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万亿美元电动化交通市场面临诸多挑战

2023/12/11
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在前不久举办的第六届进博会上,低空出行新势力御风未来联合Ampaire(安飞公司)展示了空中出租车M1 eVTOL。4款低碳环保飞行器涵盖使用纯电能源的25公斤、100公斤、2吨级电动垂直起降飞行器和使用油电混合动力的9座飞机。相信在不久的将来,我们真的可以乘坐“飞的”出行。

电动飞行器只是汽车之外电动化趋势的一个缩影,在航空航天领域,电动飞机和无人机的发展正在加速,为的是减少碳排放,降低噪音污染。

事实上,在交通工具中,还有其他很多形式,如电动公交、面包车、卡车、微型车、船只、建筑、火车和eVTOL(电动垂直起降空中出租车)。一切都在向电动化方向发展。

汽车以外也在电动化的路上

汽车行业正在迅速实现电动化,2020年,欧洲短暂超过中国成为最大的电动汽车市场,2021年中欧销量相当,2022年中国重新占据主导地位,纯电动汽车和PHEV汽车销量是欧洲的2.5倍;2023年上半年,中国、欧洲和美国的电动汽车销量分别为340万辆、150万辆和81.5万辆,总计达到571.5万辆。

IDTechEx首席技术分析师James Edmondson博士认为,虽然汽车电动化是公众关注的焦点,但其他行业也存在巨大机遇,2044年,不包括汽车,全球陆上、海上、空中电动化价值将超过1万亿美元。

汽车以外的所有类别也在迅速实现电动化

全球交通电动化进展

电动乘用车

电池需求和市场价值而言,乘用车是预测期内最大的电动汽车市场。2022年,纯电动汽车和PHEV汽车的销量再次飙升,达到1050万辆,前一年为650万辆。

根据全球电动汽车平台EVEVS预测,预计2023年全年销量将超过1200万辆,略低于IDTechEx预计的1350万辆。不过,IDTechEx认为,HEV的增长将明显放缓,欧洲可能略有下降,标志着向全面电动化的过渡。

美国的下一个大战场很可能是电动皮卡。美国乘用车市场很大一部分由皮卡占据,但电动皮卡的销量远不及其他电动乘用车。

现在,传统汽车制造商和初创企业都将重点放在电动皮卡,Rivian的电动汽车技术有一定创新和突破,但更具品牌影响力、产品线丰富、销售渠道完善的福特F150有望后来居上。特斯拉Cybertruck跳票近两年,计划于11月30日在德州超级工厂开始交付。

商用车

商用车包括货车、卡车、公共汽车,其部署量比乘用车小,但也在大力发展电动化,是实现全球减排的重要领域。这些市场处于电动化的早期阶段,但已取得重大进展。

电动公共汽车在中国发展很早,市场已接近饱和,而全球销量要到2040年才能超过2016年峰值,未来增长将由中国的替代产品和欧洲的更多采用来推动。欧洲大部分市场一直由中国汽车制造商支撑,其本地供应也在增加。

轻型商用车(LCV)车队的电动化被证明是向客户展示绿色证书的有效方式,同时有助于大大降低运营商的总拥有成本。亚马逊和UPS等都在电动化方面进行了大量投资和布局,以适应现代物流和运输的需求。在欧洲,普通货车制造商8%的新车是电动LCV。

特斯拉、戴姆勒、大众和沃尔沃都在大力投资电动卡车,丰田和现代则选择集中于燃料电池卡车,以此作为未来的动力系统。尽管氢燃料的效率和成本存在问题,燃料电池汽车(FCEV)作为一种长途卡车运输应用技术,还要依赖于低成本绿氢的生产。

进博会上展示的丰田氢燃料电池系统

随着世界各地越来越多的城市和国家在2030年前逐步淘汰燃油车,以及该技术提供所需日常工作周期的成本效益和能力得到证明,卡车车队的电动化将会迅速实现;2022年电动卡车的销量是2021年的2.2倍,显示出指数级增长已经开始。

微型电动汽车

微型电动汽车(MicroEV)是中国、印度和其他几个亚洲地区个人出行的主要形式,包括两轮车和三轮车。就电动化而言,其电池已由铅酸电池进化到锂电池。由于这些车辆的电池体积小,电机功率低,可以提供相对低成本的电动化出行。

微型电动汽车是一种新兴的交通方式,在中国颇受欢迎,这要归功于所需的续航里程要求较低,且比全尺寸汽车更容易穿越拥挤的城市,从长远来看仍将是一个巨大的市场。

在北京,出于交通安全和防火的考虑,政府正采用报废补贴形式更新微型电动小客车,新购车需为纳入新能源汽车推广应用推荐车型目录的小型、微型纯电驱动载客汽车(包含纯电动汽车、燃料电池汽车、增程式电动汽车)。

电动和混合动力船舶

疫情以来,因为在办公室的时间越来越少,休闲划船的兴趣和自由时间增加,电动船舶市场增长了两倍。虽然低功率舷外发动机通常比同等汽油机贵两倍,但从TCO角度看,经济及其他优势(如安静、清洁等)都很有吸引力。尽管如此,高电池价格仍然是高功率舷外或舷内发动机的障碍。与汽车市场不同,该行业缺乏政策驱动,十年内基本不会改变。

2016年以来,随着该行业对价格的敏感性降低和电池价格减半,使大型商用电动和混合动力船舶市场开始上扬。一个强大的经济驱动因素是缩小超大发动机尺寸,使用电池为OSV(海上补给船)等短海船舶的峰值负载供电。渡轮是最常见的电动船只,作为一种唾手可得的果实,它有机会充电并在更短、一致的路线上行驶。

建筑用电动汽车

对气候变化的更广泛承诺促使挪威和荷兰等一些国家,包括沃尔沃等公司制定自己的建筑设备电动化目标。健康和安全问题,如柴油颗粒物排放对建筑工人健康和噪音的影响,也是重要的驱动因素。早期的车辆开发大多是改装,现在汽车制造商正在从头设计大型电动汽车并批量生产,以实现规模经济。

据预测,到2044年,电动建筑车将成为价值约1540亿美元的市场。20年来最大的工程机械市场是小型挖掘机、挖掘机和装载机,电动化发展最初集中在运行时间相对较短和能耗较低的车辆。

电动垂直起降空中出租车

eVTOL商业化时间表在很大程度上取决于每个地理市场的最终认证过程。许多公司表示,他们认为至少还要五年的认证过程,目前认证标准尚未完全到位。在生产eVTOL之前,许多公司需要解决重大的技术和资金问题。

电动化交通的技术挑战

电动化交通的技术挑战主要来自于电池、电机和功率电子几个方面。

电池

电动汽车市场的电池化学成分发生了巨大变化,早期的重要选择LFP(磷酸铁锂)曾一度退出市场,然后又大举回归,尤其是在中国。主要原因是磷酸铁锂具有安全性高、寿命长、不含重金属和稀有金属等优势;通过技术进步和产业链的完善,LFP的性能得到了大幅提升,例如通过采用新的生产工艺和添加新的元素,进一步提高了其能量密度和寿命。

不过,随着电池开始达到性能极限,环境和供应风险凸显,锂离子电池的改进和替代品也变得越来越重要,包括电池设计、硅阳极、固态电池和CTP(电芯到电池包)/CTC(电芯到底盘)等。

在电池技术研究方面,硅基电池、钠硫电池、固态电池、锂硫电池都有各自的特点和优势,也都有一些技术、工艺、能量密度、成本等方面的问题需要解决。各种方案都在不断探索和发展中,未来随着技术进步和应用场景的需求变化,可能会有更多的新型电池方案出现。

电动汽车销量和电动汽车电池需求

电机

随着电动汽车的采用,电机技术迅速进步,而可持续性材料的使用正成为人们关注的焦点。为了降低成本和对稀土的依赖,特斯拉、奥迪和一些Tier1采用了无永磁体设计。这些电机具有更高的可控性和灵活性,可以在不同的转速和负载条件下实现高效、节能的运行;并具有较低噪音和振动及较高的可靠性。

功率电子

汽车功率电子产品的发展包括逆变器车载充电器和DC-DC转换器,这些部件可以提高动力系统效率,减小电池组容量或提高续航里程。一个关键转变是向碳化硅MOSFET和800V或以上的高压车辆平台过渡。从400V到800V,在相同功率下,电流将减半,产生的热量和功率损失也会随之减少,有更多的功率进入电池,进而加快充电速度。

特斯拉在2018年率先采用800V平台,许多公司现在也部署了碳化硅。这一转变给功率模块封装带来了新的挑战,主要体现在以下几个方面。

首先,电压提高,需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件(如电机)之间的安全通信,必须有能检查安全性和隔离栅状态的功能,从而确保隔离栅不会损坏,以保证人身安全。

在引线键合、芯片连接和基板方面,在800V系统中,由于电流密度增加,引线键合处产生的热量也会增加,可能导致键合点的松动或断裂;800V系统对芯片连接处的电气性能和热性能要求更加严格;基板需要承受更高的电压和电流。因此,这些部分需要具备更高的绝缘性能和导热性能。为了确保系统的可靠性和稳定性,需要采用高可靠的键合技术、导电胶或焊接材料以及高导热基板材料和精细的布线技术。

充电基础设施

充足的充电基础设施是汽车电动化的关键,每年部署的数千万辆纯电动汽车和PHEV将推动充电基础设施的部署。其背后包括AC和DC充电、换电和无线充电等替代技术。

换电技术具有速度快、降低成本、提高电池寿命、方便灵活的特点,缺点是需要建设大量换电站和配备专业维护团队,成本较高,且难以实现跨车型换电。汽车无线充电技术还处于研究阶段,有很多问题需要解决,其中效率较低、需时更长等问题是无线充电的天生缺陷。

不管怎样,电动化交通市场都在不断发展。随着环保意识的提高和技术的进步,加上政策的推动,电动交通工具将逐渐成为人们日常出行的主要选择。

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