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电动汽车必成最终赢家,但是有多快,何时?

2020-09-28 Egil Juliussen 阅读:
电动汽车必成最终赢家,但是有多快,何时?
业内有一种说法:“没有什么比过时的技术消失更慢。”虽然燃油汽车并不是过时的技术,但与十几二十年前相比确实很难再进步,开发和部署成本也很高。而电动汽车发展迅猛,五年之内,电动汽车在售价、车型、运行成本等多方 面都将比燃油汽车更具优势。问题是,这一切何时会发生?

在过去的一个多世纪中,内燃机汽车(ICEV)一直主导着汽车行业,未来一二十年内仍将保持领先。虽然电池电动汽车(BEV)的使用近年呈现陡增的趋势,极大地影响了汽车和交通运输行业,但BEV要想胜出还需假以时日。本文将综合介绍这两种技术及所需的基础设施,并分析为什么从长远来看,电动汽车会成为最终赢家。文中的数据仅针对电池电动汽车(BEV),不包括插电式混合动力汽车(PHEV)或燃料电池电动汽车。rsuednc

表1对ICEV和BEV进行了比较,包括关键组成部分、优缺点、所需的基础设施以及其他一些主要功能。rsuednc

核心差异

BEV和ICEV在两项核心技术(即推进系统和车载燃料源)上的差异十分有趣。BEV具有简单的推进系统,即旋转电机,但燃料源非常复杂,包含成百上千个小电池(由基于大量芯片的电子设备管理)。ICEV正好相反,燃料相对简单,存储在油箱中,由燃油泵和燃油蒸发排放控制系统对油箱中的燃油蒸气进行控制;但其推进系统却异常复杂,由内燃机产生上下运动(或横向运动),通过复杂的机械结构推动车轮旋转。汽车行业的创新层出不穷,先进技术令人叹为观止,ICEV始终保持在最佳状态。但ICEV是一项相对成熟的技术,要进一步发展,开发和部署成本都十分高昂。rsuednc

相较于内燃机,BEV电机的主要优势表现在简单性、生产成本、运动部件数量和总体部件数量等各个方面。能源或电池技术一直是BEV的薄弱环节,主要原因是目前成本太高。可喜的是,电池技术发展迅速,价格大幅下降。从2010年到2016年,一千瓦时(kWh)的电池成本从1000美元降到了大约275美元,每年降低接近20%。据彭博社报道,到2019年,每千瓦时的电池组成本降到了156美元。电池成本目前还在不断下降,只不过速度有所放缓。rsuednc

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表1:ICEV和BEV比较。rsuednc

业界在新电池技术上投入巨资改善电池材料,提高能量存储、安全性和充电速度,并降低成本。PC、智能手机和电池电动汽车这三大主要市场对电池容量的需求不断增长;PC和智能手机等移动设备是最早推动电池技术需求的细分市场;电池电动汽车是第二个推动电池增长需求的领域,也是目前最大的消费领域。第三个市场正在兴起,即太阳能面板蓄电,主要用于小容量能量存储,例如消费类太阳能面板,它可以灵活安排在何时使用能量,使能量供需达到平衡。rsuednc

人们普遍认为,对大型电池工厂和技术进行投资将使BEV的价格越来越具竞争力,甚至最终比ICEV价格还低。rsuednc

能源补给对每个汽车用户都很重要,ICEV在加油站分布和加油时间上比BEV更有优势。但BEV在家充电是一项吸引人的功能,虽然采用220伏电源充电可能需要较长时间,采用115伏电源充电时间会更长。未来BEV要获得成功,需要大量公用的BEV充电桩。rsuednc

汽油或柴油的成本因国家而不同,甚至在美国的不同地区也有很大差别。例如,欧洲一加仑汽油的消费价格比美国贵4~6倍,另外每年的燃油价格变化也很大。因此,未来燃油价格存在极大的不确定性。rsuednc

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图1:BEV要获得成功,必须安装大量的公用充电桩。rsuednc

电力价格则相对稳定,远低于同样行驶一英里的汽油价格,大约相当于汽油价格的50%到70%。目前在美国需缴纳一定的道路维护税,预计这一情况将来会有所改变。随着各州开始征收行驶里程税,BEV的燃料成本优势将会减小。rsuednc

尽管在过去20年中汽车行业投入巨资成功降低了排放,但ICEV仍会产生大量CO2,对社会产生的负面影响持续增长。例如,汽车每使用一加仑汽油,就会产生19.6磅CO2。柴油更高,每加仑排放22.4磅CO2。几乎所有大城市都已经或准备制定法规,以减少ICEV的碳排放。在新冠疫情期间,人们必须接受居家监管,碳排放一度大幅下降,表明ICEV就是废气排放的主要来源。这使人们顿悟,一定要加强监管,限制一些城市ICEV的使用,同时采取各种激励措施,鼓励人们购买BEV汽车。rsuednc

优缺点

BEV的主要优点是在使用地不产生碳排放,但是在发电地却会产生,排放量根据采用的发电技术差异很大。rsuednc

ICEV和BEV的材料和系统供应链中的排放问题比较复杂,本文不做论述。挪威在这方面做得最好,大约90%的电力来自水力发电。用煤发电会产生大量的碳排放,因此不可取。如果在家里的房屋顶上安装可储电的太阳能面板,利用太阳能转化的电能为车库中的BEV充电,将是一种非常环保的方法。rsuednc

回收是另一个重要的环境问题。目前ICEV在这方面做得比BEV好,因为ICEV只涉及很少的电池回收。BEV行业需要更好的解决方案来解决电池回收问题。rsuednc

新创立一家ICEV OEM公司是极其困难的事,因为在产品设计、工厂建设、营销和销售渠道上需要大量投资,而最大的困难可能在于需要专精的知识来设计和生产可靠的内燃机。因此,近年来鲜有ICEV初创公司出现。不过中国是个例外,中国出现了很多新的OEM厂商,其中大多数都与欧洲、日本、韩国和美国的一流OEM签约或成立了合资企业。rsuednc

新兴的BEV市场为汽车初创企业打开了一扇大门,目前电机技术已经非常成熟,这促成了许多BEV初创公司的诞生,也推动ICEV OEM大厂慢慢进入BEV市场。现在ICEV OEM大厂的态度发生了转变,它们积极投身BEV市场,发布宏伟计划,进行大量投资。这种趋势将迅速削弱BEV初创公司的机会。rsuednc

ICEV的销售现在已达到顶峰,并开始缓慢下降,BEV将是最终赢家。在大约五年的时间内,BEV的市场价格将降到与ICEV相当的水平,这将是BEV赢得市场最主要的因素。rsuednc

BEV与ICEV之间的竞争并不是一场新的战役。一个多世纪以前,在汽车工业形成之初电动汽车在市场中就占有了一席之地。但是ICEV发展迅速,一骑绝尘,将BEV远远抛在身后。电池技术在最近十年才有了很大的进步,这是由移动设备行业的需求推动的。现在BEV重返疆场与ICEV一决高下,等待它们的将是一场漫长而激烈的战斗——但这一次BEV看起来会是最终赢家。rsuednc

关于BEV的问题与答案

五年之内,BEV的多项指标将赶上或超过ICEV,例如如售价相当、可提供各种车型满足大多数应用,以及比ICEV低得多的运行成本。大型公共充电设施的建设还需要较长时间才能接近加油站的覆盖水平,但在家充电极具优势,足以满足大部分潜在买家的需求。表2列出了大多数潜在BEV买家可能提出的主要问题及答案。rsuednc

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表2:潜在BEV买家可能提出的主要问题及答案。(数据来源:Egil Juliussen)rsuednc

2010年到2019年间,电池成本大幅下降了约87%,预计未来几十年价格还会进一步降低。彭博社于2019年12月发布的一篇博客中曾提到,每千瓦时(kWh)电池组价格已从2010年的1000美元降至156美元。rsuednc

这一趋势表明,到2025年(或在2025年之前),每1kWh的电池成本将降至100美元。人们普遍认为,当电池成本降至每千瓦时100美元时,BEV的售价在很多汽车细分市场都将降至与ICEV相当。rsuednc

BEV需要提供多种车型,包括大型和小型车辆、轿车、卡车、SUV以及其他类型,以覆盖所有细分市场,满足所有买家的不同应用需求。BEV车型目前还很有限,但在过去三年中,计划推出的电动汽车已大幅增加,到2025年很可能会有足够的车型满足大多数买家的应用需求。大多数大型汽车制造商都将在2025年推出10到20款BEV车型。rsuednc

运行成本更低

BEV另一个主要优势是运行成本较低,这是因为其维护成本和燃料成本都比较低。BEV运动部件较少,与ICEV相比可节省约50%的维护费用。在美国,每加仑汽油约2.50美元,BEV每英里平均电力成本约为汽油成本的50%。欧洲的汽油成本则高得多,所以BEV可以节省更多的燃料成本。目前特斯拉和通用汽车已开始考虑续航百万英里的电池,未来BEV的续航里程肯定会更长。rsuednc

ICEV仅需3~5分钟就能加满油,与之相比,BEV需要较长的充电时间,这是BEV的一个明显缺点。通过使用功率更高、速度更快的充电系统,以及充电更快的电池技术,BEV的充电时间会越来越短。但这仍然赶不上ICEV加油快。rsuednc

BEV在家充电是一个很大的优势,但是这只对拥有家庭车库的BEV买家才有用。各个国家都需要广泛部署BEV充电桩才能推动BEV的使用。慎重选择在哪里安装充电桩,可以将BEV因充电时间长而产生的不良影响降至最低。现有的加油站肯定会加置BEV充电桩以扩展业务,由于BEV充电时间较长,加油站从附带商品的销售中赚取的利润可能比ICEV更大。rsuednc

BEV充电桩还应安装在BEV车主通常会停留超过一小时的地方,包括工作场所、购物中心、餐厅和其他娱乐场所。特斯拉在部署充电桩安装位置时似乎也考虑了这一因素。rsuednc

新技术改善BEV性能

有几种新技术可以帮助BEV缩短充电时间,使BEV具备与ICEV加油时间抗衡的能力。rsuednc

无线充电在智能手机中越来越常见,类似的技术也可用于BEV,但目前尚不能批量部署。大多数无线充电技术由于发热较少,因此比有线充电的效率更高。无线充电还有许多优点,例如充电时耗电少、易于使用等。但是,部署无线充电基础设施比有线充电要复杂,而且BEV车辆必须进行改造,才能以安装无线充电电子器件。rsuednc

还有一种有趣的技术也可能加快BEV充电,即超级电容——类似于高速缓存对计算机性能的提升。超级电容可以是BEV电池与充电网络之间、或充电网络与电力网络之间的“缓存电池”,它具有缩短BEV充电时间的巨大潜力,但何时能投入应用以及适合哪些应用都有太多不确定性,目前还难以预测。rsuednc

BEV充电频度也很重要,取决于BEV每年行驶里程及续航里程。根据IHS Markit的数据,2019年售出的BEV平均电池容量约为52kWh,预计到2030年将增长到70kWh以上。最近推出的BEV车型续航里程通常为250英里,但有些车型达到了400英里。未来的BEV续航里程还将大幅增加。rsuednc

根据2019年美国联邦公路管理局的数据,美国每辆汽车平均每年行驶里程为13500英里。假设BEV续航里程为300英里,每充一次电平均行驶250英里,那么大约每周需要充一次电(一年54次)。不过,里程焦虑可能会使充电次数更多,家里有充电桩的BEV车主也可能会更频繁地充电。rsuednc

BEV采用的技术可以提供出色的驾驶性能。其电机提供近乎瞬时的扭矩,由此带来的卓越加速度常常超越高性能ICEV。BEV的电池可以均匀分布在车辆底部,重心更低,从而提供出色的可操纵性。rsuednc

BEV行驶时碳排放极小,这也是它优于ICEV的一个重要特性,ICEV每使用一加仑汽油都会产生19.6磅的碳排放。BEV发电的地方可能产生CO2,但因所使用的技术不同而差异很大。可能有人会争辩说,虽然大城市的碳排放降低了,但是却导致发电的偏远地区碳排放增加了。rsuednc

一些城市,尤其是柴油车市场占有率最高的欧洲,即将出台限制使用ICEV的法规。一些国家甚至设定了不再销售ICEV的日期,不过很可能会推迟。对ICEV管制的逐步增强将加快许多城市使用BEV的步伐。rsuednc

BEV的购买激励措施因国家和地区而异,现在已经产生了作用,而且将继续发挥作用。当BEV价格远高于ICEV时,购买激励措施尤为重要,但随着BEV价格逐步下降,激励措施的影响会减小,很可能会在2025年后消失。rsuednc

使用BEV不需要付税用来进行公路的维护和改善,ICEV是通过燃油税来支持道路网络升级的。毫无疑问,BEV很快也需要交税来支付其道路使用费。对BEV而言,最可能的征税方式是里程税,也有可能是其他税,因地区而异。对BEV使用征税以后,BEV相对于ICEV的运行成本优势将减弱。rsuednc

BEV未来销售是否会成功的问题始终很关键,不同预测机构采用不同的预测方法,给出了不同的答案。IHS Markit根据汽车制造商目前的BEV车型和未来的车型计划来预测BEV的销售,这种预测方法反映了汽车行业未来的BEV生产计划。由于汽车OEM生产BEV的计划在过去几年中大幅增加,IHS Markit对BEV的信心也不断增长。随着汽车OEM生产的BEV车型越来越多,未来BEV的前景会更好。IHS Markit预测目前BEV全球销售约占轻型汽车总销量的2.3%。到2030年,BEV全球市场份额将跃升至13%以上。如果将PHEV包括在内,2030年的电动汽车市场份额将上升至大约21%,远高于2019年的3.2%。rsuednc

结语

高科技行业有一种说法:“没有什么比过时的技术消失更慢。”这句话正好用来描述ICEV还将存在多久。当然,ICEV并不是过时的技术,它还将继续广泛使用。但与十几二十年前相比,ICEV技术的确很难再进步,其开发和部署成本也很高。而BEV发展迅猛,很快会成为推动轿车和其他轻型汽车发展的主要技术。现在的问题是,这一切何时发生。rsuednc

(原文刊登于EETimes美国版,参考链接:BEVs: Not If, But When and How Fast (Part 1)BEVs: Not If, But When and How Fast (Part 2),由Jenny Liao编译。)rsuednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里rsuednc

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