導語
造車新勢力在燒錢，還虧損，特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）卻已成“世界首富”！他曾預言，除太空火箭外，所有形式的交通工具都將變成電動的。
2021年，隨著電動汽車、卡車、公共汽車、輪船、兩輪車和空中出租車的市場達到新的高度，馬斯克的預測開始實現(xiàn)。
英國市場研究公司IDTechEx最新的電動汽車（EV）報告《電動汽車：2022-2042年的陸海空運輸》涵蓋八個運輸市場，介紹了包括電動電池、燃料電池和混合動力車輛在內的銷售、電池需求（GWh）和市場收入情況。
報告定義的電動車輛市場包括：電動汽車、電動兩輪車、電動船只、建筑用電動汽車、電動出租車（eVTOL）、電動卡車、電動輕型商用車（LCV）；使用的能源包括：鋰離子電池、燃料電池、充電、電機和功率電子器件。
▎電動汽車
電動汽車是當今最大的市場，2021年其銷量翻了一番多，達到640多萬輛。IDTechEx預測，20年后這種情況仍將發(fā)生，汽車將占上述“電動車輛”市場收入的79%和電池需求的83%。在技術進步和成本降低的推動下，卡車、船舶和建筑等領域新的重型電動汽車行業(yè)在迅速崛起。到2030年，橫跨陸地、海洋和空中的電動汽車將產(chǎn)生約1.4萬億美元的收入。
增長的動因是規(guī)?！捎谄嚨氖軞g迎程度和對交通行業(yè)的巨大貢獻，長期以來汽車一直是政府政策的重點。2021年，全球汽車銷量約為8100萬輛，而中型和重型卡車為330萬輛，城市公交車為20萬輛。
電動汽車市場的收入（10億美元）和電動汽車市場的電池需求（GWh）來源：IDTechEx
就電池需求和市場收入而言，電動汽車市場是未來20年最大的市場。盡管芯片短缺和關鍵原材料價格持續(xù)上漲，但2021年銷量猛增至640多萬輛。所有主要汽車市場的增長都是這樣。雖然中國仍然是最大的電動汽車市場，但歐洲也在迎頭趕上，因為2021年是新的每公里95克二氧化碳排放目標的第一個整年。
在美國，特斯拉繼續(xù)為市場提供支持，尤其是Model Y的成功。隨著拜登和傳統(tǒng)汽車制造商重啟電氣化目標，情況正在迅速演變。汽車制造商不斷宣布計劃，將推出并擴大最受歡迎的乘用車類型——新型電動皮卡車的生產(chǎn)，以爭取未來幾年電動汽車的領先地位。通用汽車售價10萬美元的電動皮卡Silverado與福特的電動F-150和里維埃（Rivian）競相追逐。
通用汽車電動皮卡Silverado
隨著續(xù)航里程成為銷售電動汽車的關鍵戰(zhàn)場，而電池供應鏈面臨短缺，動力系統(tǒng)的新進展正走在最前沿。800V平臺、碳化硅（SiC）逆變器、更高效的電機系統(tǒng)和直流快速充電能力的崛起，這些都是在保持競爭優(yōu)勢的同時最大限度地降低車輛成本的關鍵。
盡管增長創(chuàng)了紀錄，但電動汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)越來越多，如芯片短缺、材料短缺和新冠病毒疾病導致中國的封鎖；烏克蘭的慘烈戰(zhàn)爭也給汽車和電動汽車市場帶來了新的挑戰(zhàn)，而新冠疫情大流行導致了兩個極具挑戰(zhàn)性和不可預測的年份。
隨著新冠病毒限制后經(jīng)濟的開放，以及對俄羅斯的制裁限制了石油和天然氣供應，電價和汽油價格都在攀升。這讓電動汽車市場走到了最前沿，但與此同時，汽車制造商正在努力解決芯片短缺、中國新冠疫情封鎖、原材料價格上漲以及在烏克蘭生產(chǎn)的汽車零部件（如線束）短缺等問題。
許多電動汽車制造商已經(jīng)開始做出反應，要么提高價格，要么推遲和限制生產(chǎn)。價格上漲并非微不足道。2020年，特斯拉的基本款Model 3售價為39990美元，2022年為46990美元。
今年3月，Rivian宣布將其車型的價格提高至14500美元（R1T），之后面臨客戶和投資者的強烈反對。除了初創(chuàng)企業(yè)之外，汽車巨頭大眾宣布，2022年其在美國和歐洲的電動汽車銷量實際上已經(jīng)售罄。
Rivian純電皮卡
▎電動公交車
中國一線城市率先采用電動公交車，推動了2012-2016年間的快速增長，但現(xiàn)在這些市場已基本飽和。2018年，北京和上海共有9368輛純電動公交車，占車隊的55%，最初全部由50%的購買補貼拉動。過去五年中，中國一線城市的飽和導致全球電動公交車銷量下降，中國二線和三線城市的增長抵消了下滑。如今，補貼已大幅減少。但2021年中國仍占全球總銷量的四分之一，比亞迪和宇通自2019年以來一直是市場領導者。
近期的未來增長將由歐洲推動。歐洲電動客車市場高度分散，事實上，構建基于歐洲主機廠的本地供應鏈非常關鍵，有跡象表明這種情況正在開始發(fā)生。例如，2021年，梅賽德斯憑借其eCitaro車型的成功成為歐洲市場領導者。
▎電動輕型商用車（面包車）
精明的企業(yè)正在認識到，輕型商用車（LCV）車隊用電不僅是一種成功機制，還可以向客戶展示自己的綠色認證，也越來越是一個良好的經(jīng)濟決策。
如今，電動LCV市場正處于新興階段，但比要乘用電動汽車市場小得多，可供購買的車型相對較少。未來幾年，一些公司將開展大型試點項目，以確定eLCV滿足其運行里程、負載能力、有效載荷和可靠性的要求。
隨著電氣技術經(jīng)驗和信任的增長，用戶將開始用eLCV廣泛更換老化的柴油LCV。隨著零售業(yè)在線銷售平臺的增長，貨運需求的增加也推動了電氣化，消費者逐漸放棄擁有私家車，轉而使用移動即服務（MaaS）平臺。
▎電動卡車
特斯拉、戴姆勒、大眾和沃爾沃都在大力投資電池電動卡車。豐田、現(xiàn)代和尼古拉等少數(shù)公司已選擇將精力集中在作為未來動力系統(tǒng)的燃料電池卡車。
尼古拉新型氫燃料電池卡車可續(xù)航1900公里
盡管氫作為燃料的效率和成本還存在問題，但FCEV（燃料電池汽車）作為一種長途卡車運輸?shù)募夹g仍具有很大吸引力，其技術可行性取決于低成本綠色氫的生產(chǎn)。
如今，利用在電動公交車和電池生產(chǎn)方面的經(jīng)驗，中國生產(chǎn)的城市卡車已上路行駛。鑒于中國政府對整個電動汽車行業(yè)的大力支持，在接下來的幾年里，電動卡車很可能會在中國大規(guī)模部署。
到2030年，隨著世界各地越來越多的城市和國家逐步淘汰柴油和汽油燃料汽車，卡車車隊的電氣化可能會迅速發(fā)生。
▎電動兩輪車
長期以來，電動兩輪車的銷售一直由中國低功率鉛酸電池電動車主導，年銷量約2500-3000萬輛，但這已是一個飽和市場。
中國以外的歷史性增長是由歐洲和印度推動的，雖然2020年受到新冠病毒流行的影響，但這兩個市場在2021年已迅速恢復。
通常，在電氣化方面，兩輪車是容易采摘的果實。由于小型電池通常低于4kWh（而BEV汽車超過50kWh），其對消費者前期成本較低，并有助于采用電池更換等創(chuàng)新商業(yè)模式。報告發(fā)現(xiàn)，兩輪車市場的電氣化，對于減少非汽車污染（如印度年銷售1500萬輛摩托車）至關重要。
▎電力和混合動力船舶
自新冠病毒出現(xiàn)以來，電動船市場增長了三倍，因為不在辦公室的時間增加了人們對休閑劃船的興趣。舷外設備制造商Mercury Marine首次進入電動市場，進一步促進了行業(yè)的發(fā)展。
雖然低功率舷外發(fā)動機的價格通常是汽油發(fā)動機的兩倍，但從總體擁有成本和其他優(yōu)勢（安靜、清潔等）來看，這一商業(yè)案例頗具吸引力。盡管如此，在更高功率的舷外或舷內動力方面，高電池價格仍然是一個障礙。與汽車市場不同，該行業(yè)缺乏政策驅動，過去十年中基本沒變。
挪威初創(chuàng)電動船用發(fā)動機公司Evoy的電動舷外機
在大型商用電動和混合動力船舶方面，自2016年以來，電池價格下降了一半，市場開始遵循指數(shù)軌跡。而強大的經(jīng)濟驅動力出現(xiàn)在縮小超大發(fā)動機尺寸，使用電池為OSV（海上支援船）等的峰值負載供電。渡輪可以充電，走更短、相同的路線，是最常見的電動船只，已經(jīng)比較成熟。
2021年，由于長期的開發(fā)周期和新冠病毒的影響，服役船只數(shù)量有所下降，但隨著2022年的大量訂單，預計增長將迅速恢復。
▎建筑用電動汽車
報告發(fā)現(xiàn)，與公路電動汽車市場相比，建筑用電動汽車的強勁市場驅動力很少。對氣候變化的更廣泛承諾正在促使挪威和荷蘭等國家，包括沃爾沃等公司都制定了自己的目標。
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，也是重要驅動因素。然而，早期電動工程車的大部分都是通過改裝完成的，從長遠來看并不是一個可持續(xù)戰(zhàn)略。
主機廠需要從頭開始設計大型電動汽車并批量生產(chǎn)，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟節(jié)約。據(jù)預測，到2042年，電動建筑車輛將成為價值約1000億美元的市場，由少量高個性化車輛組成。
報告解釋說，20年來最大的建筑機械市場領域是小型挖掘機和裝載機，但電氣化發(fā)展最初集中在運行時間相對較短、能耗較低的小型緊湊型機械。
總體而言，大部分排放物由重型挖掘機產(chǎn)生，因此這是一個重要的電氣化領域。
電動空中出租車/電動垂直起降飛行器（eVTOL）
根據(jù)IDTechEx對最有前途的eVTOL公司的評估，21家公司提供了關于開始商業(yè)化eVTOL生產(chǎn)的時間表，其在很大程度上取決于每個地區(qū)的最終飛行認證流程。
作為發(fā)展項目，這些時間線受到了一定程度的質疑。許多公司表示，他們認為五年認證過程已經(jīng)過去了幾年，但認證標準尚未完全到位，而在生產(chǎn)eVTOL之前，仍有重大的技術和資金問題需要解決。大多數(shù)eVTOL制造商的目標是2023年開始商業(yè)運營。
▎鋰離子電池和先進鋰離子電池
電池仍然是汽車成本的最大組成部分，而電池原材料（尤其是鋰和鎳）成本的不斷攀升是導致價格上漲的因素。這是由于世界上大部分鋰都是在中國加工的，而俄羅斯占全球1級鎳供應量的五分之一左右。隨著短缺的持續(xù)，電動汽車零部件的供應被汽車行業(yè)吞噬，這將對使用相同技術的非汽車行業(yè)產(chǎn)生影響。
例如特斯拉Semi卡車需要新的大容量4680電池生產(chǎn)已被優(yōu)先用于每千瓦時產(chǎn)生更多利潤的高需求汽車。這種延遲也使得沃爾沃、戴姆勒和PACCAR等主機廠趕上了特斯拉，已經(jīng)準備好批量生產(chǎn)新的BEV卡車。不過，他們可能會面臨類似的問題。
4680的產(chǎn)能相對于特斯拉的銷量只是杯水車薪
以電動卡車市場為例，IDTechEx預測，到2042年，電動卡車市場將成為第二大電池需求市場。特斯拉Semi是一款電池供電的8級長途卡車，最初計劃于2020年生產(chǎn)；現(xiàn)在的目標是2023年。到2042年，陸海空電動車輛市場將產(chǎn)生2.6萬億美元的收入。
另一個例子是電動休閑船。2020年和2021年銷售額激增，大部分是使用汽車電池。例如，寶馬使用的Torqeedo電動舷外機，以及商用船電池組供應商Corvus Energy的汽車級NMC軟包電池。隨著短缺的繼續(xù)，該行業(yè)將不得不考慮與新供應商達成新的交易。
Fassmer Shipyard和Torqeedo用于公共交通的全電動渡輪
雖然非汽車行業(yè)對電池的需求較少，但仍然需要電池。提高整個電動汽車動力系統(tǒng)的效率，而不是專注于純電池的開發(fā)將成為關鍵，這意味著碳化硅功率電子器件、更高效的電機、800V平臺、太陽能車身和更少的布線。
在技術方面，十多年來，基于石墨陽極和層狀氧化物陰極（NMC、NCA）的鋰離子電池在消費電子產(chǎn)品中無處不在，并已在電動汽車市場占據(jù)主導地位。然而，隨著它們開始達到性能極限，以及環(huán)境和供應風險的凸顯，鋰離子電池的改進和替代品將變得越來越重要。先進電池技術的趨勢包括鋰離子電池設計、硅陽極和固態(tài)電池。
先進鋰離子是指硅和鋰金屬陽極、固體電解質、高鎳陰極以及各種電池設計元素?？紤]到電動汽車市場，尤其是電池電動汽車在電池需求方面的重要性，預計鋰離子電池將保持其主導地位。陰極和陽極的選擇、電池設計的改進、能量密度的提高速度是否會繼續(xù)，以及能量密度能達到多高是問題的關鍵。
組裝電池組需要幾種不同的材料，包括TIM（熱界面材料）、粘合劑、絕緣墊片、浸漬、封裝、填料等，而電池形狀尺寸和非模塊化、cell-to-pack（無模組）設計是總體趨勢，這些都將減少電池和模塊之間的連接、母線和電纜數(shù)量。
▎功率電子
在汽車功率電子系統(tǒng)（逆變器、車載充電器、DC-DC轉換器）中，為了提高動力傳動系統(tǒng)的效率，正在發(fā)生關鍵的改進，以減少電池組的容量或提高續(xù)航里程。實現(xiàn)更高效率的關鍵途徑之一是過渡到碳化硅MOSFET和800V以上的高壓車輛平臺。
2021年，雷諾、比亞迪、通用和現(xiàn)代都宣布了新的800V車輛平臺，到2025年，其功率電子器件將采用碳化硅MOSFET，這一趨勢正在加快。此外，隨著2021年晚些時候Mach E的發(fā)布，福特將與特斯拉（所有車型）、比亞迪（漢）和豐田（Mirai）等公司一道，在市場上推出采用碳化硅功率電子元件的電動車。
與大眾ID4一樣，Mach E的逆變器布置在電機上方，采用了SiC MOSFET作為主控開關器件，與傳統(tǒng)IGBT相比，雖然成本有所上升，但好處是帶來了更快的開關頻率和更高的效率。
Mach E逆變器用SiC MOSFET作為主控開關器件
這種轉變對功率模塊封裝材料提出了新的挑戰(zhàn)，因為在保持15年使用壽命的同時，需要更高的開關頻率、更高的功率密度和更高的工作溫度。而800V平臺電壓和采用SiC逆變器將有助于應對技術挑戰(zhàn)，二隨著半導體芯片的功率密度在過去十年中呈指數(shù)級增長，新的雙面冷卻設計、銅線鍵合和引線框架將是有力的推動因素。
▎電機
電機確實是電動汽車背后的驅動力。除了電池和功率電子器件外，電機也是傳動系統(tǒng)中的關鍵部件。盡管19世紀就開發(fā)出了電力牽引電機，但隨著新設計的出現(xiàn)、功率和扭矩密度的提高以及對所用材料的更多考慮，市場仍在不斷發(fā)展。這不僅僅是漸進式的改進，還有軸向磁通電機和各種無稀土技術的發(fā)展。
電機有幾個關鍵性能指標，其功率和扭矩密度能夠以更小、更輕的組件提高動力性；另一個關鍵指標是效率，提高效率意味著當車輛加速時，蓄電池中儲存的寶貴能量浪費更少，從而在相同電池容量下提高行駛里程。
由于電機設計中有許多不同的考慮因素，電動汽車市場采用了幾種不同解決方案，包括永磁電機、感應電機和繞線轉子電機。在許多情況下，可以使用多種選項的組合來提供最佳的整體解決方案。幾種電機在性能、材料成本和供應方面各有優(yōu)缺點，永磁電機依賴稀土，價格波動大，供應鏈地理位置受限。
電機技術和拓撲、功率和扭矩密度以及材料利用率與電機類型（永磁（PM）、感應、繞線轉子、輪內PM、軸向磁通PM等）技術息息相關。
不管怎樣，電動汽車電機的趨勢包括以下幾個方面：
高效率：保證電機高低速綜合效率，既有足夠寬的高效區(qū)，使車輛在大部分工況下都處于高效狀態(tài)，又保證每一度電都能發(fā)揮作用。
高度集成：電機驅動、電機控制器與減速器高度集成，實現(xiàn)電驅動一體化技術目標。
低成本：永磁體采用重稀土晶間擴散（GBD）及晶粒邊界調節(jié)（GBM）技術，大幅減少重稀土用量，提高磁體性能。
高功率密度：美國《電動汽車發(fā)展2025路線圖規(guī)劃》提出電機高密度（50kW/L）、5.7kW/kg的發(fā)展方向，以減少整車安裝空間和重量。
高轉速：低速時電機輸出大轉矩，高速巡航時則保持恒功率輸出特性；而在電機輸出轉矩和功率不變時，通過提高電機最高轉速，降低電機體積和重量，進一步提高功率密度。
▎充電基礎設施
管理電動汽車充電對電網(wǎng)帶來的潛在增量能源需求至關重要。對電動汽車的廣泛使用將增加多少電力需求，專家評估各不相同。美國能源部預測，到2050年，電力消耗將增長38%，主要原因是電動汽車的普及率很高。
IDTechEx認為，電動汽車行業(yè)不會失速，并將繼續(xù)保持其驚人的勢頭。在未來十年，充電基礎設施的需求將由全球使用的數(shù)百萬輛BEV+PHEV車輛驅動，包括乘用車、公交車、卡車和面包車。
電動汽車轉型的好處至少比充電基礎設施的成本大一個數(shù)量級，將使充電基礎設施成為運輸業(yè)脫碳的適度首付。
▎演變將繼續(xù)
IDTechEx指出，盡管面臨越來越多的挑戰(zhàn)，但消費者和政府對電動汽車的需求仍然非常強勁。隨著挑戰(zhàn)的增加，過渡仍在繼續(xù)。
