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天星资本研究员深度解读新能源汽车行业(上)

十年股权2018-06-22 10:07:20


按照当前汽车燃油经济性水平估计,车用燃油年消耗量将突破4亿吨,由此带来的能源安全和环境问题将更加突出。发力发展新能源汽车既是有效应对能源与环境挑战,也是我国实现汽车工业可持续发展的必然选择。更是把握战略机遇,缩短与先进国家差距,实现汽车产业跨越式发展的重要举措。由此,天星资本研究所高级研究员分享了她对新能源汽车行业的分析。

1.1 新能源汽车定义


根据国务院2012年6月28日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012―2020年)》,新能源汽车是指采用新型动力系统,完全或主要依靠新型能源驱动的汽车,主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。



1.2 新能源汽车产业发展综述


发展新能源汽车,实现汽车动力系统的新能源化,推动传统汽车产业的战略转型,在国际上已经形成广泛共识。美国、日本、欧洲等国家和地区都将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择,都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合,破解汽车工业能源环境制约,培育新型战略性产业,提升产业核心竞争力,实现新一轮经济增长。


1834年,全球第一款纯电动汽车在美国诞生,美国因此成为世界上研发和推广新能源汽车最早的国家之一。同时,美国也一直致力于燃料电池汽车和混合动力汽车的研发和推广。20世纪90年代,美国政府制定了一系列计划来发展纯电动汽车,但由于当时电动汽车存在着诸如续航里程短、电池质量不合格等一系列的问题,导新能源汽车行业产业链。


从电动汽车产业链整体看,上游主要为制造核心部件的原材料,包括用以制造动力电池的碳酸锂和氟化锂以及用以制造驱动电机的永磁材料,钕铁錋、铁矿石等。电动汽车产业链的中游则是构成电动汽车的核心部件,包括动力电池,驱动电机和电控系统,其中动力电池以锂离子电池为主,包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液、封装和电源管理系统(BMS)。



1.3 动力电池


动力电池为新能源汽车提供核心的动力来源,其经济性、可靠性直接决定了新能源汽车的续航里程和性价比,因此开发安全、高效、低成本、性能优异的动力电池技术也成为新能源汽车技术发展的核心命题之一,理想的动力电池应具有低成本、安全性好、充电成本低、高能量密度、高功率密度与循环寿命长等特性。电动汽车动力电池属二次电池,即在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池,主要分为铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池和燃料电池等。相对于上述二次电池,锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势。因此,自索尼公司于1990首次开发出锂离子电池后,锂离子电池成为目前综合性能最好的电池体系。



正极材料


正极材料作为锂离子电池的核心部分之一,提高正极材料的性能是提高锂离子电池性能的重要途径。目前,主流正极材料主要包括钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂和三元材料。目前钴酸锂依然是小型锂电领域正极材料的主力,主要用于传统3C领域等;三元材料和锰酸锂主要应用在小型锂电,此外,日本与韩国将其作为动力电池的技术较为成熟,主要用于电动工具、电动自行车和电动汽车等领域;磷酸铁锂在国内应用于动力电池领域,例如比亚迪等企业推出的电动汽车。


钴酸锂(LiCoO2)正极材料


LiCoO2是目前唯一大规模商品化的锂离子正极材料,钴酸锂目前主要用作于高端便携式锂离子电池(如手机、笔记本电脑及MP3、MP4等)。这些电池均需要高能量密度、较好的循环性能和较小的体积。但钴酸锂也存在一些缺陷,例如:在反复的充放电过程中,锂离子的反复嵌入与脱出,使活性物质的结构在多次收缩和膨胀后发生改变,同时导致LiCoO2发生粒间松动而脱落,使内阻增大,容量减小;钴酸锂本身的安全性能较差,因此不能用于制造高额定容量和大电流长时间放电的动力锂离子电池。而且钴元素资源相对缺乏。使得钴酸锂的价格一直居高不下(20万元/吨)。


锰酸锂LiMn2O4正极材料


LiMn2O4正极材料也是目前国内已批量生产并应用的正极材料,LiMn2O4具有资源丰富、成本低、无污染、电压高、能承受大电流充放电、安全性好等优点,因而被认为是新一代锂离子二次电池最有希望的正极材料之一。在动力锂离子电池领域,锰酸锂具有明显的低成本优势,但由于锰酸锂在高温下会发生LiMn2O4在电解液中的溶解,这是造成LiMn2O4容量衰减的主要原因。目前世界各国的研究者主要从优化合成工艺、掺杂不同的元素、表面修饰和寻找合适的电解液等方面,致力于改善其循环稳定性的研究。


LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料(三元材料)


LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料较好地兼备了钴锰镍三者的优点,弥补了各自的不足,具有高克容量(>150mAh/g)、成本较低、循环性能稳定、放电倍率高、安全性能较好、电化学性能稳定等特点。在动力电池领域,三元材料的放电电压范围很宽,安全性很好,另外还有成本低廉,高克容量,工作电压与现有电解液匹配(4.1V),全性好等优点,但由于三元材料中仍存在部分钴元素(美国3M公司以将钴元素降至16%)以下。在用于制造大容量锂离子动力电池(20Ah)以上时,仍然有较大的安全隐患。


LiFePO4(磷酸铁锂)正极材料


磷酸铁锂电目前主要用于动力电池,特别是电动汽车电池,因为磷酸铁锂本身的安全性能很好,因此即使电池的单体容量在100Ah以上,电池本身爆炸的几率也较小,另外磷酸铁锂的循环性能很好(1000-2000次)循环,这样极大的降低了电池的使用成本。


在锂离子电池当中,由于正负极容量的差异,正极材料往往是影响电池能量密度的瓶颈所在。虽然我国新能源汽车产品仍主要采用磷酸铁锂电池技术路线,但由磷酸铁锂电池受能量密度限制,难以达到《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》提出的动力电池模块比能量2015年和2020年分别达到150Wh/kg以上和300Wh/kg以上的目标,同时,根据科技部2015年2月发布的《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。目前技术相对成熟、能量密度高的三元材料锂电池有望成为未来技术路线的首选。据高工锂电市场调研数据显示,2015年上半年中国汽车动力锂电池产值为112亿元,其中三元电池占比为21%,比2014年增长11个百分点,三元材料动力电池增速加快。随着比亚迪、北汽新能源、江淮、奇瑞、长城等企业都开始在新车型。随着三元材料动力电池安全性逐步提升以及市场对于续航里程的要求不断提高,动力电池由磷酸铁锂转向三元材料路线的趋势将持续,高端三元材料动力锂电池市场需求将迅速升温,甚至将出现供不应求的局面,相关厂家将明显收益。


电解液


电解质在锂离子电池的正、负极之间起着输送Li+的作用,电解液与电极的相容性直接影响电池的性能。商业化的电解液必须满足以下要求:应有较高的导电性;有机溶剂的分解电压要高;具有较宽的稳定温度范围;与活性物质不起反应;使用安全无污染等。锂离子电池电解质研究主要包括液态电解液、固态或胶态聚合物电解质。


液态电解液


液态电解液通常由导电锂盐、溶剂和添加剂组成。锂离子电池电解液常用的的锂盐有LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6等,商业化常用的导电锂盐是LiPF6。


聚合物电解质


聚合物电解质近年来已成为非常引人注目的热门课题。聚合物锂离子电池具有可薄形化、可任意面积化与可任意形状化等多项优点,更重要的是不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的顾虑。但聚合物电解质还面临一些问题:如与锂电极会发生反应;室温导电率较低;机械强度较差。


中日韩三国瓜分全球电解液市场。根据真锂研究的不完全统计显示,全球2011年全年共销售锂电池电解液材料3.08万吨,2012年迅速上升到4.41万吨,市场增幅高达43.18%,其中中国电解液企业占全球市场份额的一半以上(51.70%),日本企业和韩国企业占比分别为22.90%和20.41%,中日韩三国合计占95%以上。从企业方面来看,江苏国泰旗下企业国泰华荣占全球市场份额的16%,居世界第一,随后是韩国企业Panax-Etec和LG化学、日本企业Mitubushi,占比均在10%。国内锂电池电解液市场的国产化率超过80%,随着近几年的技术积累和进步,部分国内厂商也开始逐步向国际市场和向在华的日韩锂电制造企业供应电解液。近年来电解液行业出现分化,行业集中度提高。江苏国泰、杉杉股份、新宙邦、天赐材料等规模企业保持较快增长的同时,规模较小、成本较高的企业正逐步退出电解液行业。


据高工锂电统计,2015年我国锂电池电解液产量达6.3万吨(含企业自产),同比增长48.9%,产值28.6亿元(含税),同比增长52.2%。2016年上半年电解液的产量为3.97万吨,预计2016年全年产量为8.84万吨。2016年上半年产值为31.6亿元,同比增长180%,2016年全年预计59.9亿元(以实际披露为准)。我们认为,受益于新能源汽车的推广普及和出口增长等利好因素,未来我国电解液产量仍将保持较高水平的增速,预计2020年产量有望达到13.15万吨,2015—2020年复合增速有望达到18.94%。



隔膜


锂电池隔膜是锂电池结构中最重要的一部分,可将正极与负极材料隔开,防止两极接触而造成短路,容许离子通过而不能让电子通过,从而完成在充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。隔膜性能的优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命以及电池安全性能的好坏。


受益于下游新能源汽车电池的带动,全球锂离子电池隔膜产业在2015年整体产量为14.2亿平方米,产值达到20.75亿美元(约合128.8亿元人民币),分别同比增长19.83%和12.18%。日本的AsahiKasei(旭化成)和TorayTonen(东燃化学)、韩国的SKI是全球最大的三个隔膜生产企业,市场份额合计达49.79%。凭借着成本优势。


中国市场2015年全国隔膜产量达到6.28亿平方米,占据全球产量的大约48%,同比大涨94.08%。产品主要集中在低端的干法隔膜产品领域。锂电池隔膜的生产工艺包括湿法工艺和干法工艺,同时干法工艺又可分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。目前中国1/3以上产能使用干法双拉工艺,产品在中低端市场占据较大比例。


锂电池隔膜的产量完全取决于其下游锂电池的产销量情况,而锂电池未来的增长动力主要来自于新能源汽车和储能。2016年中国锂电池隔膜厂商产量为9.29亿平方米,同比增长33.03%,其中,湿法隔膜厂商进一步放量,多数湿法扩张企业及从干法隔膜转向湿法隔膜企业开始逐步放量,2016年中国锂电湿法隔膜产量达到3.9亿平方米,占比42%,超越干法单拉隔膜,成为隔膜市场主要供应类型。随着动力锂电池市场的快速发展,预计到2018年,中国湿法隔膜产量将达到8亿平方米,占据隔膜一半以上市场份额。对于中国市场而言,下游需求的带动和整个国产隔膜对进口隔膜的替代会非常明显,且将会有部分隔膜企业将其产品实现出口。



随着车用动力电池的不断放量,高端隔膜仍将在未来较长一段时间内处于供不应求的状态。根据真锂研究的相关数据,动力电池隔膜需求量约为20平方米/kWh,到2020年动力电池隔膜需求量将达到18.76亿平方米,2015—2020年复合增长率有望达到37.47%;按6.5元/平方米的市场均价进行计算的话,市场规模将超过120亿元。


1.4 电机


新能源汽车是在传统汽车产业链基础上进行延伸,增加了电池、电机、电控系统等组件,具有环保、节约、简单的特性,新能源汽车与传统汽车的最大区别在于动力系统。新能源汽车电机取代发动机并在电机控制器控制下,将电能转化为机械能来驱动汽车行驶。因此,驱动电机的性能将直接影响整车运行性能。新能源汽车用电机主要有直流电机、永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机等类型。直流电机可靠性较差、需要定期维护,重量、体积也较大,目前已逐步被淘汰;欧美国家多采用交流异步电机,我国、日本企业则多采用永磁同步电机。由于我国拥有丰富的永磁同步驱动电机原材料稀土资源(2013年我国烧结钕铁硼磁体毛坯产量全球占比80%),该项技术发展迅速,从乘用车逐步扩展到了商用车领域。以丰田汽车和本田汽车为代表的世界主流新能源汽车厂商以及国内上汽、东风、长安、北汽、广汽、比亚迪、奇瑞等国内主流厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案,推动车用电机向永磁化方向发展。永磁同步电机的主要壁垒在于研发设计和制造装配要求较高。就永磁同步电机而言,其关键技术壁垒在于两方面:一是研发设计要求高;二是制造和装配工艺较复杂。此外,永磁材料成本较高(约占总成本的30%)是永磁同步电机大规模推广的一大制约因素。目前我国主流的驱动电机供应商有12家,其中供货量较大的企业有上海电驱动、上海大郡、大洋电机、南车株洲和天津松正。


具有传统整车及其零部件生产经验的企业在短期内盈利能力强。这部分企业包括中国中车、万向集团、上汽集团、一汽集团、二汽集团、东风集团、深圳五洲龙、玉柴集团等。他们在整车设计研发方面积累颇深,有专业的团队和开发设备。在整个产业化过程中,其研制的产品会优先得到上车实验、性能测试的机会。因此会在较短的时间内贡献业绩。不过同时,因为与其他整车厂家的竞争关系,以及自身汽车配置的独特性,此类电机多做内销,不利于超大规模的生产和抢占市场。


专门针对新能源汽车成立的专业电机企业有望占据最大的市场份额。我国最有代表性的电动汽车电机驱动系统供应商无疑是上海电驱动(国家电动汽车电驱动系统全产业链技术创新战略联盟理事长单位)、上海大郡(原福特汽车电动汽车事业部前期开发负责人回国创业奋斗多年),以及北京精进电动等。他们在初期虽然势单力薄,面临着“有技术无市场”的困难局面,但多年来凭借国家扶持、投资人资助和研发团队的不懈努力,终于在近两年打开局面,与各大整车厂展开了深度合作。


1.5 电控


电动汽车电控系统是电动汽车的大脑。它总体来说一般都包括能量管理系统、再生制动控制系统、电机驱动控制系统、电动助力转向控制系统以及动力总成控制系统等。每一个子系统一般由传感器、信号处理电路、电控单元、控制策略、执行机构、自诊断电路和指示灯组成。下图虚线所示为电机驱动系统,与其他系统由CAN总线连接。



电控子系统提供整车运行的神经脉络,开发需上下游产业链的通力合作。各电控子系统的开发需要不断的进行汽车操控模拟测试过程,产品性能依赖于软件系统的开发。而此类轻资产、技术密集、研发投入占比极高的公司往往在硬件生产上非常薄弱,难以控制成本。这需要产业链上下游的通力合作。例如,上海大郡在生产过程中主要负责产品设计、质量控制和系统总成环节,其他非核心环节则主要采用外协的模式进行生产:电机生产方面,上海大郡具体负责电机整体的设计、电机关键部件的采购、电机的测试;电机的组装主要委托卧龙电气、新动力电机等电机生产厂商负责;控制器集成方面,上海大郡负责控制器的设计、所有零部件的采购,PCBA板委托泰宇电子等企业进行贴片后,由上海大郡完成控制器集成和程序烧结;最终电机驱动系统总成由上海大郡完成。车用驱动电机和电控系统的需求增长主要来源于下游新能源汽车市场的爆发,并将基本与新能源汽车市场规模保持一致的增长,预计2020年需求量有望达到120万台以上,2015—2020年复合增速在40%左右。


(本文作者:刘洋 天星资本研究所高级研究员)


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