Chúng ta đã học được gì từ việc chia nhỏ và đo điểm chuẩn của mười mẫu xe EV?
Áp lực quy định đối với động cơ đốt trong (ICE), kết hợp với những cải tiến công nghệ trong hệ thống truyền động điện và pin, đang thúc đẩy nhu cầu về xe điện (EV) tăng vọt. Hầu hết các nhà sản xuất ô tô lâu năm đang tung ra các mẫu xe điện say khi những người mới tham gia không có kinh nghiệm về động cơ đốt trong ICE tham gia. Doanh số bán xe điện chạy bằng pin nguyên chất trên toàn thế giới (không bao gồm hybrid) đã tăng khoảng 45% trong năm 2016.
Với việc xe điện trở thành sản phẩm đại chúng, đã đến lúc cần hiểu chi tiết về xu hướng công nghệ. Phối hợp với A2Mac1, nhà cung cấp dịch vụ đo điểm chuẩn ô tô, chúng tôi đã tiến hành đo điểm chuẩn quy mô lớn của các mẫu xe EV thế hệ thứ nhất và thứ hai, bao gồm việc tháo rời vật lý mười mẫu xe EV: Nissan LEAF 2011, Volkswagen e-up 2013 !, 2013 Tesla Model S 60, Chevrolet Spark 2014, BMW i3 2014, Volkswagen e-Golf 2015, BYD e6 2015, Nissan LEAF 2017, Chevrolet Bolt 2017 và Opel Ampera-e 2017.
Cùng với nhau, các mô hình này chiếm khoảng 40% tổng số xe điện chạy bằng pin nguyên chất từng được sản xuất. Ngoài mười xe bị phá bỏ, chúng tôi đã phân tích thông tin công khai về các xe bổ sung và tham khảo ý kiến của các chuyên gia độc lập về chủ đề. Kết quả phân tích cho thấy rằng việc sản xuất thành công xe điện đòi hỏi tư duy hoàn toàn khác. Chúng tôi đã xác định năm thông tin chi tiết chính:
Muốn có một chiếc xe điện hiệu suất cao? Hãy xây dựng nền tảng gốc
Điểm chuẩn cho thấy khoảng cách rõ ràng về phạm vi lái và không gian nội thất giữa các mẫu xe có nền tảng EV riêng và các mẫu xe dựa trên ICE. Các mẫu EVs thiết kế mới tối ưu hóa việc đóng gói pin; EVs dựa vào nền tảng ICE phải gắn hệ thống pin vào khung sườn IEC, điều này làm hạn chế dung lượng năng lượng thực tế. Ngược lại, gói pin EV nguyên bản có thể có hình dạng đơn giản, hình chữ nhật, cung cấp cho EV trên nền tảng gốc có phạm vi lên tới gấp đôi — hơn 300 km mỗi lần sạc và lên đến khoảng 400 km cho hiệu suất tốt nhất, theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường (Hình 1). Ngoài ra, những chiếc EV nền tảng mới đạt được không gian nội thất lớn hơn (lên đến 10% theo đường hồi quy) cho cùng một chiều dài cơ sở so với không chỉ đối với các đối tác không có nguyên bản, mà còn cả các xe ICE tiêu chuẩn trong cùng phân khúc.
Chưa có sự hội tụ về thiết kế hệ thống truyền động EV cốt lõi
Phép đo điểm chuẩn bao gồm một gói pin, các tế bào pin và hệ thống quản lý nhiệt. Chúng tôi đã tìm thấy ba thiết kế tế bào pin có hình dạng khác nhau (hình trụ, lăng trụ và túi), cùng với nhiều hóa chất. Với mỗi thiết kế đều có ưu và nhược điểm rõ ràng, không có người chiến thắng về hiệu suất tổng thể đối với xe điện thị trường đại chúng, vì điểm chuẩn của chúng tôi cũng cho thấy mật độ năng lượng tương tự tăng hơn 30% trong khoảng thời gian bảy năm (2011 đến 2018) trên tất cả các thiết kế. Chúng tôi cũng tìm thấy một sự khác biệt lớn trong cách tiếp cận thiết kế để quản lý nhiệt với bốn giải pháp làm mát pin: thụ động (làm mát bằng không khí tự nhiên), chủ động kết hợp với hệ thống truyền lực, chủ động nhưng độc lập dành riêng cho pin và tích cực kết hợp với điều hòa không khí mạch điện. Chúng tôi cũng đã xác định được ba kiểu làm nóng pin: hoàn toàn không thải nhiệt từ động cơ và điện tử công suất hoặc hệ thống AC, và hệ thống sưởi điện trở chuyên dụng được tích hợp trong bộ pin. Một số thiết bị sưởi điện trở chuyên dụng sử dụng năng lượng từ pin và chỉ hoạt động khi xe đang sạc; một số khác có chu trình làm mát / làm nóng bằng chất lỏng kết hợp sử dụng các nguồn nhiệt khác nhau, chẳng hạn như sưởi điện trở bên ngoài bộ pin.
Mang lại hiệu suất tốt nhất trên thị trường hiện nay, các tế bào hình trụ có mật độ năng lượng cao nhất với khoảng 245 watt-giờ mỗi kg (Wh / kg), tiếp theo là các tế bào túi với 195 Wh / kg – một khoảng cách đáng kinh ngạc là khoảng 25 phần trăm. Tế bào hình lăng trụ có mật độ năng lượng xấp xỉ 160 Wh / kg. Tuy nhiên, quản lý nhiệt được yêu cầu nâng cao điểm số khi xem xét mật độ năng lượng thực của bộ pin: 132 Wh / kg cho hình trụ so với 138 Wh / kg cho túi và 104 Wh / kg cho lăng trụ. Vì hiện tại không có sự hội tụ về một công nghệ hoặc giải pháp độc đáo, các OEM vẫn sẽ cần đầu tư vào những lĩnh vực này để tạo ra sự cân bằng tối ưu về chi phí và hiệu suất trong thiết kế pin và quản lý nhiệt.
Thiết kế đến chi phí đã được đưa vào EVs
Điểm chuẩn cho thấy các OEM đã bắt đầu áp dụng một cách nhất quán thiết kế theo giá thành (DTC), đặc biệt là cho hệ thống truyền động và thiết kế thân xe của EVs, vì cuộc chiến về hiệu suất và phạm vi đã giành được thắng lợi. Xu hướng này đáng chú ý xuất hiện trong xe điện thế hệ thứ hai. Trọng tâm của DTC chủ yếu là tích hợp các thành phần trong khu vực hệ thống truyền lực và sử dụng thông minh hơn các vật liệu nhẹ trong các bộ phận kết cấu.
Về trọng lượng, chúng tôi đã phân tích các thành phần cấu trúc chính của tất cả mười phương tiện để ước tính việc sử dụng nhôm và vật liệu tổng hợp của chúng. Một số mẫu xe điện thị trường đại chúng thế hệ thứ hai sử dụng nhôm chỉ bằng 5 đến 10% tổng trọng lượng xe trên các bộ phận này, gần với mức ICE trung bình (khoảng 5%). Trong xe điện hạng sang, nhôm chiếm khoảng 40% trọng lượng xe, chủ yếu để tăng khả năng tăng tốc và hiệu suất năng động. Xe điện thị trường đại chúng sẽ tiếp tục hội tụ về phía thị phần xe điện nhẹ của ICE thấp hơn vì ba lý do:
- Những bước nhảy vọt trong công nghệ hệ thống truyền động mang lại sự giảm trọng lượng đáng kể, sau đó được tái đầu tư trực tiếp vào các vật liệu kết cấu có chi phí thấp hơn.
- Với chi phí sản xuất ngày nay, pin, không phải vật liệu nhẹ, là chìa khóa cho phạm vi hoạt động dài hơn.
- Xe điện không có động cơ khuyến khích bên ngoài đối với các biện pháp giảm trọng lượng (đắt tiền), điều này khác với các xe điện ICE với mục tiêu và hình phạt carbon dioxide của chúng.
Về các mô hình sắp ra mắt, xu hướng DTC có thể sẽ tiếp tục.
EV là một phương tiện hoàn toàn khác – và nó cần một logic công nghiệp phụ trợ khác
Các OEM ô tô sẽ phải xem xét lại mô hình kinh doanh của họ để tạo ra các dòng thu nhập và lợi nhuận mới cho xe điện. Ngày nay, họ chủ yếu dựa vào việc khách hàng nâng cấp xe cơ sở với các tính năng bổ sung về động cơ, hệ truyền động, tiện nghi và an toàn, cũng như các bộ phận và dịch vụ hậu mãi để tăng lợi nhuận (và đạt được chi phí vốn của họ). Chi phí duy trì xe điện thấp hơn nhiều và bị hạn chế nhiều hơn về các lựa chọn vì hai lý do:
- Có rất ít chỗ cho sự khác biệt theo hiệu suất. Các EV hiện tại đã cung cấp khả năng tăng tốc tương đương với các ICE thông số kỹ thuật cao trong cùng phân khúc. Do đó, ngày nay họ cung cấp không quá bốn kiểu kết hợp động cơ và kiểu truyền động, so với 10 đến 20 kiểu kết hợp ICE điển hình.
- Cấu hình EV cơ sở đã chứa nhiều tùy chọn. Giá cơ bản cao của EV, do chi phí của pin, buộc các OEM phải đưa vào cấu hình cơ bản của EV nhiều hơn so với trong ICE tương đương, do đó làm mất nguồn thu nhập biên lợi nhuận cao.
Sự gia tăng của nhà cung cấp cung cấp cho các thành phần EV mới chính đang cạnh tranh mạnh mẽ với các chiến lược nội bộ
- Hệ thống truyền động EV khác biệt rõ rệt so với các hệ thống tương đương ICE của chúng về năng lực cần thiết, giá trị gia tăng và độ phức tạp của thành phần. Do đó, tăng trưởng doanh số bán xe điện đe dọa vị thế cạnh tranh và thị phần của cả OEM và các nhà cung cấp hệ thống truyền lực ICE của họ.
- Sử dụng logo của nhà cung cấp được in chìm trên các thành phần bị xé nhỏ kết hợp với thông tin có sẵn công khai, chúng tôi có được cái nhìn từ bên ngoài về chuỗi cung ứng hệ thống truyền lực EV của OEM. Các OEM tuân theo nhiều chiến lược khi tìm nguồn cung ứng các thành phần của hệ thống truyền lực, từ tích hợp gần như hoàn toàn theo chiều dọc cho đến thuê ngoài gần như hoàn toàn. Khi các thành phần được thuê ngoài, mức độ sở hữu thiết kế sẽ khác nhau.
Do độ phức tạp thấp hơn và tiềm năng khác biệt thấp hơn đối với hầu hết các thành phần của hệ thống truyền lực EV, chúng tôi hy vọng các OEM sẽ thuê ngoài một phần lớn hơn các thành phần này trong tương lai ngay khi thiết kế hội tụ với hàng hóa đầy đủ.
Đồng thời, chúng tôi nhận thấy rủi ro đáng kể đối với các OEM đã thành lập và các nhà cung cấp cấp một. Một số nhà cung cấp cấp một đã cung cấp một phần đáng kể các thành phần bên ngoài khu vực cốt lõi ban đầu của họ. Ngoài ra, do EV ít phức tạp hơn so với hệ truyền động ICE, nên có nhiều rủi ro hơn đối với các OEM đã thành lập đã phân biệt mạnh mẽ bản thân thông qua hiệu suất lái xe. Hiện tại, hai trong số năm nhà sản xuất xe điện hàng đầu hiện nay là những người mới gia nhập thị trường xe điện: Tesla và BYD.
Khi nhu cầu tăng lên, công nghệ và thiết kế xe điện sẽ tiếp tục phát triển và những thách thức chiến lược sẽ theo sau. Các OEM đã thành lập và các nhà cung cấp truyền thống của họ sẽ cần phải suy nghĩ lại các phương pháp tiếp cận để duy trì doanh thu và lợi nhuận của họ.
