未來(lái)汽車大預(yù)測(cè)（一、動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化，發(fā)動(dòng)機(jī)效率超過(guò)60%）

　　引言：自1879年，卡爾本茨的第一輛奔馳起，汽車的歷史已經(jīng)接近140年，這140年以來(lái)，汽車的形態(tài)發(fā)生了翻天覆地的變化，那么在未來(lái)，汽車行業(yè)是否會(huì)發(fā)生更加劇烈的變化呢？20年后的汽車將會(huì)是什么樣的？今天，由NE研究院為大家?guī)?lái)日經(jīng)新聞對(duì)未來(lái)20年以后汽車行業(yè)大預(yù)測(cè)。

　　汽車電動(dòng)化比率是決定動(dòng)力總成趨勢(shì)的關(guān)鍵，這將極大地影響在發(fā)動(dòng)機(jī)方面具備優(yōu)勢(shì)的日系配套廠商們?cè)诮窈蟮陌l(fā)展方向。2017年電動(dòng)汽車開(kāi)始向普及邁開(kāi)了步伐，中國(guó)與歐洲的EV轉(zhuǎn)化步伐逐漸清晰起來(lái)。中國(guó)從2019年開(kāi)始導(dǎo)入新能源積分，強(qiáng)制要求汽車廠商生產(chǎn)銷售EV汽車。中國(guó)政府的強(qiáng)勢(shì)政策推動(dòng)了全球EV的存在感。而歐洲市場(chǎng)的電動(dòng)化，與包括大眾在內(nèi)的歐系巨頭在中國(guó)市場(chǎng)的份額很高不無(wú)關(guān)系，對(duì)于中國(guó)他們別無(wú)選擇。

　　然而，放眼至2030年來(lái)看，EV的比例應(yīng)該不會(huì)一下子上升（圖1）。新車銷售中EV所占比例保持在10％左右的觀點(diǎn)是主流。而即使電池價(jià)格將足夠便宜，大部分人還是認(rèn)為充電時(shí)間長(zhǎng)，充電基礎(chǔ)設(shè)施少的問(wèn)題很難解決（圖2）。

圖1 主要市場(chǎng)動(dòng)力總成配置的變化

　　上表為日本德勤咨詢公司針對(duì)歐美日中印5國(guó)的市場(chǎng)變化預(yù)測(cè)結(jié)果。在對(duì)電動(dòng)汽車看漲的整體趨勢(shì)中，實(shí)際上可以看到至2030年為止的預(yù)測(cè)值是相對(duì)適中的。日經(jīng)在線采用該預(yù)測(cè)值的同時(shí)，參考日本的HEV普及曲線來(lái)計(jì)算了實(shí)際可能實(shí)現(xiàn)的值，認(rèn)為2025年全球的電動(dòng)汽車市場(chǎng)將達(dá)到400萬(wàn)輛左右，2030年將達(dá)到1000萬(wàn)輛左右的規(guī)模。

圖2 鋰離子電池價(jià)格預(yù)測(cè)（電芯的價(jià)格持續(xù)下降，至2022年下降到100usd/kwh）

　　各類研究機(jī)構(gòu)關(guān)于2030年EV比率的預(yù)測(cè)值差異很大，從1.6％至26％不等，當(dāng)然石油公司會(huì)把值拉小，而超過(guò)20%以上的則是一部分金融金購(gòu)。除掉這些極端數(shù)值，日本國(guó)內(nèi)的行業(yè)分析師普遍認(rèn)為的數(shù)值是在10%左右。

　　因此日本汽車配套制造商有足夠的時(shí)間為電動(dòng)汽車做準(zhǔn)備。 相反，如果一下子就完全轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)走向彎道是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)?0％左右的比率還無(wú)法使EV事業(yè)達(dá)到現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的利潤(rùn)。

　　展望2040年的汽車電動(dòng)化

　　如果日本制造商急于電動(dòng)化，就不能忽視利用中國(guó)形勢(shì)的危險(xiǎn)。通過(guò)盡早釋放發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以通用化EV相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本為武器，從而超越中國(guó)的崛起。

　　中國(guó)的NEV法規(guī)對(duì)日本廠商有強(qiáng)烈的對(duì)抗意識(shí)，雖然中國(guó)的電動(dòng)化舉措旨在改善大氣污染，但是卻把可能是真正解決方案的HEV汽車排除在了對(duì)象之外。中國(guó)戒備利用豐田和本田等日本廠商具備強(qiáng)大技術(shù)實(shí)力的領(lǐng)域。由此，可以預(yù)計(jì)至2030年左右，日本廠商都無(wú)法與中國(guó)、歐洲的電動(dòng)化戰(zhàn)略同流（中西汽車工業(yè)研究所中西孝樹(shù)先生）。

　　另一方面，中國(guó)與歐洲的電動(dòng)化形勢(shì)也不至于讓日本廠商束手無(wú)策。2017年12月豐田與日本宣布合作開(kāi)發(fā)電池，似乎打算在電動(dòng)汽車的核心電池方面建立一個(gè)日系聯(lián)盟，從而構(gòu)建一個(gè)不依賴中國(guó)的機(jī)制。

　　在20世紀(jì)20年代，中國(guó)電池廠商提供世界上最便宜的鋰離子電池的可能性最高，因?yàn)榱慨a(chǎn)規(guī)模會(huì)直接左右鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)廠商在NEV積分的背景下，進(jìn)行了巨額投資，有大規(guī)模的量產(chǎn)計(jì)劃。從汽車行業(yè)零部件采購(gòu)原則來(lái)看，是希望從中國(guó)采購(gòu)電池的，但是如果將關(guān)鍵零部件的供應(yīng)交給對(duì)日本抵抗意識(shí)強(qiáng)烈的中國(guó)，會(huì)存在很大風(fēng)險(xiǎn)。豐田與松下的合作，可以說(shuō)是在中國(guó)制造商崛起之后，努力鞏固在日本的穩(wěn)定電池采購(gòu)點(diǎn)。

　　展望2040年，主流預(yù)測(cè)大部分認(rèn)為EV比率將超過(guò)30%。研究機(jī)構(gòu)很有可能是通過(guò)“倒推”進(jìn)行的逆向計(jì)算預(yù)測(cè)，因?yàn)榈?050年全球CO2的排放量相比2010年需要減少90%，由此需要的EV比率必須達(dá)到30%左右。當(dāng)然，考慮到全球變暖的對(duì)策，這是一個(gè)全世界應(yīng)該瞄準(zhǔn)的水平。

　　電機(jī)專注于高速領(lǐng)域的高效率

　　電動(dòng)化不會(huì)一蹴而就，但是HEV的比例將急劇上升。歐系主推的48V低功率簡(jiǎn)易HEV將呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，到2020年代前半將達(dá)到1000萬(wàn)臺(tái)規(guī)模，到2030年中期達(dá)到3000萬(wàn)臺(tái)規(guī)模。之后，逐步被EV等取代，呈減少趨勢(shì)。至2030年，豐田和本田強(qiáng)勁的高功率型HEV將逐漸增加到1000萬(wàn)臺(tái)規(guī)模， 2020年以后將會(huì)出現(xiàn)兼容48V的高功率HEV，從而推動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展。

　　關(guān)于電動(dòng)化普及率最難看清楚的是PHEV。研究機(jī)構(gòu)的觀點(diǎn)也分成兩派，其中JP摩根證券預(yù)計(jì)，PHEV將會(huì)低迷,到2028年達(dá)到最高值600萬(wàn)的規(guī)模,這之后預(yù)計(jì)就會(huì)停滯。這一觀點(diǎn)主要是基于美國(guó)和中國(guó)的環(huán)境法規(guī)強(qiáng)調(diào)EV的普及而不是PHEV。另一方面，德勤（Deloitte Tohmatsu）咨詢公司預(yù)計(jì)2030年P(guān)HEV在主要市場(chǎng)為1300萬(wàn)臺(tái)規(guī)模，2040年將達(dá)到6000萬(wàn)臺(tái)，主要是考慮高功率型和簡(jiǎn)化型HEV的需求朝PHEV轉(zhuǎn)化。

　　就電池而言，隨著中國(guó)制造商的崛起，鋰離子電池的價(jià)格將會(huì)逐步降低。同時(shí)，固態(tài)鋰離子電池將投入實(shí)際使用（圖3）。豐田計(jì)劃在2020年代前半量產(chǎn)的全固態(tài)電池是最為激進(jìn)的計(jì)劃，但充電時(shí)間可以縮短，能量密度可以大大增加。

圖3 電解質(zhì)的固化是切換正負(fù)極材料的契機(jī)

　　2020年代前半，將出現(xiàn)利用硫化物固體電解質(zhì)的電池，之后，正極和負(fù)極材料都將被新材料取代，能量密度大大增加。

　　上述電池是將電解質(zhì)從液體替換為固體，之所以能提高能力密度是因?yàn)楣腆w電解質(zhì)比電解液更容易提高穩(wěn)定性，從而可以適用電流容量密度更大的正負(fù)極材料。當(dāng)然最初可能商業(yè)化的全固態(tài)電池是雖然使用硫化物的固體電解質(zhì)，但正負(fù)極依然是常規(guī)材料三元系與石墨的電池，能量密度無(wú)法提升太多，主要是縮短了充電時(shí)間。

　　面向2030年，正極材料采用硫（S），負(fù)極材料采用金屬鋰的鋰硫電池能量密度能達(dá)到現(xiàn)有水平接近3倍的700Wh/kg。而2030年以后，使用“空氣電極”作為正極，金屬鋰作為負(fù)極的全固態(tài)鋰空氣電池有很大的實(shí)現(xiàn)可能性。其瞄準(zhǔn)的能量密度是超過(guò)現(xiàn)有水平5倍的1500Wh / kg。

　　到2030年為止，電機(jī)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)將圍繞提高高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域的效率?，F(xiàn)有的EV在超過(guò)100km/h的高速下行駛的話，續(xù)航里程就會(huì)大幅降低。因?yàn)槌穗姵刂猓姍C(jī)的效率也顯著下降（圖4）。而針對(duì)這一問(wèn)題的有力解決方案是可根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍改變磁通密度的可變磁通電動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。

圖4 電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域效率低下是最大的弱點(diǎn)

　　目前電動(dòng)車以超過(guò)100km/h的速度高速行駛時(shí)效率會(huì)大大下降。這是因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)區(qū)域需要弱磁控制。為了提高高速范圍的效率，可變磁通電機(jī)的開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)展。

　　效率在高速域內(nèi)下降的主要原因是必須進(jìn)行弱磁控制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)變大，反而使得轉(zhuǎn)速無(wú)法上升。雖然弱磁控制產(chǎn)生反向磁通，但電流增加，效率降低?？勺兇磐姍C(jī)可以改變磁通密度，所以不依賴于減弱磁場(chǎng)控制。

　　2030年以后可能開(kāi)花的是使用后釹磁鐵的電機(jī)。目前，對(duì)下一代磁鐵的研究正在進(jìn)行，磁力將在180°C時(shí)達(dá)到常規(guī)磁鐵磁力的兩倍，由此可能導(dǎo)致電機(jī)的顯著小型化。

　　有前景的材料有兩種，一是稀土元素與鐵（Fe）元素組成成分比率為1：12的1-12系稀土磁體。靜岡理工科大學(xué)與豐田合作，發(fā)現(xiàn)了使用釤（Sm）的1-12系磁體。而另一種則是由Fe和鎳（Ni）組成的稱為 L10型晶體結(jié)構(gòu)的磁體。使用自然界大量存在的Fe和Ni，也能產(chǎn)生與釹磁體相當(dāng)?shù)拇帕Α适Т帕Φ木永餃囟仁?50℃，比釹磁鐵高200℃以上。

　　2040年左右也可能實(shí)現(xiàn)使用CNT（碳納米管）作為繞線的電機(jī)。更換銅線可以大幅變輕。CNT碳納米管是一種圓柱形材料，具有直徑為納米數(shù)量級(jí)的碳原子六元環(huán)。除了優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，質(zhì)量?jī)H為鋁的一半。

　　金剛石MOSFET能實(shí)現(xiàn)嗎

　　搭載電源變換器的PCU核心開(kāi)關(guān)電路中使用的晶體管不斷進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)了小型高效化。盡管目前的主流還是硅（Si）IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），但碳化硅（SiC）材料的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）有望在2020年代普及（圖5）。與Si相比，損耗可降至1/10，驅(qū)動(dòng)頻率可提高10倍。但是目前如何降低價(jià)格是最大的課題，但隨著大直徑晶圓的發(fā)展，價(jià)格會(huì)不斷下降。此外，2020年代氮化鎵（GaN）MOSFET的實(shí)際應(yīng)用也很可能開(kāi)始。

圖5 電裝的SiC晶圓制造工藝

　　電裝正在開(kāi)發(fā)一種技術(shù)，將SiC粉末原料在2300℃以上的高溫下加熱，使得在晶種上結(jié)晶生長(zhǎng)高質(zhì)量的SiC晶體。據(jù)說(shuō)生長(zhǎng)直徑150mm，厚度20mm的晶體需要花費(fèi)100多個(gè)小時(shí)。設(shè)備圖片由DENSO提供，晶圓照片由日經(jīng)雜志拍攝。

　　到2030年，使用氧化鎵（Ga2O3）的MOSFET進(jìn)入人們的視野。它比SiC或GaN更加便宜，而且可以實(shí)現(xiàn)相同或更高的開(kāi)關(guān)性能。從2040年起，被稱為“終極半導(dǎo)體材料”的金剛石型MOSFET可能被投入實(shí)際使用。它超越現(xiàn)有材料的所有物理性能，如流動(dòng)性、導(dǎo)熱性等等。

　　我們預(yù)測(cè)在內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)中，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的熱效率到2020年將達(dá)到45%左右，2030年超過(guò)50%，而2040年將達(dá)到60%以上。達(dá)到45％的關(guān)鍵是超稀薄燃燒，通過(guò)燃燒理論空燃比達(dá)到2倍以上的混合氣體而實(shí)現(xiàn)。馬自達(dá)可能會(huì)是世界上第一個(gè)在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)（圖6）。

圖6 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)飛速發(fā)展

　?。╝）日產(chǎn)將在2018年量產(chǎn)具有無(wú)級(jí)可變壓縮比機(jī)構(gòu)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。（b）馬自達(dá)將在2019年實(shí)現(xiàn)空燃比超過(guò)30的超稀薄燃燒的無(wú)極可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的商品化。圖片分別來(lái)自日產(chǎn)與馬自達(dá)。

　　日產(chǎn)汽車正計(jì)劃2025年左右開(kāi)發(fā)一款發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)作為HEV發(fā)電專用，目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)50%以上的熱效率。應(yīng)用到2018年量產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)行程機(jī)構(gòu)。至2030年，保溫發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)成為提高熱效率的關(guān)鍵。如果能夠發(fā)現(xiàn)可對(duì)氣缸內(nèi)壁進(jìn)行熱屏蔽的新材料，則可以減少占發(fā)動(dòng)機(jī)損失主要部分的冷卻損失。 到了2040年，如果能實(shí)現(xiàn)排熱回收和復(fù)合循環(huán)，則熱效率可能達(dá)到與高效火力發(fā)電廠相媲美的60％以上。