萬億美元電動化交通市場面臨諸多挑戰(zhàn)

在前不久舉辦的第六屆進(jìn)博會上，低空出行新勢力御風(fēng)未來聯(lián)合Ampaire（安飛公司）展示了空中出租車M1 eVTOL。4款低碳環(huán)保飛行器涵蓋使用純電能源的25公斤、100公斤、2噸級電動垂直起降飛行器和使用油電混合動力的9座飛機(jī)。相信在不久的將來，我們真的可以乘坐“飛的”出行。

電動飛行器只是汽車之外電動化趨勢的一個縮影，在航空航天領(lǐng)域，電動飛機(jī)和無人機(jī)的發(fā)展正在加速，為的是減少碳排放，降低噪音污染。

事實上，在交通工具中，還有其他很多形式，如電動公交、面包車、卡車、微型車、船只、建筑、火車和eVTOL（電動垂直起降空中出租車）。一切都在向電動化方向發(fā)展。

汽車以外也在電動化的路上

汽車行業(yè)正在迅速實現(xiàn)電動化，2020年，歐洲短暫超過中國成為最大的電動汽車市場，2021年中歐銷量相當(dāng)，2022年中國重新占據(jù)主導(dǎo)地位，純電動汽車和PHEV汽車銷量是歐洲的2.5倍；2023年上半年，中國、歐洲和美國的電動汽車銷量分別為340萬輛、150萬輛和81.5萬輛，總計達(dá)到571.5萬輛。

IDTechEx首席技術(shù)分析師James Edmondson博士認(rèn)為，雖然汽車電動化是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，但其他行業(yè)也存在巨大機(jī)遇，2044年，不包括汽車，全球陸上、海上、空中電動化價值將超過1萬億美元。

汽車以外的所有類別也在迅速實現(xiàn)電動化

全球交通電動化進(jìn)展

電動乘用車

就電池需求和市場價值而言，乘用車是預(yù)測期內(nèi)最大的電動汽車市場。2022年，純電動汽車和PHEV汽車的銷量再次飆升，達(dá)到1050萬輛，前一年為650萬輛。

根據(jù)全球電動汽車平臺EVEVS預(yù)測，預(yù)計2023年全年銷量將超過1200萬輛，略低于IDTechEx預(yù)計的1350萬輛。不過，IDTechEx認(rèn)為，HEV的增長將明顯放緩，歐洲可能略有下降，標(biāo)志著向全面電動化的過渡。

美國的下一個大戰(zhàn)場很可能是電動皮卡。美國乘用車市場很大一部分由皮卡占據(jù)，但電動皮卡的銷量遠(yuǎn)不及其他電動乘用車。

現(xiàn)在，傳統(tǒng)汽車制造商和初創(chuàng)企業(yè)都將重點(diǎn)放在電動皮卡，Rivian的電動汽車技術(shù)有一定創(chuàng)新和突破，但更具品牌影響力、產(chǎn)品線豐富、銷售渠道完善的福特F150有望后來居上。特斯拉Cybertruck跳票近兩年，計劃于11月30日在德州超級工廠開始交付。

商用車

商用車包括貨車、卡車、公共汽車，其部署量比乘用車小，但也在大力發(fā)展電動化，是實現(xiàn)全球減排的重要領(lǐng)域。這些市場處于電動化的早期階段，但已取得重大進(jìn)展。

電動公共汽車在中國發(fā)展很早，市場已接近飽和，而全球銷量要到2040年才能超過2016年峰值，未來增長將由中國的替代產(chǎn)品和歐洲的更多采用來推動。歐洲大部分市場一直由中國汽車制造商支撐，其本地供應(yīng)也在增加。

輕型商用車（LCV）車隊的電動化被證明是向客戶展示綠色證書的有效方式，同時有助于大大降低運(yùn)營商的總擁有成本。亞馬遜和UPS等都在電動化方面進(jìn)行了大量投資和布局，以適應(yīng)現(xiàn)代物流和運(yùn)輸?shù)男枨?。在歐洲，普通貨車制造商8%的新車是電動LCV。

特斯拉、戴姆勒、大眾和沃爾沃都在大力投資電動卡車，豐田和現(xiàn)代則選擇集中于燃料電池卡車，以此作為未來的動力系統(tǒng)。盡管氫燃料的效率和成本存在問題，燃料電池汽車（FCEV）作為一種長途卡車運(yùn)輸應(yīng)用技術(shù)，還要依賴于低成本綠氫的生產(chǎn)。

進(jìn)博會上展示的豐田氫燃料電池系統(tǒng)

隨著世界各地越來越多的城市和國家在2030年前逐步淘汰燃油車，以及該技術(shù)提供所需日常工作周期的成本效益和能力得到證明，卡車車隊的電動化將會迅速實現(xiàn)；2022年電動卡車的銷量是2021年的2.2倍，顯示出指數(shù)級增長已經(jīng)開始。

微型電動汽車

微型電動汽車（MicroEV）是中國、印度和其他幾個亞洲地區(qū)個人出行的主要形式，包括兩輪車和三輪車。就電動化而言，其電池已由鉛酸電池進(jìn)化到鋰電池。由于這些車輛的電池體積小，電機(jī)功率低，可以提供相對低成本的電動化出行。

微型電動汽車是一種新興的交通方式，在中國頗受歡迎，這要?dú)w功于所需的續(xù)航里程要求較低，且比全尺寸汽車更容易穿越擁擠的城市，從長遠(yuǎn)來看仍將是一個巨大的市場。

在北京，出于交通安全和防火的考慮，政府正采用報廢補(bǔ)貼形式更新微型電動小客車，新購車需為納入新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄的小型、微型純電驅(qū)動載客汽車（包含純電動汽車、燃料電池汽車、增程式電動汽車）。

電動和混合動力船舶

疫情以來，因為在辦公室的時間越來越少，休閑劃船的興趣和自由時間增加，電動船舶市場增長了兩倍。雖然低功率舷外發(fā)動機(jī)通常比同等汽油機(jī)貴兩倍，但從TCO角度看，經(jīng)濟(jì)及其他優(yōu)勢（如安靜、清潔等）都很有吸引力。盡管如此，高電池價格仍然是高功率舷外或舷內(nèi)發(fā)動機(jī)的障礙。與汽車市場不同，該行業(yè)缺乏政策驅(qū)動，十年內(nèi)基本不會改變。

2016年以來，隨著該行業(yè)對價格的敏感性降低和電池價格減半，使大型商用電動和混合動力船舶市場開始上揚(yáng)。一個強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素是縮小超大發(fā)動機(jī)尺寸，使用電池為OSV（海上補(bǔ)給船）等短海船舶的峰值負(fù)載供電。渡輪是最常見的電動船只，作為一種唾手可得的果實，它有機(jī)會充電并在更短、一致的路線上行駛。

建筑用電動汽車

對氣候變化的更廣泛承諾促使挪威和荷蘭等一些國家，包括沃爾沃等公司制定自己的建筑設(shè)備電動化目標(biāo)。健康和安全問題，如柴油顆粒物排放對建筑工人健康和噪音的影響，也是重要的驅(qū)動因素。早期的車輛開發(fā)大多是改裝，現(xiàn)在汽車制造商正在從頭設(shè)計大型電動汽車并批量生產(chǎn)，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

據(jù)預(yù)測，到2044年，電動建筑車將成為價值約1540億美元的市場。20年來最大的工程機(jī)械市場是小型挖掘機(jī)、挖掘機(jī)和裝載機(jī)，電動化發(fā)展最初集中在運(yùn)行時間相對較短和能耗較低的車輛。

電動垂直起降空中出租車

eVTOL商業(yè)化時間表在很大程度上取決于每個地理市場的最終認(rèn)證過程。許多公司表示，他們認(rèn)為至少還要五年的認(rèn)證過程，目前認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)尚未完全到位。在生產(chǎn)eVTOL之前，許多公司需要解決重大的技術(shù)和資金問題。

電動化交通的技術(shù)挑戰(zhàn)

電動化交通的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來自于電池、電機(jī)和功率電子幾個方面。

電池

電動汽車市場的電池化學(xué)成分發(fā)生了巨大變化，早期的重要選擇LFP（磷酸鐵鋰）曾一度退出市場，然后又大舉回歸，尤其是在中國。主要原因是磷酸鐵鋰具有安全性高、壽命長、不含重金屬和稀有金屬等優(yōu)勢；通過技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，LFP的性能得到了大幅提升，例如通過采用新的生產(chǎn)工藝和添加新的元素，進(jìn)一步提高了其能量密度和壽命。

不過，隨著電池開始達(dá)到性能極限，環(huán)境和供應(yīng)風(fēng)險凸顯，鋰離子電池的改進(jìn)和替代品也變得越來越重要，包括電池設(shè)計、硅陽極、固態(tài)電池和CTP（電芯到電池包）/CTC（電芯到底盤）等。

在電池技術(shù)研究方面，硅基電池、鈉硫電池、固態(tài)電池、鋰硫電池都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，也都有一些技術(shù)、工藝、能量密度、成本等方面的問題需要解決。各種方案都在不斷探索和發(fā)展中，未來隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用場景的需求變化，可能會有更多的新型電池方案出現(xiàn)。

電動汽車銷量和電動汽車電池需求

電機(jī)

隨著電動汽車的采用，電機(jī)技術(shù)迅速進(jìn)步，而可持續(xù)性材料的使用正成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了降低成本和對稀土的依賴，特斯拉、奧迪和一些Tier1采用了無永磁體設(shè)計。這些電機(jī)具有更高的可控性和靈活性，可以在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下實現(xiàn)高效、節(jié)能的運(yùn)行；并具有較低噪音和振動及較高的可靠性。

功率電子

汽車功率電子產(chǎn)品的發(fā)展包括逆變器、車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，這些部件可以提高動力系統(tǒng)效率，減小電池組容量或提高續(xù)航里程。一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)變是向碳化硅MOSFET和800V或以上的高壓車輛平臺過渡。從400V到800V，在相同功率下，電流將減半，產(chǎn)生的熱量和功率損失也會隨之減少，有更多的功率進(jìn)入電池，進(jìn)而加快充電速度。

特斯拉在2018年率先采用800V平臺，許多公司現(xiàn)在也部署了碳化硅。這一轉(zhuǎn)變給功率模塊封裝帶來了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，電壓提高，需要通過隔離來實現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（如電機(jī)）之間的安全通信，必須有能檢查安全性和隔離柵狀態(tài)的功能，從而確保隔離柵不會損壞，以保證人身安全。

在引線鍵合、芯片連接和基板方面，在800V系統(tǒng)中，由于電流密度增加，引線鍵合處產(chǎn)生的熱量也會增加，可能導(dǎo)致鍵合點(diǎn)的松動或斷裂；800V系統(tǒng)對芯片連接處的電氣性能和熱性能要求更加嚴(yán)格；基板需要承受更高的電壓和電流。因此，這些部分需要具備更高的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，需要采用高可靠的鍵合技術(shù)、導(dǎo)電膠或焊接材料以及高導(dǎo)熱基板材料和精細(xì)的布線技術(shù)。

充電基礎(chǔ)設(shè)施

充足的充電基礎(chǔ)設(shè)施是汽車電動化的關(guān)鍵，每年部署的數(shù)千萬輛純電動汽車和PHEV將推動充電基礎(chǔ)設(shè)施的部署。其背后包括AC和DC充電、換電和無線充電等替代技術(shù)。

換電技術(shù)具有速度快、降低成本、提高電池壽命、方便靈活的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要建設(shè)大量換電站和配備專業(yè)維護(hù)團(tuán)隊，成本較高，且難以實現(xiàn)跨車型換電。汽車無線充電技術(shù)還處于研究階段，有很多問題需要解決，其中效率較低、需時更長等問題是無線充電的天生缺陷。

不管怎樣，電動化交通市場都在不斷發(fā)展。隨著環(huán)保意識的提高和技術(shù)的進(jìn)步，加上政策的推動，電動交通工具將逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕x擇。