Introdução: Desde 1879, a primeira Mercedes-Benz de Benz no Benz tem sido um carro com uma história de quase 140 anos. Desde 140 anos, a forma de um carro sofreu enormes mudanças. No futuro, a indústria automobilística será mais violenta O que o carro mudará em 20 anos? Hoje, o NE Research Institute traz Nikkei News para a grande previsão da indústria automobilística nos próximos 20 anos.
O índice de eletrificação automotiva é a chave para determinar a tendência do powertrain, o que afetará muito as vantagens dos fabricantes de motores japoneses ter a direção futura do desenvolvimento. Em 2017, os veículos elétricos começaram a acesso universal ao ritmo da China e da Europa A conversão EV gradualmente limpa.China a partir de 2019 para os novos pontos de energia, fabricantes de veículos obrigatórios para fabricar e vender veículos EV. Política forte do governo chinês para promover a existência de um senso EV global. Eletricização do mercado europeu, incluindo o público na Dentro do gigante europeu na participação do mercado chinês não está relacionado, eles não têm escolha para a China.
No entanto, até 2030, a participação dos EVs não deve aumentar de uma só vez (Figura 1). A visão de que as vendas de carros novos representam cerca de 10% dos EVs é o mainstream, e mesmo se os preços das baterias forem baratos o suficiente, a maioria das pessoas Ainda acho que o carregamento a longo prazo, a infra-estrutura de cobrança é difícil de resolver o problema (Figura 2).
Figura 1 Principais mudanças na configuração do Powertrain do mercado
A tabela acima mostra os resultados de previsão do Japão Deloitte Consulting Co., Ltd. para as mudanças de mercado na Europa, nos Estados Unidos, no Japão, na Índia e em outros cinco países. Na tendência geral dos veículos elétricos de alta, podemos realmente ver que o valor da previsão é relativamente modesto até 2030. Nikkei Online Usando essa previsão, calculamos o valor real possível com referência à curva de penetração HEV do Japão. Pensamos que o mercado global de veículos elétricos chegará a cerca de 4 milhões até 2025 e cerca de 10 milhões até 2030.
Figura 2 Previsão de preços das baterias de íons de lítio (os preços das células continuaram a diminuir, até 100usd / kwh até 2022)
As estimativas das taxas de EV por vários institutos de pesquisa variam de 1,6% para 26% até 2030. Naturalmente, as empresas de petróleo farão pequenas, enquanto as que possuem mais de 20% serão financeiras. Valores extremos, os analistas da indústria japonesa geralmente acreditam que o valor é de cerca de 10%.
Portanto, as montadoras do Japão têm tempo suficiente para se preparar para EVs e, pelo contrário, seria muito perigoso transformar completamente EVs e impulsionar o negócio de motores para curvas de uma vez, uma vez que a taxa de EV de cerca de 10% não é suficiente Os lucros do negócio de motores existentes.
Olhando para a eletratação do carro 2040
Se os fabricantes japoneses estão ansiosos para se mobilizar, eles não podem ignorar o perigo de usar a situação na China e superar o crescimento da China, universalizando as tecnologias relacionadas a EV e realizando armas de baixo custo através da liberação antecipada da tecnologia do motor.
Os regulamentos NEV da China têm um forte senso de confronto com os fabricantes japoneses e, embora as iniciativas de eletrificação da China visem melhorar a poluição do ar, exclui os veículos HEV que podem ser a solução real. Alerta da China utiliza Toyota, Honda, etc. Como resultado, os fabricantes japoneses não podem esperar para competir com as estratégias de eletrificação da China e da Europa por volta de 2030 (Sr. Takao Nakashiro, Instituto Central e Ocidental da Indústria Automotiva).
Por outro lado, a eletrificação na China e na Europa não será esmagadora para os fabricantes japoneses. Em dezembro de 2017, a Toyota e o Japão anunciaram sua cooperação para desenvolver baterias que parecem estar atentas ao estabelecimento de uma aliança japonesa na bateria central de veículos elétricos para criar uma empresa independente. Mecanismo da China.
Na década de 1920, os fabricantes chineses de baterias provavelmente ofereceriam as baterias de iões de lítio mais baratas do mundo porque a escala de produção afetaria diretamente a competitividade das baterias de íon de lítio. Os fabricantes chineses fizeram grandes investimentos no contexto de pontos NEV Existe um plano de produção em grande escala a partir dos princípios de aquisição de peças de automóveis do ponto de vista, está procurando comprar baterias da China, mas se os principais componentes do fornecimento ao forte senso de resistência no Japão, China, haverá um grande risco A cooperação entre a Toyota e a Matsushita pode ser dito ser um esforço para consolidar o ponto de compra de bateria estável no Japão após o surgimento dos fabricantes chineses.
Ansioso para 2040, a maioria das previsões do mainstream considerará que o índice de EV excederá 30%. As instituições de pesquisa são provavelmente projeções de engenharia reversa por "pushback" porque as emissões globais de CO2 precisarão ser reduzidas em 90% Assim, exigindo uma taxa de EV de cerca de 30%, o que, é claro, é um nível que o mundo deve apontar para a resposta ao aquecimento global.
O motor está focado em alta eficiência no campo de alta velocidade
A eletrificação não acontecerá da noite para o dia, mas a proporção de HEV aumentará bruscamente. O impulso principal europeu de 48V de baixo consumo de energia elétrica HEV mostrará crescimento explosivo, na primeira metade da década chegará a 10 milhões de unidades no meio de 2030 a 30 milhões de unidades. E, gradualmente, será substituído por EVs e similares, mostrando uma tendência decrescente. Até 2030, os fortes VVs de alta potência da Toyota e da Honda aumentarão gradualmente para 10 milhões de unidades e os VHE de 48V de alta potência serão introduzidos após 2020, dirigindo o mercado Desenvolvimento.
A figura mais difícil de ver na penetração da motorização é a PHEV, que também está dividida em dois grupos, e a JP Morgan Securities espera que o PHEV seja lento para atingir seu pico de 6 milhões em 2028, após o que se espera que se detenha. este ponto de vista baseia-se principalmente sobre os regulamentos ambientais norte-americanas e chinesas enfatizar a popularidade de EV em vez de PHEV. por outro lado, a Deloitte Touche Tohmatsu (Deloitte Tohmatsu) consultoria espera que 2030 PHEV no principal mercado de 1300 milhões de unidades de tamanho em 2040 chegará a 60 milhões Taiwan, principalmente para considerar a transformação do PHEV de alta potência e necessidades de HEV simplificadas.
Em termos de bateria, com o aumento dos fabricantes chineses, o preço da bateria de iões de lítio será gradualmente reduzido enquanto a bateria de íon de lítio de estado sólido será colocada em uso prático (Figura 3). A Toyota planeja a produção em massa na bateria de todo o estado sólido de metade dos anos 2020 É o plano mais radical, mas o tempo de carregamento pode ser reduzido, a densidade de energia pode ser grandemente aumentada.
Figura 3 A cura por eletrólito está alterando a oportunidade de materiais positivos e negativos
Na primeira metade da década de 2020, surgirão baterias com eletrólitos sólidos de sulfeto. Depois disso, os materiais positivos e negativos serão substituídos por novos materiais, resultando em um aumento significativo da densidade de energia.
A bateria acima é para substituir o eletrólito de líquido em sólido, a capacidade de aumentar a capacidade, porque o eletrólito sólido é mais fácil do que o eletrólito para melhorar a estabilidade, o que pode ser aplicado à densidade de corrente de material de eletrodo mais positivo e negativo. Claro, inicialmente comercialmente disponível As baterias de todo o estado sólido são eletrólitos sólidos que usam sulfetos, mas os eletrodos positivos e negativos ainda são baterias ternárias e baseadas em grafite de materiais convencionais. A densidade de energia não pode ser aumentada demais, principalmente devido ao tempo de carregamento reduzido.
Para 2030, o material do cátodo usa enxofre (S), a bateria de lítio-enxofre com material de ânodo de lítio metálico pode atingir a densidade de energia de 700Wh / kg, que é quase 3 vezes do nível atual, e após 2030, o "eletrodo de ar" O lítio como uma bateria de lítio-ar negativa de todo o estado sólido tem uma ótima possibilidade de atingir sua densidade de energia direcionada é mais do que 5 vezes o nível atual de 1500Wh / kg.
Até 2030, o desenvolvimento do motor se concentrará em melhorar a eficiência na operação de alta velocidade. Os EVs existentes que dirigem a mais de 100 km / h terão um intervalo de cruzeiro significativamente menor porque, além da bateria, a eficiência do motor (Figura 4), e uma solução forte para este problema é a aplicação prática de um motor de fluxo variável que pode variar a densidade do fluxo dependendo da faixa de velocidade operacional.
A Figura 4 do motor na área rotativa de alta velocidade é a maior fraqueza da ineficiência
Atualmente, a eficiência dos veículos elétricos que funcionam a alta velocidade em mais de 100 km / h será bastante reduzida, devido à necessidade de controle de enfraquecimento no campo na região de rotação de alta velocidade. Para melhorar a eficiência do alcance de alta velocidade, grandes progressos foram feitos no desenvolvimento do motor de fluxo variável.
Quando a velocidade do motor aumenta, o EMF traseiro aumenta, mas a velocidade não pode aumentar. Embora o controle de enfraquecimento do fluxo produza fluxo inverso, mas a corrente aumenta, a eficiência diminui. O motor de fluxo variável pode alterar a densidade do fluxo magnético, portanto, não depende do enfraquecimento do controle do campo magnético.
Os motores de íman de Neodímio atuais provavelmente florescerão após 2030. Atualmente, a pesquisa sobre a próxima geração de ímãs está em andamento e a força magnética atingirá o dobro da força magnética de ímãs convencionais a 180 ° C, o que pode resultar em uma miniaturização significativa do motor.
Existem dois materiais promissores, um é um ímã de terras raras da série 1-12 com uma proporção 1: 12 de elementos de terras raras para ferro (Fe). A Universidade de Tecnologia de Shizuoka, em colaboração com a Toyota, descobriu o uso de samário (Sm) 1-12 ímãs e o outro é um ímã da estrutura cristalina de tipo L10 consistindo em Fe e níquel (Ni), com o uso de Fe e Ni em grandes quantidades na natureza para produzir forças magnéticas equivalentes às dos ímãs de neodímio. A temperatura Curie magnética é de 550 ℃, superior ao ímã de neodímio acima de 200 ℃.
Também é possível usar CNTs (nanotubos de carbono) como enrolamentos em torno de 2040. O fio de cobre pode ser drasticamente mais leve para substituir o CNT Os CNTs são materiais cilíndricos com um anel de carbono de seis membros com um diâmetro na ordem dos nanômetros. Além da excelente condutividade elétrica e térmica, a qualidade é apenas a metade do alumínio.
MOSFET de diamante pode alcançá-lo
Os transistores utilizados nos circuitos de comutação de núcleo da PCU equipados com conversores de energia têm evoluído para alcançar a miniaturização e a eficiência. Embora o mainstream da corrente seja ainda IGBT de silício (Si) (transistores bipolares de porta isolada), os MOSFETs de carboneto de silício (SiC) (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) deverá ser popularizado em 2020. Em comparação com Si, a perda pode ser reduzida para 1/10, a frequência de condução pode ser aumentada em 10 vezes, mas como reduzir o preço é o maior problema atualmente, mas Com o desenvolvimento de bolachas de grande diâmetro, o preço continuará a diminuir. Além disso, a aplicação prática do MOSFET de nitreto de gálio (GaN) nos anos 2020 também é provável que comece.
Figura 5 Processo de fabricação de bolacha SiC
Denso está desenvolvendo uma tecnologia que aquece a matéria prima em pó SiC a altas temperaturas acima de 2300 ° C para cristalizar e crescer cristais de SiC de alta qualidade nos cristais de semente. Dizem que leva cerca de 100 horas para crescer cristais com um diâmetro de 150 mm e uma espessura de 20 mm. Foto do dispositivo, cortesia da DENSO, foto da bolacha cortesia da Nikkei.
Em 2030, o uso de MOSFET de óxido de gálio (Ga2O3) no campo de visão. É mais barato do que SiC ou GaN, e pode atingir o mesmo ou maior desempenho de comutação. Desde 2040, conhecido como o "material semicondutor final" Os MOSFET de tipo diamante podem ser colocados em prática, superando todas as propriedades físicas dos materiais existentes, como fluxo, condutividade térmica e muito mais.
Prevemos que, no desenvolvimento de motores de combustão interna, a eficiência térmica dos motores dos motores a gasolina atingirá cerca de 45% até 2020, mais de 50% em 2030 e mais de 60% em 2040. A chave para atingir 45% é a combustão ultra-magra, A relação ar-combustível atingiu mais de 2 vezes o gás misto para alcançar e a Mazda pode ser a primeira produção em massa do mundo em 2019 empresas (Figura 6).
Figura 6 desenvolvimento rápido do motor a gasolina
(a) A Nissan produzirá motores de gasolina com taxa de compressão infinitamente variável até 2018. (b) A Mazda comercializará motores de proporção de compressão variável sem queimaduras ultra-lean com uma relação ar-combustível de mais de 30 até 2019. Imagens da Nissan e Mazda, respectivamente.
A Nissan planeja desenvolver um motor para uso na geração de HEV em torno do ano 2025 com o objetivo de alcançar mais de 50% de eficiência térmica. O motor será construído usando um mecanismo de taxa de compressão variável produzido em massa em 2018 e realizará uma longa viagem. O desenvolvimento de motores isolados foi fundamental para melhorar a eficiência térmica em 2030. A descoberta de novos materiais que protegem termicamente as paredes do cilindro reduz as perdas de resfriamento que representam a maior parte das perdas do motor e em 2040 se a recuperação de calor e / Ciclo combinado, a eficiência térmica pode chegar a 60% ou mais, comparável às usinas térmicas de alta eficiência.
