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电动汽车技术研发现状分析

信息来源:foioo.com  时间:2014-03-25  浏览次数:149

  由此可以看出车载二次电池相关技术已成为热门。其背景是,世界各国纷纷都在强化二氧化碳排放规定。例如,美国加利福尼亚州的ZEV(零排放车辆)法案、欧洲的二氧化碳法案、中国的环境法规今后都将更为严格。

  作为应对排放规定的有效措施,大型汽车厂商对混合动力车(HEV)和纯电动汽车(EV)等电动车辆寄予厚望,各公司都在拼命推进开发。以前表现不积极的大型汽车厂商今后也无法回避这个问题。不仅如此,如果不及时应对这一系列的环境法案,甚至可能会关系到企业的存亡。

  例如,美国ZEV法案此前的对象汽车厂商为美国的通用汽车(GM)、福特汽车、克莱斯勒(现为菲亚特克莱斯勒汽车公司),以及日本的丰田、本田、日产汽车6家公司。但从2018年开始,大众、宝马、戴姆勒、马自达、现代集团也将成为适用对象。这些后来追加的对象企业今后自然也会加快电动车辆的开发。

  多种多样的电动车辆

  电动车辆可以根据采用的技术分成几类。大家比较熟悉的应该是HEV(插电式混合动力车)和EV(纯电动汽车)。HEV自丰田1997年推出普锐斯以来已经过去了15年多,现在进入了普及期。丰田绝对是该领域的龙头老大,而本田也颇具竞争力。美国厂商中,福特在大力推进HEV的开发,但与日本厂商还相距甚远。HEV的市场渗透率在电动车辆中也非常高,今后欧洲厂商也将积极开发HEV.

  再来回顾一下EV的市场动向,EV在2012年以前市场评价较低,日产的LEAF(聆风)和三菱的i-MiEV一直在苦苦支撑。原因是无法解决续航距离短、充电时间长、价格又过高的课题。

  到2013年以后,这种情况逐渐发生了变化。尤其是在美国,日产LEAF的经济效益受到好评,市场认知度逐渐提高。从2013年年底开始,LEAF在美国一直以每月1000辆的速度销售。总部位于美国亚特兰大的乔治亚电力等电力公司以完善充电基础设施为主提供的支持好像发挥了作用。

  业绩更为出色的,是美国硅谷的风险企业特斯拉汽车。该公司的EVModel S官方公开的续航距离是日本厂商的2倍以上483km.该车采用跑车的车身设计,能提供让消费者坐一次还想再坐的价值。该车实现了高速增长,目前的销量为每周200辆,销售额大约1.2亿元。

  读者可能还不太熟悉,在美国,推动可在家中充电的插电式混合动力车(PHEV)普及的,是通用的Volt.Volt的累计销量已达到6.6万辆,所有车主的总行驶距离突破了6亿英里(约9.6亿公里)。该车仅2013年就售出约2.3万辆,预计2014年将进一步增长。

  此外,燃料电池车(FCV)方面,日本厂商计划在2015年投放市场。本田从1986年开始就在研究作为该技术核心的燃料电池,历经29载终于看到了量产的希望。

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  EV普及条件不在于基础设施建设

  电动汽车技术有利也有弊。电动汽车的出现对相关行业来说既是机会,同时也可能是风险。推行相关法规的各国的意图以及企业的战略将受到关注。下面就来分析一下无需汽油等化石燃料的零排放汽车EV和FCV.

  EV是终极环保车的候补之一,不过其地位并不稳固。这是因为,与汽油车相比,EV的性能(行驶距离和充电时间)价格比非常低。

  解决一系列课题、使EV全面普及的条件是实现超越现有锂离子电池的高性能电池。目前各国、研究机构和企业都在推进相关研发,实用化备受期待。

  其中,有一种被称为后锂离子电池的新型电池锂空气电池。锂空气电池利用的是金属锂与空气中的氧气发生的化学反应,所获能量的理论值超过了目前的锂离子电池。

  不过,锂空气电池的目标是在2030年实现实用化,还很遥远。好像也有相关人士表示2020年之前能实用化,但对于还处在基础研究阶段的课题来说,现在就谈实用化时间似乎没有实际意义。

  我们经常会看到仅凭大学和材料厂商开发的正极和负极材料的数据,就说发现了能将EV续航距离扩大到500km的技术这种报道,这只能说是故弄玄虚。因为仅凭电极根本不能决定续航距离,只有制造成能安装在EV上使用的电池系统才具备讨论价值。但另一方面,报道时应该慎用夸大其词的表述。

  日本的大学和企业也经常发布这种消息。每次遇到这类消息时,投资公司和调查机构都会向笔者寻求意见。笔者的回答一般都是冷静客观地观察一下吧,没有原理和逻辑支持、信息太少,无法做出结论。

  当然,在材料领域的尖端研究和技术开发方面,日本拥有压倒性的强大竞争力,因此,新的突破确实极有可能会在日本出现。

  实际上,在二次电池的尖端研究方面,其他国家厂商的影响力并不高。例如,由三星SDI担任主管企业的韩国国家项目WPM(World Premium Materials)从2008年就开始以国家的名义推进以强化相关材料为目标的开发。但在材料领域,只有踏踏实实立足于基础研究才能取得成果,基础研究实力比日本薄弱的韩国开发出令人震惊的新材料的可能性似乎比较低。

  如上所述,EV普及的关键在于能否实现具有革新性的电池。在新原理和新材料这两方面取得了大量知识产权的研究机构、企业和国家将获得巨大的利益。

  反过来说,如果不能在电池上取得突破,EV就无法实现飞跃发展。有观点认为,EV没有普及是因为充电基础设施不完善,这种说法属于诡辩。笔者认为应该这样理解:如果EV真有足够的魅力,充电基础设施日后必定会完善起来。

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  小型锂电池是目前的主角?

  备受瞩目的特斯拉也有了新动向。2月26日的《日本经济新闻》在头版头条报道称,松下将与特斯拉共同在美国建设小型锂离子电池新工厂,预定2017年投入使用,总投资额超过1000亿日元。生产目标是每年生产可供50万辆汽车使用的电池。

  笔者预测,2020年全球的电动汽车约为600万辆,其中EV的比例约为10%(60万辆)。不过,从事EV用锂离子电池业务的电池厂商除松下外还有很多。日产与NEC的合资公司Automotive Energy Supply Corporation(AESC)、杰士汤浅与三菱商事和三菱汽车的合资公司Lithium Energy Japan(LEJ),还有东芝、三星SDI和LG化学等,围绕EV用锂离子电池的竞争已经达到白热化状态。

  再来看一下已经进入普及期的HEV用锂离子电池,日本电池厂商方面,松下、松下与丰田的合资公司Primearth EV Energy(PEVE)、杰士汤浅与本田的合资公司Blue Energy、AESC以及日立车辆能源都构筑了稳固的地位。而韩国厂商在该领域陷入苦战,这种格局是轻易无法推翻的。可以说,韩国厂商相应地把重心放在了EV和PHEV上。

  三星SDI还决定在西安建设车载锂离子电池工厂。到2020年,EV用锂离子电池存在供过于求的风险,各电池厂商可能会像个人电脑等使用的小型锂离子电池那样陷入价格竞争。

  另外,还有必要讨论一下EV用锂离子电池采用的技术。用于个人电脑等的小型锂离子电池与面向EV开发的大型锂离子电池之间存在竞争。主力汽车厂商的量产EV都采用专用的大型锂离子电池,但拉动EV市场增长的特斯拉公司的独特之处在于采用小型锂离子电池。沿用消费类电池在成本方面占优势,这种方式是可以理解的,但反过来看,小型锂离子电池降低成本的余地比较小。

  由于锂离子电池对安全方面的要求非常严格,所以每个电池的控制系统极其重要,需要以个数而非电池尺寸为单位进行控制。对于特斯拉的Model S那样配备7000多个小型锂离子电池的系统,控制起来要比配备不到100个大型产品的系统更加复杂。2013年10月以后接连发生的Model S起火事故至今未能查明原因。

  即使先不考虑特斯拉的EV能多大程度在市场上普及,松下的决定也一样既是机会又是风险。笔者以前研发锂离子电池时曾调查了车载锂离子电池的应有形态。

  之后,笔者在客观的立场上经常能看到原松下阵营与原三洋阵营的观点基本不一致的情况,二者合并成同一家公司后,在电池战略方面也经常听到意见不统一的声音。目前在技术开发和战略方面好像是原松下一方掌握主导权,因此导致原三洋相关业务的主要负责人纷纷离职。

  FCV是终极环保车吗?

  FCV同样是可能性与疑问并存。燃料电池车看上去确实可以说是零排放汽车,但从其整个生命周期来看,配备的氢燃料大部分是通过天然气改质生产的,生产时会排放二氧化碳。同样,为EV供应的电力在通过化石燃料发电过程中也排放二氧化碳。

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  将来需要构筑以零二氧化碳生成氢的工艺,并降低氢燃料的价格。当然,车身价格是个重要因素。在笔者离开本田的2004年,每辆FCV的价格高达1亿多日元。10年后,大型汽车厂商计划2015年投放市场的FCV虽然没有公布具体售价,但估计可能在500万~1000万日元(约30万~60万元人民币)的范围内。

  日本经济产业省在2000年前后曾积极推进FCV并为开发提供支援。之后,因时机还不够成熟,FCV开发热潮一度中断。

  有观点认为,建立量产体制可大幅降低成本,但也未必一定如此。促进氧与氢的反应的铂催化剂就是个例子。以前,配备100kW燃料电池的汽车,每辆需要100g的铂。之后各公司纷纷宣布通过研究开发大幅减少了铂的用量,但并未公布具体数值。

  假设用量削减了50%,变为50g,从铂的实际价格来看,每辆车也需要20万日元。如果FCV的量产扩大,铂的价格可能不降反涨。这样就只能寄希望于不依赖铂的新型催化剂,不过,虽然进行了大量研究,目前这方面还没有取得成果。

  汽油车的尾气排放控制催化剂的情况与此相同。笔者1978年刚进本田时才开始开发铂-铑-钯三元系催化剂。虽然可以应对尾气排放规定,但由于催化剂必须一直使用这些元素,导致铑的价格暴涨,曾一度引起很大的骚动。燃料电池中的铂催化剂性能较高,实现代替催化剂的困难非常大。

  在燃料电池中,采用固体高分子的电解质膜是必不可少的部件,不过化学厂商已经开始量产,因此无望再通过FCV的量产效应降低其成本。所以,需要在考虑这些因素的基础上,定量分析通过量产效应能将FCV的成本降到什么程度。

  跟EV一样,日本在FCV领域的开发实力同样在全世界遥遥领先。这是因为日本大型汽车厂商以零部件企业的技术实力为基础实施了开发投资,而且通过EV和HEV的开发成绩确立了电动化技术。从FCV方面的专利来看,日本的实力也很强。

  现代汽车也在开发FCV,不过与日本厂商相比,其影响力较低。因为现代汽车的开发起步较晚,而且韩国的零部件厂商的实力较弱。

  日本能否笑到最后?

  虽说如此,但2025年的ZEV规定要求大型汽车厂商将PHEV、EV和FCV三种汽车的销售比例提高到15.4%。日本某大型汽车厂商的高管表示,由于无法确定终极的环保车,因此需要全方位开发,这是非常稳妥的战略。

  但从资源开发看,大型汽车厂商这样做没有问题,而中等规模的汽车厂商无法开发所有的技术。如果车辆电动化能取得进展,汽车行业的技术合作和授权提供等商业模式就会大幅增加。

  除了日韩欧美市场外,今后中国市场也不容忽视。大众和通用在中国汽车市场上如鱼得水,日本厂商中,虽然日产一直在奋战,但差距依然很大。通用及时设立尖端技术研究所,扩充了功能。

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  丰田和本田此前在中国市场上的影响力都不高。但今后两公司均计划在中国展开电动汽车的技术开发,并在当地生产车辆。为此正在扩大研究开发功能。如果考虑到电动化市场的扩大,今后日本厂商也有可能东山再起。

  届时存在的课题是各行业的协作方式。在中国开展业务的前提是与当地企业设立合资公司,资本比例方面也存在外国企业不得超过49%的限制。此外还存在其他方面的诸多制约,比如在中国市场的营销、与政府机构建立关系、构建人脉网、构筑零部件的供应链、中国自己的锂离子电池相关安全性评测标准的制定等,在这些限制下,考虑什么样的商务模式和业务战略最合适至关重要。

  电动汽车普及的关键在于电池。放眼世界,能真正推进车载电池业务的只有日本和韩国。目前,日韩之间还存在技术差距,而且中美欧电池厂商的实力较弱。不过,在电池安全性相关的国际标准等方面,德国和法国等欧洲厂商正在积极活动。

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