電動車和燃油車:誰將成為最終贏家?

作者 : Egil Juliussen,IHS Markit車載資訊娛樂和ADAS研究總監

在過去的一個多世紀中,內燃機汽車(ICEV)一直主導著汽車產業,雖然電池電動車(BEV)近年呈現陡增的趨勢,極大地影響了汽車和交通運輸產業,但BEV要「出頭天」還需花上一段時間。本文將綜合介紹這兩種技術及所需的基礎設施,並分析為什麼電動車會成為最終贏家...

在過去的一個多世紀中,內燃機汽車(ICEV)一直主導著汽車產業,未來一、二十年內仍將保持領先。雖然電池電動車(BEV)的使用近年呈現陡增的趨勢,極大地影響了汽車和交通運輸產業,但BEV要「出頭天」還需花上一段時間。本文將綜合介紹這兩種技術及所需的基礎設施,並分析為什麼從長遠來看,電動車會成為最終贏家。文中的資料僅針對BEV,不包括插電式混合動力車(PHEV)或燃料電池電動車。

表1對ICEV和BEV進行了比較,包括關鍵組成部分、優缺點、所需的基礎設施,以及其他一些主要功能。

表1 ICEV和BEV比較。

核心差異

BEV和ICEV在兩項核心技術(即推進系統和車載燃料源)上的差異十分有趣。BEV具有簡單的推進系統,即旋轉馬達,但燃料源非常複雜,包含成百上千個小電池(由基於大量晶片的電子設備管理)。ICEV正好相反,燃料相對簡單,儲存在油箱中,由燃油泵和燃油蒸發排放控制系統對油箱中的燃油蒸氣進行控制;但其推進系統卻異常複雜,由內燃機產生上下運動(或橫向運動),透過複雜的機械結構推動車輪旋轉。汽車產業的創新層出不窮,先進技術令人歎為觀止,ICEV始終保持在最佳狀態,但ICEV是一項相對成熟的技術,要進一步發展,開發和部署成本都十分高昂。

相較於內燃機,BEV馬達的主要優勢表現在簡單性、生產成本、運動零件數量和總體零件數量等各個方面。能源或電池技術一直是BEV的薄弱環節,主要原因是目前成本太高,可喜的是,電池技術發展迅速,價格已大幅下降。從2010~2016年,千瓦時(kWh)的電池成本從1,000美元降到了大約275美元,每年降低接近20%。據彭博社(BloombergNEF)報導,到2019年,每千瓦時的電池組成本降到了156美元。目前,電池成本目前還在不斷下降,只不過速度有所放緩。

業界在新電池技術上投入鉅資改善電池材料,提高能量儲存、安全性和充電速度,並降低成本。PC、智慧型手機和BEV這三大主要市場對電池容量的需求不斷增長;PC和智慧型手機等行動設備是最早推動電池技術需求的細分市場;BEV是第二個推動電池增長需求的領域,也是目前最大的消費領域。第三個市場正在興起,即太陽能面板蓄電,主要用於小容量能量儲存,例如消費類太陽能面板,它可以靈活安排在何時使用能量,使能量供需達到平衡。

人們普遍認為,對大型電池工廠和技術進行投資將使BEV的價格越來越具競爭力,甚至最終比ICEV價格還低。

能源補給對每個汽車用戶都很重要,ICEV在加油站分佈和加油時間上比BEV更有優勢。但BEV在家充電是一項吸引人的功能,雖然採用220V電源充電可能需要較長時間,採用115V電源充電時間會更長。未來BEV要獲得成功,需要大量公用的BEV充電樁。

汽油或柴油的成本因國家而不同,甚至在美國的不同地區也有很大差別。例如,歐洲1加侖汽油的消費價格比美國貴4~6倍;另外,每年的燃油價格變化也很大。因此,未來燃油價格存在極大的不確定性。

圖1 BEV要獲得成功,必須安裝大量的公用充電樁。

電力價格則相對穩定,遠低於同樣行駛1英哩的汽油價格,大約相當於汽油價格的50~70%。目前在美國需繳納一定的道路維護稅,預計這一情況將來會有所改變。隨著各州開始徵收行駛里程稅,BEV的燃料成本優勢將會減小。

儘管在過去20年中汽車產業投入鉅資成功降低了碳排放,但ICEV仍會產生大量CO2,對社會產生的負面影響持續增長。例如,汽車每使用1加侖汽油,就會產生19.6磅CO2;柴油更高,每加侖排放22.4磅CO2。幾乎所有大城市都已經或準備制定法規,以減少ICEV的碳排放。在新冠疫情期間,人們必須接受居家監管,碳排放一度大幅下降,表示ICEV就是廢氣排放的主要來源。這使人們頓悟,一定要加強監管,限制一些城市ICEV的使用,同時採取各種激勵措施,鼓勵人們購買BEV。

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優缺點

BEV的主要優點是在使用地不產生碳排放,但是在發電地卻會產生,排放量根據採用的發電技術差異很大。

ICEV和BEV的材料和系統供應鏈中的排放問題比較複雜,本文不做論述。挪威在這方面做得最好,大約90%的電力來自水力發電;用煤發電會產生大量的碳排放,因此不可取。如果在家裡的房屋頂上安裝可儲電的太陽能面板,利用太陽能轉化的電能為車庫中的BEV充電,將是一種非常環保的方法。

回收是另一個重要的環境問題。目前ICEV在這方面做得比BEV好,因為ICEV只涉及很少的電池回收,BEV產業需要更好的解決方案來解決電池回收問題。

新創立一家ICEV OEM是極其困難的事,因為在產品設計、工廠建設、行銷和銷售管道上需要大量投資,而最大的困難可能在於需要專精的知識來設計和生產可靠的內燃機。因此,近年來鮮有ICEV新創公司出現。不過中國是個例外,中國出現了很多新的OEM廠商,其中大多數都與歐洲、日本、韓國和美國的一流OEM簽約或成立了合資企業。

新興的BEV市場為汽車新創企業打開了一扇大門,目前馬達技術已經非常成熟,這促成了許多BEV新創公司的誕生,也推動ICEV OEM大廠慢慢進入BEV市場。現在ICEV OEM大廠的態度發生了轉變,它們積極投身BEV市場,發佈宏偉的計畫,並進行大量投資,這種趨勢將迅速削弱BEV新創公司的機會。

ICEV的銷售現在已達到頂峰,並開始緩慢下降,BEV將是最終贏家。在大約5年的時間內,BEV的市場價格將降到與ICEV相當的水準,這將是BEV贏得市場最主要的因素。

BEV與ICEV之間的競爭並不是一場新的戰役。一個多世紀以前,在汽車工業形成之初,電動車在市場中就佔有了一席之地。但是ICEV發展迅速,一騎絕塵,將BEV遠遠拋在身後。電池技術在最近十年才有了很大的進步,這是由行動設備產業的需求所推動。現在BEV重返疆場與ICEV一決高下,等待它們的將是一場漫長而激烈的戰鬥——但這一次BEV看起來會是最終贏家。

關於BEV的問題與答案

5年之內,BEV的多項指標將趕上或超過ICEV,例如售價相當、可提供各種車型滿足大多數應用,以及比ICEV低得多的營運成本。大型公共充電設施的建設還需要較長時間才能接近加油站的覆蓋水準,但在家充電極具優勢,足以滿足大部分潛在買家的需求,表2列出了大多數潛在BEV買家可能提出的主要問題及答案。

表2 潛在BEV買家可能提出的主要問題及答案。(資料來源:Egil Juliussen)

2010~2019年間,電池成本大幅下降了約87%,預計未來幾十年價格還會進一步降低。彭博社於2019年12月發佈的一篇部落格文章中曾提到,每千瓦時電池組價格已從2010年的1,000美元降至156美元。

這一趨勢顯示,到2025年(或在2025年之前),每千瓦時的電池成本將降至100美元。人們普遍認為,當電池成本降至每千瓦時100美元時,BEV的售價在很多汽車細分市場都將降至與ICEV相當。

BEV需要提供多種車型,包括大型和小型車輛、轎車、卡車、SUV,以及其他類型,以覆蓋所有細分市場,滿足所有買家的不同應用需求。BEV車型目前還很有限,但在過去3年中,計畫推出的電動車已大幅增加,到2025年很可能會有足夠的車型滿足大多數買家的應用需求,大多數大型汽車製造商都將在2025年推出10~20款BEV車型。

成本更低

BEV另一個主要優勢是營運成本較低,這是因為其維護成本和燃料成本都比較低,BEV運動零件較少,與ICEV相比可節省約50%的維護費用。在美國,每加侖汽油約2.50美元,BEV每英哩平均電力成本約為汽油成本的50%;歐洲的汽油成本則高得多,所以BEV可以節省更多的燃料成本。目前特斯拉(Tesla)和通用汽車(GM)已開始考慮續航百萬英哩的電池,未來BEV的續航里程勢必會更長。

ICEV僅需3~5分鐘就能加滿油,與之相比,BEV需要較長的充電時間,這是BEV的一個明顯缺點。透過使用功率更高、速度更快的充電系統,以及充電更快的電池技術,BEV的充電時間會越來越短,但這仍然趕不上ICEV加油的速度。

BEV在家充電是一個很大的優勢,但是這只對擁有家庭車庫的BEV買家才有用,各個國家都需要廣泛部署BEV充電樁才能推動BEV的使用。慎重選擇在哪裡安裝充電樁,可以將BEV因充電時間長而產生的不良影響降至最低。現有的加油站肯定會加裝BEV充電樁以擴展業務,由於BEV充電時間較長,加油站從附加商品的銷售中賺取的利潤可能比ICEV更大。

BEV充電樁還應安裝在BEV車主通常會停留超過1小時的地方,包括工作場所、購物中心、餐廳和其他娛樂場所,特斯拉在部署充電樁安裝位置時似乎也考慮了這一因素。

新技術改善BEV性能

有幾種新技術可以幫助BEV縮短充電時間,使BEV具備與ICEV加油時間抗衡的能力。

無線充電在智慧型手機中越來越常見,類似的技術也可用於BEV,但目前尚不能批量部署。大多數無線充電技術由於發熱較少,因此比有線充電的效率更高。無線充電還有許多優點,例如充電時耗電少、易於使用等,但是,部署無線充電基礎設施比有線充電要複雜,而且BEV車輛必須進行改造,才能安裝無線充電電子元件。

還有一種有趣的技術也可能加快BEV充電,即超級電容——類似於快取(cache)記憶體對電腦性能的提升。超級電容可以是BEV電池與充電網路之間、或充電網路與電力網路之間的「快取電池」,它具有縮短BEV充電時間的巨大潛力,但何時能投入應用,以及適合哪些應用都有太多不確定性,目前還難以預測。

BEV充電頻率也很重要,取決於BEV每年行駛里程及續航里程。根據IHS Markit的資料,2019年售出的BEV平均電池容量約為52千瓦時,預計到2030年將增長到70千瓦時以上。最近推出的BEV車型續航里程通常為250英哩,但有些車型達到了400英哩,未來的BEV續航里程還將大幅增加。

根據2019年美國聯邦公路管理局(Federal Highway Administration)的資料,美國每輛汽車平均每年行駛里程為13,500英哩。假設BEV續航里程為300英哩,每充一次電平均行駛250英哩,那麼大約每週需要充一次電(一年54次)。不過,里程焦慮可能會使充電次數更多,家裡有充電樁的BEV車主也可能會更頻繁地充電。

BEV採用的技術可以提供出色的駕駛性能。其馬達提供近乎暫態的扭矩,由此帶來的卓越加速度常常超越高性能ICEV。BEV的電池可以均勻分佈在車輛底部,重心更低,從而提供出色的可操縱性。

BEV行駛時碳排放極小,這也是它優於ICEV的一個重要特性,ICEV每使用1加侖汽油都會產生19.6磅的碳排放。BEV發電的地方可能產生CO2,但因所使用的技術不同而差異很大。可能有人會爭辯說,雖然大城市的碳排放降低了,但是卻導致發電的偏遠地區碳排放增加了。

一些城市,尤其是柴油車市場佔有率最高的歐洲,即將推出限制使用ICEV的法規。一些國家甚至設定了不再銷售ICEV的日期,不過很可能會推遲,這些對ICEV管制的逐步增強將加快許多城市使用BEV的步伐。

BEV的購買激勵措施因國家和地區而異,現在已經產生了作用,而且將繼續發揮作用。當BEV價格遠高於ICEV時,購買激勵措施尤為重要,但隨著BEV價格逐步下降,激勵措施的影響會減小,很可能會在2025年後消失。

使用BEV不需付稅用來進行公路的維護和改善,ICEV是透過燃油稅來支援道路網路升級。毫無疑問,BEV很快也需要繳稅來支付其道路使用費。對BEV而言,最可能的徵稅方式是里程稅,也有可能是其他稅項,因地區而異。對BEV徵稅以後,BEV相對於ICEV的營運成本優勢將減弱。

BEV未來銷售是否會成功的問題始終很關鍵,不同預測機構採用不同的預測方法,提供了不同的答案。IHS Markit根據汽車製造商目前的BEV車型和未來的車型計畫來預測BEV的銷售,這種預測方法反映了汽車產業未來的BEV生產計畫。由於汽車OEM生產BEV的計畫在過去幾年中大幅增加,IHS Markit對BEV的信心也不斷增長。隨著汽車OEM生產的BEV車型越來越多,未來BEV的前景會更好。IHS Markit預測目前BEV全球銷售約佔輕型車總銷量的2.3%,到2030年,BEV全球市場份額將躍升至13%以上。如果將PHEV包括在內,2030年的電動車市場份額將上升至大約21%,遠高於2019年的3.2%。

結語

高科技產業有一種說法:「沒有什麼比過時的技術消失更慢」,這句話正好用來描述ICEV還將存在多久。當然,ICEV並不是過時的技術,它還將繼續廣泛使用。但與十幾、二十年前相比,ICEV技術的確很難再進步,其開發和部署成本也很高。而BEV發展迅速,很快會成為推動轎車和其他輕型車發展的主要技術。現在的問題是,這一切何時發生。

(參考原文:BEVs: Not If, But When and How Fast,by Egil Juliussen)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年10月號雜誌

 

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