引言: 自1879年, 卡尔本茨的第一辆奔驰起, 汽车的历史已经接近140年, 这140年以来, 汽车的形态发生了翻天覆地的变化, 那么在未来, 汽车行业是否会发生更加剧烈的变化呢? 20年后的汽车将会是什么样的? 今天, 由NE研究院为大家带来日经新闻对未来20年以后汽车行业大预测.
汽车电动化比率是决定动力总成趋势的关键, 这将极大地影响在发动机方面具备优势的日系配套厂商们在今后的发展方向. 2017年电动汽车开始向普及迈开了步伐, 中国与欧洲的EV转化步伐逐渐清晰起来. 中国从2019年开始导入新能源积分, 强制要求汽车厂商生产销售EV汽车. 中国政府的强势政策推动了全球EV的存在感. 而欧洲市场的电动化, 与包括大众在内的欧系巨头在中国市场的份额很高不无关系, 对于中国他们别无选择.
然而, 放眼至2030年来看, EV的比例应该不会一下子上升 (图1) . 新车销售中EV所占比例保持在10% 左右的观点是主流. 而即使电池价格将足够便宜, 大部分人还是认为充电时间长, 充电基础设施少的问题很难解决 (图2) .
图1 主要市场动力总成配置的变化
上表为日本德勤咨询公司针对欧美日中印5国的市场变化预测结果. 在对电动汽车看涨的整体趋势中, 实际上可以看到至2030年为止的预测值是相对适中的. 日经在线采用该预测值的同时, 参考日本的HEV普及曲线来计算了实际可能实现的值, 认为2025年全球的电动汽车市场将达到400万辆左右, 2030年将达到1000万辆左右的规模.
图2 锂离子电池价格预测 (电芯的价格持续下降, 至2022年下降到100usd/kwh)
各类研究机构关于2030年EV比率的预测值差异很大, 从1.6% 至26% 不等, 当然石油公司会把值拉小, 而超过20%以上的则是一部分金融金购. 除掉这些极端数值, 日本国内的行业分析师普遍认为的数值是在10%左右.
因此日本汽车配套制造商有足够的时间为电动汽车做准备. 相反, 如果一下子就完全转向电动汽车并带动发动机业务走向弯道是非常危险的, 因为10% 左右的比率还无法使EV事业达到现有发动机事业的利润.
展望2040年的汽车电动化
如果日本制造商急于电动化, 就不能忽视利用中国形势的危险. 通过尽早释放发动机技术的优势, 以通用化EV相关技术, 实现低成本为武器, 从而超越中国的崛起.
中国的NEV法规对日本厂商有强烈的对抗意识, 虽然中国的电动化举措旨在改善大气污染, 但是却把可能是真正解决方案的HEV汽车排除在了对象之外. 中国戒备利用丰田和本田等日本厂商具备强大技术实力的领域. 由此, 可以预计至2030年左右, 日本厂商都无法与中国, 欧洲的电动化战略同流 (中西汽车工业研究所中西孝树先生) .
另一方面, 中国与欧洲的电动化形势也不至于让日本厂商束手无策. 2017年12月丰田与日本宣布合作开发电池, 似乎打算在电动汽车的核心电池方面建立一个日系联盟, 从而构建一个不依赖中国的机制.
在20世纪20年代, 中国电池厂商提供世界上最便宜的锂离子电池的可能性最高, 因为量产规模会直接左右锂离子电池的竞争力. 中国厂商在NEV积分的背景下, 进行了巨额投资, 有大规模的量产计划. 从汽车行业零部件采购原则来看, 是希望从中国采购电池的, 但是如果将关键零部件的供应交给对日本抵抗意识强烈的中国, 会存在很大风险. 丰田与松下的合作, 可以说是在中国制造商崛起之后, 努力巩固在日本的稳定电池采购点.
展望2040年, 主流预测大部分认为EV比率将超过30%. 研究机构很有可能是通过 '倒推' 进行的逆向计算预测, 因为到2050年全球CO2的排放量相比2010年需要减少90%, 由此需要的EV比率必须达到30%左右. 当然, 考虑到全球变暖的对策, 这是一个全世界应该瞄准的水平.
电机专注于高速领域的高效率
电动化不会一蹴而就, 但是HEV的比例将急剧上升. 欧系主推的48V低功率简易HEV将呈现爆发性增长, 到2020年代前半将达到1000万台规模, 到2030年中期达到3000万台规模. 之后, 逐步被EV等取代, 呈减少趋势. 至2030年, 丰田和本田强劲的高功率型HEV将逐渐增加到1000万台规模, 2020年以后将会出现兼容48V的高功率HEV, 从而推动市场的发展.
关于电动化普及率最难看清楚的是PHEV. 研究机构的观点也分成两派, 其中JP摩根证券预计, PHEV将会低迷,到2028年达到最高值600万的规模,这之后预计就会停滞. 这一观点主要是基于美国和中国的环境法规强调EV的普及而不是PHEV. 另一方面, 德勤 (Deloitte Tohmatsu) 咨询公司预计2030年PHEV在主要市场为1300万台规模, 2040年将达到6000万台, 主要是考虑高功率型和简化型HEV的需求朝PHEV转化.
就电池而言, 随着中国制造商的崛起, 锂离子电池的价格将会逐步降低. 同时, 固态锂离子电池将投入实际使用 (图3) . 丰田计划在2020年代前半量产的全固态电池是最为激进的计划, 但充电时间可以缩短, 能量密度可以大大增加.
图3 电解质的固化是切换正负极材料的契机
2020年代前半, 将出现利用硫化物固体电解质的电池, 之后, 正极和负极材料都将被新材料取代, 能量密度大大增加.
上述电池是将电解质从液体替换为固体, 之所以能提高能力密度是因为固体电解质比电解液更容易提高稳定性, 从而可以适用电流容量密度更大的正负极材料. 当然最初可能商业化的全固态电池是虽然使用硫化物的固体电解质, 但正负极依然是常规材料三元系与石墨的电池, 能量密度无法提升太多, 主要是缩短了充电时间.
面向2030年, 正极材料采用硫 (S) , 负极材料采用金属锂的锂硫电池能量密度能达到现有水平接近3倍的700Wh/kg. 而2030年以后, 使用 '空气电极' 作为正极, 金属锂作为负极的全固态锂空气电池有很大的实现可能性. 其瞄准的能量密度是超过现有水平5倍的1500Wh / kg.
到2030年为止, 电机开发的重点将围绕提高高速运转领域的效率. 现有的EV在超过100km/h的高速下行驶的话, 续航里程就会大幅降低. 因为除了电池之外, 电机的效率也显着下降 (图4) . 而针对这一问题的有力解决方案是可根据运转速度范围改变磁通密度的可变磁通电动机的实际应用.
图4 电机在高速旋转区域效率低下是最大的弱点
目前电动车以超过100km/h的速度高速行驶时效率会大大下降. 这是因为在高速旋转区域需要弱磁控制. 为了提高高速范围的效率, 可变磁通电机的开发取得了很大进展.
效率在高速域内下降的主要原因是必须进行弱磁控制. 当电机转速增加时, 反电动势变大, 反而使得转速无法上升. 虽然弱磁控制产生反向磁通, 但电流增加, 效率降低. 可变磁通电机可以改变磁通密度, 所以不依赖于减弱磁场控制.
2030年以后可能开花的是使用后钕磁铁的电机. 目前, 对下一代磁铁的研究正在进行, 磁力将在180°C时达到常规磁铁磁力的两倍, 由此可能导致电机的显著小型化.
有前景的材料有两种, 一是稀土元素与铁 (Fe) 元素组成成分比率为1: 12的1-12系稀土磁体. 静冈理工科大学与丰田合作, 发现了使用钐 (Sm) 的1-12系磁体. 而另一种则是由Fe和镍 (Ni) 组成的称为 L10型晶体结构的磁体. 使用自然界大量存在的Fe和Ni, 也能产生与钕磁体相当的磁力. 丧失磁力的居里温度是550℃, 比钕磁铁高200℃以上.
2040年左右也可能实现使用CNT (碳纳米管) 作为绕线的电机. 更换铜线可以大幅变轻. CNT碳纳米管是一种圆柱形材料, 具有直径为纳米数量级的碳原子六元环. 除了优异的导电性和导热性, 质量仅为铝的一半.
金刚石MOSFET能实现吗
搭载电源变换器的PCU核心开关电路中使用的晶体管不断进化, 实现了小型高效化. 尽管目前的主流还是硅 (Si) IGBT (绝缘栅双极型晶体管) , 但碳化硅 (SiC) 材料的MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管) 有望在2020年代普及 (图5) . 与Si相比, 损耗可降至1/10, 驱动频率可提高10倍. 但是目前如何降低价格是最大的课题, 但随着大直径晶圆的发展, 价格会不断下降. 此外, 2020年代氮化镓 (GaN) MOSFET的实际应用也很可能开始.
图5 电装的SiC晶圆制造工艺
电装正在开发一种技术, 将SiC粉末原料在2300℃以上的高温下加热, 使得在晶种上结晶生长高质量的SiC晶体. 据说生长直径150mm, 厚度20mm的晶体需要花费100多个小时. 设备图片由DENSO提供, 晶圆照片由日经杂志拍摄.
到2030年, 使用氧化镓 (Ga2O3) 的MOSFET进入人们的视野. 它比SiC或GaN更加便宜, 而且可以实现相同或更高的开关性能. 从2040年起, 被称为 '终极半导体材料' 的金刚石型MOSFET可能被投入实际使用. 它超越现有材料的所有物理性能, 如流动性, 导热性等等.
我们预测在内燃机的开发中, 汽油发动机引擎的热效率到2020年将达到45%左右, 2030年超过50%, 而2040年将达到60%以上. 达到45% 的关键是超稀薄燃烧, 通过燃烧理论空燃比达到2倍以上的混合气体而实现. 马自达可能会是世界上第一个在2019年实现量产的企业 (图6) .
图6 汽油发动机飞速发展
(a) 日产将在2018年量产具有无级可变压缩比机构的汽油发动机. (b) 马自达将在2019年实现空燃比超过30的超稀薄燃烧的无极可变压缩比发动机的商品化. 图片分别来自日产与马自达.
日产汽车正计划2025年左右开发一款发动机, 该发动机作为HEV发电专用, 目标可实现50%以上的热效率. 应用到2018年量产的可变压缩比发动机的同时, 实现超长行程机构. 至2030年, 保温发动机的开发成为提高热效率的关键. 如果能够发现可对气缸内壁进行热屏蔽的新材料, 则可以减少占发动机损失主要部分的冷却损失. 到了2040年, 如果能实现排热回收和复合循环, 则热效率可能达到与高效火力发电厂相媲美的60% 以上.
