引言: 自1879年, 卡爾本茨的第一輛平治起, 汽車的曆史已經接近140年, 這140年以來, 汽車的形態發生了翻天覆地的變化, 那麼在未來, 汽車行業是否會發生更加劇烈的變化呢? 20年後的汽車將會是什麼樣的? 今天, 由NE研究院為大家帶來日經新聞對未來20年以後汽車行業大預測.
汽車電動化比率是決定動力總成趨勢的關鍵, 這將極大地影響在發動機方面具備優勢的日系配套廠商們在今後的發展方向. 2017年電動汽車開始向普及邁開了步伐, 中國與歐洲的EV轉化步伐逐漸清晰起來. 中國從2019年開始導入新能源積分, 強制要求汽車廠商生產銷售EV汽車. 中國政府的強勢政策推動了全球EV的存在感. 而歐洲市場的電動化, 與包括大眾在內的歐系巨頭在中國市場的份額很高不無關係, 對於中國他們別無選擇.
然而, 放眼至2030年來看, EV的比例應該不會一下子上升 (圖1) . 新車銷售中EV所佔比例保持在10% 左右的觀點是主流. 而即使電池價格將足夠便宜, 大部分人還是認為充電時間長, 充電基礎設施少的問題很難解決 (圖2) .
圖1 主要市場動力總成配置的變化
上表為日本德勤諮詢公司針對歐美日中印5國的市場變化預測結果. 在對電動汽車看漲的整體趨勢中, 實際上可以看到至2030年為止的預測值是相對適中的. 日經線上採用該預測值的同時, 參考日本的HEV普及曲線來計算了實際可能實現的值, 認為2025年全球的電動汽車市場將達到400萬輛左右, 2030年將達到1000萬輛左右的規模.
圖2 鋰離子電池價格預測 (電芯的價格持續下降, 至2022年下降到100usd/kwh)
各類研究機構關於2030年EV比率的預測值差異很大, 從1.6% 至26% 不等, 當然石油公司會把值拉小, 而超過20%以上的則是一部分金融金購. 除掉這些極端數值, 日本國內的行業分析師普遍認為的數值是在10%左右.
因此日本汽車配套製造商有足夠的時間為電動汽車做準備. 相反, 如果一下子就完全轉向電動汽車並帶動發動機業務走向彎道是非常危險的, 因為10% 左右的比率還無法使EV事業達到現有發動機事業的利潤.
展望2040年的汽車電動化
如果日本製造商急於電動化, 就不能忽視利用中國形勢的危險. 通過儘早釋放發動機技術的優勢, 以通用化EV相關技術, 實現低成本為武器, 從而超越中國的崛起.
中國的NEV法規對日本廠商有強烈的對抗意識, 雖然中國的電動化舉措旨在改善大氣汙染, 但是卻把可能是真正解決方案的HEV汽車排除在了對象之外. 中國戒備利用豐田和本田等日本廠商具備強大技術實力的領域. 由此, 可以預計至2030年左右, 日本廠商都無法與中國, 歐洲的電動化戰略同流 (中西汽車工業研究所中西孝樹先生) .
另一方面, 中國與歐洲的電動化形勢也不至於讓日本廠商束手無策. 2017年12月豐田與日本宣布合作開發電池, 似乎打算在電動汽車的核心電池方面建立一個日系聯盟, 從而構建一個不依賴中國的機制.
在20世紀20年代, 中國電池廠商提供世界上最便宜的鋰離子電池的可能性最高, 因為量產規模會直接左右鋰離子電池的競爭力. 中國廠商在NEV積分的背景下, 進行了巨額投資, 有大規模的量產計劃. 從汽車行業零部件採購原則來看, 是希望從中國採購電池的, 但是如果將關鍵零部件的供應交給對日本抵抗意識強烈的中國, 會存在很大風險. 豐田與松下的合作, 可以說是在中國製造商崛起之後, 努力鞏固在日本的穩定電池採購點.
展望2040年, 主流預測大部分認為EV比率將超過30%. 研究機構很有可能是通過 '倒推' 進行的逆向計算預測, 因為到2050年全球CO2的排放量相比2010年需要減少90%, 由此需要的EV比率必須達到30%左右. 當然, 考慮到全球變暖的對策, 這是一個全世界應該瞄準的水平.
電機專註於高速領域的高效率
電動化不會一蹴而就, 但是HEV的比例將急劇上升. 歐系主推的48V低功率簡易HEV將呈現爆發性增長, 到2020年代前半將達到1000萬台規模, 到2030年中期達到3000萬台規模. 之後, 逐步被EV等取代, 呈減少趨勢. 至2030年, 豐田和本田強勁的高功率型HEV將逐漸增加到1000萬台規模, 2020年以後將會出現相容48V的高功率HEV, 從而推動市場的發展.
關於電動化普及率最難看清楚的是PHEV. 研究機構的觀點也分成兩派, 其中JP摩根證券預計, PHEV將會低迷,到2028年達到最高值600萬的規模,這之後預計就會停滯. 這一觀點主要是基於美國和中國的環境法規強調EV的普及而不是PHEV. 另一方面, 德勤 (Deloitte Tohmatsu) 諮詢公司預計2030年PHEV在主要市場為1300萬台規模, 2040年將達到6000萬台, 主要是考慮高功率型和簡化型HEV的需求朝PHEV轉化.
就電池而言, 隨著中國製造商的崛起, 鋰離子電池的價格將會逐步降低. 同時, 固態鋰離子電池將投入實際使用 (圖3) . 豐田計劃在2020年代前半量產的全固態電池是最為激進的計劃, 但充電時間可以縮短, 能量密度可以大大增加.
圖3 電解質的固化是切換正負極材料的契機
2020年代前半, 將出現利用硫化物固體電解質的電池, 之後, 正極和負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從液體替換為固體, 之所以能提高能力密度是因為固體電解質比電解液更容易提高穩定性, 從而可以適用電流容量密度更大的正負極材料. 當然最初可能商業化的全固態電池是雖然使用硫化物的固體電解質, 但正負極依然是常規材料三元系與石墨的電池, 能量密度無法提升太多, 主要是縮短了充電時間.
面向2030年, 正極材料採用硫 (S) , 負極材料採用金屬鋰的鋰硫電池能量密度能達到現有水平接近3倍的700Wh/kg. 而2030年以後, 使用 '空氣電極' 作為正極, 金屬鋰作為負極的全固態鋰空氣電池有很大的實現可能性. 其瞄準的能量密度是超過現有水平5倍的1500Wh / kg.
到2030年為止, 電機開發的重點將圍繞提高高速運轉領域的效率. 現有的EV在超過100km/h的高速下行駛的話, 續航裡程就會大幅降低. 因為除了電池之外, 電機的效率也顯著下降 (圖4) . 而針對這一問題的有力解決方案是可根據運轉速度範圍改變磁通密度的可變磁通電動機的實際應用.
圖4 電機在高速旋轉區域效率低下是最大的弱點
目前電動車以超過100km/h的速度高速行駛時效率會大大下降. 這是因為在高速旋轉區域需要弱磁控制. 為了提高高速範圍的效率, 可變磁通電機的開發取得了很大進展.
效率在高速域內下降的主要原因是必須進行弱磁控制. 當電機轉速增加時, 反電動勢變大, 反而使得轉速無法上升. 雖然弱磁控制產生反向磁通, 但電流增加, 效率降低. 可變磁通電機可以改變磁通密度, 所以不依賴於減弱磁場控制.
2030年以後可能開花的是使用後釹磁鐵的電機. 目前, 對下一代磁鐵的研究正在進行, 磁力將在180°C時達到常規磁鐵磁力的兩倍, 由此可能導致電機的顯著小型化.
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. 靜岡理工科大學與豐田合作, 發現了使用釤 (Sm) 的1-12系磁體. 而另一種則是由Fe和鎳 (Ni) 組成的稱為 L10型晶體結構的磁體. 使用自然界大量存在的Fe和Ni, 也能產生與釹磁體相當的磁力. 喪失磁力的居裡溫度是550℃, 比釹磁鐵高200℃以上.
2040年左右也可能實現使用CNT (碳納米管) 作為繞線的電機. 更換銅線可以大幅變輕. CNT碳納米管是一種圓柱形材料, 具有直徑為納米數量級的碳原子六元環. 除了優異的導電性和導熱性, 質量僅為鋁的一半.
金剛石MOSFET能實現嗎
搭載電源變換器的PCU核心開關電路中使用的晶體管不斷進化, 實現了小型高效化. 儘管目前的主流還是矽 (Si) IGBT (絕緣柵雙極型晶體管) , 但碳化矽 (SiC) 材料的MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管) 有望在2020年代普及 (圖5) . 與Si相比, 損耗可降至1/10, 驅動頻率可提高10倍. 但是目前如何降低價格是最大的課題, 但隨著大直徑晶圓的發展, 價格會不斷下降. 此外, 2020年代氮化鎵 (GaN) MOSFET的實際應用也很可能開始.
圖5 電裝的SiC晶圓製造工藝
電裝正在開發一種技術, 將SiC粉末原料在2300℃以上的高溫下加熱, 使得在晶種上結晶生長高質量的SiC晶體. 據說生長直徑150mm, 厚度20mm的晶體需要花費100多個小時. 設備圖片由DENSO提供, 晶圓照片由日經雜誌拍攝.
到2030年, 使用氧化鎵 (Ga2O3) 的MOSFET進入人們的視野. 它比SiC或GaN更加便宜, 而且可以實現相同或更高的開關性能. 從2040年起, 被稱為 '終極半導體材料' 的金剛石型MOSFET可能被投入實際使用. 它超越現有材料的所有物理性能, 如流動性, 導熱性等等.
我們預測在內燃機的開發中, 汽油發動機引擎的熱效率到2020年將達到45%左右, 2030年超過50%, 而2040年將達到60%以上. 達到45% 的關鍵是超稀薄燃燒, 通過燃燒理論空燃比達到2倍以上的混合氣體而實現. 馬自達可能會是世界上第一個在2019年實現量產的企業 (圖6) .
圖6 汽油發動機飛速發展
(a) 日產將在2018年量產具有無級可變壓縮比機構的汽油發動機. (b) 馬自達將在2019年實現空燃比超過30的超稀薄燃燒的無極可變壓縮比發動機的商品化. 圖片分別來自日產與馬自達.
日產汽車正計劃2025年左右開發一款發動機, 該發動機作為HEV發電專用, 目標可實現50%以上的熱效率. 應用到2018年量產的可變壓縮比發動機的同時, 實現超長行程機構. 至2030年, 保溫發動機的開發成為提高熱效率的關鍵. 如果能夠發現可對氣缸內壁進行熱屏蔽的新材料, 則可以減少佔發動機損失主要部分的冷卻損失. 到了2040年, 如果能實現排熱回收和複合迴圈, 則熱效率可能達到與高效火力發電廠相媲美的60% 以上.
