中國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程及趨勢

中國的汽車行業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)大變革時(shí)期,競爭格局將被重塑。這種變革,和中國的國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略相呼應(yīng),對于汽車產(chǎn)業(yè)的參與者來說,大變革在摧毀舊秩序,也帶來了更多的機(jī)會。2017年4月,中國工業(yè)和信息化部發(fā)布了「汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃」,為未來十年中國汽車行業(yè)的發(fā)展提供了「指南」。

政策旨在將中國從全球最大的汽車市場轉(zhuǎn)變?yōu)槿蝾I(lǐng)先的汽車生產(chǎn)基地,利用新能源汽車(NEV)技術(shù)作為加快汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型的切入點(diǎn)。具體而言,該指南為NEV公司設(shè)定了一個(gè)目標(biāo),即到2020年躋身全球十大新能源汽車公司之列,并在2025年之前進(jìn)一步擴(kuò)大其在全球的影響力和市場份額。新能源車銷量目標(biāo):

2020年,達(dá)到200萬輛

2025年,達(dá)到700萬輛(占汽車總銷量的20%)

由于中國汽車行業(yè)發(fā)展時(shí)間相對較短,且缺乏在內(nèi)燃機(jī)(ICE)技術(shù)等方面的先進(jìn)汽車技術(shù)經(jīng)驗(yàn),因此中國汽車廠商一直難以在汽車行業(yè)獲得全球領(lǐng)先地位,而NEV市場則開辟了一個(gè)新窗口。在NEV領(lǐng)域,跨國公司尚未建立起全球市場的絕對領(lǐng)導(dǎo)地位,這給了中國公司實(shí)現(xiàn)彎道超車的可能,并在未來的全球汽車產(chǎn)業(yè)競爭中獲得優(yōu)勢。

汽車產(chǎn)業(yè)電氣化之路

中國的目標(biāo)是圍繞NEV開發(fā)一種全新的汽車生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈,在驅(qū)動(dòng)21世紀(jì)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)取得領(lǐng)先地位,并將重點(diǎn)放在電池、電池管理系統(tǒng)(BMS)和電子控制系統(tǒng)技術(shù)。新能源汽車技術(shù)商業(yè)化的核心在于鋰電池技術(shù)的進(jìn)步。

過去十年,鋰電池技術(shù)快速發(fā)展,能量密度和動(dòng)力不斷提高,生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí),電池價(jià)格也在下降。 越來越多的消費(fèi)者選購新能源汽車,同時(shí),新能源汽車在交通運(yùn)輸服務(wù)(公交車、貨車)和移動(dòng)出行公司(滴滴、神舟、易到、曹操租車等)里的滲透率也越來越高,這些將逐步推動(dòng)規(guī)模經(jīng)濟(jì),有助于進(jìn)一步降低成本。 將新能源汽車打造成為中國產(chǎn)業(yè)政策的核心支柱,能讓企業(yè)把研發(fā)重點(diǎn)放在解決現(xiàn)有的商業(yè)化障礙所需要的技術(shù)突破上。

在新能源汽車市場度過啟動(dòng)階段后,電池供應(yīng)商將進(jìn)一步擴(kuò)大他們在研發(fā)方面的投入。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的增加,目前在新能源汽車成本中占比最多(約30%至40%)的電池成本正在穩(wěn)步下降(見圖1)。 行業(yè)專家預(yù)測,到2025年,NEV的購買成本可能與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛相當(dāng)。

此外,由于充電基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)服務(wù)的普及,消費(fèi)者將更愿意購買新能源汽車。主流新能源車企的電池價(jià)格已經(jīng)降到200-250美元/度,預(yù)計(jì)十年內(nèi)還會降到120美元/度以下。

圖1 鋰電池組預(yù)計(jì)成本

(2010-2015年實(shí)際平均水平,2015-2030年估計(jì)范圍)

除了解決電池成本這一首要挑戰(zhàn),新能源汽車要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化仍需解決以下問題:

1.電池的能量密度和功率

2.常規(guī)和特殊情況下的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性,例如正常使用,充電和發(fā)生事故時(shí)。一旦發(fā)生事故,若未能妥善處理,會對新能源汽車的形象造成災(zāi)難性損害;

3.充電速度和充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

電池的發(fā)展趨勢

車企在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車時(shí),必須平衡幾個(gè)供需方面的因素。 在需求方面,他們必須考慮駕駛環(huán)境、充電基礎(chǔ)設(shè)施、典型工作周期和續(xù)航里程。 在供應(yīng)方面,廠商必須選擇合適的化學(xué)電池、電池包解決方案、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)及恰當(dāng)?shù)亩▋r(jià)體系,以滿足客戶的需求。 下文中,我們將具體探討這些因素的發(fā)展?fàn)顩r。

化學(xué)電池

化學(xué)電池的選用決定了電動(dòng)汽車的整體成本、性能和續(xù)航里程。目前,市場上有多種鋰電池(見圖2),供應(yīng)商和廠商會根據(jù)客戶的具體需求進(jìn)行選擇。例如:磷酸鐵鋰電池(LFP)相對便宜、安全性能更高、使用壽命更長,但性能較差、容量較小。如果市場首要考慮的因素是成本,抑或是駕駛習(xí)慣(不包括額外的續(xù)航里程和動(dòng)力),那么此類電池更加符合市場需要。

其他化學(xué)電池,如鎳鈷錳鋰氧化物(NMC)在容量和可用功率方面總體性能較好,但制造成本更高(主要原因是原材料價(jià)格高)。雖然價(jià)格更高,但由于表現(xiàn)更好,所以制造商普遍傾向使用NMC的混合材料。

受益于主要廠商和機(jī)構(gòu)大量投入研發(fā)資金,鋰空氣電池和固態(tài)電池等前景良好的新興技術(shù)也在迅速發(fā)展。這些化學(xué)電池能夠提供更大的容量、功率以及更好的安全性,并將對新能源汽車行業(yè)產(chǎn)生重要影響。除此之外,這些新興化學(xué)電池將有助于汽車廠商進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)汽車的整體性能。

不過,這些先進(jìn)的電池技術(shù)還需要經(jīng)過幾年的生產(chǎn)準(zhǔn)備,才能達(dá)到商業(yè)化階段。

實(shí)驗(yàn)室中突破性的新技術(shù)要進(jìn)入市場,就先要不斷進(jìn)行小規(guī)模測試和科學(xué)探索,在能進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)之前,還需制造概念性的原型機(jī)。整個(gè)過程通常耗時(shí)7-10年。因此,直到2025年,以鋰離子電池為基礎(chǔ)的化學(xué)技術(shù)仍將是生產(chǎn)汽車的最先進(jìn)技術(shù)。

電池包

電池包也是發(fā)展新能源汽車的主要考慮因素。如果能夠?qū)⒏嚯姵亟M裝入車輛,車輛的動(dòng)力和儲能容量將會提高。廠商可以使用數(shù)種安裝方法增加電池的數(shù)量、體積和密度。電動(dòng)汽車廠商也試圖在其車型中使用通用性的電池模塊,以降低成本。

增加電池組雖然能改善車輛性能,但也需要額外的空間,還會增加車輛的成本和重量。因此,新能源汽車廠商(如特斯拉)正在從下至上地設(shè)計(jì)車輛,以優(yōu)化電池的放置、提供更多的能量,同時(shí)降低汽車的重心。在不犧牲車輛內(nèi)部空間的前提下,上述舉措可以提高車輛的動(dòng)態(tài)駕駛和操縱性能。

大眾的全電動(dòng)MEB平臺旨在在提高駕駛里程的同時(shí),提供舒適的內(nèi)部空間及更好的舒適性和操控性。平板電池封裝法是目前新能源汽車的主要封裝方法,有效地減少了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑,為在城市駕駛的司機(jī)提供了更為合適的解決方案。

熱管理

在電動(dòng)汽車生命周期中,良好的熱管理是優(yōu)化電池壽命和性能的前提。通過電池來實(shí)現(xiàn)電量的儲存和轉(zhuǎn)移的相關(guān)化學(xué)過程在﹣10到30°C的溫度范圍效果最佳。

因此,溫度是影響電池安全的重要因素,設(shè)計(jì)師通常會在電池組中加入加熱和冷卻元件,將電池包控制在理想的溫度范圍內(nèi)。在快速充電或采用其他形式的高壓能量轉(zhuǎn)移方法時(shí),熱管理尤為重要。

但是,熱管理會增加整個(gè)電動(dòng)汽車子系統(tǒng)的成本和封裝體積。許多電動(dòng)汽車廠商會在要求較低的入門級電動(dòng)汽車中使用被動(dòng)熱管理,而豪華電動(dòng)汽車更多采用主動(dòng)的熱管理。

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動(dòng)汽車的「中樞神經(jīng)系統(tǒng)」。BMS直接影響整個(gè)EV子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能。相比控制系統(tǒng)中的其他部件,電池管理系統(tǒng)經(jīng)歷了最大的技術(shù)飛躍,甚至可以這么說,電池管理系統(tǒng)直接決定了電動(dòng)汽車的性能。

BMS有三種觀察到的趨勢:

1、采用主動(dòng)平衡拓?fù)浼夹g(shù),管理電池組的充電、放電和使用情況;

2、軟件和硬件系統(tǒng)中加入更多的電池單元、更大容量與更高電壓的電池,以及使用BMS為電池配置更多容量和更大功率的動(dòng)態(tài)陣列電池單元;

3、制造小型的電池管理系統(tǒng),創(chuàng)建更小、更集成的系統(tǒng),以降低空間需求,增加電池包成品的能量密度。

充電方案

電動(dòng)汽車所需的充電方案是新能源汽車的主要限制因素。潛在消費(fèi)者普遍關(guān)心汽車的行駛里程,以及能否輕松方便地「加油」,避免長時(shí)間掉鏈子、有車無法開的窘?jīng)r。 新能源汽車主機(jī)廠正在考慮包括高壓直流充電等選擇方案,以提高充電效率、加速充電過程。

雖然目前的快速充電過程會對電池組造成額外的壓力,快充可能會降低電池壽命和性能。但專家一致認(rèn)為,未來十年,電動(dòng)汽車快速充電不到10分鐘,便能夠行駛600公里。

其他解決方案包括感應(yīng)式無線充電技術(shù),它完全集成在一個(gè)充電設(shè)施上,能夠最終解決汽車充電期間的停工問題;無線充電同時(shí)適用于具有預(yù)定路線的車隊(duì)?wèi)?yīng)用,比如公交車。具有無線充電基礎(chǔ)設(shè)施的城市可為運(yùn)輸服務(wù)車隊(duì)的電動(dòng)化開辟一條全新的道路。

中國的NEV電池國產(chǎn)化計(jì)劃

中國政府利用法規(guī)政策,鼓勵(lì)新能源汽車生產(chǎn)、電池采購本地化和提供市場激勵(lì),大力引導(dǎo)市場進(jìn)入電動(dòng)化階段。

中國市場已有許多不同成熟度的電池供應(yīng)商。雖然許多國際汽車制造商仍依賴國外的電池供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新,不少國內(nèi)外的汽車制造商正在投資新能源汽車本地化,本土電池供應(yīng)商正在迅速發(fā)展。

預(yù)計(jì)2016年至2020年,全球鋰離子電池產(chǎn)量將擴(kuò)大500%以上。到2020年,主要的鋰離子電池大規(guī)模生產(chǎn)將集中在四個(gè)國家,而中國會成為最大的鋰電池生產(chǎn)國(見圖3)。

中國政府建立了一套綜合性方案來加快發(fā)展進(jìn)程,包括:

1.設(shè)立遠(yuǎn)大目標(biāo): 2020年的新能源汽車銷售量要達(dá)到200萬臺,2025年的新能源汽車銷售量要達(dá)到700萬臺;2020年前的計(jì)劃相關(guān)支出為630億元。

2.提高技術(shù)要求和激勵(lì)措施,以實(shí)現(xiàn)駕駛里程、電池壽命、安全維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的技術(shù)突破;

3.按照要求,新能源汽車制造商需要從獲得中國批準(zhǔn)的電池供應(yīng)商處采購電池,以進(jìn)入新能源汽車目錄和獲得補(bǔ)貼;

4.推動(dòng)NEV在公有和商業(yè)車隊(duì)部署,以加快規(guī)模化發(fā)展,包括:

a.要求公有車隊(duì)的新購車輛含有50%的新能源汽車(其中包括公交車在特定省份所占比例需達(dá)到30%?80%)

b. 購買NEV將享有稅收優(yōu)惠、補(bǔ)貼,以及車牌優(yōu)惠

5.承諾廣泛建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施,以支持NEV的大規(guī)模使用。

圖3 全球鋰離子電池的產(chǎn)量預(yù)測

在2016年至2020年間將增長超過500%

在中國政府強(qiáng)有力的政策支持下,汽車廠商正在與本土企業(yè)進(jìn)行更多的合作。電池技術(shù)不斷成熟并開始投入商用,中國采購可以帶來引人注目的規(guī)模優(yōu)勢和成本優(yōu)勢,因此有幾家公司正在重新考慮他們的全球采購戰(zhàn)略。

許多跨國品牌正在與全球電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴合作開發(fā)和生產(chǎn)電池。 例如,特斯拉與松下、通用汽車與LG化學(xué)公司正在緊密合作。

此外,為了平衡技術(shù)和成本競爭力,高端汽車品牌也在探索合作伙伴關(guān)系。 例如,豪華汽車廠商寶馬和捷豹路虎正在與福特建立合作關(guān)系,共同建立聯(lián)合電池工廠。通過品牌之間的合作以帶動(dòng)規(guī)模,汽車廠商可以通過電池采購實(shí)現(xiàn)有競爭力的成本結(jié)構(gòu)(見圖4)。

圖4 高端品牌之間的協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)

結(jié)論

以下四個(gè)因素決定了電動(dòng)汽車市場中車企的競爭力:

1.車輛系統(tǒng)集成:通過優(yōu)化性能和操控,將動(dòng)力系統(tǒng)集成到整車的能力;

2. EV子系統(tǒng)集成:選擇和集成電池單元,電池管理系統(tǒng)和電機(jī)技術(shù),提供符合汽車使用周期的動(dòng)力解決方案;

3.電池單元技術(shù):一種符合車輛的使用要求的,平衡能源需求、容量和成本的解決方案;

4.電池管理系統(tǒng):作為汽車的中樞神經(jīng)系統(tǒng),BMS必須管理EV子系統(tǒng)的整體性能,同時(shí)監(jiān)控并確保對關(guān)鍵性能指標(biāo)的有效管理。

在中國,電動(dòng)汽車市場正在迅速發(fā)展,競爭格局仍處于早期發(fā)展階段。隨著中國將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向迅速擴(kuò)大其電動(dòng)汽車市場規(guī)模和產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的制造能力,這將成為全球汽車主機(jī)廠決定如何開發(fā)和建立供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)以進(jìn)行高效競爭的關(guān)鍵時(shí)刻。