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电动车研发大战 一场价格、续航力、车内空间的竞争

来源:科技网 发布时间:2019-06-11

摘要: 电动车发展至今,效能已逐渐逼近燃油车。而在不同的电动车厂之间,也在比较谁能提供消费者更佳的选择。不论是在电动车普及或是价格方面,各厂不只要找到更好的解决方式,同时还要提升续航力,或者创造比燃油车更宽敞舒适的车内空间等,都是竞争的要点。

电动车发展至今,效能已逐渐逼近燃油车。而在不同的电动车厂之间,也在比较谁能提供消费者更佳的选择。不论是在电动车普及或是价格方面,各厂不只要找到更好的解决方式,同时还要提升续航力,或者创造比燃油车更宽敞舒适的车内空间等,都是竞争的要点。


耗资巨大的研发竞争消耗战


日产电动车Leaf正在展示正前方的插电功能。法新社

汽车科技的新发展CASE正在成为全球各车厂的研发重担,压抑财务表现,并让资金离开汽车领域。CASE四个字分别代表联网(Connected)、自驾(Autonomous)、服务与共享(Services & Shared)、电动(Electric)。日经新闻(Nikkei)报导,现在全球各整车厂的总市值,与2018年1月的股市高点相比,已经萎缩21%,约5,100亿美元,2018年度各厂总负债估计达历史新高的1.7兆美元。
然而,汽车新科技的竞争仍不会停止,在电动化车辆的项目上也是如此。


针对纯电动车作为零排放车辆,许多国家都制定了奖励政策,而对于空污来源的燃油车则设下退场时间表或更加严格的排气标准。


因此电动车的未来数量必定持续增加,IHS Markit预估2030年全球的轻型车(Light Vehicle;乘用车与重量未满6吨商用车)之中,电动车将达1,223辆,占全部的10.6%。德国汽车零组件大厂马牌(Continental AG)则预测,2030年全球乘用车之中,电动车占比将达19%。电动车市场绝对是各大车厂必须争抢的大饼。


电动车的成本如何压低 从电池与平台着手


与研发费用不断攀高相反,各厂正设法降低制造每一辆车的成本,以便推出比其他车厂更低的价格,并试图把电动车售价压低到燃油车的水平。


电动车的主要成本,电池就占了40~50%。同时与燃油车相比,电动车售价较高的主要原因就是电池。

德国福斯汽车的绝大部分电动车,都以自家研发的MEB平台为基础来生产,达到规模经济的效果。Volkswagen


电动车的其他部分,包括马达、逆变器、齿轮箱(Gear Box)、电动剎车、电动空调等电动化的成本,与汽油车的引擎、变速器、油箱、排气系统等的成本,大致相同,其他部分电动车与燃油车差别不大,主要差异就在于电动车的电池。


而电动车的电池成本,大约多少呢?依据Nikkei Automotive的推算,从日产汽车最新电动车Leaf e+的62kWh电量的电池,与旧款的Leaf的40kWh电池相比,多出22kWh电量,再以两者价格差扣除掉利润、Leaf e+速度与加速效能提升的软件改良的部分,车用锂离子电池的每1kWh的电量,成本约为2万日圆。


再依据国际能源署(IEA)与管理咨询公司Arthur D. Little Japan的估计,从拥有总成本(TCO)来看,电动车要与燃油车相同效能所需要的电池成本,每1kWh为1.2万日圆。


因此,如何降低电池成本,成为压低电动车价到燃油车水平的一大重点。而电池共同研发,则是其降低成本的一种方式。


例如,日本的本田技研(Honda Motor)与陆厂宁德时代(CATL),合作研发电动车电池。美国通用汽车与本田,也正在进行电动车电池的彼此互通。日本的丰田汽车(Toyota Motor)整合了总共9家的车厂与一级零组件厂,成立EV C.A. Spirit研发包括电池在内的电动车技术,此外丰田也和Panasonic加深合作研发固态电池,并将在2020年合资建立生产电动车用电池的新公司。


除了车用电池之外,电动车的平台也采用类似的方式。


日产汽车(Nissan Motor)、雷诺汽车(Renault S.A.)、三菱汽车(Mitsubishi Motors)的3家联盟,决定研发共享的电动车平台。德国福斯汽车(Volkswagen)也推出电动车专用平台MEB (Modularer E-Antriebs-Baukasten),福斯称之为一种模块化的电力驱动矩阵(The modular electric drive matrix),除了福斯品牌的车辆之外,旗下Skoda、Seat、奥迪(Audi)也一并采用,藉由扩大规模来降低成本并加速研发。


善用电动车特性 打造比燃油车更舒适的车内空间


福斯汽车MEB平台,可以压低电动车成本之外,也设法打造比燃油车更加宽敞舒适的电动车内空间。这是因为MEB把前后轮的车轴距离(Wheel Base)拉长,并将后轮车轴与汽车尾端的距离(Overhang;后悬)缩短,扩大车内空间,同时也让空间运用更有弹性。

前轮的电动轴所占空间比燃油车引擎系统更小,因此可以增加前方行李厢等空间。图为Jaguar I-Pace的空间配置。Jaguar


另外,车用电池设置于车底中央,让车厢与行李厢空间变大,也压低车辆重心增加稳定性,前后重量可达50:50的平均分配。
为印度塔塔集团(Tata Group)收购的英国车厂捷豹路华(Jaguar Land Rover Automotive),旗下的汽车品牌捷豹(Jaguar)于2018年推出了运动休旅车(SUV)车型的纯电动车Jaguar I-Pace。I-Pace搭载的90kWh电池,放置于前后车轴之间的低处,使座位更低而上方空间扩大,头顶与车顶距离达890mm。


此外,I-Pace的前方车盖(燃油车引擎盖的同一位置)下方配置的前电动轴,包括马达、齿轮箱、马达驱动电路在内的逆变器等,比起燃油车的引擎、变速机等来得更小,因此引擎盖下方有多余的空间,因而设计了容量27公升的前行李厢。


美国车厂Rivian Automotive研发的电动皮卡R1T与电动休旅车R1S,预计于2020年出货。这两款纯电动车采用电动车专用平台Skateboard Platform,和I-Pace类似,采独特设计,可在引擎盖下设置行李厢,容量达330公升。


增加续航力与加速效能 日产Leaf e+的电池方案


续航力逼近燃油车,是电动车发展的一大突破。今年1月发售的日产纯电动车Leaf e+,在充满电时的续航力,以日本的JC08模式测试可达570公里,日本的WLTC标准为458公里,若以美国国家环保局(EPA)标准测试则为226英里(约364公里)。

美国电动车厂Rivian Automotive预计2020年正式量产的纯电动休旅车R1S。Rivian


Leaf e+能提升续航力到一般柴油车的水平,是由于改变车用电池的结构,来提升电池效能。Leaf e+的电池在体积能量密度上,提高了25%,这是因为改变了电池组(Pach)内的电池模块(Module)的结构。较早推出的电动车款Leaf,1个电池模块内,搭载8个积层型三元电池芯(cell),再叠上必要数量的模块,组成一个电池组。


而Leaf e+的电池组里面,电池模块搭载的电池芯数量则是可变动的,可以让电池模块厚度,与电池组的厚度几乎相同,不需要把模块堆栈起来。所以,模块的外壳部分就减少了,且零组件数量降低了10%,因而提高了同一体积下的能量密度,也就增加了续航力。这样也增加了空间使用的效率,并减少不必要的零组件,降低了部分成本。


而电池芯的接合端点之间的熔接方法,也从原本的电阻熔接,改为雷射熔接。即使电池芯装入电池模块的数量有所变化,在采用新的熔接方式下依然能够自动化进行。这种方式也更加适应电池芯数量的变化,进而提高电池组的生产效率。


更改电池内部结构之后,原本Leaf的一个电池组可搭载192枚电池芯,现在Leaf e+的电池组则可搭载到288枚,电池芯数量增加了一半,使每一个电池芯负担的电流减少为原来的3分之2,在快速充电或高速行驶时可让电池较不容易发热。



Leaf e+因此可采用与Leaf一样的自然冷却方式,并能提高最高时速,同时自然冷却的方式也较能降低成本。


此外,Leaf e+也扩大了直流电电容器(DC Capacitor)的电容量,以强化逆变器的功能。同时在电力控制方面,在直流电转换为三相交流电时,各相的电流也因技术改良,能与切换器的频率、马达的旋转等,在转换的时机上更加配合,能够让更大的电流通过,因而提高了效率。这些方式和改变电池结构一样,都增加了续航力,提升最高时速,也缩短了加速时间。


采用感应马达并让电池降温 延伸电动车续航力


奥迪预计在2019年内发售的纯电动车e-tron quattro,使用多种方式来增加续航力以及延长高速行驶时间。其中一种方式,就是采用感应马达(Induction Motor)。



与许多电动车采用的永磁同步马达(Permant Synchro Motor)不同,感应马达在不踩油门时,并不会损失能源,也就是在没有通电的情况下不会引起拖曳损失(Dradding Loss)。


而且永磁同步马达在电动机高速转动时,线圈会产生阻碍转动的反电动势(Counter-Electromotive Force),使效率下降,但感应马达则不会出现这个问题。


所以e-tron quattro在放开油门时,也会进行能量的反馈再生,使最大行驶距离因而延伸30%。除了使用感应马达之外,e-tron quattro还采用特殊的电池冷却方式,


电池组的托盘(Tray)与铝合金制的电池组架构之下,配置水冷液的循环导管系统,同时在托盘上方以热传导凝胶(Gel)与电池模块密合,让托盘作为电池模块与冷却导管系统的中介,来降处理散热问题,使温度维持在35度以下,有助于延长续航力并增加维持在最高时速的时间。


此外,也在车辆的外型下功夫,采取减少风阻的设计,以节约电力的消耗。

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