充电桩前沿新技术

(报告出品方/作者:信达证券,武浩、张鹏、孙然)

一、快充桩蓄势待发,大功率快充渗透加速

1.1 交流充电桩占据主导,功率模块成本持续下降

新能源车充电桩按照充电方式可以分为直流充电桩和交流充电桩。1)交流桩输出单相/三相交 流电通过车载充电机转换成直流电给车载电池充电,功率一般比较小(一般有 7kW、22kW、40kW 等功率),充电速度一般较慢,故一般安装在小区停车场等地;2)直流充电桩充电速度比较快, 俗称的“快充”,一般是安装在高速公路旁的充电桩,这种充电桩通常固定安装在电动汽车外, 和交流电网连接,自带 AC/DC 充电模块将交流电转化为直流电给车载电池供电。

电动汽车充电桩产业链上游主要是充电桩和充电站的壳体、底座、线缆等主要材料供应企业和 充电设备生产商。中游为充电站建设和运营商,负责充电桩和充电站的建造和运营。下游为整 体解决方案商。从成本角度来看,以直流充电桩为例,充电桩核心设备是充电模块,其作用是 将交流电网中的交流电转换为可以为电池充电的直流电,占充电桩建造成本比例的 50%左右。

我国私人充电桩占主导地位,公共充电桩中直流充电桩占比有所提升。参考中国充电联盟数据, 截止 2022 年 10 月,全国充电基础设施累计数量为 470.8 万台,同比增加 109.0%,其中公共充 电桩 168.0 万台,占比约 35.7%。在公共充电桩中,直流充电桩 71.0 万台、交流充电桩 97.0 万台,直流充电桩占比为 42.26%,相比 2020 年 12 月 38.29%提升约 4pct。 直流充电桩模块成本呈现下降趋势。参考中商产业研究院数据,2019 年直流充电桩充电模块的 成本价格最低降至 0.4 元/W,2021 年直流充电桩价格充电模块成本为 0.37 元/W。充电设备即 充电桩硬件设备,而充电模块是充电核心设备和主要成本来源。我们认为随着充电模块的成本 的下降,未来直流充电桩价格或将呈现下降趋势。

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近年来全球公共快充桩保持较高增速,中国公共快充桩占比提升。根据 IEA 数据,2021 年全球 公共快充桩约569千台,同比增长 47.41%,其中中国的占比为 82.60%,相比 2020年增加 2.5pct; 2021 年全球公共慢充桩约 1208 千台,同比增加 32.9%,其中中国的占比为 56.04%,相比 2020 年增加 1.3pct。

1.2 800V 架构蓄势待发,充电桩向大功率方向演进

高压高倍率渗透率逐渐提升,800V 架构蓄势待发。从行业发展阶段来看,目前主流新能源车以 400V 架构为主,随着新能源车不断发展,用户对充电性能的要求日益提升。自从 2019 年保时捷 T 发布首款 800V 高压平台的量产车型 Taycan 以来,国内外厂商纷纷跟进,起亚发布 800V 平台 E-GMP; 比亚迪 2021 年发布 800V 平台 e 3.0,吉利汽车发布 SEA 浩瀚架构,800V 高压快充成为 大势所趋。我们认为,以 800V 架构为代表的高压/高倍率路线有望成为未来的主流发展方向。

大功率充电桩成发展方向。参考《广汽埃安高压快充技术应用及展望》,2021 年电池倍率在 0.8C-1.5C 之间,额定电压在 300V-400V 之间,而快充充电桩功率在 30-120kW 之间。而随着电池 倍率往 3C 甚至 6C 发展,额定电压向 800V 演进,未来快充充电桩功率也需要得到提升,大功率充 电桩成为发展方向,未来向 200kW、480kW 甚至更高功率发展。

大功率充电模块+液冷是大势所趋。直流充电桩由多个充电模块组成,以 120kW 充电桩为例,若使用 15kw 充电模块,需要 8 个并联,但若采用 30kW 充电模块,只需要 4 个并联。参考电桩网数据,2021 年中国 20kW 模块占据市场容量比例约为 60%左右,其余容量比例主要由 30kW 模块占据,40kW 模块 占据小部分。随着近年来电动汽车电池容量的提升及充电倍率的提升,已经有明显的实际市场发展 趋势:20kW 较大份额市场正在逐渐向 20kW,30kW,40kW 多元化规格发展。

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大功率充电下,液冷散热成为解决发热的重要手段之一。相较于风冷散热,全隔离防护技术下 的液冷充电模块是通过压缩机制冷,依靠循环液带走热量,并使用冷凝器对循环液进行降温,具 有高防护、低噪声(风冷散热噪声大于等于 60 分贝,液冷散热噪声则控制在 35 分贝内)、耐热 好和易维护的特点,满足快充需求下 70kW 及以上充电模块的散热诉求。目前,虽然液冷充电模 块成本较高,同等功率下液冷充电桩价格较风冷高,但后期维护和检修次数较少,一定程度上降 低运营维护成本,未来有望成为充电模块的主流散热方式。

二、国内车桩比持续下降,高压快充趋势显现

2.1 中国充电桩发展情况

我国充电桩行业经过数十年发展,已经进入高速增长期。充电桩行业发展可以分为以下几个阶 段:1)2012 年以前是发展早期,是国内充电桩行业的早期阶段;2)2014 年-2016 年我国出台 《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020 年)》 等文件,国内充电桩行业进入成长期;3)2017 年以后行业竞争加剧,增长速度放缓,进入调 整转型期;4)2020 年 3 月,充电桩建设正式被纳入“新基建”七大重点领域,2021 年的政府 工作报告再次提出,将增加充电桩、换电站等设施的建设,充电桩增速有所提升,充电桩行业 进入发展关键期。

政策催化,各地加大公共充电桩建设力度。近年来,国家层面出台多项支持公共充电桩发展政 策,2022 年 1 月,国家发改委出台《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实 施意见》,表示到“十四五”末,我国电动汽车充电保障能力进一步提升,形成适度超前、布局 均衡、智能高效的充电基础设施体系,能够满足超过 2000 万辆电动汽车充电需求。各省份也出 台相应政策,如北京出台相关文件表示到“十四五”末,全市电动汽车充电桩达 70 万个。

新能源车高增长,需求推动充电桩建设。我国新能源车保持高增长,22 年 1-10 月新能源车销 量同比增速 108%,保持高增长,渗透率在 30%左右。我们认为,在国内新能源维持高增速的情 况下,未来充电桩或将维持高增速。

车桩比呈现下降趋势。在新能源汽车快速发展的过程中,充电桩行业也在快速发展,随着国家 政策+需求的催化下,车桩比呈现下降趋势。2022 年 9 月我国充电桩数量为 449 万台,新能源 保有量为 1149 万辆,车桩比为 2.56,车桩比呈现下降趋势。我们认为,在国家政策的催化下, 未来车桩比或将保持继续下降趋势。

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私人充电桩占比较高,公共充电桩中直流充电桩增速较快。我国充电桩增速保持高增长态势, 私人充电桩 2022 年 10 月保有量为 302.8 台,占充电桩保有量的 64%,保有量相比 2021 年底增 加了 155.8 万台;公共充电桩 2022 年 10 月保有量为 168 万台,占充电桩保有量的 36%,相比 2021 年保有量增加了 53 万台,公共充电桩保持较快增长趋势,在政策的推动下,直流充电桩 增长较快,2021 年保有量为 47 万台,相比 2020 年增长 52%,2022 年 10 月保有量为 71 万台, 相比 2021 年增长 51%。

广东省公共充电桩分布较多。从分布来看,我国充电桩分布较为集中在广东省、江苏、上海、 浙江等地,其中广东省分布最多,超过 35 万台,远超其他省份。

充电桩运营方式以运营商为主导。充电桩商业模式可以分为以运营商为主、以车企自建为主和 第三方&合伙建设这几种方式为主,其中以运营商为主导是目前的主流方式,目前代表企业有星 星充电、国家电网、特锐德等企业。

星星充电、特来电、国家电网、云快充是主要的充电桩运营商。从公共充电桩运营数量来看,特来电排名第一,截止 2022 年 10 月总共运营 33.4 万台充电桩,而考虑公共桩+共享私桩模式, 则星星充电为第一,运营充电桩数接近 40 万台。

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新增公共直流充电桩功率呈现逐年提升趋势,快充趋势显现。2016 年新增公共直流充电桩平均 功率为 62.9kW,而 2020 年新增公共直流充电桩平均功率为 131.9kW,我们认为目前市场上对快 速充电的需求愈发显现,公共直流快充桩作为能够解决充电焦虑的一种方式,逐渐成为未来发 展趋向。

大功率快充充电桩占比或将提升。国家电网作为主要的充电桩运营商之一,对未来行业发展具 有指向左右。从目前国家电网的招标来看,80kW 充电桩占比有所下降,160kW 和 240kW 充电桩 占比提升,我们认为 160kw 充电桩或将成直流充电桩增量的主流,而 240kW 甚至更高功率充电桩占比也或将有所提升。

2.2 大功率快充发展趋势下,光储充或将成为落地方案之一

大功率快充会对配电网造成负面影响。电动汽车主要通过配电网接入电网,大量的电动汽车接 入电网,尤其是通过快充充电/大功率快充对配电网影响较大。参考《电动汽车在上海市电力系 统中的应用潜力研究》及《规模化电动汽车充电负荷对配电网的影响及优化控制研究》等文献, 大功率快充有以下影响:

1) 配电变压器及线路过载。配电变压器过载将来会成为电动汽车规模化运行的主要限制因素 之一。电动汽车接入造成的负荷变化可能引发分时段局部配电变压器过载,导致变压器内温 度升高,从而导致变压器油劣化变质、变压器内绝缘材料加速老化,从而缩短变压器的寿命。 以国家电网测算 27 个居民小区与 21 座商业办公楼案例分析为例,仅在交流慢充情况下,当 电动汽车保有量占比达到 20%时,则有 21 个小区需要进行配电加压器改造,1 个居民小区进 行 10kV 线路改造;12 个商业楼宇需要进行配电变压器改造,5 个商业楼宇需要同时进行 10kV 线路改造。

2) 谐波污染。由于电动汽车充电机内含整流装置,而整流装置作为非线性负载,会对电网产 生谐波污染。电器的使用会产生谐波电流和谐波电压,注入到电网中,就成为电网的一种污 染,它会导致电网中的电流和电压波形畸变,电能质量下降,使电器设备的使用环境恶化, 危害电网及电网中的其它设备。大量谐波将增加电力线路电能损耗、影响功率因素、降低继 电保护的可靠性、干扰控制系统稳定性等。

3) 电压偏离、电压越限。电动汽车充电负荷会对配电网电能质量造成威胁,大规模充电负荷 接入不仅可能会超出配电网容量,造成配电变压器及线路过载,也会造成电压偏移的现象。 电压偏移(%)= (电压测量值 - 系统标称电压)/ 系统标称电压 * 100%。根据国家标准 GB12325-2008《电能质量供电电压偏差》规定,20kV 及以下三相供电电压允许偏差的范围是 额定电压的±7%(0.93pu 到 1.07pu 之间),大规模电动汽车接入/大功率充电下,会引起 电压偏离增大,可能会超过规定值。

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配网改造费用较高,难度较大。1)超充情况下,如果电力容量不足,需要向当地电力部门申请 扩容,参考上海市 2016 年 10 千伏电压等级的业扩工程定额收费标准调整为每千伏安 1006 元, 若处于偏远地区,甚至可能出现难以扩容情况,且扩容需要多个部门批准,改造配电网难度较 高。2)各地规定不一,在电网侧,以电力报装这一细节为例,仅「不允许使用箱变,需要建配 电房」的单台变压器容量的上限值,在不同地区就有 630kVA、1250kVA、1600kVA 等不同要求。 按照《功率因子调整电费办法》,功率因子标准 0.90 适用于 160kVA 以上的高压供电用户,则 在 630kVA 时仅能配置 1 台 480kw 充电桩或多台其他功率较低充电桩。

我们认为大功率快充会对电网造成较大的影响,公共场所配电网难以满足大功率快充需求,因 此我们认为企业自建大功率超充站,采用光储充方式或将成为化解大功率快充对电网冲击的途 径之一;同时通过软件控制等方式,也可以将充电桩内的功率进行调配,转移到需要满功率充 电的车上(不是所有车都需要满功率充电)。 特斯拉首次采取光储充化解超充难题。2021 年 6 月,特斯拉首座储充一体化超级充电站落地在 拉萨;2021 年 7 月,特斯拉在上海宝山区智慧湾科创园落地了华东首座光储充一体化超充站。 上海光储充一体化超级充电站将配备 V3 超级充电桩和目的地充电桩。充电站通过太阳能屋顶系 统发电后,将电能储存在 Powerwall 电池中,最终可供部分纯电动车日常充电。

参考广汽埃安超充站配置,一座超充站配置 1 台 480kW 充电终端和 4 台 180kW 充电终端情况下 来测算充电站建设成本: 1)180kW 单桩成本约为 5.4 万元。以 120kW 快充直流充电桩为例,主流的做法是使用 4 个 30kW 的模块进行组合,一般质量好一点的充电模块单个模块的价格在 2000 元左右;充电枪线如 果是 5m 长的话,价格在 5000 元左右;主控板的成本在 1500 元左右;再加上触摸屏、GPS 互联网模块、壳体、内部线束,以及继电器等,一个充电桩的成本大概在 300 元/kw。 2)480kW 单桩成本约为 28.8 万元。大功率充电桩功率器件需要从原先 IGBT 换成 SIC,同时需 要配置液冷充电枪。相比以往的普通充电桩,800V 大功率充电桩的成本至少翻倍,甚至达到 2~3 倍,按照这个测算单桩成本在 600-900 元/kW,本文按照 600 元/kW 来测算。 3)建设成本约等于充电桩成本,本文假设为 50 万元。参考华经情报网,从充电站成本结构来 看,充电站占比超过 50%,约为 51.22%,其他成本为:变压器 9.76%、APF 有源滤波 7.32%、 无功补偿 7.32%,四个组件共占比 75.62%,其余组件成本占比均在 5%以下。本文假设充电 桩其他部件的建设成本与充电桩相近,假设为 50 万元。 4)不考虑储能费用和改造配电网费用。

若采用储能方式,则对应储能成本:以美国的 Electrify America 为例,拥有 350kW 大功率 超充的站点,配置一套特斯拉 350kWh、功率为 210kW(210kW/350kWh)的储能系统。以华能黄 台 100MW / 200MWh 储能电站为例,每 kwh 的投资额为 2136 元,175kw / 350kwh 的成本约 为 75 万,合计充电站建设成本约为 175 万元。参考小鹏超充站宣传,其超充站可以满足 30 台车不间断充电。以小鹏 P7 后驱长续航版为例,电池是 71 度,充电区间从 30% 到 80%,每 台车需充 35.5 kwh, 30 台约需要 35.5 * 30 = 1065 kwh,对应储能投资费用约为 213.6 万元, 合计充电站建设投资总投入约 300 万元。 我们对储能超充站按照充电桩利用率和总建设成本两个维度进行盈利敏感性测算,假设前提如 下: 1) 超充站假设储能建设费用介于 Electrify America 和小鹏超充站,在此假设超充站总投资 约为 200 万元左右。 2) 年折旧率假设为 10%,设备维修费假设为初始投资的 3%,运营人工费用假设为初始投资的 6%。 3) 不考虑存在停车场电费抽成。 4) 不考虑赚波峰波谷电价差,服务费假设为 0.8 元/kW。

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我们认为在新能源汽车渗透率逐年上升的趋势下,未来充电桩有望保持较高增速。随着国内各 省对《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》等政策的逐步落地, 未来公共充电桩尤其是直流充电桩占比或将有所提升,车桩比或将降低。在这些前提下,我们 认为 2021-2025 年充电桩市场年复合增长率超过 70%,2025 年市场规模或将达到 688 亿元。

三、需求+政策双轮驱动,充电桩出海正当时

3.1 欧洲:新能源渗透加速,高车桩比下充电桩建设缺口较大

欧洲新能源车渗透率有望继续提升。2021 年欧洲新能源车销售数据为 230 万辆,渗透率为 19%, 据国际能源署预测,2030 年欧洲新能源车销量或将达到 730 万辆,新能源车依然有较大的增长 空间。据 EU-EVs 数据,截止 2022Q3,除挪威外,大多数欧洲国家纯电汽车渗透率较低,部分 国家纯电汽车渗透率低于 10%,新能源车发展空间依然较大,而新能源车的发展将拉动充电桩 的建设。

欧洲公共充电桩以交流充电桩为主。参考德国 P3 咨询,截至 2022 年 3 月 31 日,欧洲 17 国市 场内共有近 33 万台公共充电桩,其中交流充电桩 29.4 万台,直流充电桩 3.6 万台。其中,直 流充电桩中包含约 1.55 万台充电功率超过 150kW 的超级充电桩(HPC)。

欧洲国家公共车桩比呈现上升趋势,充电桩建设蓄势待发。从车桩比来看,近年来欧洲车桩比 呈现上升趋势,公共车桩比在 2019 年后上拐,2021 年超过 15。在政策方面,欧洲多国已经宣 布禁售燃油车时间,最早的国家将于 2025 年起实施禁售燃油车,2022 年 9 月,欧洲十三国电 动车销量合计 22.49 万辆,同比增长 9.9%,其中八国销量实现同比增长,ACEA 欧洲汽车制造商 协会研究指出到 2030 年需要建设多达 680 万座公共充电站才能满足相应需求。

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欧洲范围充电桩相关厂商可以分为设备商、运营商和服务商这几类。其中,充电服务由充电服 务商 MSP(Mobility service provider)提供,他们通常不自行建设充电桩,而是与充电桩运营商 CPO(Charge Point Operator)合作,这样 MSP 的用户就可以通过充电卡或 APP 使用 CPO 的充电桩。MSP 又可划分为第三方服务商和车企服务商,车企一般仅为自有品牌提供充电服务。

3.2 美国:新能源车增长弹性大+高车桩比,潜在空间广阔

美国纯电汽车维持较高增速,整体新能源车渗透率较低。相比中国新能源车渗透率,美国整体 新能源车渗透率较底,以轻型车辆为基数,2022 年 11 月美国新能源车渗透率为 7.1%,依然有 较大的提升空间。分开来看,美国纯电车保持较高增速,2022 年 11 月美国纯电车销售量为 6.5 万辆,同比增长约 40%,混动电车销量为 1.5 万辆,同比增长约 3%,从趋势来看,美国纯电汽 车销售量表现较好。

美国整体车桩比较高,2021 年车桩比超过 17.5。随着新能源车保有量的不断提升,美国公共充 电桩建设速度略慢,2015-2018 年车桩比呈现不断上升趋势,2018 年后有所下降,但整体车桩 比依然较高,2021 年车桩比为 17.5 相比 2020 年有所提升。

美国充电桩由车企和第三方运营商共同主导,市场集中度较高。ChargePoint 是美国最大的充 电桩运营商,截至 2021 年底,公司拥有 48946 个充电桩和 15454 个充电站,合计占美国 42.8% 的公共充电桩数量。细分来看,ChargePoint 主要充电桩以交流充电桩为主,以 level2 充电桩 为例,其占据美国 51.5%的交流慢充网络,合计约 4.7 万台充电桩;在直流充电桩方面,美国 以特斯拉为主导,特斯拉拥有全美 58%的直流快充桩数量,合计约 1.3 万台。(美国一般会用Level 1/2/3 来分类;而在美国以外(欧洲)一般用 Mode 1/2/3/4 区分。 Level 1/2/3 主要是区分充电 桩输入端的电压,Level 1 是指直接用美国家用插头(单相)120V 供电的充电,功率一般在 1.4kw 到 1.9kw; Level 2 是指用美国家用高压 208/230V(欧洲)/240V 的 AC 充电桩,功率相对较高,为 3kw-19.2kw; Level 3 是指直流 DC 充电桩。)

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美国整体车桩分布不均。美国各州之间的车桩比数据差距较大,参考 evadoption 数据,截至 2021 年 9 月 31 日,新泽西州的电动汽车累计数量在美国排名第六,车桩比为 41.3:1。排在第 二位的是加利福尼亚州,该州累计拥有 930811 辆电动汽车,车桩比为 27.2:1,怀俄明州车桩 比表现较好,为 4.2:1。从总体来看,美国整体车桩比依然较高,充电桩数量有较大的增长空 间。

3.3 政策+需求双轮驱动,海外充电桩建设有望提速

电动化浪潮下,海外各国加速充电基础设施建设。为加快“碳中和”进度,海外各国推进各自电动化之路,随着新能源车存量达到一定基数,充电基础设施建设成为一种必须。以欧盟为例, 21 年,欧盟委员会提出要在主要高速公路每 60 公里设置充电桩,目标是 2030 年有 350 万个充 电站,其他国家如瑞典出台相关补贴政策推动充电桩建设。我们认为在需求+政策的双重驱动下, 未来海外充电桩建设速度有望提升。

海外充电桩盈利性较好,但需要考虑认证问题。从充电桩标准来看,全球主要分为五大标准, 分别为中国的 GB/T、美标的 CCS1、日标的 CHAdeMO、欧标的 CCS2 和特斯拉的独立充电接口。 国内企业出海需考虑海外认证。

我们对欧洲和美国市场进行测算,假设未来车桩比随着充电桩建设有所下降,且快充桩占比有 望提升。我们测算 2022-2025 年美国充电桩市场约为 26/43/85/130 亿元,复合增速超过 70%;欧洲市场方面,我们测算 2022-2025 年欧洲充电桩市场约为 43/67/93/127 亿元,复合增速为 43%。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。

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