麥肯錫：電動汽車應(yīng)該如何設(shè)計？

內(nèi)燃機(jī)的監(jiān)管壓力,與電動系統(tǒng)、電池的技術(shù)升級,共同推動了純電動車的需求增長。大多數(shù)汽車制造商正在推出新款電動車型,而沒有內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)的新廠商們也紛紛加入到這個行列。2016 年,純電動車(不包含混合動力車)的全球銷量增長了將近 45% 。

隨著純電動車開始轉(zhuǎn)變成暢銷品,是時候來深入理解下技術(shù)發(fā)展的趨勢。我們和汽車標(biāo)桿分析公司 A2Mac1 合作,做了一場大范圍的標(biāo)桿車型分析,其中包含第一代和第二代電動車。同時,我們對十款車型進(jìn)行物理拆解,它們分別為 2011 Nissan LEAF,2013 Volkswagen e-up!,2013 Tesla Model S 60,2014 Chevrolet Spark,2014 BMW i3,2015 Volkswagen e-Golf,2015 BYD e6,2017 Nissan LEAF,2017 Chevrolet Bolt 和 2017 Opel Ampera-e 。

在已量產(chǎn)的純電動車?yán)?這十款車型的銷量占 40% 左右。除了這十款被拆解的車,我們還分析了其他車輛的公開信息,并咨詢了相關(guān)領(lǐng)域的獨(dú)立專家。結(jié)果顯示,能夠成功量產(chǎn)的純電動車需要徹底不同的思考邏輯。

以下是我們提煉出的五個關(guān)鍵洞察。

1、想要一輛高性能的電動車?必須打造原生平臺。

標(biāo)桿車型分析顯示,基于原生平臺的電動車和基于內(nèi)燃機(jī)平臺的電動車,在續(xù)航里程和內(nèi)飾空間上有著明顯的差距。前者可以使電池的模塊設(shè)計達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),后者需要讓電池適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)平臺上尷尬的空間,從而限制了電池能量密度的提升。

根據(jù)EPA的數(shù)據(jù),原生的電池組可以使用簡單的矩形形狀,使電動車?yán)m(xù)航里程提升至兩倍,每次充電可以行駛超過300公里,并在最佳狀態(tài)下行駛接近400公里,而且價格并不會因此上漲。另外,在同樣的細(xì)分市場里同等軸距的條件下,比起基于內(nèi)燃機(jī)平臺開發(fā)的電動車和燃油車,基于原生平臺開發(fā)的電動車可獲得更多的內(nèi)飾空間,多達(dá)10%左右。

2、在電動車的動力系統(tǒng)設(shè)計上,還未形成技術(shù)趨同性。

我們在標(biāo)桿車型分析過程中,對電池、電芯和熱管理系統(tǒng)也進(jìn)行了拆解。我們發(fā)現(xiàn)三種不同幾何形狀的電芯設(shè)計(圓柱,方殼和軟包),呈現(xiàn)多樣的化學(xué)反應(yīng)。

由于每種電芯設(shè)計都有著清晰的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在暢銷電動車的性能表現(xiàn)里,沒有誰是絕對的贏家。我們的分析發(fā)現(xiàn),從 2011 年到 2018 年的七年間,這幾種電芯設(shè)計的能量密度均增長超過 30% 。

我們也發(fā)現(xiàn)了熱管理的設(shè)計方法有著巨大的區(qū)別,比如電池冷卻系統(tǒng)就有四種不同的方案:被動式(自然風(fēng)冷),主動式結(jié)合動力系統(tǒng)的,主動式獨(dú)立用于電池的,主動式結(jié)合空調(diào)電路的。

我們還明確了三種電池加熱的原型,第一種完全沒有,第二種使用的是電機(jī)、電子設(shè)備或者空調(diào)系統(tǒng)的余熱,而第三種則是將專用熱電阻加熱裝置集成到電池組。一些專用熱電阻加熱單元使用了電池的能量,同時只有當(dāng)車輛在充電的時候才工作;其他的則以液體冷卻/加熱聯(lián)合循環(huán)為主,并且使用了不同的熱源,比如電池組以外的熱電阻加熱裝置。

目前,圓柱電芯在市場上表現(xiàn)最佳,擁有最高的能量密度,接近 245 Wh/kg 。其次是軟包電池,能量密度接近 195 Wh/kg ,令人震驚的將近 25% 的差距。最后是方殼電池,能量密度接近 160 Wh/kg 。然而,如果看電池組的凈能量密度,電池殼體和熱管理系統(tǒng)則幫助將分?jǐn)?shù)拉平:圓柱電池 132 Wh/kg ,軟包電池 138 Wh/kg ,方殼電池 104 Wh/kg 。

目前,技術(shù)趨勢沒有形成唯一的趨向,主機(jī)廠仍需同時在這些領(lǐng)域進(jìn)行投資,在電池和熱管理設(shè)計的性價比考慮中取得理想交易。

3、按費(fèi)用設(shè)計(DTC)方式已經(jīng)在電動車上實(shí)施。

標(biāo)桿車型分析顯示,在性能和續(xù)航之爭中取勝的主機(jī)廠,已經(jīng)開始堅持實(shí)施按費(fèi)用設(shè)計(DTC)方式,尤其是電動車的動力系統(tǒng)和白車身設(shè)計。這個趨勢在第二代電動車上尤為明顯。按費(fèi)用設(shè)計主要關(guān)注動力總成的元件集成化和結(jié)構(gòu)件里輕量化材料的智能應(yīng)用。

談到車重問題,我們分析了十款車型里的主要結(jié)構(gòu)件,來估算他們在鋁和復(fù)合材料上的使用比例。在這些結(jié)構(gòu)件中,某些第二代暢銷電動車僅使用了占車重5%到10%的鋁,接近于內(nèi)燃機(jī)的平均水平(5%左右)。而在豪華電動車?yán)?鋁占車重的40%左右,主要用于提升加速和動力性能。

暢銷電動車在輕量化領(lǐng)域里的市場份額還會繼續(xù)趨向于內(nèi)燃機(jī),主要來自以下三個原因:

動力技術(shù)的隔代突破需要顯著的車輛減重表現(xiàn),這可以直接投資到更低成本的結(jié)構(gòu)件中。

在如今的制造成本中,電池才是長續(xù)航的關(guān)鍵問題,而不是輕量化材料;

電動車缺少(昂貴的)減重措施的外部激勵,不像內(nèi)燃機(jī)有碳排放目標(biāo)和相應(yīng)的處罰措施。

根據(jù)目前即將上市的車輛情況,按費(fèi)用設(shè)計的趨勢還將持續(xù)。

4、電動車是完全不同的車輛,并且它需要完全不同的供應(yīng)邏輯。

汽車主機(jī)廠需要審視他們的商業(yè)模型,來為電動車創(chuàng)造全新的收入和利潤。今天,他們還高度依賴于消費(fèi)者的車型升級需求,比如增加發(fā)動機(jī),變速箱,舒適性和安全性配置,用售后配件和服務(wù)來提高盈利能力(并且達(dá)到他們的資金成本)。

電動車的維護(hù)費(fèi)用大量減少,而更多地受選裝件約束,來自以下兩個原因:

性能差異幾乎很少。在相同的細(xì)分市場里,現(xiàn)有的電動車已經(jīng)能夠具備高配內(nèi)燃機(jī)的加速性能。然而,與以往 10 到 20 種方式的內(nèi)燃機(jī)動力系統(tǒng)比起來,現(xiàn)在電動車只提供不超過四種的發(fā)動機(jī)和變速箱組合。

基礎(chǔ)款的電動車配置已經(jīng)包含很多選裝件。由于電池成本高的原因,電動車的基礎(chǔ)價格很高,使得主機(jī)廠在一款電動車的基礎(chǔ)配置里放入比燃油車更多的選裝件,從而損失高利潤的收益。

5、電動車的核心供應(yīng)商與主機(jī)廠的內(nèi)部策略形成嚴(yán)重競爭關(guān)系。

在必要能力,附加價值和零部件復(fù)雜度三個方面,電動力系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)有明顯不同。電動車的銷量增長威脅到主機(jī)廠和內(nèi)燃機(jī)供應(yīng)商的競爭地位和市場份額。

根據(jù)拆解出的零部件上印的供應(yīng)商 logo 和可查找到的公開信息,我們得到了電動車動力系統(tǒng)供應(yīng)鏈一次由外而內(nèi)的觀察。主機(jī)廠在外包動力總成中采用了不同的策略,從垂直一體化生產(chǎn)到零部件完全外包。當(dāng)零部件完全外包的時候,設(shè)計的所有權(quán)程度也呈現(xiàn)變化。

在大部分電動力系統(tǒng)的零部件復(fù)雜度更低,開發(fā)潛能也較低,并且難以差異化的前提下,一旦設(shè)計出現(xiàn)完全商品化的趨勢,我們預(yù)計主機(jī)廠未來會將大部分的動力系統(tǒng)外包。

同時,我們能看到老牌主機(jī)廠和一級供應(yīng)商的顯著風(fēng)險。一些一級供應(yīng)商已經(jīng)在他們原來的核心領(lǐng)域之外占有顯著份額。而由于電動車比內(nèi)燃機(jī)動力系統(tǒng)的復(fù)雜度更低,主機(jī)廠面臨的更高的風(fēng)險則是如何在駕駛性能中做到差異化。

值得關(guān)注的是,電動車制造商中的前五名,有兩位都來自于新加入的成員,一個是特斯拉,一個是比亞迪。

隨著需求的增長,電動車在技術(shù)和設(shè)計上還會不斷革新,戰(zhàn)略上的挑戰(zhàn)也會隨之而來。老牌主機(jī)廠和傳統(tǒng)供應(yīng)商需要重新思考如何保護(hù)他們原有的收益。