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电气化与自主化:汽车行业的两大驱动力

2021-03-17 Pierrick Boulay,Dimitrios Damianos,Milan Rosina,To 阅读:
电气化与自主化:汽车行业的两大驱动力
汽车业的发展主要由电气化和自动驾驶两大趋势所推动。由于欧盟设定了二氧化碳减排目标,除了汽车电气化,OEM别无选择。同时,为了提高汽车安全性并实现全自动驾驶的最终目标,OEM使用了越来越多的传感器,并不断提升计算性能来处理传感器产生的所有数据。

汽车行业多年来一直被CASE所驱动,即网联化(Connected)、自主/自动化(Autonomous/Automated)、共享化(Shared)和电气化(Electric)。在这四个发展趋势中,其中两个聚积了更多的研发力量。FZTednc

第一个是OEM汽车电气化。由于欧盟设定了二氧化碳减排目标(2021年为95g/km,2025年达到81g/km),除了汽车电气化,OEM似乎别无选择。FZTednc

第二个是自主/自动驾驶,需要OEM将越来越多的自动驾驶功能集成在一起,以实现全自动驾驶的长远目标。通过添加更多的传感器,并不断提升计算性能来处理这些传感器产生的所有数据,OEM有望实现这一目标。FZTednc

汽车电气化的驱动力

据Yole Développement估计,电动汽车和混合动力汽车(EV/HEV)市场增长迅速,到2025年,这类新车将超过3,000万辆。FZTednc

汽车的电气化有一些强大且持久的驱动力(图1),以应对社会和环境的挑战。其最主要的好处在于,汽车碳排放会减少,人口稠密地区的空气污染将得到改善。电气化对汽车制造商也有意义,因为政府制定了严格的二氧化碳减排目标,制造商必须大幅降低汽车的平均二氧化碳排放水平,以避免受到严厉的处罚。车辆动力总成的电气化可以极大地减少二氧化碳排放,因而成为汽车制造商发展战略的重要一环。FZTednc

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图1:实现清洁交通的强大且持久的驱动力。(图片来源:Yole)FZTednc

经过EV/HEV制造商二十多年的积累,传统的主流汽车制造商和新兴的OEM现在都开始大规模部署EV/HEV。FZTednc

在这个门槛历来都很高的市场中,电气化催生了许多新的初创企业,尽管其中许中还不太可能获得主流认可。全球的汽车制造商推出了大量电动汽车,客户可以自由选择不同的电气化类型和汽车设计。续航里程不断增加,价格也不断降低;最重要的是,电动汽车充电基础设施得到了广泛部署。所有这些因素都提高了客户购买电动车的积极性,减轻了人们从前购买EV/HEV汽车的疑虑。FZTednc

不同类型的电动汽车

我们将电动汽车分为混合动力汽车和纯电动汽车两种,混合动力汽车既包含电动机,也包含内燃机(ICE),而纯电动汽车仅包含电动动力总成系统。二氧化碳排放量为零的纯电动汽车被认为是汽车电气化的终极目标。FZTednc

但是,由于技术、成本、原材料和生产的限制,从内燃机汽车到全电动汽车的过渡不可能一蹴而就。缺乏充电基础设施也是一个很大的阻碍。FZTednc

传统的汽车OEM也开始生产电动汽车,但这可能影响其ICE汽车的销售。他们必须维护与ICE相关的现有生产设施、员工、分销和销售网络,同时还必须开发新的知识产权、工程技术且具备生产电动汽车的能力,电动汽车的生产通常要与传统的ICE生产分开。FZTednc

整个汽车供应链都必须重建,这当然需要一些时间。在目前的过渡期内,汽车厂商为客户提供的车辆具有不同的电气化水平(图2)。与ICE汽车相比,混合动力汽车的碳减排程度各不相同,轻度混合动力汽车(MHEV)的碳减排程度较低,而插电式混合动力汽车(PHEV)可达到大约50%。FZTednc

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图2:不同类别的EV/HEV及其二氧化碳排放量。(图片来源:Yole)FZTednc

从混合动力汽车到纯电动汽车

在过去的二十年中,EV/HEV行业的主力是全混合动力汽车(HEV),主要由1997年推出的丰田普锐斯所取得的商业成功驱动。由于政府制定了严格的碳减排目标,锂离子电池不断发展,成本持续降低,再加上许多其他因素(图3),汽车行业正在“加速电气化”,更快地向电动模式且续航里程更长的汽车过渡,例如插电式混合动力汽车(PHEV)和电池电动汽车(BEV)。FZTednc

插电式混合动力汽车和全电动汽车的确可以显著减少碳排放,帮助汽车制造商达到二氧化碳减排目标,避免受到严厉处罚。FZTednc

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图3:激励机制以及汽车制造商未达到各国政府设定的二氧化碳减排的严格目标时将受到的处罚,这些因素加速了汽车电气化初始战略路径的制定。(图片来源:Yole)FZTednc

PHEV和BEV均为可充电汽车,它们可通过电网充电,当然最好使用清洁能源(例如光伏、风能和水力发电)产生的电力。PHEV的电动模式续航里程约为50至80km。由于PHEV可以在全电动模式下行驶,因此也可以减少城市的空气污染排放,但其全电动模式仅适用于短途城市通勤,因此贡献也十分有限。FZTednc

为了实现更长的电动模式续航里程、减少二氧化碳排放并改善电动汽车对环境的影响,电池、电力电子器件和系统以及汽车设计等方面均需要不断变革。FZTednc

电力电子技术发展的主要趋势包括SiC和GaN半导体技术的应用(主要用在牵引逆变器、车载充电器和DC-DC转换器中)、更先进的器件封装技术(银烧结芯片贴装、铜线键合、无键合互连、Si3N4 AMB活性金属钎焊陶瓷基板、高温环氧树脂封装等)和不同系统的机电一体化。FZTednc

为了延长里程,需要在减小体积和重量的同时增加功率密度,其他改进则有助于提高整体可靠性并降低生产成本。电气化日益普及的一部分原因是消费者意识增强,但主要还是归因于汽车工业工程技术的加速发展。FZTednc

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