【深度】用户视角下工程机械行业电动化痛点

2022/06/20 15:56鸿鹄研究院张凯月

电动化作为工程机械行业的发展趋势之一,成为近年来各方关注的焦点,虽然用户视角下当前工程机械电动化存在续航、补能、配套体系的痛点,但是随着行业发展,电池价格下降、电池技术的突破,配套体系完善,工程机械电动化势头强劲。

痛点一:续航时间短,频繁充电影响作业进度

续航时间上,目前已经上市的大部分电动设备作业时长约5-6小时,而实际工程机械设备每天作业时间约12个小时,因此,虽然个别电动挖掘机续航时间达到8-10小时,个别电动装载机续航时间达到10小时,但除拖电设备外,其他电动设备仍需每天利用午休时间冲电1次才可实现设备全天作业。

充电模式上,目前大部分电动工程机械支持工业用电、民用电、汽车充电桩充电,三一部分产品还支持补电车充电,多种充电模式满足不同场景下的电动设备作业需要,但实际作业过程中,午休时间多台电动设备同时充电对施工现场的电压有一定要求。充电效率上,目前电动设备正常充电至少需要4-6小时,虽然当前大部分电动设备支持直流快电和交流快电,充电时长约1-2小时,以三一SY19E为例,直流快充需要1.5小时,交流充电需要2.5小时;柳工922F-EV 1小时可以充满80%的电量,但快速充电时长远长于传统燃油设备加油时长。

虽然当前电池技术下,设备续航无法满足全天作业需要,但根据技术演进来看,电池原材料和电池技术的突破,能量密度和电池容量将有效改善用户里程焦虑。

痛点二:电池自然衰退不可避免,温度环境和使用方式影响电池性能

电池容量衰减不可避免,目前磷酸铁锂电池的循环充电次数约2000次,普通锂电池循环充电次数为400-600次,即使是性能较好的锂电池循环充电次数也不会超过千次,在使用过程中电极活性材料的损失导致电池容量衰减,可循环离子损失或内阻增加导致的极化现象,导致电池容量衰减和阻抗增加,从而影响电池容量和功率,电池特性带来的性能自然衰退不可避免。结合上文提到电动工程机械设备每天至少循环充电1次,自然使用磷酸铁锂电池的寿命约5年,与传统设备相比仍有一定差距。

环境温度影响电池性能,根据北京万源石墨烯与储能研究中心实验结论来看,低于0℃以下的环境中充电时电解液电导率的降低、电极界面膜阻抗的增大和电荷传递电阻的增大使电池的放电容量减少,充电环境温度高于50℃时,LiFePO₄与电解液发生氧化反应而使Fe离子析出,SEI膜的溶解以及正极集流体被电解液与水反应生成的HF腐蚀都将导致磷酸铁锂动力电池容量快速衰减,影响电池的高温性能,因此工程机械作业环境复杂,夏季高温和北方秋冬低温作业环境下,都对电池性能有明显影响。

快速充电影响电池寿命,根据调查显示如果一直使用快速充电桩对动力电池充电电池使用寿命会缩减70%左右,在实际使用过程中,为满足施工进度需要工程机械电动设备利用午休时间进行充电,使用快速充电的情况频繁发生,也明显影响电池寿命。

此外,充电电压、充电电流过放电、暴力驾驶等都影响电池性能。

电池BMS系统正不断完善,提供的充放电温度保护、能量监控管理、电池状态检测等功能,有效实现电池的智能化管理和维护,能提高能量利用效率,提升电池性能,延长电池寿命。

痛点三:工程机械电动化配套设施和服务滞后

工程机械电动化配套设施对电动化设备渗透率有直接影响,目前新能源汽车配套设施和服务发展迅速,充电设施方面,《中国主要城市充电基础设施监测报告》中显示32座全国主要城市公用桩的平均密度为21.5台/平方公里。32座城市中心城区公用桩的平均覆盖率为73.3%。换电设施方面,截至2022年2月份,我国主要换电运营商换电站数量达到1405座,同比增长111.92%,连续5个月换电站数量增长超过100%。而电动工程机械设备的充电和换电配套基础设施和服务发展明显滞后于新能源汽车。

配套设施和服务玩家与新能源乘用车重叠,工程机械配套环节缺失影响市场渗透率

目前电动工程机械配套设施和服务的企业主要包含三类,一类是头部主机厂,类似目前三一重工和徐工布局充/换电站制造环节;一类是专业的电力方案提供商,类似国电投和南方电网主要布局充换电设备制造和基础设施建设环节;还有一类是以新能源汽车配套服务为主的企业,这类企业主要为新能源汽车提供配套的电池资产管理、电池运营、充电桩运营服务,随着电动工程机械设备的研发问世,扩展出工程机械领域业务。因此从行业玩家的情况来看,电动工程机械配套基础设施和服务市场存在大片空白市场:第一,目前市场上提供新能源基础设施和配套服务的数量即使对于新能源汽车而言,仍有较大的市场空间;第二,虽然新能源汽车的基础设施不断完善,但电动工程机械与新能源汽车的基础设施无法通用,并且使用场景只存在少量重叠,因此,工程机械电动化配套设施和服务带来全新的增量市场。目前配套设施的短缺,也加剧用户的里程焦虑,配套服务的短缺影响用户的购机意愿。

换电模式需求迫切,电池标准有待统一

目前工程机械的主要补能方式是充电,只有部分重卡车辆能支持换电,工程机械换电模式全面落地显得尤为迫切。一是工程机械作为生产物资,换电模式快速完成补能能带来更好的作业效率,有效缓解用户的里程焦虑;二是相对于新能源乘用车而言电动工程机械设备初始购买价格更高,换电模式能分担用户的初始设备购买压力;三是电池运营公司既能进行专业的电池养护延缓电池寿命又能分担电池折旧。

工程机械领域换电模式无法快速推广主要有两方面原因:一是设备多样性带来的设备结构差异,对换电站设计提出挑战;二是电池材料和电池pack等没有公认的行业标准,因此换电站在设计过程中需要兼顾到复杂的电池性能差异。

虽然目前工程机械电动化配套设施和配套服务相对缺乏,但是随着未来越来越多资本的投入和市场的培育,工程机械电动化配套环节会涌现更多专业玩家。

四、关于目前工程机械电动化痛点的展望

短期电池原材料价格上涨给主机厂带来成本压力,长期看电池价格下降或带来电动化设备售价下降

虽然去年二季度以来锂、镍、钴等原材料的价格直线上涨,不少新能源车企的售价也随之上涨,但是对工程机械行业而言,龙头主机厂与电池供应商签署长期合作协议,可平滑电池成本,但短期看电池价格上涨给主机厂带来一定成本压力。宁德时代董事长曾毓群表示过去十年电池性能提高了3倍,成本下降了90%,参考新能源乘用车的价格趋势,预计未来2-3年后电动化设备批量生产,届时动力电池规模化生产和动力电池的回收体系逐步完善,动力电池成本将出现明显下降,传导至下游主机厂电动化设备售价也出现小幅下降,电动化工程机械设备价格优势逐步显现。

综合使用成本可平衡电动设备初始购买成本

纯电动装载机比燃油装载机年运营成本节约30万元:一台燃油装载机价格约35万元,工作1小时的油耗约16升柴油;一台纯电动装载机价格约80万元,工作1小时耗电约40度电。按柴油7元每升,电0.6元每度,每天工作10小时,燃油装载机和纯电动装载机每天的能源成本分别为1120元、240元。若全年运营330天计算,燃油装载机年比纯电动装载机多花费29.04万元的能源成本,此外加上维修保养等费用,纯电动装载机比燃油装载机每年可节约运营成本30.54万元,综合使用成本,纯电动装载机与燃油装载机购车差价回收周期约2年

表1. 燃油装载机与纯电动装载机经济效益对比

经济效益对比

燃油装载机与纯电动装载机经济效益对比

电池原材料、技术不断突破,电池容量、密度和安全性有明显提升

目前电动工程机械锂离子电池正逐步替代铅酸电池,而钠离子电池电芯能量正逐渐接近磷酸铁锂电池,且在极寒地区具有耐低温的突出优势,将为动力电池提供更多选择可能性;电池技术方面,大圆柱4680动力电池依靠“无极耳”的创新性结构设计,推动了动力电池的技术突破,有望未来5年带动相关市场实现0到1到N的快速增长;在安全方面,动力电池电解液正在由液态电池到半固态电池最终固态电池的方向演进,根据亿欧智库判断最早2023年半固态电池可批量搭载于乘用车,而2030年左右固态电池的技术应用将彻底解决电池安全问题。

新能源赛道备受关注,未来更多跨界玩家布局

对于未来万亿级的工程机械电动化市场,配套设施和服务还有广阔成长空间,在“双碳”背景下,多项政策明确支持电动化发展,预计随着主机厂电动化设备批量上市投产的同时,作为新能源赛道门槛较低的环节,配套设施和配套服务环节将迎来更多跨界玩家。预计随着资本市场的投入,配套设施和服务环节将经过资源整合并购,形成更完善的配套体系。

(本文来源:鸿鹄研究院)

责任编辑:Tracy Wang

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徐工集团成立于1989年3月,成立21年来始终保持中国工程机械行业排头兵的地位,目前位居世界工程机械行业前10强,中国500强企业第125位,中国制造业500强第55位,是中国工程机械行业规模最大、产品品种与系列最齐全、最具竞争力和影响力的大型企业集团。  徐工集团年营业收入由成立时的3.86亿元,发展到2009年的505亿元,实现利税35亿元,在中国工程机械行业均位居首位。  徐工集团建立了以国家级技术中心和江苏徐州工程机械研究院为核心的研发体系,徐工技术中心在国家企业技术中心评价中持续名列工程机械行业首位,被国家发改委、科技部等五部委联合授予“国家技术中心成就奖”。建立了覆盖全国的营销网络,100多个国外徐工代理商为全球用户提供全方位营销服务,徐工产品已销售到世界130多个国家和地区。9类主机和3类关键零部件市场占有率居国内第1位。5类主机出口量和出口总额持续位居国内行业第1位。  徐工集团秉承“担大任、行大道、成大器”的核心价值观和“严格、踏实、上进、创新”的企业精神。先后获得“全国五一劳动奖状”、全国机械行业文明单位等荣誉。公司党委被中共中央组织部评为“全国先进基层党组织”。徐工集团已为抗震救灾、建设徐工希望小学等各类社会公益事业捐款6075万元,捐衣物14.9万余件,被国家民政部授予“中华慈善奖”,被中共中央、国务院、中央军委授予“全国抗震救灾英雄集体”。  徐工集团的企业愿景是成为一个极具国际竞争力、让国人为之骄傲的世界级企业。徐工集团的战略目标是,到2015年要实现营业收入超1000亿元,进入世界工程机械行业前5名。
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