打破电动汽车成本桎梏

寂静天花板 · 发表于 2015-11-21 05:59:27

提高电动汽车的市场渗透率一直以来受到两大因素的制约，分别是续航里程和购买成本。这两大因素从根本上说是彼此对立的，因为纯电池电动汽车的主要成本来自于电池。为了达到延长续航里程的目的而增加电池的尺寸，正如特斯拉在Model S上采取的策略，最终的结果就是较高的零售价格。

同样地，为了降低成本而缩小电池的尺寸，那么车型的续航里程就或缩短，让市场无法接受。的确如此，尽管电池技术也在不断进步，但是据Navigant Research研究员Scott Shepard预测，2023年全球电动汽车销量预计仅占所有轻型汽车销量的2.4%。

解决这一问题的唯一出路就是降低电传动系统零部件的成本。全球领先汽车制造商正在加快研发，寻求解决方案，比如计划于2017年推出的雪佛兰Bolt电动车据称续航里程可达322km，市场售价仅为3万美元（扣除政府补贴）。

“插电式电动车市场增长迅猛，随着几家大型OEM厂商都宣称将在高增长的SUV 领域推出新的车型，此类电动汽车的发展步伐将进一步加快，”Shepard说道。大众前CEO马丁• 文德恩此前在接受德国报纸Bild采访时透露，大众位于硅谷的电子研究实验室正在开发一种小型且成本较低的电池，可以让大众旗下一款车型的续航里程达到300km。“这对电动汽车来说是一个质的飞跃，”他如此说道。

特斯拉也制订了可大幅降低成本的策略，而且基于该策略正在开发一款成本低于Model S的车型。该公司最大的机会在于其与松下的合资公司在美国内华达州建立的Gigafactory工厂——根据该公司规划，这家工厂到2020年生产的锂离子电池甚至多于2013年全球锂离子电池的产量。

通用和LG Chem工程师将2016款雪佛兰Volt车型上锂离子电池单元的数量从之前的288颗减少到了192 颗，不仅节省了成本也减少空间和重量

日产显然也非常认同在美国建立一家大型、整合式生产设施作为电动汽车成本控制措施的价值。据该公司发言人Paige Presley称，作为成本削减措施的一部分，日产在美国田纳西州小镇Smyrna设立的工厂不仅生产Leaf电动汽车，还生产该车型的电池。

以少积多

据报道，特斯拉Gigafactory工厂的超级规模和整合式的生产方式可以使锂离子电池每千瓦时的成本降低30%。为了协助这项成本削减计划，特斯拉还特别聘请了加拿大达尔豪斯大学（Dalhousie University）Jeff Dahn教授。

Dahn的研究工作自1996年来一直受到3M公司的资助，但是对于这样一个可以直接参与即将商业化产品的机会对他来说还是非常有吸引力的。他表示：“我想从小处着手，帮助Gigafactory和特斯拉取得进一步的成功。”

今天，特斯拉Powerwall家用储能电池的售价是3500 美元，相当于每千瓦时的成本为350美元。如果Gigafactory 的规模生产可以像特斯拉预测的那样降低30%，这个成本将降低为245美元。但是这个数字还远远没有达到成本降低的目标。

特斯拉寄望其Gigafactory工厂可以通过规模生产将电池成本从今天的350美元/ 千瓦时降低到200美元左右。

“大家普遍认为这个成本要低于200美元，甚至低于100美元，”Dahn说道。

那么如此大的空间来自于哪里？Dahn表示，这些都来自于一些细枝末节，比如多孔塑料隔膜的成本。“电池隔膜如果大批量购买的话每平方米的成本大约为1.5美元，”他说道。相比较来说，来自中国最价廉的无孔塑料隔膜的成本约为每平米0.06美元。

“所以说隔膜的多孔性大大提升了成本，”他说道。因此Dahn正在寻求一种塑料隔膜的制造方法，可以在保证50%空隙率的情况下将成本降低到接近每平米6美分。

此外，电池中还有比较昂贵的金属，比如阳极中采用的镍和钴。“如果可以用更多的猛来替代镍和钴，那么成本效益也是非常可观的。”

Mirai 车型的电池组是丰田之前燃料电池车采用的电池组的一半大小，成本也仅为之前的1/20。

不过，对于电池中的铝箔似乎很难找到降低成本的方式。“我们针对铝箔做了很多试验，但是成本节省的空间很小，”他说道。

还有一个没那么直接的降低成本的方式是通过提升电池的使用寿命来达到。“如果可以增加电池的使用寿命，那就相当于降低了成本，这也是我们重点关注的一个领域，”Dahn说道。

雪佛兰Volt

雪佛兰还没有公布有关Bolt电动车的技术细节，目前尚不清楚该车型是如何实现其所公布的目标的。不过，雪佛兰已经公开讨论了其第二代2016款Volt车型的电传动系统。

这款车型采用了LG Chem公司提供的锂离子电池组，包含192颗电池单元，与其前一代车型的288颗相比减少了96颗。电池单元数量的减少不仅降低了成本，还使电池组的重量减少了14kg。

“我们完全可以在已有的电池组上采取一些技术手段来提高车辆的续航里程，这样做更容易，但是这并不是消费者想要的，”通用动力总成电气化工程小组执行总监Larry Nitz说道。“因此我们设计了一个全新的电池系统，它将超过大多数消费者的期望。”

新的设计让车型续航里程提高到了80km，相比较来说，上一代车型在纯电动模式下EPA评定结果为61km。

此外，雪佛兰还针对Volt车型的电机做了改进。相比老款车型，新车型双电机驱动系统的效率提升了5-12%。其中一个电机完全没有采用任何稀土金属，而另外一个的用量也非常少。

通过更加智能的程序，这两款电机彼此配合，能够适应更多的驾驶工况，可以让2016款Volt车型从0到30mph 的加速时间（2.6s）缩短13%，从0到60pmh的加速时间（8.4s）缩短7%。所有这些改进都将为新一代Bolt车型低成本纯电动汽车解决方案做出贡献。

氢燃料电池

还有一个解决方案就是完全放弃体积较大的电池组，用氢燃料电池作为车辆的动力源，比如新款丰田Mirai即采用这种方式，该车型已经针对2016年投入小批量生产。丰田技术中心燃料电池小组经理Matt McClory表示，去掉传统电池组才是低成本电动汽车的真正解决方案。

EPA 评估显示丰田Mirai 燃料电池车在装满氢气的情况下可以行驶312 英里。

至于燃料电池，虽然在技术上一直有持续不断的进步，但是从其性能提升曲线上可以看出，此类电池的成本效益在可遇见的未来将得到大幅提升。

据了解，Mirai车型的电池生产成本仅是丰田之前在Hignlander车型上采用的燃料电池的5%。不仅如此，新的电池在尺寸上仅是上一代电池的一半。生产成本的降低主要来自于电池隔膜处理以及电池单元叠层自动化技术的应用。

燃料电池需要采用昂贵的铂金属作为催化剂，但是据McClory称，新的技术进步可以让丰田公司大幅降低这种材料的用量。事实上，燃料电池中的铂金属用量很快就会达到与目前内燃机尾气控制中催化转化器中所用的铂的用量。因此，在燃料电池车替代传统车型的同时，全球市场对铂的需求并不会增加。

此外，燃料电池通常还需要配备一个加湿器来确保膜的湿度，不过丰田公司开发了一个新的技术，可以去掉这个加湿器，从而降低系统的成本。Mirai车型也是第一个没有采用加湿器的量产型燃料电池汽车。

与其他致力于燃料电池研发的公司一样，丰田还改进了碳纤维储氢罐的制造工艺，这也帮助降低了成本。Mirai车型比之前的Highlander车型小，因此它只需要两个压力为70MPa的储氢罐（Highlander上是四个），就可以提供令人满意的续航里程。

在Mirai车型的电驱动系统中，丰田的成本削减方案还包括尽可能多地采用来自大批量混合动力车型中的零部件。在该车型上，丰田采用了电压升降转换器将燃料电池相对较低的电压与来自公司量产混合动力车上较高电压的电机进行匹配。

“相比为适应燃料电池的电压单独开发一个电机和转换器来说，这种方式无疑更加经济，”McCory解释道。所有这些点点滴滴的改进对促进电动汽车的普及来说将发挥重要的作用。

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