺主要应用于PP 材料。 湿法制备,主要利用高聚物以及某些高沸点的小分子化合物在高温下形成均相溶液,降低温度后发生固-液或液-液相分离,后期经过拉伸后除去低分子后则可制成相互贯通的微孔膜材料。主要针对低密度的PE材料,目前较多应用于三元锂电池。各类隔膜的性能及应用占比如图。

湿法隔膜比干法具备更好的孔隙率、透气性以及拉伸强度,因此具备更好的容量、安全性和循环特性,但湿法主要采用PE材料,耐高温性能更差,同时湿法的成本较高,一般用于制造高端隔膜产品。湿法隔膜主要受到三元锂电池增长带动需求,国内供不应求主要依赖进口,而国际隔膜制造巨头基本以湿法制备为主。当前具备技术与资金优势的企业正积极布局扩大湿法隔膜产能,预计18个月后产能可释放。

2.2.4 电解液

电解液在电池正、负极之间起到传导电子的作用,对电池的比容量、工作温度范围、 循环效率和安全性能等至关重要。电解液的成分是电解质锂盐(以六氟磷酸锂为主)、 高纯度有机溶剂、及必要的添加剂。 

六氟磷酸锂以其独特性能优势成为主流电解质。之前LiPF6被日本瑞星化工、森田化学和关东电化垄断,价格居高不下,2011年,随着以多氟多为代表的多家国内企业成功突破LiPF6的生产工艺,电解液迅速开启国产化进程,价格也逐渐走低。各类电解液的对比如图。

LiBOB、LiODFB、LiFSI、LiTFSI 等是目前市场上已开始少量应用的新型电解质锂盐,它们与传统溶质相比,最大的优势在于稳定性高,低温性能好。其中新型锂盐添加剂LiFSI 作为一款非常优秀的新型锂盐添加剂,电导率高,高低温性能好,安全性能高,预计未来在低温、高电压、高倍率电解液中将有着广泛应用。目前LiFSI已应用在日韩电池企业的部分高端产品中,国内则包括天赐材料、新宙邦等在内的主流电解液厂家和添加剂厂家都在积极建设LiFSI 产线,产业化序幕正在逐步拉开。

2.2.5 电池管理系统BMS

BMS是电池包最关键的零部件。目前新能源车80%的故障来自电池包,电池包80%的故障来自BMS,可见BMS重要性。核心技术包括包括SOC(State Of Charge)、SOP(State Of Power)、SOH(Stateof Health)以及均衡和热管理。SOC是依据监测的外部特性信息计算出来的传输信息。防止过充过放,提高均衡一致性,提高输出功率减少额外冗余。因此精确估算SOC数值变得非常重要,其算法是相关企业的核心竞争力之一。均衡技术包括被动均衡和主动均衡,被动均衡适合于小容量、低串数、一致性好的锂电池组,主动均衡适用于高串数、大容量的动力型锂电池组,其结构更复杂,同时导致成本与故障率上升。

2.2.6 PACK

通常来讲,PACK设计需求由整车厂提出,具体包括空间尺寸要求、结构强度、热管理、系统接口、BMS匹配、IP等级和防护等,与BMS联系非常紧密。目前PACK领域的主要参与方包括电池企业(占比60%)、整车企业(占比20%)、第三方PACK企业(占比20%)等。锂电池Pack产线相对简单,核心工序包括电芯测试、连接组装、外壳包装、可靠性测试等工艺,核心设备为电池测试设备、激光焊接机以及各类粘贴检测设备。

2.3 锂电设备

锂电设备,包括前段、中段、后段三个部分,三个部分占设备投入的比例几乎相当。各部分的工艺流程和所需设备如图所示。

2.3.1 前段

前段工艺包括隔膜的生产及电池极片的生产,具体工艺流程如图所示。

2.3.2 中段

中段的工艺流程,主要为利用正负极片、隔膜、电解质等制作电芯,具体如图所示。

2.3.3 后段

后段的工艺,主要是PACK的生产和检测。锂电池Pack产线相对简单,核心工序包括电芯测试、连接组装、外壳包装、可靠性测试等工艺,核心设备为电池测试设备、激光焊接机以及各类粘贴检测设备。 目前Pack生产的自动化比例相对较低,是因为目前的新能源车单款车销量都不够大,上自动化生产线的成本较高。

2.4 电控

电机控制器是连接电池与电机的电能转换单元,主要通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度以及响应时间进行工作的模块,主要包括功率半导体模块、控制模块、薄膜电容、驱动模块以及冷却模块等部分。 

其未来的发展趋势是数字化和集成化。数字化包括驱动控制的数字化、驱动到数控系统接口的数字化和测量单元数字化。用软件最大程度地代替硬件,具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。集成化主要体现在两个方面:1)电机方面:电机与发动机总成、电机与变速箱总成的集成化;2)控制器方面:电力电子总成(功率器件、驱动、控制、传感器、电源等)的集成化。未来把电机、减速机、控制器一体化,是一种趋势,不仅减小了体积,更使得产品更加标准化。

2.5 电机

驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构,其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标,它是电动汽车的重要部件。目前的电机主要有几种类型,包括永磁同步电机、交流异步电机、直流电机等。不同类型电机性能对比如图。

直流电机具备结构简单、电磁转矩控制特性优良以及抗过载能力强等优点,但是很难向大容量、高速度发展,同时电火花会产生电磁干扰,对于高度电子化的电动车较为致命,因此新能源汽车中直流电机使用较少。

永磁同步电机功率密度大,效率高,产生转矩大,调速性能好,并且极限转速和制动性能优于其余类型电机,但目前使用成本较高,并且在振动、高温和过载电流的情况下存在退磁现象。

交流异步电机是将转子臵于旋转磁场中,在旋转磁场作用下活动转动力矩的电机,具备结构紧凑、坚固耐用、价格低廉、质量轻等优点,但功率因素较低,运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场,同时控制复杂,易受电机参数及负载变化影响。

目前各类电机的市场占比如图所示。市场上主流的纯电动乘用车荣威ERX5、比亚迪E6、知豆D2、奇瑞eQ、北汽EU系列、江淮IEV6S、比亚迪秦/唐均搭载永磁同步电机。北汽EC、云100、江铃E160/E200 以及特斯拉Model S 主要搭载交流异步电机。而在2017年第一批推荐目录中,有150款车型搭载了永磁同步电机,占比81%,特斯拉Model 3将会采用永磁同步电机。宝马的Active Hybrid与i3,丰田Pruis IV与Leaf,特斯拉Model 3,本田Civic Hybrid,雪佛兰Volt等都采用永磁同步电机。

未来将会重点发展集成化(电机、变速箱)、永磁轮毂电机等,尤其是永磁轮毂电机,并且结合第三代宽禁带功率器件和电控系统同步发展。

2.6 整车

新能源车保持了较高的增长势头,而其中不同的车型,情况也不尽相同。乘用车较多,但渗透率仍比较低。公交车渗透率高达32%(保有量数据)。2015年新能源专用车销量结构是——城市物流车:环卫车:其他专用车=6:2:2,合计4.8万辆。新能源物流车的渗透率不到1.5%,新能源环卫车渗透率16%。 

商用车渗透率高于乘用车,一方面是商用车基数本身低,同时商用车续航里程固定,充电运营相对好管理,并且运营商更加注重全生命周期使用成本;一方面是新能源乘用车主要针对个人消费者,目标群体更加看重一次购车成本,并且在下游充电运营环节尚未全面铺开的情况下,续航里程与充电便捷度成为制约新能源乘用车发展的关键,共享模式也是一个重要发展方向。

2.7 充电桩

截至 2016 年底,公共充电桩保有量15 万个,私人充电桩8 万个。受制于私家车专用桩安装推进缓慢与历史桩车配套低等,目前社会桩车比不及1:7。目前,与新能源车产量相比,充电桩的铺设仍较滞后。美国74%为私人充电桩,未来中国私人充电桩领域也大有可为。

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