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            用戶視角下工程機械行業電動化痛點

            來源:鴻鵠研究院

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            所屬頻道:新聞中心

            關鍵詞:工程機械行業電動化

              電動化作為工程機械行業的發展趨勢之一,成為近年來各方關注的焦點,雖然用戶視角下當前工程機械電動化存在續航、補能、配套體系的痛點,但是隨著行業發展,電池價格下降、電池技術的突破,配套體系完善,工程機械電動化勢頭強勁。


              痛點一:續航時間短,頻繁充電影響作業進度


              續航時間上,目前已經上市的大部分電動設備作業時長約5-6小時,而實際工程機械設備每天作業時間約12個小時,因此,雖然個別電動挖掘機續航時間達到8-10小時,個別電動裝載機續航時間達到10小時,但除拖電設備外,其他電動設備仍需每天利用午休時間沖電1次才可實現設備全天作業。


              充電模式上,目前大部分電動工程機械支持工業用電、民用電、汽車充電樁充電,三一部分產品還支持補電車充電,多種充電模式滿足不同場景下的電動設備作業需要,但實際作業過程中,午休時間多臺電動設備同時充電對施工現場的電壓有一定要求。充電效率上,目前電動設備正常充電至少需要4-6小時,雖然當前大部分電動設備支持直流快電和交流快電,充電時長約1-2小時,以三一SY19E為例,直流快充需要1.5小時,交流充電需要2.5小時;柳工922F-EV 1小時可以充滿80%的電量,但快速充電時長遠長于傳統燃油設備加油時長。


              雖然當前電池技術下,設備續航無法滿足全天作業需要,但根據技術演進來看,電池原材料和電池技術的突破,能量密度和電池容量將有效改善用戶里程焦慮。


              痛點二:電池自然衰退不可避免,溫度環境和使用方式影響電池性能


              電池容量衰減不可避免,目前磷酸鐵鋰電池的循環充電次數約2000次,普通鋰電池循環充電次數為400-600次,即使是性能較好的鋰電池循環充電次數也不會超過千次,在使用過程中電極活性材料的損失導致電池容量衰減,可循環離子損失或內阻增加導致的極化現象,導致電池容量衰減和阻抗增加,從而影響電池容量和功率,電池特性帶來的性能自然衰退不可避免。結合上文提到電動工程機械設備每天至少循環充電1次,自然使用磷酸鐵鋰電池的壽命約5年,與傳統設備相比仍有一定差距。


              環境溫度影響電池性能,根據北京萬源石墨烯與儲能研究中心實驗結論來看,低于0℃以下的環境中充電時電解液電導率的降低、電極界面膜阻抗的增大和電荷傳遞電阻的增大使電池的放電容量減少,充電環境溫度高于50℃時,LiFePO?與電解液發生氧化反應而使Fe離子析出,SEI膜的溶解以及正極集流體被電解液與水反應生成的HF腐蝕都將導致磷酸鐵鋰動力電池容量快速衰減,影響電池的高溫性能,因此工程機械作業環境復雜,夏季高溫和北方秋冬低溫作業環境下,都對電池性能有明顯影響。


              快速充電影響電池壽命,根據調查顯示如果一直使用快速充電樁對動力電池充電電池使用壽命會縮減70%左右,在實際使用過程中,為滿足施工進度需要工程機械電動設備利用午休時間進行充電,使用快速充電的情況頻繁發生,也明顯影響電池壽命。


              此外,充電電壓、充電電流過放電、暴力駕駛等都影響電池性能。


              電池BMS系統正不斷完善,提供的充放電溫度保護、能量監控管理、電池狀態檢測等功能,有效實現電池的智能化管理和維護,能提高能量利用效率,提升電池性能,延長電池壽命。


              痛點三:工程機械電動化配套設施和服務滯后


              工程機械電動化配套設施對電動化設備滲透率有直接影響,目前新能源汽車配套設施和服務發展迅速,充電設施方面,《中國主要城市充電基礎設施監測報告》中顯示32座全國主要城市公用樁的平均密度為21.5臺/平方公里。32座城市中心城區公用樁的平均覆蓋率為73.3%。換電設施方面,截至2022年2月份,我國主要換電運營商換電站數量達到1405座,同比增長111.92%,連續5個月換電站數量增長超過100%。而電動工程機械設備的充電和換電配套基礎設施和服務發展明顯滯后于新能源汽車。


              配套設施和服務玩家與新能源乘用車重疊,工程機械配套環節缺失影響市場滲透率


              目前電動工程機械配套設施和服務的企業主要包含三類,一類是頭部主機廠,類似目前三一重工和徐工布局充/換電站制造環節;一類是專業的電力方案提供商,類似國電投和南方電網主要布局充換電設備制造和基礎設施建設環節;還有一類是以新能源汽車配套服務為主的企業,這類企業主要為新能源汽車提供配套的電池資產管理、電池運營、充電樁運營服務,隨著電動工程機械設備的研發問世,擴展出工程機械領域業務。因此從行業玩家的情況來看,電動工程機械配套基礎設施和服務市場存在大片空白市場:第一,目前市場上提供新能源基礎設施和配套服務的數量即使對于新能源汽車而言,仍有較大的市場空間;第二,雖然新能源汽車的基礎設施不斷完善,但電動工程機械與新能源汽車的基礎設施無法通用,并且使用場景只存在少量重疊,因此,工程機械電動化配套設施和服務帶來全新的增量市場。目前配套設施的短缺,也加劇用戶的里程焦慮,配套服務的短缺影響用戶的購機意愿。


              換電模式需求迫切,電池標準有待統一


              目前工程機械的主要補能方式是充電,只有部分重卡車輛能支持換電,工程機械換電模式全面落地顯得尤為迫切。一是工程機械作為生產物資,換電模式快速完成補能能帶來更好的作業效率,有效緩解用戶的里程焦慮;二是相對于新能源乘用車而言電動工程機械設備初始購買價格更高,換電模式能分擔用戶的初始設備購買壓力;三是電池運營公司既能進行專業的電池養護延緩電池壽命又能分擔電池折舊。


              工程機械領域換電模式無法快速推廣主要有兩方面原因:一是設備多樣性帶來的設備結構差異,對換電站設計提出挑戰;二是電池材料和電池pack等沒有公認的行業標準,因此換電站在設計過程中需要兼顧到復雜的電池性能差異。


              雖然目前工程機械電動化配套設施和配套服務相對缺乏,但是隨著未來越來越多資本的投入和市場的培育,工程機械電動化配套環節會涌現更多專業玩家。


              四、關于目前工程機械電動化痛點的展望


              短期電池原材料價格上漲給主機廠帶來成本壓力,長期看電池價格下降或帶來電動化設備售價下降


              雖然去年二季度以來鋰、鎳、鈷等原材料的價格直線上漲,不少新能源車企的售價也隨之上漲,但是對工程機械行業而言,龍頭主機廠與電池供應商簽署長期合作協議,可平滑電池成本,但短期看電池價格上漲給主機廠帶來一定成本壓力。寧德時代董事長曾毓群表示過去十年電池性能提高了3倍,成本下降了90%,參考新能源乘用車的價格趨勢,預計未來2-3年后電動化設備批量生產,屆時動力電池規?;a和動力電池的回收體系逐步完善,動力電池成本將出現明顯下降,傳導至下游主機廠電動化設備售價也出現小幅下降,電動化工程機械設備價格優勢逐步顯現。


              綜合使用成本可平衡電動設備初始購買成本


              純電動裝載機比燃油裝載機年運營成本節約30萬元:一臺燃油裝載機價格約35萬元,工作1小時的油耗約16升柴油;一臺純電動裝載機價格約80萬元,工作1小時耗電約40度電。按柴油7元每升,電0.6元每度,每天工作10小時,燃油裝載機和純電動裝載機每天的能源成本分別為1120元、240元。若全年運營330天計算,燃油裝載機年比純電動裝載機多花費29.04萬元的能源成本,此外加上維修保養等費用,純電動裝載機比燃油裝載機每年可節約運營成本30.54萬元,綜合使用成本,純電動裝載機與燃油裝載機購車差價回收周期約2年。


              表1. 燃油裝載機與純電動裝載機經濟效益對比


              電池原材料、技術不斷突破,電池容量、密度和安全性有明顯提升


              目前電動工程機械鋰離子電池正逐步替代鉛酸電池,而鈉離子電池電芯能量正逐漸接近磷酸鐵鋰電池,且在極寒地區具有耐低溫的突出優勢,將為動力電池提供更多選擇可能性;電池技術方面,大圓柱4680動力電池依靠“無極耳”的創新性結構設計,推動了動力電池的技術突破,有望未來5年帶動相關市場實現0到1到N的快速增長;在安全方面,動力電池電解液正在由液態電池到半固態電池最終固態電池的方向演進,根據億歐智庫判斷最早2023年半固態電池可批量搭載于乘用車,而2030年左右固態電池的技術應用將徹底解決電池安全問題。


              新能源賽道備受關注,未來更多跨界玩家布局


              對于未來萬億級的工程機械電動化市場,配套設施和服務還有廣闊成長空間,在“雙碳”背景下,多項政策明確支持電動化發展,預計隨著主機廠電動化設備批量上市投產的同時,作為新能源賽道門檻較低的環節,配套設施和配套服務環節將迎來更多跨界玩家。預計隨著資本市場的投入,配套設施和服務環節將經過資源整合并購,形成更完善的配套體系。


              (審核編輯: 智匯聞)

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