電動汽車世界爭霸啟示錄(I)─科技與智慧(1)

2020/12/04閱讀時間約 17 分鐘
作者:陳華夫
就在今年(2020年)初,新冠肺炎還未爆發時,去了趟深圳。出了機場,正準備找輛計程車去飯店,映入眼簾是長長一串排列整齊的藍白色比亞迪(BYD)電動計程車,靜靜的等候迎客,令我吃驚的是,完全沒有其他國際機場令人屏氣掩鼻的廢氣,及吵雜震耳的引擎聲。我心頭一震,電動車(EV,Electric Vehicle)的時代來臨了,只是快的令我有些措手不及。
更沒有想到,五菱汽車宏光MINI EV(號稱「國民神車」),售價竟然低到僅人民幣2.98 - 3.88萬元(約新台幣12 - 17萬元)之間,2020/11月的銷量已超過3萬輛,超過世界電動車龍頭特斯拉的Model 3的萬餘輛。(按《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分並行管理辦法》,雖然宏光MINI EV每輛虧本,但每輛車大概能收穫0.54或者0.87分的積分,不僅能解決不合規導致的罰款,每輛車還有千元的積分收入,詳見爆款EV宏光MINI賺錢嗎?
據全球電動車銷量研究機構「EV Sales」近日發布銷售數據,顯示全球電動車2021/1月銷量,由中國的五菱宏光Mini EV以3.7萬輛的成績,奪下銷售冠軍,超越特斯拉(Tesla)Model 3的2.2萬輛,最便宜售價只有2.88萬人民幣,折合約12.4萬元新台幣,對於首購或增購車主來說,都是合適的價位。(見輾壓特斯拉!中國「國民神車」首奪全球電動車銷冠
本文將詳細探討電動汽車的原理、崛起、及對世界的衝擊。
人類從甲地到乙地的交通,最早是利用兩腳走路的直線運動,但人類馬上就發明了「車輪」,於是交通就以車輪的「圓形運動」取代了「直線運動」。到了「工業革命」,瓦特蒸氣機驅動車輪,取代了馬匹獸力,而現代的汽車,又以「汽油引擎」取代蒸氣機,而它們兩者,在物理學上都屬於「熱力學」的應用,這是汽車引擎為何會燙手,也就因為引擎產生了很多無用的熱能,所以「汽油引擎」轉換「能量」為「動能」的效率約為30%,相對於「電動馬達」,其能量轉換效率約80%。
如今「電動馬達」又取代了「汽油引擎」,這是革命性的工業進步,因為「電磁學」取代了「熱力學」作為驅動車輪的物理學原理。圖1顯示電動車(EV)馬達的「電磁學」運作原理如:
(圖1,電動汽車馬達運作示意圖)
電動車(EV)馬達的車輪驅動,不僅觀念上是簡易的「電磁學」右手定則,實際落實在汽車製造上,也是革命性的顛覆,圖2顯示原型電動車(EV)的構造:
(圖2,電動汽車結構作示意圖,資料來源:電動車─維基百科
它完全不需要傳統昂貴複雜的傳動系統,散熱系統、滅音廢氣系統,製造成本大幅降低,並且,電動馬達比汽油引擎操控性佳(反應時間短),在5G物聯網下,可以實現安全無慮的無人自主駕駛。
從「熱力學」邁入電動馬達的「電磁學」,在物理學是一小步,但在現代工業發展卻是邁入了更高的門檻;在拙文世界主流「反中」觀點的背後真相─美中關係(1)中,我解釋過科學(物理學)和「工業革命」根本毫無關係,無論機械紡織機還是蒸氣機都不是什麼”科學家”基於「熱力學」原理所發明的。而是當時第一線的「工程師」並沒有在學理的指導下,摸索而發明的。但如今取代「熱力學」的「電磁學」卻不一樣,「電」比「熱」更抽象,更難摸索。因為「電磁學」的核心是在解「馬克士威方程組」,它是4個二次偏微分向量聯立方程式,對─般非科學家級的「工程師」,是很高的理解與學習門檻。
圖1裡的「汽車電池」提供的電流是「直流」(即每秒電流的正、負交錯的次數是0次,也就是其頻率為0赫茲),但當頻率提高到 13.56 M赫茲,就到了半導體製程所用的PVD鍍膜及乾式蝕刻(Etching)的電漿頻率,再繼續增加頻率,就到了:微波、太赫茲波(見拙文6G太赫茲(THz)通訊技術─科技與智慧(14))、紅外光線(見拙文美中軍民用飛機製造工業的爭霸錄─美中經濟(28))、量子雷達(見拙文美中「量子科技」爭霸錄─科技與智慧(8)),最後到奈米級半導體的「極紫外光微影製程」。
我曾在大學研究所及半導體廠教授半導體 13.56 M赫茲電漿PVD及蝕刻製程,才發現不少的物理系、電機系的「電磁學」是選修,許多代工半導體廠的第一線工程師無法突破「馬克士威方程組」的天塹(見我的科學方法學物理與人工智慧(15/40)─學習電、磁學的第一天塹curl(即▽ x)的克服),於是我把上課的講義做了18個youtube視頻,解釋如何求解「馬克士威方程組」及其在IC「天線」設計上的應用,希望能讓沒法上我課的第一線工程師,增加些「電磁學」知識,也希望能在推展尖端科技上,略盡棉薄之力。(見我的youtube視頻:科學方法學物理與人工智慧(1 /40)─什麼是讀懂一本書
電動車(EV)的時代來臨後,大洗牌世界汽車製造的版圖,據統計,2019年大陸汽車累計產量為2,572.1萬輛,和銷量2,576.9萬輛,蟬聯世界第一。而其中電動汽車的銷量不到5%,約120萬輛,官方希望到2025年,電動汽車的銷量能到25%,也就是說,屆時銷量至少增加5倍到600萬輛。
中國過去在傳統汽車行業走的是「以市場換技術」、「以合資套技術」的路線,但合資沒有讓大陸國有車企更上層樓,反而逐漸淪為外資車企的代工廠。於是,發展電動車工業時,拋棄了過去合資車企50對50的持股比例限制等舊思維,採取「以市場換繁榮」的策略,在2019年,核准特斯拉(Tesla)在上海設立獨資工廠,成為大陸汽車行業首家外資獨資整車廠,上海市政府還給予土地、貸款等一系列政策優惠。這其實是因應中美貿易戰和總結過去經驗,為了新技術產業發展的迅猛開放措施,一次開發、整套引入,強迫縮短學習曲線。實現「後發先進論」的彎道超車歐、美、日的傳統汽車工業,在電動車領域領先世界。(見中國在電動汽車競賽中領先
蔚來(Nio,上海)推出的電動汽車能讓車主3分46秒內「置換電池」(見駕駛NIOES6 2天后的經驗#NIOES6-380 + km駕駛-NIO電池置換狀態),該公司的目標是到2021年底建設500座以上了「置換電池」站。而相對的,特斯拉Model 3基本型充電最高是40公里/小時,充到飽至少4、5小時(特斯拉:見常見問題 - 家用充電安裝)。蔚來的3分46秒的「置換電池」革命性的超越特斯拉的4、5小時電池充電,儘管特斯拉(Tesla)等美國電動車競爭對手此前都迴避了這項昂貴的「置換電池」技術。但蔚來的電池更換服務用,將大大的挑戰了特斯拉霸主的地位。(見拙文蔚來與特斯拉的電動汽車爭霸戰─科技與智慧(21)、及蔚來押注換電模式挑戰特斯拉地位
(圖片來源:特斯拉公司─維基
特斯拉日前發布了一款概念電動單車Model B,與傳統的單車構造不同,借鑒了很多汽車的設計,特殊的設計幫助讓騎行變得更加迅速、安全、方便。不少網友表示,這造型果然很特斯拉。不過,目前Model B電動腳踏車僅是一個概念,還沒有價格或生產供貨消息。也許馬斯克(Elon Musk)跟他的夥伴們正在努力中。(見TESLA出電動單車?Model B概念曝光 能自動駕駛+自製「保護罩」无论您有多忙,请花1秒钟时间把它放到你的圈子里!可能您的朋友也需要!谢谢!
但中國撥土地協助特斯拉建電動車廠,特斯拉已簽署檔承諾從2023年起,每年向中國繳納22.3億元人民幣(3.24億美元)的稅款。並且,屆時,其上海工廠每年的銷售收入將不低於750億元人民幣,否則,即歸還土地。(見特斯拉承諾每年向中國納稅22.3億元,否則歸還土地 )所以,特斯拉有很大的壓力衝業績及降成本。此次媒體報導,特斯拉的勁敵比亞迪將會于明年二季度為特斯拉供應刀片電池,就是為了降低成本。並且,表面上看似乎讓特斯拉降低成本,但是未嘗不是特斯拉肯定比亞迪的技術實力。一旦其刀片電池開始大規模外供,無疑比亞迪品牌會流行國際市場。(見及特斯拉將購買“刀片電池”,比亞迪的股價又要漲了 ,及馬斯克曾嘲諷比亞迪:他們造的也叫車?轉頭卻搶著用【刀片電池】
媒體2020/12/24報導,蘋果電動自駕車「Apple Car」傳聞將在2021年9月亮相。有些分析師認為蘋果不太可能進入這個投資門檻高、利潤低的產業,但也有人認為,蘋果擁有巨大的現金資本,能吸引專業技術人才,而且車輛內裝的電腦軟體也是販售的要點之一,是蘋果研發電動車的巨大優勢,有機會為蘋果帶來新的突破。(見蘋果首輛電動車Apple Car!分析師評價兩極蘋果強推電動車 供應鏈大股東默默買進自家股、及1,000億元 蘋果傳注資KIA 衝電動車
銠和鈀等貴金屬是用於製造燃油和混合動力車的關鍵零件,這些金屬價格的飆升,令不需要它們的電動汽車變得更具競爭力。銠和鈀等金屬被用於製造燃油和混合動力車減少廢棄的「催化轉化器」(catalytic converter)關鍵零件,據英國《金融時報》的報導,在經歷了多年的牛市後,銠價大約是五年前的38倍,而鈀價翻了兩番。而花旗集團估計,此類金屬價格的飆升預計會讓全球汽車業2021年損失480億美元。相比之下,2019年全球汽車業因此損失180億美元,讓該產業現金流縮水15%。(見貴金屬價格飆升促使日產聚焦純電動汽車
中國電動汽車目前是引領世界,我認為原因有4:
1)掌控全球電池材料供給:
從圖1可以看出,電動車電池是電動汽車除了電動馬達以外,最主要的關鍵的零組件,約佔整體成本的37%,而最常見汽車電池就是可充電的鋰離子電池。據「日經新聞」引用美國外交雜誌《外交政策》的報導稱,中國掌握用於純電動汽車的稀土的80%、鋰的59%的供貨。而全球電池材料有80%在中國提煉和加工,在陰極和陽極等電池元件的生產方面,中國也佔據著主導地位(見拙文「石油時代」翻篇與「稀土時代」崛起的啟示錄─美中經濟(26))。目前電動汽車電池的大廠是中國寧德時代與比亞迪、日本松下、及南韓三星與LG等。
鋰離子電池,通常是用液態的電解質溶液,但「固態電池」的核心則是固態電解質,能量密度倍增,起火風險大幅下降,從0充到100%僅需10分鐘,比傳統電動汽車縮減了至少三分之二,續航達500公里。豐田TOYOTA在全固態電池研發方面處於領先,擁有上千件專利,位居世界第一,將於明年推出搭載「固態電池」的原型車。最近在美國股市很熱門的固態電池廠商QuantumScape,公開上市前曾向大眾汽車募集3.8億美元資金,新的固態電池將讓電動車更快普及(見年度電池「妖股」:QuantumScape的「固態電池」能顛覆特斯拉嗎?日本加速推動新一代車載電池實用化,及電動車顛覆性玩家來了?豐田將于明年推出搭載固態電池的原型車
2)工業類別齊備的完整供應鏈:
中國為世界唯一工業類別齊備的國家,具有完整的電動汽車供應鏈。世界電動車龍頭特斯拉在上海設廠生產Model 3及Model Y(「運動型多用途車」,SUV,Sport Utility Vehicle)。特斯拉的創辦人馬斯克在公開訪問中,宣稱受了中國官方很多補助,並承諾提升2019年底的30%本土零組件採購,到2020年底實現100%(包括採購本土的電池與電動馬達)的零件採購本土化。採購本土零件讓特斯拉Model 3之成本大減,以致,其在中國的售價從27.155萬人民幣,降到24.9萬人民幣(降幅超過8%)。Model 3在2020/10月持續送往德國、法國、意大利、及瑞士等歐洲10多個國家,特斯拉的上海廠儼然已成特斯拉行銷世界的生產基地。
2021年新年第一天,特斯拉就放出一枚重磅炸彈:Model Y長續航版起售價為33.99萬元(人民幣,下同),價格下調了14.81萬元。該版本1月開始交付;特斯拉Model Y Performance高性能版售價為36.99萬元,價格下調了16.51萬元。該版本預計2021年三季度開始交付。該消息一出,特斯拉官網因訪問量過大一度導致崩潰,更有消息傳出10分鐘新車訂單就超過了10萬輛,火爆程度可見一斑。有網友將特斯拉降價類比成「iPhone12只賣2999元」。(見TESLA出電動單車?Model B概念曝光 能自動駕駛+自製「保護罩」谷歌自行车开始销售,看完后汽车都不想开了!
吉利推出高端電動汽車品牌極氪(Zeekr),對特斯拉在電動汽車市場的主導地位發起挑戰。但它將面臨激烈的競爭,不僅是來自特斯拉(Tesla)的,還有來自中國企業蔚來(Nio)、小鵬(Xpeng)和理想汽車(Li Auto)的,中國是全球最大汽車市場,到2025年,在中國售出的汽車中有逾五分之一是電動汽車。2020/12月,中國售出了創紀錄的22.4萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車。(見吉利推出高端電動汽車品牌挑戰特斯拉
3)後發優勢,加上官方大力扶持補助:
中國的汽車工業比起生產蘭博堅尼、法拉利、勞斯萊斯、Lexus等歐美日國家是落後一代的,但基於後發優勢論(Theory of Late-Development Advantage),中國在電動車時代迅速彎道超車,而歐美日卻沈醉於昔日汽車王國的光輝,而貽誤發展電動汽車的先機。
中國城市空氣污染嚴重,日益增加的汽油引擎的廢氣是元兇之一,為了城市的空氣清潔,官方大力補助包括特斯拉在內的電動汽車產業,及其相關的供應鏈產業,再加上中國宣稱2060年之前實現國內「碳中和」─ 即二氧化碳淨零排放,實現碳足跡為零,電動車產業即成為當今最火紅的產業,持續吸引海內外的投資,特斯拉的股價屢創新高,不是沒有原因的。(見拙文馬斯克的SpaceX天龍號對接國際太空站(ISS)的啟示錄─美中經濟(24)標普500在高點納入特斯拉了嗎?美股災難來了!特斯拉傳奇今晚告終 專家:有7成崩跌空間
4)充沛的高科技人力供給:
據我長期的觀察與研究,在教育普及的社會中,其人口中只有1%的人能夠理解「電磁學」,他們就是可能的高科技理工人才資源。以中國人口14億計,此人才資源是1千400萬人,而美國的人口約3億3千萬計,只有330萬人, 歐洲人口7.4億,只有740萬人,也就是中國比美國與歐洲加起來還多的人才資源。然而,這些可能的高科技理工人才,若無法獲得適當的大學「電磁學」教育,是無法成為馬斯克等級的高科技人才。
據報導,2019年中國「高考」(大學入學考試)錄取率高達90%(約1千萬考生),顯示了傳統「萬般皆下品,唯有讀書高」、拼命也要讀大學的觀念仍牢不可破。這對高科技理工人才的培育,未嘗不是件好事。雖然只有1%的考生能進入985重點大學,但其餘99%的考生裡面有很多是高科技理工人才資源,其實「本科」、「重點大學」並不是關鍵,比爾.蓋茲是大三那年,離開名校「哈佛」,正如很多第一線工程師都是自學的。善用開發1千400萬高科技理工人才資源,才是確保尖端科技競賽勝出的基石。
結論:
電動車(EV)時代已來臨,深圳的計程車已全部電動車化。宏光MINI EV「國民神車」售價約新台幣12-17萬元之間。中國電動汽車引領世界的原因是:掌控全球電池材料供給、工業類別齊備的完整供應鏈、官方大力扶持補助、及充沛的高科技人力供給。
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