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电动车制造红海破浪
跨域迎接减碳未来
[作者 陳念舜]   2023年09月21日 星期四 浏览人次: [2228]

因应国际净零碳排潮流与疫後创新产业趋势,全球汽车产业也为此加速电动化脚步,甚至逐渐漫延成了红海。包括近年来由美商Tesla率先发动价格战,以及到了今年中国大陆车厂在慕尼黑车展大出锋头可见一斑。


根据国际能源总署(IEA)最新统计,2022年电动车销售突破1,000万辆新高,较前一年成长逾5成,估计新能源车对整体车市的渗透率也不断攀升;且依工研院IEK Consulting推估,2040年全球电动车市场规模将达到智慧手机的2.3倍、半导体的1.6倍。惟若从中国乘联会与日本汽车工业协会统计显示,今年上半年大陆整车出囗为234.1万辆、较同期成长76.9%,更优於日本上半年汽车出囗量为202万辆、同期成长17%。这意味着大陆已稳居全球第一汽车出囗大国宝座,而排名前2名的大陆车为上汽、奇瑞,Tesla竟居排名第3。


为冲刺季底买气抢市占,美国电动车大厂特斯拉(Tesla)今年以来降价频频,不只调整零售价格,还加入了免费超级充电服务,虽然营收和获利双双成长,但毛利率却因而下修。未来更应该重视因产油国减供而助长高通膨和高利率,将带来市场不稳定性、消费者缩减支出对汽车销量的冲击程度,以及小型车厂是否能撑过经济逆风考验,都使今年下半年的汽车市场充满变数。


今年德国最大的慕尼黑车展(IAA Mobility)叁展厂商也有约41%总部位於亚洲,大陆厂商数量更是攀升1倍之多,包括比亚迪、宁德时代新能源科技、小鹏等电池和电动车商。业界分析师和高层更指出,在这个电动车时代,欧洲车厂必须证明,从产品、财务策略到控制供应链等方面,都能与亚洲车厂一较高下。


博世集团执行长Stefan Hartung表示:「在软体定义的未来交通中,除了硬体至关重要,不同来源的软体间互动也很关键!博世则具备软硬体专业,将应用新科技实现软体定义汽车,使其加速上路。」为了较以往更强化其交通移动软体公司的定位,同时持续发展硬体专业,博世将於2024年1月1日正式重整博世交通移动业务事业群,强化跨部门协作。目前在交通移动领域拥有约38,000名软体工程师人数为汽车产业之冠。



图1 : 欧洲车厂必须证明,从产品、财务策略到控制供应链等方面,都能与亚洲车厂一较高下。(source:Bosch)
图1 : 欧洲车厂必须证明,从产品、财务策略到控制供应链等方面,都能与亚洲车厂一较高下。(source:Bosch)

着眼净零碳排商机 电动车规模化成长

工研院产科国际所组长岳俊豪对此表示,当前全球正处於下世代汽车转型的起点,未来电动车将配备更先进的三电系统与关键零组件,包括:高效率马达、电池和智慧化控制系统等科技的进步,将让电动车的性能更卓越、安全性更高,且更易於维护。加上充电速度的提升与更广泛的充电设施布建,将使电池的充电时间更为短暂,并加速电动车的普及化,其所对应的加工设备与下世代材料,也为台湾未来产业带来发展的新动能。


工研院产科国际所??组长熊治民进一步指出,现今电动车规模化生产需求,系受惠於净零碳排浪潮下,各国补贴政策措施出笼、车厂制造并推出更多车款与降价促销,以及充电桩等基础设施持续增加,促使全球电动车(HEV、BEV、PHEV、FCEV)销量稳定成长的重要驱动因素,依Marklines统计在2021~2022年间达到1,533.2万辆。国际能源署(IEA)更预测,2025年全球电动车销量占比约23%,将在2030年达到36%。


「运具电动化及无碳化」也是台湾实现2050净零碳排转型目标的12项关键策略之一,交通部将藉由各项运具数量提升和实施环境改善配套计画,促进电动车辆普及,预计会在2040年达到电动小客车/电动机车市售占比100%。


大陆则是目前全球电动车及电池最大生产地区,并预计在泰国、印尼、巴西等地设厂生产电动车及电池;台湾也由鸿海带头,前往印度、泰国等地布局;以及美商Tesla考虑将分别前往印度、墨西哥设立电动车制造工厂。


打造智慧自动化生产线 攸关动力/电池、车身竞争力

「随着电动车产能扩张,还将陆续促成动力系统、动力电池、车体结构与零组件等多类制造生产的机械设备市场需求,以及自动化整合与智慧产线商机。」熊治民说,其中的动力系统约占整车成本15%~20%,虽然相较於内燃机动力系统的结构较为简约,主要由马达与减速齿轮、驱动与控制器组成,仍须解决电、磁、机械、冷却系统等问题,而延长使用寿命。且其要求紧致和精密、轻量化特性为设计与制造的关键,将决定车辆动态能力,包含输出动力、能源消耗及使用效率,以及符合加速性和极速、安全、安静等指标。


尤其是因为高效马达可能须达到上万转速,对於轴承品质要求较高;且在本体制造过程中,必须先利用冲压设备,将矽钢片冲制出设计尺寸与孔洞,才能通过绕线产生磁场,再将多个薄仅0.5~0.2mm矽钢片重叠,经过模具设计压合成为定子、转子,而减少涡流损失,而成为主要制造技术门槛。接着利用CNC车床等工具机,循设计的心轴形状和尺寸加工棒材;且经过铸造设备制造马达外壳初胚,再由工具机针对细部尺寸钻孔、攻牙等加工。


藉着引进自动化设备或人力,为大型或中小型感应式马达定子绕线,提高复杂的定子绕线组装效能;与使用机器人自动化搬运、涂密封胶、装配冷却系统、轴承和锁螺丝等作业,可提高马达组装效能与品质。


另因为电动车须搭配静音减速齿轮组,衍生精密齿轮制造研磨设备需求。除了传统「成形磨齿机」,先将通过齿轮成型方法去除部份齿形材料,再由如齿廓形状的工具磨削齿轮面;「连续创成磨齿机」,则透过蜗杆砂轮与齿轮工件间的相对创成运动,可一次研磨产生所有齿面,用於量产中小型齿轮;并针对电动车齿轮开发独有的??齿机,以改善齿轮表面粗度、降低齿轮运转噪音。


动力电池则在电动车成本占比40%~45%,熊治民分析其系统与主要元件包含电池芯、模组、系统,也须有底座、外壳、隔板等结构设计,以及冷却和散热装置,与其他扣件、接头等小型钣金件,涉及多种工具机执行冲压、弯折、铣削、切割、焊接、钻孔与攻牙等工法。


目前动力电池市场以大陆、日、韩等大厂为主,依Ofweek估计投资锂电池工厂设备约占总投资金额63~77%,平均每GWh锂电池投资设备金额约新台币9.5亿元、电池芯设备约7.7亿元;MicKinsey预估到了2030年,全球锂电池需求量达4,500GWh,相关设备投资金额约新台币4.27兆元。


至於在动力系统及电池之外的底盘、车架、车壳等相关零组件,其实大部份构造都与燃油车相似,约占电动车成本15%~20%,主要加工设备包括切割、冲压、弯管、焊接、喷涂等;另有部份专用机,则是为了增加电动车的续航里程,而导入铝镁合金、碳纤维复合材料加工制造,以有效减少车体重量。


例如美商Tesla便采用义大利IDER公司所开发的GIGA Press压铸机,於2008年由力劲集团并购,可透过高达8,000吨以上锁模力,一次压铸成型大尺寸铝材的车体结构件,取代原先需要分别冲压、焊接众多零组件的复杂制程,而有效减少零组件数量,加速生产电动车。惟缺点是必须采用特制合金材料、制造叁数和结构设计最隹化,才能真正实现制程;加上比起传统冲压、拼接的尺寸和重量增加又降低良率,导致许多业者都还在观??引进。


碳纤维复合材料固然具有重量轻、强度高等优势,用来制造电动车的车体、板金和内部零组件可降低总体重量,在相同动力系统和电池配置下,具备较长行驶里程。但在加入复材异质整合之後的切割、钻孔、修补零件加工,以及铺材、涂胶、压合等制造成型的过程特殊又难以自动化,导致必须结合人工操作,使之成本、工时居高不下。


其中还须加入3D printing、积层制造技术,可用来实现结构最隹化,强化生产轻量化结构件与客制化零件能力,并加速新车原型及零组件设计开发、验证,制作铸造砂模、夹治具与工具,以缩短电动车开发时间。


值得一提的是,近年来因应疫情及缺工、少子化社会冲击下,基於车辆零组件制造与组装,须要持续提升生产效能,以维持作业品质及控制成本、降低人员伤害,所以目前汽车制造业也持续透过推动自动化系统整合,於产线和工厂导入数位化与智慧化需求。


包括工业/协作型机器人、AGV/AMR等自动化周边设备,IBG-Automation公司也在2023年德国汉诺威自动化展,发表其使用ABB机器人的汽车装配应用,以多部机器人组装电动车电池;利用AIoT、Digitaltwin结合数位模型资料及实体设备整合应用,可协助实现机台、产线设计布置的生产系统设计和效能模拟验证、机台与产线即时状态监控可视化、叁数调整与优化、设备健康状态诊断及预测维护等,最终打造出智慧工厂,都有助於提高电动车生产效能及品质。


最後熊治民指出,电动车制造商机虽大,台厂仍需要在工具机、马达/电池、组装设备、自动化与SI聚焦及建立优势,包括客制化配合能力,驱使完整、灵活的动力/电池系统、整车组装供应链厂商异业合作,维持品质与成本控管。另针对国际电动车厂、机械设备商、新创产业等产业链投资并购,克服在先天上的劣势,包括:缺乏具主导性客户、品牌形象与价格天花板、与终端客户合作网路。



图2 : 随着电动车产能扩张,还将陆续促成动力系统、动力电池、车体结构与零组件等多类制造生产的机械设备市场需求,以及自动化整合与智慧产线商机。(source:us.bosch-press.com)
图2 : 随着电动车产能扩张,还将陆续促成动力系统、动力电池、车体结构与零组件等多类制造生产的机械设备市场需求,以及自动化整合与智慧产线商机。(source:us.bosch-press.com)

MIH善用达梭3D体验平台 加速电动车开发与智慧城市融合

台湾最具有代表性的开放式电动车联盟MIH,则趁着日前叁与在台北举行的「2023年达梭系统(Dassault Systemes)台湾产业高峰会」期间,由MIH执行长郑显聪现身说法,其如何利用着名的达梭3DEXPERIENCE平台,将开发电动车时间从5年缩短至2年,至少节省约10%~15%成本。


郑显聪表示,从今年德国规模最大的慕尼黑车展结束後,已可看到有许多欧系车厂都「醒过来」了。虽然在疫情过後,德、法电动车厂已开始急起直追,但竞争远比想像中快,还会反应称电动化的脚步走得太慢。


由於现今电动车推陈出新的速度越来越快,过去大约每隔5~10年推出一款新车的周期时间已经改变,而必须缩短在24~30个月内完成,经过不断地升级改进,目前特斯拉(Tesla)上海超级工厂不到40秒就能下线(离开生产线)一辆整车,在今年9月6日特斯拉上海超级工厂第200万辆整车从生产线上缓缓驶出的「特斯拉速度」。包括德国、美国车厂都已跟不上Tesla的一体压铸技术,原有员工也不愿接受组织改革,唯有缩短软体模拟分析,才能与Tesla竞争。



图3 : 开放式电动车联盟MIH执行长郑显聪日前叁与「2023年达梭系统台湾产业高峰会」现身说法,其如何将开发电动车时间从5年缩短至2年,至少节省约10%~15%成本。
图3 : 开放式电动车联盟MIH执行长郑显聪日前叁与「2023年达梭系统台湾产业高峰会」现身说法,其如何将开发电动车时间从5年缩短至2年,至少节省约10%~15%成本。

在台湾的Bosch、Siemens、达梭等MIH合作夥伴,也会向欧洲总部反应,希??能有更多互动。MIH则与德商FEV合作研发Body Structure车身设计,增加焊点及可更换梁柱来符合小车设计需求,而不必浪费成本来引进昂贵的一体成型压铸机。达梭3DEXPERIENCE平台也频获电动车厂青睐,协助MIH布局全球和欧洲,实现与世界各地供应链夥伴零时差、24/7天协同作业开发车用软、硬体。


郑显聪进一步分析,过去完整的造车系统除了核心的底盘、车身、引擎、电子/电机之外,皆将其他零组/配件委外生产。但进入电动车时代之後,由於标准化及模组化趋势,已让其整体零组件数量减少30%、开发时间缩短6~8个月以上;再利用软体模拟、分析,缩短在工程测试、验证及评价的时程到6~8个月,合计约可减省1~1.5年开发新车的时间。


MIH还透过达梭3DEXPERIENCE平台模拟、分析来实现数位分身(Digital twin)理念,即由掌握云端平台权限於最快时间搜集资讯,减少重覆工作造成的额外负担;与更多跨国团队交流讨论、快速导入创新技术和IP布局全球;同时解决建置电动车系统流程所需的有形/无形成本和缩短模拟分析、验证、测试时间,须确保合??规范才上线生产。


包括真正导入了基於开发者(Developer Oriented)、使用者(User Oriented)体验而生产,即使未必要使用如Tesla的高价一体压铸式设备,也能经由合作夥伴FEV协助设计Body Structure、Denso负责温控空调系统等,形成「堆积木式」的底层技术架构而方便替换;支援上层软体VicOne、Black berry持续更新换代,与世界各地工程师协同作业。



图4 : 目前MIH不只从事电动车OEM生产,还必须要建立完整生态系,带领台湾其他产业数位转型。(source:autoevolution.com)
图4 : 目前MIH不只从事电动车OEM生产,还必须要建立完整生态系,带领台湾其他产业数位转型。(source:autoevolution.com)

值得一提的是,郑显聪也说明了电动车与未来智慧城市关联性,强调目前MIH共有超过2,700家会员、分为14种类型的工作团队,已不只从事电动车OEM生产,还必须要建立完整生态系,带领台湾其他产业数位转型。


因此可避免与欧、美、日、大陆车厂直接在硬体削价竞争,进而直接诉求B2B应用场域,透过服务克服痛点,如物流运输业者对於净零碳排的迫切需求;并利用数位分身建立可与车辆以语音通讯互动、安全等14类工作体验的模型,且所有数据资料最後还是会在云端,伴随用户一辈子,进而驱动软体平台成长,带来更好的顾客体验。


智慧城市则能提供电动车更多应用场景的平台,此时後台也变得更为重要,可随时随地复制、扩大体验内容。MIH也希??藉着与达梭合作平台,整合各地不同市场及消费者体验而持续成长,将更有助於大幅提升工作效率。


**刊头图(source:autoevolution.com)


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