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步入戰國時代的電動車產業

步入戰國時代的電動車產業

張玉圓、賴宛靖、王明德

科技線上

工業技術與資訊

2021-04-16

19世紀,第一輛電池動力車問世,2021年,全球電動車銷售將突破300萬輛,百年以來,電池技術的持續演進,充電設施的加速滲透,電動車即將展開飛躍成長,駛向更快、更遠、更安全的未來。

減碳趨勢吹起全球電動車風潮
車電產業戰國時代華麗揭幕

 

電動化

為了達到積極的減碳目標,許多國家已訂出禁售燃油車或全面電動化的時程,眾多推力加速電動車時代的到來。

 

2020年汽車業遭新冠疫情重創,全球汽車銷售量出現約2成衰退,幸好在各國刺激經濟與減碳政策加持下,電動車一枝獨秀,工研院IEK Consulting指出,去年全球新能源車(含純電車、燃料電池車與插電式混合動力車)銷量達296.3萬輛,年增46%,預計於2035年到2040年間超越燃油車,全球產值上看2.1兆美元。

 

儘管目前電動車占全球新車銷售仍不到5%,但在2020年已成為最熱門產業。工研院產業科技國際策略發展所所長蘇孟宗分析,電動車時代來臨,主要歸功於三大驅動力:全球暖化、減碳目標及政策利多。

 

2019年聯合國氣候峰會有77個國家及地區,宣誓在2050年達到淨零碳排;2020年新冠疫情爆發後,全球興起綠色復甦的浪潮,為了達到積極的減碳目標,許多國家已訂出禁售燃油車或全面電動化的時程,眾多推力加速電動車時代的到來。

 

2025年歐美逾百款電動車問世

 

趁此汽車產業重新洗牌、百年難得一遇的轉型時刻,不論是傳統車廠、電動車廠,甚至新創小廠,都傾全力研發創新,搶占商機。歐洲運輸環境聯合會預估,2022及2023年,歐洲地區每年都將有30款以上的電動車問世,到了2025年,歐洲市場將有172款電動車可供消費者選擇。研調機構IHS Markit也預測,在美國市場,2026年將出現130款電動車,由43個不同品牌車廠提供。

 

在眾家車廠中,引領這波電動車浪潮的就是特斯拉(Tesla)。2020年是Tesla表現亮眼的一年,50萬台的銷售量成功達標,在全球新能源車銷量的占比攀升到24.5%,穩坐冠軍,遙遙領先第二名福斯汽車(VW)的6.6%。

 

軟體定義載具 Tesla搶頭香

 

Tesla自2012年首度推出Model S以來,旗下車款屢屢掀起市場話題,吸引許多傳統車廠跟進。然而,Tesla的策略不止販賣車體本身,其科技業的思維儼然是汽車界的蘋果,不僅銷售硬體,也推動生態系加值服務,未來不光是電動車賣錢,所衍生的自動駕駛及其他服務,也可收費,宛如智慧手機龐大的周邊生態系,這種想像無限的應用與商機,形塑電動車與傳統燃油車的最大差異。

 

目前各大車廠開發電動車的主要趨勢為「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle;SDV),Tesla的空中下載技術(Over-the-Air Technology;OTA)進化史即是最佳例證,其OTA應用重點從2012年推出的人機介面,進展至自動駕駛及車載娛樂,包括鎖定座椅記憶、語音控制、地圖顯示、自動駕駛輔助系統、障礙物偵測;2020年1月更正式推出付費網路服務。目前Tesla推出的服務包括增強型自動輔助導航(Enhanced Autopilot;EAP)及全自動輔助駕駛(Full Self-Driving;FSD),都已向車主收費,採一次性買斷,未來將推出按月訂閱制。

 

Tesla

Tesla的策略不止販賣車體本身,不僅銷售硬體,也推動生態系加值服務,未來不光是電動車賣錢,所衍生的自動駕駛及其他服務,也可收費。

 

打破車廠自製模式 Apple Car可能委外代工

 

放眼電動車產業,不論是話題、關注度或創新地位,足以與Tesla互相抗衡的,應屬尚未問市、但盛傳將在2024年量產的Apple Car。豐田汽車(Toyota)總裁豐田章男曾發表對Apple Car的看法:「任何人都可以製造汽車,只要有技術能力。然而車子一旦造出來,就必須面對消費者,提供長達40年的售後服務,這是科技業應該要認知的。」

 

即便是以科技業身份跨足汽車業,Tesla仍選擇自建產線,花了17年跌跌撞撞才學會繁複的汽車製造,但擅長研發、行銷、通路管理的蘋果,在製造面似乎打算沿用iPhone模式,傾向委外代工。分析師指出,蘋果的毛利遠高於汽車製造商,如跨足製造及服務網絡龐大的汽車產業,能否維持高毛利,仍有疑慮,但一向擅長破壞式創新的蘋果,或許已看到電動車產業不同的市場。

 

從專利看Apple Car設計思維

 

Apple Car是2014年於蘋果內部啟動的泰坦計畫(Titan Project),市場上認為蘋果目前計畫打造消費大眾使用的個人車輛,在乘用市場一較高下,但也不排除縮小規模,只推出先進車用作業系統,並與1、2家傳統汽車大廠結合。相形之下,Google電動車Waymo的商業模式就大不相同,其訴求全自動駕載客服務(Waymo One)或貨運運送服務(Waymo Via),而非販售車輛本身。

 

蘇孟宗指出,Apple Car的設計思維可從蘋果的專利布局看出端倪,包括擋風玻璃的全息投影、車輛感知警報系統、隱藏式使用介面、車內溫濕度控制系統、自動充電站、光纖主動式頭燈等等,都是業界關注焦點。其電池概念也是產品策略的核心之一,採用單體(Monocell)設計,減少多餘的封裝模組,以大幅降低成本並提高續航力;據傳蘋果也在評估更安全、不易過熱的磷酸鋰鐵電池(LFP)材料。

 

傳統車廠大進擊 大量電動車加速問世

 

面對科技業大軍壓境,傳統車廠一改過去聊備一格的電動車策略,訂出積極的電動車生產及銷售目標,包括奧迪、福斯、保時捷、Jaguar、雙B、福特、日產、Volvo、現代、Kia等車廠,皆推出各種馬力、價位、續航力的車款,這些傳統車廠的策略宣示與重金投資,更象徵電動車時代的來臨。

 

為了維持歐洲全球最大電動車市場的地位,歐洲車廠對電動車的投資與推廣相對積極。占英國汽車產量3成的豪華汽車品牌捷豹路虎集團(JLR),2019年就宣示「脫柴入電」,斥資10億元英鎊,將其歷史悠久的英國Castle Bromwich產線轉為專門生產電動車的工廠。JLR也在新任執行長博洛雷(Thierry Bolloré)上任後宣誓,2025年Jaguar品牌不再生產燃油引擎車,以符合英國政府2030年全面禁售燃油車的規範,2039年達到淨零碳排的目標。

 

德國BMW也在去年12月宣布加速電動車計畫,以達減排目標。2023年之前,BMW集團將推出25款新型電動車,其中13款為純電,其餘為混合動力車。在2021年底前,該集團將有100萬輛電動車上路;2025及2030年,集團營收來自歐洲電動市場的比重分別為33%及50%。

 

BMW以往的生產策略是多項車款皆用相同底盤,僅少數特殊車款例外。即將大舉推出的電動車系列也不例外,去年11月,BMW宣布正在開發電動車專用底盤,以便未來在製造流程上更具彈性。2020年7月,BMW在其歐洲最大製造中心丁戈爾芬(Dingolfing)啟用全新的電動車元件製造中心,從原先生產電動馬達,進一步製造完整的動力系統,包括馬達、傳動系統、電力元件全部整合其中。

 

電動車銷售量緊追在Tesla之後的福斯也訂出積極的電動車目標,包括2023年電動車銷售100萬輛、2025年電動車占營收25%、2028年推出70款新款電動車(原訂目標50款)。

 

美國車廠的腳步不如歐洲積極,但正在加速追趕。福特宣告在2022年前投資115億美元發展電動車,目標是屆時全球有40款電動車。通用汽車(GM)目標2025年全球電動車銷售達百萬輛,2030年之前有20款電動車問世,並以旗下豪華車品牌凱迪拉克,作為主力。

 

BMW

BMW也在去年12月宣布加速電動車計畫,2023年之前,將推出25款新型電動車,其中13款為純電,其餘為混合動力車。

 

亞洲車廠善用合縱連橫模式

 

相形之下,亞洲車廠則更熱衷以合縱連橫的方式開發電動車市場。豐田與比亞迪(BYD)在2020年便宣布合資發展純電動車;中國大陸上海汽車集團也與福斯合作,投資23.3億美元在電動車開發商;比亞迪也與日野策略合作,開發商用電動車。

 

身為亞洲汽車業龍頭,豐田設定電動車銷量於2025年累積達550萬輛;馬自達(Mazda)則預定在今年宣布首款電動車,2030年達到全系列車款均為電動車或混合動力車的目標;本田(Honda)的歐洲主流車款將在2022年全部改為電動;至2030年,本田全球銷售將有三分之二來自電動車。

 

新創小廠擁利基 貨卡及訂閱制搶市

 

除了傳統車廠捍衛市場動作頻頻,許多新創小廠也不容忽視。除了純電動力之外,新創小廠也搭載不同程度的自駕及聯網功能。其中最受囑目的當屬美國新創公司Rivian,因拿下亞馬遜公司10萬台電動貨車訂單,一炮而紅。其車款已具備Level 3自駕功能,並支援OTA技術。此外,Rivian在2018年對大眾市場發表的貨卡及休旅車也與亞馬遜高度結盟,車上搭載Alexa及Amazon Key等智慧功能,獲得美國消費者的熱烈預購。

 

今年是Rivian的關鍵年,3款車型包括亞馬遜電動貨車、R1T貨卡及R1S休旅車都是首度交貨,如果市場反應良好,將替電動車市場開啟新的競爭局面。Rivian的生產策略是自建產能,預計2022年產能為4萬輛,未來將在歐洲及亞洲擴廠,目標年產能30萬輛。

 

Rivian

Rivian 3款車型包括亞馬遜電動貨車、R1T貨卡及R1S休旅車都是首度交貨,如果市場反應良好,將替電動車市場開啟新的競爭局面。(Rivian提供)

 

另有兩家值得關注的電動車新創品牌:Lucid及Canoo,前者鎖定豪華電動車市場,具有Level 3自駕功能,並主打購車可享充電吃到飽的服務;後者標榜「只租不賣」,將於2022年在美國及中國大陸啟動共享訂閱制服務,使用者可透過APP支付月費。

 

蘇孟宗表示,電動車產業已進入華麗的戰國時代,新車款與銷售目標不斷更新之際,也代表了背後的無限商機;除了既有汽車供應鏈零組件,電動車的崛起,更將開展跨領域的生態系,包括軟硬整合的人機介面,以及新型態應用服務,如物流、短程接駁、偏鄉交通、都市接駁等。同樣重要的還有電動車的關鍵的基礎建設―充電設備及網路,都是值得國內業者關注的新藍海。

 

電池非「鋰」不可?

電動車吹起電池革命浪潮

 

電池

電池系統攸關電動車續航力、壽命、安全與成本,因此,電動車取代燃油車的速度,電池技術的持續進化,將是關鍵。

 

電動車發威,成為引領車市成長動能,其中占成本約3到4成的電池模組,可說是電動車能否普及的關鍵之一。彭博新能源財經(BNEF)預估,到2025年,隨市場規模成長,鋰電池價格可望降至109美元/kWh,電動車生產成本已與燃油車相近,電動車可望迎來市場起飛期。

 

有別於燃油車的電力需求小、使用傳統鉛酸電池已綽綽有餘,全球主流電動車廠皆採用能量密度較高的鋰電池,作為拓展電動車版圖的重要驅動力,「尤其是鋰離子電池的安全性、能量密度、功率密度、壽命與成本,更是業者研發重心,」工研院材料與化工研究所組長陳金銘說。

 

由於電動車電池組龐大,加上追求高能量密度,安全性就成為一大考驗,須從材料、電芯及模組等多項層面來提升安全性,可採用安全正極材料、難燃膠態電解質、固態電解質等材質改良;而串並較多的電池模組,更需要加強防延燒、建防火牆。

 

而能量密度與電動車的續航力息息相關,又分「重量能量密度」及「體積能量密度」。陳金銘舉例,智慧型手機因空間有限,其使用的電池便訴求體積能量密度;到電動車領域就需考量到整體載重,研發重點遂轉為重量能量密度。因此如何在合理重量內,提高電動車的行駛里程並降低里程焦慮,成為車廠立足關鍵。

 

功率密度則攸關電池是否能瞬間充放電,滿足消費者「隨充」需求,因此電動車若要像燃油車普及,勢必得改善充電速度。由於車子使用年限長,電池壽命的長短也攸關電動車銷量。最後是成本問題,目前電池價格占電動車價3成以上,若能設計出價格更為低廉的電池,將直接影響車價及消費者購車意願。

 

鋰電池物美價廉 將促電動車普及率

 

陳金銘指出,當前影響鋰離子電池性能與成本的關鍵是材料,其中三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鋰鐵等是最常見的正極材料,負極材料則有碳系材料,像是人造石墨、金屬化合物銅箔等。

 

為降低電動車電池成本,各廠無不在電池材料配方上絞盡腦汁。像三元材料中鈷價格高昂,Tesla在中國大陸生產Model 3時,就曾採用較便宜的磷酸鐵鋰電池,以利銷售,但存在能量密度低、低溫不運作等問題。到生產Model S時才換成鎳鈷鋁鋰電池,並降低鈷用量,以掌握電池的能量價格比(kWh/USD)。

 

根據國際能源署(IEA)統計,2010年首次用於純電車的鋰電池組,每度電成本約1,182美元,隨技術進步,到2020年時已有車用鋰電池組創下每度電僅需105美元的超低價,彭博新能源財經也預估,到2025年,鋰電池均價可望降至每度電109美元,電動車生產成本已與燃油車相近。

 

即便鋰電池的前景看好,但因無數次的充放電易影響壽命,且有燃燒隱憂,市場上仍寄望研發出超越鋰電池能量密度、安全性更高的新型電池,其中以固態電池的發展最受矚目。

 

電池

 

全固態電池將是明日之星?

 

回顧全球固態電池發展歷程,從第一代的樹脂固態電池,第二代的鋰金屬固態電池,到第三代就是全固態電池。綜觀市面上所謂的全固態電池,如日系的TDK、Kyocera或美系品牌MURATA等,仍有容量太小、成本過高的問題;而豐田汽車(Toyota)全固態電池因採用硫化物技術,也有量產挑戰待克服。陳金銘預估,全固態電池將在2030年才較為成熟,樹脂固態電池及鋰金屬固態電池等則在2025年就有機會用在電動車上。

 

其他如鋁離子、氫能燃料等電池材料的討論度也相當高。鋁離子電池雖有「進階版鉛酸電池」美稱,其特點是價格低礦產豐,惟能量密度仍不及鋰離子,僅適合取代傳統車用電瓶;燃料電池是透過氧化還原反應,把化學能轉電能的發電裝置,常見的燃料為氫,礙於氫氣活潑易爆炸的特性,在低溫儲氫技術及加氫上仍有技術瓶頸。

 

在這波電池革命浪潮中,國內廠商該如何乘風破浪,在電動車供應鏈上搶得先機?

 

MIH敲擊戰鼓 臺廠組隊更有勝算

 

自2021年3月,鴻海宣布籌組MIH電動車聯盟,目前全球已有超過千家廠商加入,預計2021年7月起積極布局製造電動車後,市場將開始盤點臺灣廠商有哪些立足點。

 

舉凡電力動力系統、驅動馬達系統、關鍵零組件、充電樁,與電池相關的有電池模組、電池芯及電池材料,國內都有業者投入,例如石化集團投資研發氧化鋰鐵磷正極材料;鋼鐵大廠轉投資生產鋰電池負極材料;工研院也將生產正極材料磷酸錳鐵鋰的技術技轉給國內粉體設備業者;亦有生產硫酸鎳、硫酸鈷的電池材料廠,都將在這波電動車風潮中,乘浪而上。

 

「臺廠雖積極布局,但為求打入電動車供應鏈,企業各自較勁,不免會分散力道,」陳金銘表示,在全球廠商各自崢嶸的競爭局面上,若未能將關鍵技術一手掌握,將容易被取代。如今臺灣已有MIH聯盟上前線擊響戰鼓,仍需政府凝聚產業向心力祭出團體戰,整合資源生產純國產的電動車電池,規畫電動車電池驗證場域,陳金銘也建議,未來可從大眾運輸系統試驗,率先採用國產電池,累積實用經驗,助臺廠在電動車電池領域攻下灘頭堡。

 

鋰電池

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

打造友善電動車充電環境

統一充電標準 飆出大商機

 

充電站

電動車若要有長足發展,除了提升車體效能外,仍須進一步完善充電站、充電樁等基礎建設。

 

即便是受新冠疫情所困的2020年,電動車仍交出了亮眼的銷售成績,然而電動車要長期穩定發展,完善的基礎建設是關鍵。工研院攜手業界廠商組成充電聯盟,期待透過充電標準介面的統一,打造友善充電環境,加速臺灣電動車的普及。

 

電動車被視為汽車產業的重要趨勢,根據工研院IEK Consulting報告,受到新冠疫情影響,全球汽車出貨量出現22.2%的大幅下滑,但電動車出貨量仍然逆勢向上,純電車與插電式混合動力車,估計成長超過4成,表現亮眼,也顯示電動車大勢所趨。

 

儘管市場熱絡,但電動車若要有長足發展,除了提升車體效能外,仍須進一步完善充電站、充電樁等基礎建設。臺灣的產、官、研界近期攜手籌組「臺灣電動車輛電能補充產業技術推動聯盟」(以下簡稱充電聯盟),工研院機械與系統研究所所長組長張念慈點出,充電聯盟的成立就是希望藉由統一充電介面,打造國內友善的充電環境,加快電動車發展腳步。

 

統一充電標準 凝結產業力量

 

綜觀全球四大主流充電樁標準,已有北美地區的CCS1、歐洲與紐澳的CCS2、日本的CHAdeMO與中國大陸的GB/T;至於電動車銷售量最大的Tesla,從一開始便自訂規格,可在從一接頭同時支援交流電(AC)與直流電(DC)兩種充電方式,之後為了因應不同市場需求,該公司又推出了CCS1與CCS2兩種轉接頭。

由此可看出,目前全球電動車充電標準仍然混雜,而且彼此之間無法相容。臺灣廠商為掌握商機,做全球生意,向來是多方押寶,然而在國內市場部分,因缺乏共容的充電標準,產業力量無法凝結,延滯了電動車的發展。

 

有鑑於此,工研院將電動車技術列為發展重點,更在2020年攜手裕電能源、台達電子、起而行綠能等近50家廠商投入研發,由工研院與台灣大電力研究試驗中心負責驗證工作,共同推動電動車充電標準統一化。

 

在標準選擇方面,由於臺灣的電網架構與美國相近,都是單向交直流模式,因此聯盟最後決定採用CCS1標準,目前充電聯盟已著手進行相關規劃,未來將在休息站、餐廳賣場的停車場設置充電站,以提升使用率。

 

在充電站設置方面,由於電動車與燃油車的能源補充方式截然不同,燃油車可在短短幾分鐘內完成加油,電動車的充電速度明顯較慢,無論是車主或營運方都不願意將車輛停放在專屬充電站直到充滿電能,因此不能沿用過去的思維,在國家境內廣設專用充電站,而是要盡量利用停車時間蓄電。

 

因此張念慈預測,未來的做法可望分為兩種:一是在社區或家中停車位設置AC充電樁,利用夜間休息的長時間充電;另一種則是與賣場、餐廳、休息站業者合作,在店家的停車場中設置DC停車充電樁,這種停電樁為快充模式,可在20~30分鐘內充滿80%的電力,店家也可與營運商合作推出優惠方案,讓等待的車主充電進店用餐、購物,達成多贏目標。

 

充電介面

 

打造充電樁普及願景 需克服實務困難

 

「臺灣CCS1電動車充電樁的普及看似只是時間問題,但實務上仍有諸多困難必須克服,」張念慈舉例,在一般平面停車場設置充電樁並非難事,但在機械式車位就必須有不同的建置方式,且商用車與自用車的充電站也有所不同。

商用車方面,目前臺灣的中央與地方政府都將電動巴士列為推動電動車的初期重點,營運商為了縮短上路時程,大多採購中國大陸GB/T標準的電動巴士,因此未來需要轉接成CCS1介面,由於電動巴士都在調度場內充電,因此只需在調度場內轉換充電介面即可。

 

至於在社區停車場設置充電樁難度較高,為了避免管委會因充電樁導致社區用電量過大跳電,進而拒絕設置充電站,張念慈建議,未來充電聯盟的成員可從不同面向著手,像是由營運商與保險公司建立相關機制、研究機關制定安全標準,化解管委會疑慮;另一方面,政府也可考慮進行法規修訂,讓充電樁的設置權優先於社區管理條例,掃除相關障礙,讓電動車更快速普及。

 

專注電動汽車標準 形塑高附加價值產業

 

除了電動汽車,電動機車趨勢也莫之能禦,目前以Gogoro為臺灣電動機車龍頭業者,其換電模式也能讓車主以比充電模式更快速度得到電力。但對車主而言,換電方式無法保證能拿到滿電電池外,對營運商來說,初期就必須投入高昂的建置成本,因此未必是推廣電動機車的最佳作法。另外在充電介面標準方面,電動機車現在仍未有全球統一標準,因此充電聯盟仍抱持密切觀察態度,現階段仍以電動汽車為主。

 

「儘管電動車發展態勢已很明顯,但現階段仍處發展初期,未來市場潛力雄厚,」張念慈說。研調機構彭博新能源財經預估,到了2040年,全球電動車充電站上看2.9億座,累計投資高達5,000億元。張念慈認為,擁有科技能力與彈性服務兩大特色的臺灣企業,在充電領域也大有可為,未來若能形成完善的商業機制,除了硬體設備之外,也可進一步輸出服務模式,打造出高附加價值的電動車產業。

 

充電站

 

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