新能源汽车换电行业专题分析：换电模式迎黎明，设备优先受益
发布时间：2022-03-07 20:29:40来源：充电桩视界
换电模式已有十余年发展历史。2008年北京奥运会期间已大规模采用换电方式为电动公交补充动力。2012年，国务院发文要求探索新能源汽车及电池租赁、充换电服务等多种商业模式，这一时期工作重点首先放在了换电模式与换电服务。
2013年，财政部、工信部等四部门推出《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》，开始对示范城市充电设施建设予以奖励。次年国务院文件提出形成以居住地、驻地停车位配建充电设施为主体，临时停车位配建充电设施、城市换电站为补充的充电设施服务体系，换电模式进入缓慢发展期。
2020年以来，补贴与标准双重落地，换电模式充分受益于政策红利。2020年4月，四部门发文，提出换电模式车辆不受新能源补贴退坡影响，换电模式相关政策接续出台。当月工信部标准化工作要点出台，要求完成电动汽车换电安全要求标准的审查与报批。2021年10月，工信部启动新能源汽车换电模式试点，将11座城市纳入试点范围，包括北京、重庆、长春、三亚等8座综合应用类试点城市与包头、唐山、宜宾3座重卡特色类试点城市。同年11月，国家市场监管总局发布《电动汽车换电安全要求》，中国汽车行业换电领域的首个基础通用国家标准出台。国家标准出台有利于行业标准化程度提升，进而提升行业效率，催化行业增长。
市场之风：新能源汽车与充电桩保有量存在供需缺口
纯电动汽车保有量与充电桩保有量之比，简称车桩比，近两年我国车桩比基本维持在5：1左右。以公安部发布的数据为例，截至2021年底，全国新能源汽车保有量为784万辆，其中纯电动车保有量为640万辆。而根据充电联盟数据，2021年底全国充电桩保有量仅约115万个，新能源车车桩比约6.8：1，纯电动车车桩比约5.6：1。根据2015年发改委等四部门发布的文件，计划到2020年分散式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。参考这一计划，新能源汽车合理的车桩比应略高于1：1。据此，我们认为市场存在缺口，当下充电桩保有量难以满足新能源车充电需求。
这一缺口正在持续拉大。2021年新能源汽车销量持续超预期，纯电动汽车月销量大幅领先充电桩新增量，纯电动汽车车桩比也从2020年底的5.0：1增加到2021年底的5.6：1，新能源车的充电需求亟待满足。
换电技术与充电技术均可作为电动汽车的有效补能手段，因此换电模式或有望作为充电模式的有力补充，承接市场充电需求。逐渐迫切的充电需求也为换电技术带来了充分的发展空间，驱动行业增长。
技术之风：换电模式兼具性价比与效率优势
换电模式补能效率更高，尤其是在土地资源稀缺的一线城市更为明显。蔚来的换电模式从自动倒车入库到拆、换电池，全程大约在3-5分钟，与燃油车加油时间相当。快充技术目前可实现30分钟从30%充到80%，较前沿的是宁德时代在2019年法兰克福车展上发布的15分钟从8%充到80%，以及充电5分钟续航150km的技术。更重要的是，换电站可支撑的补能频次更高，蔚来一代站每日最大换电次数约104次，二代站最大配备13块电池，可以支撑最多一天312次的换电能力，而换电站的占地面积仅大约是充电桩的3倍左右，这一优势在土地资源比较紧张的一线城市更为明显。
换电模式能够改善消费者对购置成本、残值及电池技术进步的体验。以蔚来汽车推出的BaaS模式为例，ToC端换电与BaaS存在强关联（BaaS模式的前提是新能源车可换电），蔚来汽车于2020年8月协同宁德时代、湖北科技和国泰君安国际成立的蔚能电池资产公司便是主推BaaS与换电模式。BaaS模式的优势一是减少电池购置价格、降低购车门槛；二是“车”、“电”的产权分离，可以提高新能源车残值率；三是动力电池的技术进步消费者可以无差别受益。因此BaaS模式与换电的结合对消费者的使用体验有显著改善。
换电对于电池维护、电网设施等也有好处。锂电池是需要科学使用、检测维护的产品，由于换电模式中的电池充能由专业的电池管理公司完成，锂电池充电将更为合理，同时也能更为及时的检测电池状态，提高电池的使用寿命。同时，与大功率快充相比，换电模式下电池的充能更加稳定、可预见，对区域电网的冲击更为可控。
换电服务产业链可拆分为上游、中游与下游。上游由动力电池企业、设备生产商与电动企业厂商构成，中游主要为电动汽车换电运营商，下游为新能源车用户与动力电池回收、梯次利用企业。以宁德时代为代表，部分企业已实现全产业链初步打通。
设备厂商、电池厂、整车厂为换电服务产业链上游
换电服务产业链上游三类参与者的具体企业有：（1）宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、中航锂电等各类动力电池企业；（2）生产各类输送、取放模组的瀚川智能，与蔚来成立合资公司的山东威达，深度绑定蔚来、2019年即为蔚来交付数十套换电站设备的科大智能，生产各类充电桩，能够提供港口AGV解决方案的玖行能源等设备生产商；（3）蔚来、吉利、上汽、江淮等率先推出换电车型的电动汽车厂商，其中车型类别包括乘用车、商用车、智能重卡等。
浪潮之下，多元主体各显神通切入换电运营
产业链中游为电动汽车换电运营商。换电运营商的参与主体多元，可分为以宁德时代为代表的动力电池企业，以蔚来为代表的汽车生产商，以中石化、国家电网为代表的能源国企，以及以伯坦科技、奥动新能源为代表的专业运营商。
动力电池企业向下游延伸切入换电运营，代表公司为宁德时代。宁德时代的换电模式可总结为：标准化的电池、面向电池服务的换电站及客户端。宁德时代专门面向共享换电开发的“巧克力换电块”电池，单块电池可以提供200公里左右的续航，消费者可任取一至多块电池，以灵活匹配需求。宁德时代动力电池装机量市场份额超50%，可以进行动力电池标准化，进而面向标准化电池配置换电站及客户端。宁德时代的“巧克力换电块”可以适配全球80%已经上市以及未来3年要上市的纯电平台开发的车型。
汽车生产商延伸切入换电运营，最具代表性的是蔚来的BaaS模式。BaaS模式可概述为“车电分离、电池租用、可充可换可升级”，即在购车时不购买电池包，通过租用不同容量的电池包，按月支付服务费。根据蔚来官网，选择BaaS模式，全系车型车辆售价减少7万元，对于70kWh的电池包，每月服务费980元，非服务无忧用户另须支付每月80元电池保障费用。不考虑货币的时间价值，简易测算电池包的价格约合66个月，即5.5年的换电服务费用。
能源企业横向拓展进入换电运营，这类厂商以中石化、国家电网等国企为代表。中石化拓展进入换电运营的核心是依托全国3万多座加油站的网点优势，通过改建等多种途径，实现油电功能站的快速复制。截至2021年12月数据，中国石化第1000座充换电站已经落地，其中2021年建成充电站935座、换电站65座。
国家电网则采用集中充电配送模式。早在2010年前后，国家电网就基于“统一标准、统一规范、统一标识、优化分布、安全可靠、适度超前”的原则，推进了集中充电统一配送模式的电动汽车充电站建设。这一模式是将亏电电池统一运送到集中充电站补充电力，电池配送站不需配置充电机，单个站点规模和投资较小，并且有利于电池统一集中管理。集中充电配送模式的难点是集中充电站对电力供应有较大需求，而国家电网可以实现集中充电站依托变电站建设，合理形成互补。
专业运营商较早完成卡位，代表企业为奥动新能源、伯坦科技等。截至2022年1月，蔚来、奥动新能源、伯坦科技在已布局换电站数量上领先于其他企业，体现了专业运营商的先发优势。奥动新能源与伯坦科技模式的特点是“标准箱”，即定义一种标准电池箱，以实现不同车型换电兼容。奥动新能源与伯坦科技切入行业较早，其模式已得到充分验证。据公司官网披露，伯坦科技已经与7家主机厂合作开发车型10余款，累计提供换电服务超887万次，累计换电行驶里程超13.4亿公里。在“奥动新能源20秒极速换电”全球首发仪式上，公司联席董事长张建平表示，奥动新能源已有十余年换电运营经验，换电次数累计超过700万次，换电里程累计超过10亿公里，期间保持换电车辆0燃烧的较高安全性。
下游为各类ToB与ToC的新能源汽车使用者与动力电池回收和梯次利用企业。宁德时代通过布局电池的梯次利用与再生处理打造了“电池生产→使用→梯次利用→回收与资源再生”的生态闭环，同时也实现了换电产业链条自上至下打通，我们预计这有利于宁德时代在产业链中游及下游持续延续上游高市占率的优势。其他具备动力电池回收及梯次利用能力的企业还包括光华科技、格林美、豪鹏国际、华友钴业等。
运营商扩产计划出台，预期将进入快速放量阶段
截至2022年1月，全国合计换电站数量1386座，集中分布在北京、上海与广东、浙江、江苏等发达城市或省份，换电站总量较少，地区上分布不均。
主要运营商纷纷公布扩产计划。根据已披露扩产计划，截至2025年，蔚来将新增2400座换电站、协鑫能科新增485座换电站、奥动新能源新增至5000+座换电站、中石化建成5000座充换电站，吉利汽车布局5000座换电站，长安汽车累计建立10000座换电站等，下游扩产趋势明显，预计设备厂商将从中受益。
宁德时代也是换电市场的领军者，2020年8月参与蔚来共同成立的蔚能电池资产公司，并开始大量涉及换电重卡业务，2021年宁德时代覆盖的换电重卡车企包括宇通、北汽福田、上汽依维柯、陕汽、徐工、安徽华菱、南京金龙、东风、一汽等，并占到了换电重卡电池市占率的85%左右。在商用车领域的技术及商业模式积累下，宁德时代在2021年8月成立子公司时代电服从事换电业务，2021年12月在吉林开展区域换电，2022年1月18日公司正式发布换电品牌EVOGO有望进一步推动公司换电业务高速发展。
乘用车电站2025/30年有望达3.3/6.6万座，对应市场空间668/1195亿元。换电站需求量受自身换电服务供给能力以及电动车换电需求综合决定：1）电站换电服务供给能力：乘用车电站属于重投资回报周期长的商业模式，成本主要包括期初固定资产投资成本以及运营期间电费，人力土地成本，收益主要来源于换电服务费，电站达到盈亏平衡时的电站利用率（即电站换电服务供给能力）便为单电站的服务车辆能力，经过测算当换电站利用率达到8.65%，对应每天提供换电服务27次即可实现单电站盈利；
2）电动车换电需求：电动车拥有多种补能渠道，电动车的保有量以及换电模式在补能体系中的占比很大程度上影响了其对换电站的需求量。综合来看，假设单车年均行驶4万千米，换电供能占比10-15%，而换电站预计2025/2030年单站单次换电容量80/100kWh，充电效率30/40辆/天，估算得到单电站每年可服务车辆1440/1600辆，电动车预计2025/2030保有量达到4810/10619万辆，对应换电站需求在2025/2030年分别达到3.3/6.6万座，市场空间为668/1195亿元。
按电池拆卸方式可将换电方式分为底盘换电、分箱换电、侧方换电三种模式。
三种换电模式中，分箱换电与侧方换电前期投入较低，人工介入操作容易，最早落地应用。底盘换电由于较高的设备成本，门槛最高，但在工艺标准化、电池隐蔽性与电池箱密封性上均具备优势，由技术与规模优势明显的龙头企业推广应用。
按照换电站结构可分为四个平台与系统：充电平台、换电平台、换电系统及控制系统。
充电平台：为动力电池补给电能
充电平台的主要设备是充电仓，用于储藏以及对亏电电池进行电能补给。在充电仓中，动力电池放置在立体式货架上，由堆垛机进行取放。存储动力电池的货架通常体积庞大，安装及拆卸复杂。
安全性是充电平台需要注意的问题之一。由于电池仓内储存一定数量的动力电池，动力电池存在一定的安全隐患，因此及时识别并处理处于异常状态的动力电池是充电平台的要求之一。
充电平台与换电机器人的耦合也是一项难点。充电平台由多个电池存储单元组合，往往具有至少两层高度。换电机器人在各层之间穿梭，通过充电平台设置的升降装置实现对各存储位电池的存取。动力电池在电动汽车与充电仓货架的固定方式不同，因此也需要不同的动力电池转运装置，增加换电站结构的复杂性。
换电平台：电动汽车的定位与停放
换电平台包括换电集装箱和停车底座，用于停放与定位电动汽车。
现有新能源汽车很多采用将电池箱安装在车体底部的方式，因此换电站需要留出足够的操作空间。目前的解决方案中，一种是采用下沉式的电动汽车定位平台，这种设计是现在换电站常用的方式，但存在土建结构设计麻烦、部署施工时间长、需增设排水措施以及无法搬迁等问题。另一种是将电动汽车应用顶升装置抬起。由于汽车悬架作用的存在，对顶升装置的设计提出了一定的要求。换电模式对电动汽车停车定位也有较高精度要求，一旦停车位置出现偏差，无法成功定位，将导致后续换电工作无法进行。
换电系统：从亏电电池拆卸到满电电池安装
换电系统的作用是从电动汽车上卸下亏电电池，运送到电池仓中，并从电池仓中获取满电电池，运送到换电平台完成换电工作。换电机器人（又称换电小车、穿梭车等，功能上基本类似）是换电系统最重要的设备之一。
换电机器人需要具备加解锁功能，即将低电量电池从电动汽车上解锁，并在更换电池后将满电量电池锁定到电动汽车上的能力。由于动力电池具有体积大、重量重的特点，一般采取螺纹旋转拧紧结构，并设置数个锁紧点。通常可由工人使用拧紧枪对动力电池进行加解锁，但由于人工存在成本高、锁紧精度和稳定性难以保证的问题，加解锁的自动化仍然是未来的发展方向。现有自动化电池更换装置采用在每个锁紧点分别设置一套电机进行加解锁的方式，元器件多、控制复杂、体积大、重量重、占用空间大，自动化加解锁装置的成本也比较高。
换电机器人还需要能够定位并对准加解锁位置。目前通常需要人工定位电池并找准加解锁位置，实现加解锁机构与电池锁止部的精确对准也是难点之一。
换电机器人在电池仓与换电仓之间移动，也在各个电池存储单元之间穿梭。这种移动通过预先铺设的轨道及机器人底部设置的滚轮完成。通常机器人底部设置两组滚轮，分别用于横向、纵向移动。当机器人需要改变方向时，就需要在两组滚轮之间使用控制系统进行切换。但由于机器人还搭载动力电池、加解锁装置与举升装置，重量较大，结构复杂，控制上也存在一定困难。
换电机器人也设置举升机构，用于与待换电车辆的动力电池进行对接。
控制系统：识别、控制、分配
控制系统负责与多个客户设备通信，以及与换电站的协调设备进行通信。简单来说，控制系统接收来自客户端设备的电池更换操作请求，从多个换电平台中选择一个执行换电操作。控制系统首先涉及电动汽车的识别。已知的识别方式包括通过车载RFID识别，设置车牌识别装置识别与人工识别，难点在于避免误识别问题。
由于换电车辆一般随机到来，且可能有潮汐性需求出现，如何采用恰当的充电策略来保证在车辆到来时，能够以最快速度提供可用电池，也是控制系统的关键之一。现有的充电策略包括采用平均分配的充电策略、在电价谷段集中充电以及通过各类算法制定充电策略等方法。换电站建设中，还需要解决电池数量的确定以及充电倍率的确定问题。如何准确计算出换电站最优的电池数量配置与充电倍率设置，是换电站建设中确定建设规模的重要依据。（报告来源：未来智库）
换电站向小型化、模块化、自动化、智能化发展
从结构上来看，占地面积大、对土建依赖度高、模块化程度低、可扩展性差是限制换电站大规模推广的重要原因。根据部分已获审批专利来看，换电站正向小型化、模块化方向发展，通过优化内部排布、模块化设计缩小换电站占地面积，提升换电站移位与搬迁的便利性，缩短换电站建设时间。
新能源车型众多，车型识别存在难度，各类汽车电池固定方式存在差异，客观限制了换电站自动化程度，因此较早布局的换电站仍然采用自动、半自动与人工相结合的换电方式。其中，半自动换电操作仅能够实现电池抽取的自动化，电池的装卸、抽取仍然需要人工操作。人力成本走高、人工可靠度有限，自动化的大趋势下，全自动换电站是如今头部厂商重点布局的方向。
换电站对大量电池进行统一管理。通过电池管理智能化，换电站能够基于运营中产生的大量数据，对电池性能与寿命进行智能评估与预测，继而延长电池使用寿命，摊薄电池使用成本。
重资产、长周期的换电亟待标准化方案、长循环电池
换电模式与BaaS方案有诸多优势，为何多数车企过去仍选择快充为主？从经济性上来看，换电站的重资产与标准化、BaaS的长回报周期及对电池循环敏感可能能够回答这一问题：
1、换电相较于充电资产更重，需要依托更强的规模效应，标准化将是破局之策。换电站是重资产的投资行为，蔚来第二代换电站的设备投资大约在150万元左右，而常规的快充桩单位投资额仅不到10万。由于资产更重，换电站必须依托于更高的补能频次才能实现经济性，测算来看，充电桩在日充电频次3.5次左右即达到盈亏平衡点，而换电站需要日换电25次左右才能盈利打平，具有更加明显的规模效应。
提高补能频次的路径，一是单一车企新能源车保有量增大，二是电池包设计的标准化程度提升。ToC端车型需采用底盘换电的方案，而底盘设计始于车型设计初期，不同车企难以共用方案制约了换电规模效应。这也就体现了宁德时代推进换电的战略优势，宁德时代2021年国内动力电池装机份额高达52.1%，且覆盖了绝大多数的新势力、自主、合资品牌，宁德时代有参与车型开发的条件，并推动换电方案的标准化。
三是改进动力电池锁止方式（将动力电池固定在车身的方式），从加解锁配合角度缩短补能时间，进而提升补能频次，蔚来等整车厂的优势体现在此。通过在上游与中游布局新能源汽车与换电站运营，蔚来具备形成协同优势的潜力。一方面，电动汽车设计与生产的know-how推动换电技术开发，蔚来第二代换电技术已经实现业内领先；另一方面，在换电模式中的积累可以进一步反哺上游，从动力电池锁止装置等汽车设计层面根本上实现换电效率的优化。
2、BaaS模式对电池循环寿命敏感，长循环电池技术提供商业模式的基础。BaaS模式的本质是电池资产管理公司支付动力电池的初始购置成本，随后通过每月的电池租赁服务费回收现金流，可以视为现金流稳定的金融产品。BaaS方案的项目收益率，对于电池循环寿命高度敏感，根据蔚来的方案测算来看，若电池循环寿命能够支撑方案使用6年，则电池资产管理公司基本盈亏平衡，若能够使用10年，则项目IRR将达到11%左右。根据宁德时代在官方公众号的信息，公司已经实现乘用车电池16年、200万公里的方案开发，这将是BaaS方案与换电模式具备经济性的技术基础。
资料来源及致谢
长江证券未来智库
