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快速全面普及纯电动车的战略研究报告 汪涛
电动汽车 2014-12-19
快速全面普及纯电动车的战略研究报告 汪涛
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  本报告是以正建设中的西安电子科技大学国家安全研究院的名义,并且回应《关于进一步提升充换电基础设施服务保障能力的实施意见(征求意见稿)》而编写。本报告编写过程中得到清华大学能源互联网创新研究院张罗平教授,中国电力发展促进会常务副会长、秘书长游敏,中国电力发展促进会高军,国网电动汽车服务有限公司阙诗丰副总经理及李厚志,郑杰,张利等领导专家的大力支持并提出很多宝贵意见和资料,在此深表感谢!

  为获得本报告第一手的充电网络研究数据,作者本人从2020年7月开始,利用出差的机会尽可能选择驾驶500公里续航里程的纯电动车(BEV)出行,或驾驶燃油车沿途考察休息区的充电设施情况。到编写本报告前行程约2.2万公里,经过了北京、天津、山东、辽宁、江苏、浙江、安徽、湖北、河南、河北、广西、海南等省市自治区。另外,结合高德地图,国网的e充电行程规划等软件工具进行了大量分析。此处发表的文章是在提交的报告基础上编辑而成。

  未来五年内完全普及BEV的产业链及技术等条件都已经成熟,只是因充电网络覆盖率不足的瓶颈约束限制了市场内在潜力的充分释放。

  支持BEV车辆与电池的政策在初期是非常必要和成功的,但其使命已基本结束。如继续对BEV进行补贴,因年销量很可能会在短期内达到数百万级别,会使可能的年财政补贴额达到数百亿乃至上千亿。过于庞大的补贴额会使中央和地方财政难以负担,这反而成为进一步提升销量的障碍。因BEV本身极低的使用成本,以及因续航里程增长带来的电池寿命成倍提升,尽管车辆购置价格还略高于燃油车,但BEV车辆端的综合经济性已经显著高于燃油车,因此车辆补贴已经不再有必要性。目前车辆购置价格不再是BEV市场增长的障碍,主要矛盾已经发生转化。为使政策资源的投入产出更为有效,需要尽快全面转向充电网络。

  在充电网络支持政策方面,关注点应从充电桩数量,转向充电网络覆盖率。充电桩数量可交由市场调节。充电设施的覆盖率不足是BEV增长的核心瓶颈因素,尽快解除该瓶颈会使BEV潜力充分释放,销量爆炸性增长,反过来使充电设施有获得良好效益的市场基础,进入良性循环。否则,充电设施会面临因BEV保有量不足而效益难以保障的困难,陷入恶性循环。

  充电网络覆盖分为长途与市内两个方面。长途覆盖率建议采用“高速公路1年内,国道3年内百公里覆盖率100%”的目标。这个目标的设立更为重要的价值是给市场一个“全国范围内里程焦虑问题短期内即将彻底解决”的明确预期。

  市内覆盖率通过普及“私桩变公桩”技术,使公共充电设施快速增加,并减少桩车比的需求。使所有人购买BEV不再受安装私有充电桩各种限制因素的制约。

  未来五年内完全普及BEV的产业链及技术等条件都已经成熟,只是因充电网络覆盖率不足的瓶颈约束限制了市场内在潜力的充分释放。

  支持BEV车辆与电池的政策在初期是非常必要和成功的,但其使命已基本结束。如继续对BEV进行补贴,因年销量很可能会在短期内达到数百万级别,会使可能的年财政补贴额达到数百亿乃至上千亿。过于庞大的补贴额会使中央和地方财政难以负担,这反而成为进一步提升销量的障碍。因BEV本身极低的使用成本,以及因续航里程增长带来的电池寿命成倍提升,尽管车辆购置价格还略高于燃油车,但BEV车辆端的综合经济性已经显著高于燃油车,因此车辆补贴已经不再有必要性。目前车辆购置价格不再是BEV市场增长的障碍,主要矛盾已经发生转化。为使政策资源的投入产出更为有效,需要尽快全面转向充电网络。

  在充电网络支持政策方面,关注点应从充电桩数量,转向充电网络覆盖率。充电桩数量可交由市场调节。充电设施的覆盖率不足是BEV增长的核心瓶颈因素,尽快解除该瓶颈会使BEV潜力充分释放,销量爆炸性增长,反过来使充电设施有获得良好效益的市场基础,进入良性循环。否则,充电设施会面临因BEV保有量不足而效益难以保障的困难,陷入恶性循环。

  充电网络覆盖分为长途与市内两个方面。长途覆盖率建议采用“高速公路1年内,国道3年内百公里覆盖率100%”的目标。这个目标的设立更为重要的价值是给市场一个“全国范围内里程焦虑问题短期内即将彻底解决”的明确预期。

  市内覆盖率通过普及“私桩变公桩”技术,使公共充电设施快速增加,并减少桩车比的需求。使所有人购买BEV不再受安装私有充电桩各种限制因素的制约。

  5) 通过有序充电可对现有电网进行削峰填谷,最有效地解决新能源弃风弃光问题。

  6) 快速全面普及BEV可有效压制国际石油价格,大大减少石油进口支出,这会使石油对外依存度已经超过70%的中国获得巨大的直接经济利益。

  7) 如果不能让BEV保有量快速提升,大量投资的充电设施就难以有充分的经济效益,反过来使充电设施的增长受到压制,各项其他的政策红利被大大稀释。

  “BEV长期渐变发展模式”是目前流行的默认观念。尽管目前欧洲等很多发达国家制定了停止燃油车并转向新能源车的目标计划,但大多国际智询公司及政府制定的报告中,都是在很多年以后BEV只占年汽车销售量的有限比例。这种长期渐变模式也是中国目前制定发展计划时的潜在指导观念。2020年底刚公布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中,2025年新能源车年销量占比仅为20%,到2035年时,BEV才在汽车年销量中“占主流”。但是,这种观念并未获得充分的科学论证,并且也不符合汽车行业发展一般性的内在规律。

  BEV是一个新事物,因此存在很多有待深入研究的规律。对于新事物来说,认识其规律的途径首先是直接研究其本身。另一个很好的科学方法是找到其他类似的、已经成熟且认识较为清楚事物的规律作为参考。有两个很好的参考的对象是燃油车与移动通信。

  BEV发展中存在的最大困难是“里程焦虑”,这个是否为BEV独有的问题呢?并不是。如果500公里以上的道路中没有一个加油站,现在的燃油车同样会存在里程焦虑问题,必然要在进入这样的道路之前加满油。如果长到1000公里的道路中间都没有加油站,现在的绝大多数燃油车也都无法顺利开行过去。但是,燃油车是经过上百年逐步发展起来的,不仅仅是汽车生产环节的产业链,包括其使用环境如道路、停车场、加油站、维修和服务网点等都是互相配套逐步协调发展起来的。如果其中存在什么问题,都在市场发展过程中逐步消化掉了。从推动BEV角度看,似乎存在很多的困难,但如果从整个汽车行业发展的角度看,BEV发展的条件又实在是太好了,因为绝大多数发展BEV的基本条件如道路、生产端的大多数产业链等,都已经通过燃油车上百年的发展逐步积累得非常完备。中国汽车销售每年的总量能达到10%左右的增长,就已经是非常好的业绩。但是,如果是汽车业内部某个特定技术的进步,并不需要这么缓慢的进程。

  例如,从燃油车排放技术升级的过程来看,1999年开始国I的普及,然后是2002年国II,2005年国III,2008年国IV,2012年国V。每升级一个排放标准,就需要采用全新的、符合要求的发动机。但是,每升级一代仅仅花费了3年左右的时间。因为这个改变只是涉及整个汽车发展环境中发动机这一个环节,它并不需要改变道路、加油站、停车场等其他环节。因此,其普及速度就会非常快,基本算是“瞬间就可完成转换”的进程。

  另一个可参考的是移动通信的发展。从3G、4G到现在的5G,每一代的发展时间大约为5年。2009年1月中国发放3G牌照,2013年12月发放4G牌照,2019年6月发放5G牌照。每一代移动通信发展中需要的基础管道光纤传输网络、运营商机房、基站铁塔方仓设施、营业网点、运维、计划建设、市场等人才和管理人员都是在过去的业务发展过程中积累起来的,并不是专为某一代移动通信服务的。每一代移动通信涉及到的新建设部分主要是基站设备、核心网和手机。其他绝大部分产业链上的资源早已经是现成的,在过去通信全行业发展过程中逐步积累起来的。因此,这种仅仅涉及极少部分产业链环节的新产品技术,其普及速度就会比真正从最基础设施开始的全新产业链发展要快得多,可以几年的“瞬间”就完成技术换代。

  因此,在一个产业链中,如果仅涉及很少部分的技术转变过程,其规律符合“短期突变发展模式”,而不是“长期渐变发展模式”。

  在发展3G时,韩国、英国等先行国家获得了一个很重要的经验:在新的3G网络覆盖率低于98%时,用户发展得很慢,即使对手机进行补贴效果也很有限。而当3G网络覆盖率高于98%时,用户就开始爆炸性增长,几年之间就完成绝大部分终端用户的换代。中国在发展3G等技术时,就吸取了这一经验教训,一开始就快速将网络覆盖率提升到接近100%,使得用户从一开始就爆炸性增长,并在很短时间内完成普及过程。汽车类似于手机终端,而加油站和充电设施类似于移动基站。如果充电网络的覆盖率不能接近100%,仅仅补贴BEV终端,其市场推动效果是受限的。

  从本质上说,BEV真正涉及到的新环节仅仅是更换了动力系统,以及能源补充网络。动力系统只是将燃油车的“发动机+齿轮箱+传动机构”,更换成了“电池+控制器+电机总成”。尽管从表面看来是一个巨大的技术换代,但从汽车业内部的产业链来说,这仅仅是很少部分的改变,其他绝大部分的车轮、方向盘、车体、汽车玻璃、座椅、车灯、汽车电子等产业链上的各个部分,都是通过发展燃油车长期积累起来的、现成的成熟资源。即使它们在BEV时代有些改变,也可看作只是汽车业内部常规的技术变化。

  使用环节唯一的区别就是将加油站换成充电设施。这个并不存在任何需要突破的实质性技术难题。

  整个BEV产业链中唯一真正的新技术突破只有电池。现在,车用锂电池技术和产业链已经发展到相对成熟的阶段。500-600公里续航里程的BEV成为主流。由于技术的进步和规模的提升,过去的十年车用电池的成本持续以每年约10%的速度在下降,未来这个下降速度依然会保持较长时间。这个预测并不完全依赖于可能存在不确定性的电池技术革新(如固态电池的技术成熟度和商业化突破等),而只靠现有技术持续改进和其规模经济增长就可以获得的成本降低空间。因此在未来5年之内,只要BEV数量有效增长,单位电量的电池成本会持续下降到现在的约一半左右。

  以往在电池成本下降过程中,因为要大幅度提升续航里程,因此电池容量的成倍增加抵消了电池单位电量价格的下降速度。但现在,电池总容量进一步增加的动力已经远不如以前了,因此,未来随着单位电池容量价格的继续迅速下降,BEV电池部分的总成本会以远比过去更快的速度下降。

  从经济性的比较来说,不能仅仅看车辆本身的购置价格,而应该进行综合的比较。“车辆购置费+2年内使用费+维护费”才是衡量综合经济性的合理指标。现在BEV的这个综合成本事实上已经显著低于燃油车。虽然车辆购置费稍高,但其使用费远低于燃油车。

  过去市场对BEV电池寿命有限、可能需要更换电池从而维护费很高有比较大的担忧。但事实上,因为续航里程的成倍提升,电池寿命获得了更大程度的成倍延长。现在,电池已经成为汽车行业寿命最长的配件之一。这是因为:

  电池寿命(年)= 最大循环充放电次数 × 续航里程 / 平均年行驶里程(2)

  即使从技术上说电池本身的技术寿命(体现为“最大循环充放电次数”)没有任何增加,因为实际BEV的电池寿命是与续航里程成正比,因此当BEV的续航里程从早期的150公里增长到500公里以上时,其电池包的实际寿命会增长3倍以上。这是从理论计算上来说的,从实际使用角度看其改进幅度比这个数字更为巨大。因为锂电池对过充(充满后因忘记在充电而继续长期浮充)与过放(使用到低于20%总电量)很敏感,会严重损伤电池寿命。在5年前续航里程为150公里的BEV普及初期阶段,很容易产生过充过放的问题。但当续航里程增加到500公里以上之后,过充过放的概率就接近于零了。从理论上说,锂电池的最大循环充放电次数可达2000次以上,150公里续航里程的BEV如果实际使用中保养良好,可以使用到30万公里。但实际使用中很少能达到这个水平的,原因就是普遍存在过充过放的问题。而500公里续航里程的电池理论寿命可以达到100万公里。因为实际使用中基本不再有过充过放的问题,实现这个寿命是普遍有可能的。

  因此,对续航里程大于400公里的BEV,厂家已经敢于承诺对电池“终身保修”。采用换电技术的厂家如蔚来等甚至敢于采用终身免费更换电池的策略。出现这些市场行为并不完全是现在厂家比过去更加敢于承担责任,而是电池寿命本身已经长到基本不需要再考虑电池寿命折损的问题了。

  其他的很多问题都是只要BEV的销量上规模,都可以很容易由市场本身去解决掉的,例如车辆款式的丰富程度等问题。甚至寒冷地区的电池效率低等问题也是可以通过销量规模增长去简单解决的。因为通过自行加温等技术就可很容易解决这个问题,并且已经有现成的技术。但是,这些要增加成本,在规模不足情况下,降成本压力使BEV厂家难有采用该技术的市场动力。

  因此,目前剩下唯一真正影响BEV发展的,只有充电网络覆盖率的问题。只要这个问题解决了,动力更强、更适合智能化、使用费便宜一个数量级、其他基本一样——除了极少数热爱老爷车的客户,我们实在找不到任何不买BEV的理由。如同从国IV过渡到国V一样,几年之间就应该完成全部切换,BEV在全部汽车年销量中的占比应当接近100%。BEV就会实现短期突变发展模式。

  绝对里程焦虑是指:因为剩余里程可能不足以行驶到下一个充电设施,会导致中途停车的焦虑。

  相对里程焦虑是指:BEV充电并不需要车主守护在旁边,因此,充电是可以利用本来就必要的停车时间来进行的。但如果充电时间过长,从而需要专门的等待时间,就会出现相对里程焦虑,即:

  充电比加油的时间更长这本身并不是问题,只要不会长到超过必要停车时间就可以了,并不需要像燃油车那样在3分钟之内完成能源补充过程。即使是运营类的车辆,每天也至少有一个小时以上的休息、吃饭、换班的等待时间。只要续航里程超过每天最大行驶里程的1.3倍(约400公里),每天有一个小时进行快充就可以。现在的主流BEV已经足以满足这类需要。

  因此,从本质上说,里程焦虑需要通过加大续航里程与缩小能源补充网络间距(提高覆盖率)两个方面同时做工作才能解决。续航里程并不适合增长得过大。因为这样不仅会提高成本,而且在平时市内行驶情况下背负不必要的电池重量。500到800公里已经是主流乘用车最合适的续航里程,也是目前燃油车的续航里程范围。如果增大油箱,燃油车的续航里程是可以很容易做到1000公里以上的,之所以不这么做是它内在的必然经济规律使然,这是汽车长期发展所自然形成和证明的结果。只有部分越野车等才会有特殊的双油箱配置,以获得更长的续航里程。

  手机一周以上甚至一个月的超长待机功能早就有了,但它们从来就没有普及过。这不是技术问题,而是市场规律决定的。最多3天待机时间是手机普遍的标准设计,太短不行,但太长也没必要。其原因在于充电网络的普遍可得以及充电宝产品的支持,并不只靠手机本身的电池支持。

  我们将长途充电设施间距在100公里以内的路段占总路段的比例称为充电网络的“百公里覆盖率”。如果它能做到100%,现在主流的500公里续航里程BEV是可以自由进行长途行驶的。

  新疆、西藏、内蒙、青海、东北等地区普遍高速公路和国道还没有充电设施。这些是经济相对落后,或北方寒冷地区。

  内地经济相对发达的湖南省高速公路普遍没有充电设施。这对整个中国的BEV使用环境影响是非常巨大的,它导致从北到南,从东到西的大量会穿过湖南省的长途线路无法通行。可以说,湖南省高速公路充电设施的普遍缺乏已经成为全国BEV发展的严重障碍之一。

  另外还有一些新开通的高速公路充电设施缺乏,如新开通的江浙苏台高速、山东省荣乌高速等部分服务区没有充电设施。

  即使是广州的客户,在做出是否要购买BEV时,需要全面考虑其对需求的满足程度。可能95%以上的需求只是在广州市内或郊区行驶,有5%是开长途,其中1%的可能是节假日去新疆等远地游玩。如果存在某些整省区范围的高速不能支持BEV行驶,客户不会因为5%甚至1%的需求无法满足而再买一辆燃油车。因此,即使他有很强的购买BEV的意愿,但却很可能因为无法满足所有需求而不得不暂时购买燃油车。所以,必须要使购买目前主流续航里程BEV的客户可以在中国接近100%的道路上行驶,才会充分释放所有BEV的潜在市场。如果做到这一点,因为经济性和其他方面的优势,人们就不会有任何理由再买燃油车。BEV的普及率可以在短期内很快达到100%。

  目前新能源车市场中有20%左右的插电式混合动力汽车(PHEV)。事实上,PHEV价格显著高于BEV和燃油车,之所以存在这一市场,就是因为既要满足自由地开长途,同时又在理念上强烈支持新能源车而不得不折中的选择。支持新能源车的市场基础是很强大的,远远超出我们的想象,民心可用,问题只是如何解决其长途使用的充电瓶颈。

  只要解决了高速公路上充电的问题,就解决了绝大部分长途充电的问题。再加上解决国道充电问题,基本就解决了长途行车的充电问题。目前剩下还未建设充电设施的高速公路比例其实已经不多了,但除少数是认识问题外,绝大多数都是潜在使用量可能很少,充电网络经济效益长期难以得到保障的地区。因为每个充电站的建设成本相对于加油站来说低一个数量级,如果在北京至乌鲁木齐不到2800公里高速道路上实现百公里覆盖率100%,仅仅需要新增建设不到30个充电站就足够了,其建设总投资仅为不到1500万。完成全国高速公路百公里覆盖率100%目标,从建设角度看所需要的新增投资压力并不大。但是,因为高速公路上场地租金等问题,运营成本非常高。而且从长远考虑,虽然租用的场地可建8个以上充电桩,但初期因充电的用户不多,大多数只装了4个甚至只有2个。这使目前建设了较多高速公路充电设施的充电运营商,诸如国网电动汽车服务公司等承担了非常大的运营成本压力,高速充电设施普遍亏损严重。因此,有如下建议方案:

  目前BEV发展面临的一个非常重大的难题是:购买BEV的车主想安装私有充电桩一是需要获得小区物业的批准证明,二是必须要有自己的专用停车位。而小区物业往往以电网安全为由拒开证明,这里面确实有客观的电网安全理由,但也有很多情况只是小区物业不愿担责任等而人为设置的因素。这两个因素严重制约了BEV的市场潜力变现,并且直接解决起来非常困难。

  目前清华大学能源互联网创新研究院等单位,已经开发出“私桩变公桩”的技术,任何BEV的车主只要简单扫描充电桩上的二维码,无需安装APP就可以直接充电。私桩是交流慢充桩,其成本现在已经可以做到几百元的很低水平。如果普及这一技术,以上两个制约因素基本上就彻底解决了。因为只要任何小区及附近有BEV车主成功安装了可公用的私桩,该小区内其他车主甚至更多别的车主就全都可以很方便地充电。私桩公用获得的服务费可以在桩主、小区物业、充电服务公司三者间进行分成,这可以在相当大程度上解决小区物业在发展小区充电设施上的主动性和积极性问题。

  这种充电桩不一定只是安装在小区内,小区外、路边、办公楼、酒店、餐馆等所有停车场都可以安装这种很低成本的私有公用充电桩。

  对于没有私桩的BEV车主来说,在这种公桩上充电增加的服务费也不是问题。因为充电桩及安装成本是BEV厂家提供的。如果购车时不安装私有充电桩,可以将相应成本进行折价。这部分成本的优惠足够车主一到两年增加的充电服务费。BEV厂家可以充分打开市场;充电服务商可以不用充电桩的投资就获得服务网络的扩展;率先安装了这种公用化私桩的车主可以有服务费分成;小区物业基本什么投入都没有也可以获得分成。这一方案是可以使所有各方都受益的,并且它基本不需要政府在资金上进行投入,主要是政策引导问题。通过这一进步可以迅速提升市内充电设施的覆盖率,使得市内(包括村镇)充电问题从根本上得到有效解决。

  充电网络覆盖率主要不是技术问题,而只是规律认识和投入的问题,因此是相对容易解决的。对影响BEV快速全面普及的其他可能的约束因素,本报告仅作简要讨论。

  这个问题解决起来是比较容易的,相应厂家扩产就可以,并不存在任何技术瓶颈。并且,只要BEV市场充分爆发,市场本身的投资冲动就足以解决。

  BEV技术发展非常快,在BEV发展初期阶段存在的问题,大多数现在已完全解决了,但是因为宣传的不及时。市场上还是长期保持相应的过时观念,从而影响了市场的发展。尤其是早期续航里程太短而造成的电池寿命问题对市场影响非常大。现在400公里以上的BEV已经完全不存在这个问题了,但市场上绝大多数客户却并不知道。因此,新的政策出台不仅要给市场一个明确的预期,而且应使市场充分接受到一些关键性的BEV行业进步。另外,需要动员科普界和媒体界进行有效的宣传,使市场充分明白相应的市场变化。为使整个市场充分理解BEV已经完全可以替代燃油车,建议连续三年举办三次BEV环中国游大行动。由能源局、科技部、工信部、中央电视台等政府部门和央媒发起,BEV厂家、充电运营商、各大媒体、网络主播、科普专家等参加,车主可自由报名参加。第一年“十条线路BEV环中国游”,第二年“百条线路BEV环中国游”,第三年“千条线路BEV环中国游”,将BEV可长途环游全中国、完全替代燃油车甚至比燃油车更适合长途行驶(能源补充距离更短)的信息充分传递到全中国甚至全世界所有人。同时获得一个附带的中国科技引领世界的软实力宣传。

  中国是世界上主要的锂矿产区,但全球范围锂和钴两种元素的矿藏相对并不丰富。因锂矿主要为共生矿,其产能的提升受到其他元素如钾等开发的制约。因此,如果BEV市场全面爆发,作为最上游的锂和钴等核心原材料的产能是否足以支撑需要进一步论证。这个不是本报告的研究内容,只是从定性的角度来说,因海水提锂等技术已经存在并不断发展,只要BEV市场潜能完全释放,扩展现有盐湖锂、矿石锂等产能,以及海水提锂等技术进步可以有效解决相应的问题。

  有效解决了充电网络覆盖率的瓶颈以后,主要矛盾就会发生转化,需要尽快把工作重点转向解决最上游的核心元素矿藏及产能问题。或者,通过推动电池技术进步,如采用纳电池等避开稀有矿藏的限制。