科尔尼:电池更换与快速充电,孰能胜出?——中国未来电动汽车充电设施模式评析

随着媒体对电动汽车铺天盖地的报导,中国的电动汽车市场似乎就要开始腾飞-绝大多数主流汽车厂商都在积极地开发电动车型,政府也提供了强有力的政策与财政支持。但是,电动汽车市场能很快起步吗?这将取决于诸多因素,其中的一个关键就是充电基础设施的建设。

大部分电动汽车可以依赖位于家庭或工作地点附近的慢充桩来满足充电需要,已是公认的事实。然而,电动汽车市场的蓬勃发展取决于便捷的快速解决方案,目前有两个选项,更换电池与快速充电。汽车厂商、电池制◥造商、电网、服务商与消费者均存在不同的偏好与利益所在。两个选项间的博弈将对未来中国电动汽车产业的发展造成重大影响。很多中国本地汽车厂商支持更换电池,因为这让他们可以无需深入地理解电池集成技术而迅速向市场投放廉价电动汽车。为了保∧护自身的经营效率与经济利益,中国两家电网公司也已成为了电池更换模式的有力推动者。早期的电动汽车购买者也有ↅ可能被其低廉的购车价格所吸引,并无需考虑锂电池的潜在的寿命问题。

因此,电池更换更有可能成为中国快速服务的主导模式。面临这样的发展趋势,所有的市场参与者必须重新调整他们的电动汽车及配套的充电战略。国际汽车厂商尤其需要做出抉择,在中国沿用其全球电动汽车发展战略,还是针对中国市场采取相应的特殊对待。服务商需要思考怎样才能在有效控制电池技术发展不稳定风险同时提供最佳顾客体验,卍创新的商业模式将是其中的关键。

政府政策需要保证必须的充电基础设施到位,同时在服务领域推动开放的市场竞争。对于一个尚无可借鉴的发达国家成熟商业模式的新兴市场,开放的心态尤其重要。

电动汽车在中国的发展

电动汽车市场︱︳在中国正在发展之中,但是对于很多人而言还不够迅速。这个产业的跃进似乎动力不足,它会真的实现吗?

中国政府出于降低石油依赖性与尾气排放的目的,为电动汽车提供了强有力的财务激励与补助计划,并已制定了成为全球领先的电动汽车与电池开×发国与制造国的目标,电动汽车也位列七大战略新兴产业之中。中国各方正在为电动汽车⊕全力以赴:汽车厂商们已经收到了国家补助,而国有电网企业与石油公司也被敦促尽快建立充电设施网络。

汽车厂商目前已进行了诸多研发与生产工作,相关科技也在进步之中。无论是国外还是κ国内的主流汽车厂商,都准备在未来几年○内发布新纯Г电动或插入式混合动力车型。

在强有力的政府补助之外,另一个促成此蓬勃趋势的重要因素是持续的电池技术进步。电池能量密度在2011年底预计达到150 Wh/kg,到2020年则将提高到500Wh/kg,同时成本将从现在的750 美元/kWh降到150美元/kWh。这将使汽车厂商们能够有力地迅速降低纯电动汽车与插入式混合动力汽车的价格,提高市场接受度。

2011年7月发布的科技部关于电动车"十二五"专项规划,确立了"十二五"期间以小型乘用车为主的纯电动车技术路线,并设立了2015年电动车保有量达到·100万辆的目标。科尔尼预测在中国,电动汽车的将在未来两到三年内攀升,电动汽车累计总到201↑5年预计将达85万台,到2020年则约500万台。大部分电动汽车将用于私家第二辆用车以及商务用车。

所有的趋势都已明朗,但目前仍有一个主要的障碍需要克服:建立充电设施。

即将起步的充电基本设施市场

科尔尼的调查显示尽管大部分人可以依赖慢充设施,但快速公共充电设施的部署,是打破电动汽车接纳障碍的关键,如图1所示。不同类型的充电设施必须按需协调布局,方能有效促进电动汽车市场的发展。

在政府政策推动与长期市场机会的激励下,国有电网企业与石油公司已经展开行动。截止2010年底,中国约有76座快速充电/更换电池站与超过6500个充电桩在运营中。

-国家电网是目前充电设施市场的领导者。经过多年的讨论,国家电网制定了"换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送"的运营模式。预计到2020年,国家电网计划建立10075座电池更换站,总投资323亿元人民币,以及500000个充电桩,总投资125亿元人民币。

-南方电网亦已开始行动,在深圳、广州、南宁与昆明等地建设了约十个充电站与350个充电桩。南方电网曾主推快速充电站,然而在2011年初改变策略,与Better Place公司签约在所服务区域内建立电池更换站。该合约协定在2011年内于广州建立电池更换站与体验中心,并将共同为建立一合资公司而努力。该合资公司将成为Better Place在中国市场的切入点。

凭借已有的加油站网络,石油公司也在积极地寻求进入此市场。

-中国石化北京分公司已经与首科集团建立了Е合资公司北京中石化首科新能源科技有限公司。此合资公司将致力于改造已有的加油站,集成充电服务。中石化同样考虑在未来开展电池更换业务。总的来说,中石化的目标是建立集成的í加油与充电服务站。

-此外,中海油对天津力神电池公司投资50亿元人民币,并在深圳与杭州建设了合资充电站。

然而,由于潜在利益的冲突,石油公司的努力往往受到电网公司的牵制。

慢速充电网络:共识达成

电动汽车几乎每天都需要充电。因此,最简单的方式就是在对车主方便的地点部署充电设施,如家庭车库、公⊙共停车场、工作地点停车场等。

科尔尼的调查显示,一个典型的消费者可以凭借附近的充电桩满足日常需要,如图2所示。这被包括汽车厂商、电池制造$商、服务商、电网与消费者在内的各方认可。

为拥有私家车库的电动车主提供个人充电桩具有实际意义。对于私人或固定停车位的电动车主,应积极规划位于居民区及工作单位附近的公共慢充设施。由于中国大部分电动车主将集中居住于城市的小区中,这部分的规划尤其重要。

科尔尼预测中国慢速充电桩总数到2020年预计达到470万个,年均复合增长率103%,如图3所示。

剩下的问题是谁将会建设并运营这些设施。科尔尼认为电网公司是最适合担当建设的主体Ⅺ。根据《中华人民共和国电力法》,只有电网公司被允许售电,如果此法规不被调整,其他服务商的介入将受到很大阻碍。由于慢速充电桩的大量建设可能需要对附近的配电设施进行扩容,没有电网公司的积极配合,难以实施。

充电桩需要在小区、停车场、商业中心等地方建设,因此电网公司也必须同上述地点的物业管理部门或产权所有者合作,共同运营这些慢速充电桩。物业管理者、业主或地方政府可以为充电设施留划特定区域,协助日常保养维修,并相应地分享收入。

每个慢速充电桩目前耗费约8000元人民币,可在约四到八小时内充满一部电动车。以在深圳已实施的规则为例,电网公司可为充电服务按商业用电费率计费,逐次收费。考虑公用充电桩的收入情况,如图4,假设电网的电价成本是零售价格的85%,用户充电时段分布为在夜间低谷时段为30%,日常高峰时段为70%,并且慢充桩的整体利用率逐年提高,则其平均年收入情况如图5所示,总成本回收可在六至八年内完成。

快速充电与电池更换的取舍:硝烟正起

快速服务网络代表了一个竞争更为激烈的市场,它是大多数争论的焦点与阵地争夺的所在。

尽管消费者购买电动汽车的主要意图是日常交通,但是每个车主都希望能够不时地在周末到郊外远游,或者探望距离较远的亲朋。即便有些车主并不需要这样的长途旅行,他们仍然会担心因为不能及时充电而搁浅,这就是所谓的"距离焦虑"。因此,快速公共充电网络对于电动汽车的发展至关重要。

参照中国汽油加油站的数量,与电动汽车的潜在市场渗透情况,科尔尼预计到2020年中国全境将有约15000个快速服务站,包括快速充电站与电池更换站,年均复合增长率为72%,如图5所示。

A.两个选择:快速充电与电池更换

快速服务可以由快速充电或电池更换来完成。快速充电同慢速充电相比,使用了更高的电压与更大的电流,可在不到半个小时内完成电池80├%的充电。电池更换则是运用了一个精密的自动系统,用已充满的电池在五分钟内迅速替换耗尽的电池,并在后台进行使用后电池的冷却与充电的工作。

快速∶充电是更为传统的选项,并较容易被消费者所理〣解,因为它采用■了和传统加油站非常类似的商业模型。在计费方式上可采用按次计费或使用服务包两种方式。其成功的关键包括建立统一的插口标准和电池与电网之间的通讯协议。然而,若不进行有效温度管理,快速充电可以对电池造成极大伤害,降低电池寿命。

相比之下电池更换则是更为迅速的解决方案,#可以在5分钟内完成。考虑到电池的重量和技术特性,电池更换对方法和工作人员的专业性要求较高。它采用基于电池租赁的更为复杂的商业模式:服务商购买并拥有电池,并凭借这些电池提供更换服务,消费者在购买裸车时并不购买任何电池。消费者可以基于每月里程选购服务包,按月付费。其成功的关键在于统一不同车型之间的电池标准。因此,这个市场必须由电池制造商、汽车厂商与服务提供商共同推动。

两个商业模式都已经在世界上的不同市场进行试点应用。Better Place公司正在丹麦和以色列进行电池更换的试点项目。与此同时,Coulomb Technologies正在美国建立快速充电设施网络。

这两种模式将形成完全不同的商业模型,对于整个电动汽车产业影响深远。两者最后的博弈结果还存在巨大的不确定因素,但是已有一些进展:相关协商已在进行,不同战略已被设计,而相应的政府游说活动也在开展中。

中国电动汽车公用快速服务设施的未来到底将走向何方?要回答这个问题,我们必须对电动汽车充电生态系统进行分析,并理解各个关键角色⿻的战略意图。

B.利益的大博弈:各方偏好如何

企业和消费者都有他们自身的利益所在,并通过一系列市场活动或游说活动来捍卫利益。若要对电动汽车充电设施的未来进行预测Γ,我们必须了解他们的立足点所在。电动汽车充电设施的价值链涵盖了电池制造商、电动汽车制造商、电网公司、充电服务商与消费者等不同角色,如图6。

1.电动汽车厂商与电池制造商

汽车厂商与电池制造商在快速充电与电池更换上有所分歧。他们的选择主要取决于自身的技术水平以及他们的总体战略(成本驱动还是性能驱动)。

大部分国际汽车厂商支持快速充电。他们坚信拥有动力系统技术是核心竞争力的体现,并能够保证他们在市场中的定价能力。这些汽车厂商希望推出尽可能多的差异性产品,确保最高利润。他们通常同电池制造商或集成商密切合作。一个例子是宝马同SBLimotive(三星与博世的合资公司)合作,运用分布式的电池重量平衡技术提供卓越的驾驶性能。类似的合作也见诸于福特同马格纳公司和LG化学,GM同Compact Power(LG)以及丰田同松下(电动汽车能源)之间。这些汽车厂商致力于纵向整合来充分发挥电池制造商的技术与产能。通过这种策略,他们可以确保其技术竞争力,并能够尽快发布配有独家电池技术的车型。

全球厂商中的特例是以成为全球电动汽车领导者为目标的雷诺-日产,它正在对冲赌注--其发布的日产Leaf具备快速充电能力,而雷诺Fluence则使用了Better Place的电池更换技术。

相反,低成本汽车厂商,尤其是缺乏自主技术能力的中国厂商,对电池更换更感兴趣。电池更换可以使他们继续实现成本优势,并避免电池集成技术匮乏的障碍。ↀ这部分厂商寄希ō望于随着技术进步带来电池价格下降,这将可以使他们继续进行他们所擅长的事:生产便宜的汽车。他们的竞争优势不在于性能,而是成本。他们是电动车市场商品化的驱动者。他们推动电池的标准化并善用他们的成本优势,同时追求规模效应。

大部分中国厂商都已开始在电池更换领域起步:

-低价大众车型领跑者奇瑞与Better Place签约合作,将共同研发应用电池更换的电动车型。

-江淮汽车推动电池租赁业务并坚持"新能源汽车的价格不应高于传统能源汽车"。

-北汽控股与Johnson-Saft公司合作,研制可进行Ⅲ电池更换的电动汽车和插入式混合动力汽车车型。

-广汽集团与南方电网合作开发可更换电池的车型。

-上汽集团与A123与2009年12月合资成立了ATBS公司,出资比例为51%-49%。A123是Better Place的战略伙伴,并已经为上汽的荣威电动汽车系列提供电池。

中国厂商中的一个特例是比亚迪。作为一个领先的中国电池制造商与汽车厂商,比亚迪决定要通过整合的策略来推动其电动汽车发展,支持快速充电。

2.电网

电网公司,即国家电网与南方电网,在充电设施产业中扮演关键角色,为充电设施与电池更换站等提◎供电能。

电动汽车充电设施,尤其是快速充电站的引入,将对电网性能产生影响。大规模电动汽车随意充电产生的负荷将对电网产生冲击,甚至影响电网的正常运作。此外,电动汽车的充电往往伴随着直流与交流间的转换,将产生大量谐波,并由此直接影响电网与客户端的电能质量。因此,快速充电站的部署必将对城市配网的结构与模式都造成重要影响,其发展必须要全部容纳到电网规划和城市规划之中。

然而,快速充电对整个电网带来的影响不应过分夸大。同样以深圳为例,到2020年,电网的峰值将达到21000兆瓦,而快速充电设施在利用率100%的情况下将增加570兆瓦,仅增加3%,如图8所示。

同电池更换相比,快速充电带来的另一个۩问题是部分配网有可能必须升级。一个典型的具有十个快充点的充电站需要1500千瓦的变压器能力,连带必要的冗余、备用变压器以及相关的网络升级将需要大量投资。假设每个快充站的电网升级费用大概在100万元人民币左右(基于国家电网和南方电网的报告),到2015年累计相关电网建设成本将达到150亿元人民币;但同国家电网与南方电网在十二五(2011-2015)期间的三万亿人民币的投资计划总额相比,这项成本◤并不是很高。

相对应地,电池更换站则可以在夜间对电池充电,从而起到为电网平谷,提高电网效率的作用。

在未来,随着能量存储技术的发展,大量⊥的库存电池可在高峰时段向电网回馈能量,从而变相削峰。在此之外,包括核能、水能、太阳能与风能在内的大量新能源并不可控,因此需要预先进行能量存储与调峰ш。由于它们不稳定,若直接上网将带来安全隐患。然而,如果电池更换站可以被改造成能量存储中心,以新能源为电池充电,则可在推动电动汽车行业发展的同时造福新能源。

由此可见,对于电网而言,电池更换是更有利的选择。这也是国家电网和南方电网在试点过快充站后,在2011年决定以电池更换为未来方向的原因之一。

3.充电服务商

充电服务商可以是电网公司、石油公司,也可以是其他的第三方,像Better Place。 服务商拥有充电基础设施并提供充电服务。电网作为服务商的优势在于对电网资源的控制和充裕的资金,但弱势在于对服务汽车行业缺乏经验。石油公司恰恰相反,如中石化便在全国拥有超过三万个加油站。

a)商业模式

在快速充电模式下,服务商的运作模式与传统加油站十分相似,主要按次收费,即消费者前来充电并付费;或者可以提供打包服务,类似于移动通讯商的服务包。

电池更换模式下则更为复杂。基本上服务商购买电池而消费者不购买,服务商依照里程收取服务费。更换下的电池可以在低谷时段在更换站或集中地点充电。

Better Place在以色列的案例是目前已有的电池更换模式的很好的参考:

必须指出的是,两种商业模式对于服务商而言成本大不相同。

快速充电站的前期成本相对较低,仅需建立快充站并安装快充机(约35万元一台,平均每个站需10台左右)。电池更换站则前期成本较高,因为该种服务商必须一次性为所有使用其服务站的用户购买电池、配备额外电池并还有投入服务站本身的建设成本(大约350万元)。

进一∏步分析两种模型的财务情况:

-假设一天的服务高峰次数有3次,每次持续1小时,高峰客流占全天的50%

-一个典型的电池更换站可以每3-5分钟更换一个电池,而一个拥有六台充电机的充电站中一辆车可在三十分钟内充电至80%(无需充满),则每天一个换电站和快充站都可以服务72车次

-在电池更换模式中,假设每车配备一个电池,同时还要在站内配备备用电池(每日♂服务车次的1.5~2倍);耗尽的电池在站内或集中的地点慢速充电,以延长电池寿命,同时利用低谷时段的便宜电价。电池成本每个约10万元,寿命五年(总可充电次数约1500)。

-基于Better Place的实践,每个电池更换站本身耗费350万元,并可持续15年。

-在快速充电中,假设每台快充机,35万元并可持续15年;

在这些假设下,我们可以得到两种服务商的年均成本如图9所示。

由于高电池成本,电池更换站的成本高达快速充电站的四倍左右;但是若除去电池成本,其他成本因电费低廉而比快速充电站低18%。

收入方面电池更换站更为可观。例如在深圳,快速充电被政府部门规定仅能用商业用电费率收费,以刺激电动汽车购买。大部分快速充电站服务商并无定价能力,因此投资回报率偏低。

而电池更换因被视为一种租赁业务,利润空间要大得多。以Better Place 的在以色列的收费作为参考,电池更换站的毛利率可达30%~40%。不过在中国,为了支持电动汽车市场的发展,这一比例在早期可能要低得多。

b)可能的风险

选择从事电池更换业务的服务商在高昂的投资成本之外,还需考虑一系列高风险:

首先,随着科技发展电池贬值将带来重大不利影响。锂离子电池的价格预计由于科技进步和规模效益将大幅下降。科尔尼预计其价格到2020年将从目前的750美元每千♤瓦时下降到150美元/kWh。其次,电池寿命有可能比厂商所保证的短得多。根据有关规定,电动汽车的电池必须可充放电逾三千次。然而,试验证明大部分市场在售的电池连500次都达不到,这将大大地降低电池的经济性。

除此之外,频繁的更换电池有可能带来安全隐患,在最糟糕的情况下可引发事故。

快速充电对于服务商而言,风险则要低得多。

4.消费者

对消费者而言,电池更换与快速充电的价格存在一定差别。

以比亚迪纯电动车E6为例,电池更换模式下总拥有成本(5年)为310374元人民币,快速充电模式下为293025元人民币,其中已经考虑了政府补贴因素。一个有趣的现象是,电池更换模式下E6的成本结构和它的同档汽油车M6十分接近,如图10。

消费者的观点和习惯也必须被考虑。快速充电对他们而言更加传统而熟悉:为自己使用的服务按次收费,并拥有自己车辆的所有部分。电池更换则需要对消费者进行大量的引导。不过,对于消费者而言,电池更换更加便捷,因为它可以在短短3-5分钟内被完成,而快速充电则需要30分钟;此外,消费者在此模式下无需为电池寿命问题担≠忧。

中国充电设施的未来

A.*三种场景

放眼未来(5-10年),中国充电设施市场有可能走向三种不同的场景:

-电池更换的胜利:电池更换成为主流,而快速充电则主要服务于高性能电动汽车的细分市场

-快速充电的胜利:快速充电占领了大部分市场,而电池更换主要为公共交通领域的出租车和客车服务

-平分市场:两种模式在市场中各有斩获

从目前情况来看,电池更换在中国已经赢得先机,"电池更换的胜利"出现的可能性最大。电网公司、部分汽车厂商┗,技术提供者(如Better Place)之间的合作已经建立,它们将联手设立电池更换站的标准,并将在主要的高速公路上建设电池更换站。其他汽车厂商可能会被迫接受电池更换。在电池制造领域,大者为王。电动汽车将变成廉价的主流交通工具。部分国际汽车厂商会选择继续聚焦于快速充电服务;然而,快速充电服务网络的缺失会对其造成很大限制,他们的消费者将大部分依赖于家庭充电设施。

然而,如果本地汽车厂商技术及市场开发失败,"快速充电的胜利"也有∟可能到来,由国际汽车厂商及比亚迪推动。通过他们的技术进步和市场营销策略,大部分潜在电动车购买者可以被有效吸引并迫使电网公司予以配合。电池更换将会聚焦于公用出租车和客车的特殊需求市场。

在"平分市场"这种场景中,快速服务市场将面向所有竞争者ㄨ。电池更换与快速充电共存,每种模式服务于不同的市场细分。

尽管我们并不能排除场景二和场景三的可能,场景一变为现实的可能性最大。电网公司的垄断力量与本地汽车厂商的先天优势将起到决定的作用。

B.对不同企业的影响

1.汽车厂商与电池制造商

对于本地汽车厂商与电池制造商而言,必须迅速与电网、服务商以及技术开发商合作,迅速积累电动汽车电池更换的经验。可靠性、安全性与低成本是主要目标。

许多国际汽车厂商需要重新为中国市场评估战略。中国市场应该沿用其全球战略,还是应该有专门的战略呢?

出租车很有可能成为接受电动汽车的第一个细分市场。在出租车领域目前占有优势的的厂商,如大众,需要及早做好准备。

电池制造商关键要研发适用于电池更换模式的电池。有可能需要重新考虑其针对高性能的研究,是否可以专注于电池芯的生产而将特殊的电池组设计留给小型创新导向的公司?

2.电网

作为智能电网▽方案中的一部分,电网需预先规划的电网升级,以积极推动电动汽车产业的发展;电网要充分评析充电设施对高峰负荷的影响,对配网进行现代化。

电网公司应当说服政府将电动汽车基础设施的成本涵盖到整体成本结构中,并说服政府部门因此提升电价。以广东省为例,2012到2020年预计充电设施及电网升级的总建设成本约为24亿元人民币,期间社会用电总量约为56,000亿度,则提高0.™0005元人民币每度可达到收支平衡,如图11所示。

3.服务商

充换电服务商应与汽车厂商、电※池制造商与技术开发商等共同设定充换电设施标准。

充换电服务商需游说政府来推动市场竞争,避免电网企业因先天优势而垄断市场。石油公司应该全面利用其已有加油站网络,并对基础设施进行升级。其在中心城市的原有加油站将成为同其他企业合作的最主要资产。

在卓有成效的商业模式还在试验之中的时候,创新的手段和开放的思想态度对成功而言至关重要。应借力于如RFID等最新科技来提供独特的客户体验,这将形成有力的竞争优势。

服务商应当在商业模式与客户服务改善方面多下功夫。举例而言,为了缩减购买电池的成本并避免电池寿命风险,服务商可考虑与电池制造商形成战略合☼作。同购买电池相比,向电池制造商租赁电池是更可取的方法,这将大大降低前期成本。

服务商还可以与汽车厂商合作,考虑设立以预定价的电动汽车保证回购计划,来催化电动汽车市场的腾┚飞。

C.政府政策

在中国,政府推介与财政支持对一个产业的成功非常重要。中国政府第一要务是建立起竞争性的电动汽车产业,它可以为汽车行业乃至整体经济升级提供重要推力。充换电设施的发展,应以支持这一目标为根本出发点。

政府需要开展一系列行动或讨论:

首先,需召集产业中的关键企业共同制定标准。没有全国统一的电池更换或快速充电标准,电动汽⊙车产业╣无法迅速发展。

其次,充电设施商业利益的争夺不应掣肘电动汽车行业的整体发展。政府推行的政策应创造一个能够促进自由竞争的开放环境。不同的商业模式需∠要经过市场的检验,不应采取严格的市场控制措施或强烈倾向于国有企业。

尽管电网企业有义务对配网进行升级,他们不应独占电动汽车充换电服务市场。电网公司可以有充换电服务业≌务,但应准备能最终使之独立运营。

作者简介:

班德博士(Dr. Bernhard Hartmann), 科尔尼合伙人及亚太区能源/高科技部领导人,常驻上海办事处;

戴加辉博士(Dr. Stephen Dyer),科尔尼合伙人及汽车咨询部领导人,常驻上海办事处;

滕勇博士, 科尔尼高科技部经理,常驻上海办事处;

王振喆, 科尔尼商业分析员,常驻上海办事处。