打破電動(dòng)汽車成本桎梏

寂靜天花板

提高電動(dòng)汽車的市場(chǎng)滲透率一直以來受到兩大因素的制約，分別是續(xù)航里程和購買成本。這兩大因素從根本上說是彼此對(duì)立的，因?yàn)榧冸姵仉妱?dòng)汽車的主要成本來自于電池。為了達(dá)到延長續(xù)航里程的目的而增加電池的尺寸，正如特斯拉在Model S上采取的策略，最終的結(jié)果就是較高的零售價(jià)格。
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- k% l, h- h9 Z7 Y8 T1 i1 B9 R! B同樣地，為了降低成本而縮小電池的尺寸，那么車型的續(xù)航里程就或縮短，讓市場(chǎng)無法接受。的確如此，盡管電池技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但是據(jù)Navigant Research研究員Scott Shepard預(yù)測(cè)，2023年全球電動(dòng)汽車銷量預(yù)計(jì)僅占所有輕型汽車銷量的2.4%。

" K8 z3 `2 u; U! c; Y解決這一問題的唯一出路就是降低電傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的成本。全球領(lǐng)先汽車制造商正在加快研發(fā)，尋求解決方案，比如計(jì)劃于2017年推出的雪佛蘭Bolt電動(dòng)車據(jù)稱續(xù)航里程可達(dá)322km，市場(chǎng)售價(jià)僅為3萬美元（扣除政府補(bǔ)貼）。

“插電式電動(dòng)車市場(chǎng)增長迅猛，隨著幾家大型OEM廠商都宣稱將在高增長的SUV 領(lǐng)域推出新的車型，此類電動(dòng)汽車的發(fā)展步伐將進(jìn)一步加快，”Shepard說道。大眾前CEO馬丁• 文德恩此前在接受德國報(bào)紙Bild采訪時(shí)透露，大眾位于硅谷的電子研究實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)一種小型且成本較低的電池，可以讓大眾旗下一款車型的續(xù)航里程達(dá)到300km。“這對(duì)電動(dòng)汽車來說是一個(gè)質(zhì)的飛躍，”他如此說道。

+ o" q6 J" d- W1 C) |' x特斯拉也制訂了可大幅降低成本的策略，而且基于該策略正在開發(fā)一款成本低于Model S的車型。該公司最大的機(jī)會(huì)在于其與松下的合資公司在美國內(nèi)華達(dá)州建立的Gigafactory工廠——根據(jù)該公司規(guī)劃，這家工廠到2020年生產(chǎn)的鋰離子電池甚至多于2013年全球鋰離子電池的產(chǎn)量。
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) ?: \0 \( ?5 G2 q1 u通用和LG Chem工程師將2016款雪佛蘭Volt車型上鋰離子電池單元的數(shù)量從之前的288顆減少到了192 顆， 不僅節(jié)省了成本也減少空間和重量

6 [$ V/ T+ ]+ }日產(chǎn)顯然也非常認(rèn)同在美國建立一家大型、整合式生產(chǎn)設(shè)施作為電動(dòng)汽車成本控制措施的價(jià)值。據(jù)該公司發(fā)言人Paige Presley稱，作為成本削減措施的一部分，日產(chǎn)在美國田納西州小鎮(zhèn)Smyrna設(shè)立的工廠不僅生產(chǎn)Leaf電動(dòng)汽車，還生產(chǎn)該車型的電池。
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以少積多

* a: d3 s8 ^; s& D! o據(jù)報(bào)道，特斯拉Gigafactory工廠的超級(jí)規(guī)模和整合式的生產(chǎn)方式可以使鋰離子電池每千瓦時(shí)的成本降低30%。為了協(xié)助這項(xiàng)成本削減計(jì)劃，特斯拉還特別聘請(qǐng)了加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)（Dalhousie University）Jeff Dahn教授。
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Dahn的研究工作自1996年來一直受到3M公司的資助，但是對(duì)于這樣一個(gè)可以直接參與即將商業(yè)化產(chǎn)品的機(jī)會(huì)對(duì)他來說還是非常有吸引力的。他表示：“我想從小處著手，幫助Gigafactory和特斯拉取得進(jìn)一步的成功。”
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今天，特斯拉Powerwall家用儲(chǔ)能電池的售價(jià)是3500 美元，相當(dāng)于每千瓦時(shí)的成本為350美元。如果Gigafactory 的規(guī)模生產(chǎn)可以像特斯拉預(yù)測(cè)的那樣降低30%，這個(gè)成本將降低為245美元。但是這個(gè)數(shù)字還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到成本降低的目標(biāo)。
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特斯拉寄望其Gigafactory工廠可以通過規(guī)模生產(chǎn)將電池成本從今天的350美元/ 千瓦時(shí)降低到200美元左右。

  ]7 w( r) A* |, n“大家普遍認(rèn)為這個(gè)成本要低于200美元，甚至低于100美元，”Dahn說道。
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那么如此大的空間來自于哪里？Dahn表示，這些都來自于一些細(xì)枝末節(jié)，比如多孔塑料隔膜的成本。“電池隔膜如果大批量購買的話每平方米的成本大約為1.5美元，”他說道。相比較來說，來自中國最價(jià)廉的無孔塑料隔膜的成本約為每平米0.06美元。

“所以說隔膜的多孔性大大提升了成本，”他說道。因此Dahn正在尋求一種塑料隔膜的制造方法，可以在保證50%空隙率的情況下將成本降低到接近每平米6美分。
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此外，電池中還有比較昂貴的金屬，比如陽極中采用的鎳和鈷。“如果可以用更多的猛來替代鎳和鈷，那么成本效益也是非常可觀的。”

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% L- u" i8 X% E6 }Mirai 車型的電池組是豐田之前燃料電池車采用的電池組的一半大小，成本也僅為之前的1/20。

不過，對(duì)于電池中的鋁箔似乎很難找到降低成本的方式。“我們針對(duì)鋁箔做了很多試驗(yàn)，但是成本節(jié)省的空間很小，”他說道。

1 |1 y/ \$ W2 D還有一個(gè)沒那么直接的降低成本的方式是通過提升電池的使用壽命來達(dá)到。“如果可以增加電池的使用壽命，那就相當(dāng)于降低了成本，這也是我們重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，”Dahn說道。
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/ u. y, m9 U0 Z; U& b$ t& R6 V雪佛蘭Volt

雪佛蘭還沒有公布有關(guān)Bolt電動(dòng)車的技術(shù)細(xì)節(jié)，目前尚不清楚該車型是如何實(shí)現(xiàn)其所公布的目標(biāo)的。不過，雪佛蘭已經(jīng)公開討論了其第二代2016款Volt車型的電傳動(dòng)系統(tǒng)。

+ }6 m. y7 F4 I; X" c這款車型采用了LG Chem公司提供的鋰離子電池組，包含192顆電池單元，與其前一代車型的288顆相比減少了96顆。電池單元數(shù)量的減少不僅降低了成本，還使電池組的重量減少了14kg。
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“我們完全可以在已有的電池組上采取一些技術(shù)手段來提高車輛的續(xù)航里程，這樣做更容易，但是這并不是消費(fèi)者想要的，”通用動(dòng)力總成電氣化工程小組執(zhí)行總監(jiān)Larry Nitz說道。“因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)全新的電池系統(tǒng)，它將超過大多數(shù)消費(fèi)者的期望。”

新的設(shè)計(jì)讓車型續(xù)航里程提高到了80km，相比較來說，上一代車型在純電動(dòng)模式下EPA評(píng)定結(jié)果為61km。

此外，雪佛蘭還針對(duì)Volt車型的電機(jī)做了改進(jìn)。相比老款車型，新車型雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率提升了5-12%。其中一個(gè)電機(jī)完全沒有采用任何稀土金屬，而另外一個(gè)的用量也非常少。

通過更加智能的程序，這兩款電機(jī)彼此配合，能夠適應(yīng)更多的駕駛工況，可以讓2016款Volt車型從0到30mph 的加速時(shí)間（2.6s）縮短13%，從0到60pmh的加速時(shí)間（8.4s）縮短7%。所有這些改進(jìn)都將為新一代Bolt車型低成本純電動(dòng)汽車解決方案做出貢獻(xiàn)。

' y- C. v" t* {1 x) b/ N: b# U" j! c氫燃料電池
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" F& z; X0 E5 {2 o" R/ {還有一個(gè)解決方案就是完全放棄體積較大的電池組，用氫燃料電池作為車輛的動(dòng)力源，比如新款豐田Mirai即采用這種方式，該車型已經(jīng)針對(duì)2016年投入小批量生產(chǎn)。豐田技術(shù)中心燃料電池小組經(jīng)理Matt McClory表示，去掉傳統(tǒng)電池組才是低成本電動(dòng)汽車的真正解決方案。
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EPA 評(píng)估顯示豐田Mirai 燃料電池車在裝滿氫氣的情況下可以行駛312 英里。
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至于燃料電池，雖然在技術(shù)上一直有持續(xù)不斷的進(jìn)步，但是從其性能提升曲線上可以看出，此類電池的成本效益在可遇見的未來將得到大幅提升。

  @  o$ j6 m6 s0 q: y1 ^據(jù)了解，Mirai車型的電池生產(chǎn)成本僅是豐田之前在Hignlander車型上采用的燃料電池的5%。不僅如此，新的電池在尺寸上僅是上一代電池的一半。生產(chǎn)成本的降低主要來自于電池隔膜處理以及電池單元疊層自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。

1 Q7 x1 q7 K4 {燃料電池需要采用昂貴的鉑金屬作為催化劑，但是據(jù)McClory稱，新的技術(shù)進(jìn)步可以讓豐田公司大幅降低這種材料的用量。事實(shí)上，燃料電池中的鉑金屬用量很快就會(huì)達(dá)到與目前內(nèi)燃機(jī)尾氣控制中催化轉(zhuǎn)化器中所用的鉑的用量。因此，在燃料電池車替代傳統(tǒng)車型的同時(shí)，全球市場(chǎng)對(duì)鉑的需求并不會(huì)增加。

1 O4 c' @8 [2 F( L/ G! J8 f: L此外，燃料電池通常還需要配備一個(gè)加濕器來確保膜的濕度，不過豐田公司開發(fā)了一個(gè)新的技術(shù)，可以去掉這個(gè)加濕器，從而降低系統(tǒng)的成本。Mirai車型也是第一個(gè)沒有采用加濕器的量產(chǎn)型燃料電池汽車。
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/ ?; J* H! y5 W, s+ M0 E5 C與其他致力于燃料電池研發(fā)的公司一樣，豐田還改進(jìn)了碳纖維儲(chǔ)氫罐的制造工藝，這也幫助降低了成本。Mirai車型比之前的Highlander車型小，因此它只需要兩個(gè)壓力為70MPa的儲(chǔ)氫罐（Highlander上是四個(gè)），就可以提供令人滿意的續(xù)航里程。

6 x/ s+ {: I& Z" M, L( n在Mirai車型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，豐田的成本削減方案還包括盡可能多地采用來自大批量混合動(dòng)力車型中的零部件。在該車型上，豐田采用了電壓升降轉(zhuǎn)換器將燃料電池相對(duì)較低的電壓與來自公司量產(chǎn)混合動(dòng)力車上較高電壓的電機(jī)進(jìn)行匹配。
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“相比為適應(yīng)燃料電池的電壓?jiǎn)为?dú)開發(fā)一個(gè)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器來說，這種方式無疑更加經(jīng)濟(jì)，”McCory解釋道。所有這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的改進(jìn)對(duì)促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及來說將發(fā)揮重要的作用。
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