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電動車製造紅海破浪
跨域迎接減碳未來
[作者 陳念舜]   2023年09月21日 星期四 瀏覽人次: [1947]

因應國際淨零碳排潮流與疫後創新產業趨勢,全球汽車產業也為此加速電動化腳步,甚至逐漸漫延成了紅海。包括近年來由美商Tesla率先發動價格戰,以及到了今年中國大陸車廠在慕尼黑車展大出鋒頭可見一斑。


根據國際能源總署(IEA)最新統計,2022年電動車銷售突破1,000萬輛新高,較前一年成長逾5成,估計新能源車對整體車市的滲透率也不斷攀升;且依工研院IEK Consulting推估,2040年全球電動車市場規模將達到智慧手機的2.3倍、半導體的1.6倍。惟若從中國乘聯會與日本汽車工業協會統計顯示,今年上半年大陸整車出口為234.1萬輛、較同期成長76.9%,更優於日本上半年汽車出口量為202萬輛、同期成長17%。這意味著大陸已穩居全球第一汽車出口大國寶座,而排名前2名的大陸車為上汽、奇瑞,Tesla竟居排名第3。


為衝刺季底買氣搶市占,美國電動車大廠特斯拉(Tesla)今年以來降價頻頻,不只調整零售價格,還加入了免費超級充電服務,雖然營收和獲利雙雙成長,但毛利率卻因而下修。未來更應該重視因產油國減供而助長高通膨和高利率,將帶來市場不穩定性、消費者縮減支出對汽車銷量的衝擊程度,以及小型車廠是否能撐過經濟逆風考驗,都使今年下半年的汽車市場充滿變數。


今年德國最大的慕尼黑車展(IAA Mobility)參展廠商也有約41%總部位於亞洲,大陸廠商數量更是攀升1倍之多,包括比亞迪、寧德時代新能源科技、小鵬等電池和電動車商。業界分析師和高層更指出,在這個電動車時代,歐洲車廠必須證明,從產品、財務策略到控制供應鏈等方面,都能與亞洲車廠一較高下。


博世集團執行長Stefan Hartung表示:「在軟體定義的未來交通中,除了硬體至關重要,不同來源的軟體間互動也很關鍵!博世則具備軟硬體專業,將應用新科技實現軟體定義汽車,使其加速上路。」為了較以往更強化其交通移動軟體公司的定位,同時持續發展硬體專業,博世將於2024年1月1日正式重整博世交通移動業務事業群,強化跨部門協作。目前在交通移動領域擁有約38,000名軟體工程師人數為汽車產業之冠。



圖1 : 歐洲車廠必須證明,從產品、財務策略到控制供應鏈等方面,都能與亞洲車廠一較高下。(source:Bosch)
圖1 : 歐洲車廠必須證明,從產品、財務策略到控制供應鏈等方面,都能與亞洲車廠一較高下。(source:Bosch)

著眼淨零碳排商機 電動車規模化成長

工研院產科國際所組長岳俊豪對此表示,當前全球正處於下世代汽車轉型的起點,未來電動車將配備更先進的三電系統與關鍵零組件,包括:高效率馬達、電池和智慧化控制系統等科技的進步,將讓電動車的性能更卓越、安全性更高,且更易於維護。加上充電速度的提升與更廣泛的充電設施佈建,將使電池的充電時間更為短暫,並加速電動車的普及化,其所對應的加工設備與下世代材料,也為台灣未來產業帶來發展的新動能。


工研院產科國際所副組長熊治民進一步指出,現今電動車規模化生產需求,係受惠於淨零碳排浪潮下,各國補貼政策措施出籠、車廠製造並推出更多車款與降價促銷,以及充電樁等基礎設施持續增加,促使全球電動車(HEV、BEV、PHEV、FCEV)銷量穩定成長的重要驅動因素,依Marklines統計在2021~2022年間達到1,533.2萬輛。國際能源署(IEA)更預測,2025年全球電動車銷量占比約23%,將在2030年達到36%。


「運具電動化及無碳化」也是台灣實現2050淨零碳排轉型目標的12項關鍵策略之一,交通部將藉由各項運具數量提升和實施環境改善配套計畫,促進電動車輛普及,預計會在2040年達到電動小客車/電動機車市售占比100%。


大陸則是目前全球電動車及電池最大生產地區,並預計在泰國、印尼、巴西等地設廠生產電動車及電池;台灣也由鴻海帶頭,前往印度、泰國等地佈局;以及美商Tesla考慮將分別前往印度、墨西哥設立電動車製造工廠。


打造智慧自動化生產線 攸關動力/電池、車身競爭力

「隨著電動車產能擴張,還將陸續促成動力系統、動力電池、車體結構與零組件等多類製造生產的機械設備市場需求,以及自動化整合與智慧產線商機。」熊治民說,其中的動力系統約占整車成本15%~20%,雖然相較於內燃機動力系統的結構較為簡約,主要由馬達與減速齒輪、驅動與控制器組成,仍須解決電、磁、機械、冷卻系統等問題,而延長使用壽命。且其要求緊緻和精密、輕量化特性為設計與製造的關鍵,將決定車輛動態能力,包含輸出動力、能源消耗及使用效率,以及符合加速性和極速、安全、安靜等指標。


尤其是因為高效馬達可能須達到上萬轉速,對於軸承品質要求較高;且在本體製造過程中,必須先利用沖壓設備,將矽鋼片沖製出設計尺寸與孔洞,才能通過繞線產生磁場,再將多個薄僅0.5~0.2mm矽鋼片重疊,經過模具設計壓合成為定子、轉子,而減少渦流損失,而成為主要製造技術門檻。接著利用CNC車床等工具機,循設計的心軸形狀和尺寸加工棒材;且經過鑄造設備製造馬達外殼初胚,再由工具機針對細部尺寸鑽孔、攻牙等加工。


藉著引進自動化設備或人力,為大型或中小型感應式馬達定子繞線,提高複雜的定子繞線組裝效能;與使用機器人自動化搬運、塗密封膠、裝配冷卻系統、軸承和鎖螺絲等作業,可提高馬達組裝效能與品質。


另因為電動車須搭配靜音減速齒輪組,衍生精密齒輪製造研磨設備需求。除了傳統「成形磨齒機」,先將通過齒輪成型方法去除部份齒形材料,再由如齒廓形狀的工具磨削齒輪面;「連續創成磨齒機」,則透過蝸桿砂輪與齒輪工件間的相對創成運動,可一次研磨產生所有齒面,用於量產中小型齒輪;並針對電動車齒輪開發獨有的珩齒機,以改善齒輪表面粗度、降低齒輪運轉噪音。


動力電池則在電動車成本占比40%~45%,熊治民分析其系統與主要元件包含電池芯、模組、系統,也須有底座、外殼、隔板等結構設計,以及冷卻和散熱裝置,與其他扣件、接頭等小型鈑金件,涉及多種工具機執行沖壓、彎折、銑削、切割、銲接、鑽孔與攻牙等工法。


目前動力電池市場以大陸、日、韓等大廠為主,依Ofweek估計投資鋰電池工廠設備約占總投資金額63~77%,平均每GWh鋰電池投資設備金額約新台幣9.5億元、電池芯設備約7.7億元;MicKinsey預估到了2030年,全球鋰電池需求量達4,500GWh,相關設備投資金額約新台幣4.27兆元。


至於在動力系統及電池之外的底盤、車架、車殼等相關零組件,其實大部份構造都與燃油車相似,約占電動車成本15%~20%,主要加工設備包括切割、沖壓、彎管、銲接、噴塗等;另有部份專用機,則是為了增加電動車的續航里程,而導入鋁鎂合金、碳纖維複合材料加工製造,以有效減少車體重量。


例如美商Tesla便採用義大利IDER公司所開發的GIGA Press壓鑄機,於2008年由力勁集團併購,可透過高達8,000噸以上鎖模力,一次壓鑄成型大尺寸鋁材的車體結構件,取代原先需要分別沖壓、銲接眾多零組件的複雜製程,而有效減少零組件數量,加速生產電動車。惟缺點是必須採用特製合金材料、製造參數和結構設計最佳化,才能真正實現製程;加上比起傳統沖壓、拼接的尺寸和重量增加又降低良率,導致許多業者都還在觀望引進。


碳纖維複合材料固然具有重量輕、強度高等優勢,用來製造電動車的車體、板金和內部零組件可降低總體重量,在相同動力系統和電池配置下,具備較長行駛里程。但在加入複材異質整合之後的切割、鑽孔、修補零件加工,以及鋪材、塗膠、壓合等製造成型的過程特殊又難以自動化,導致必須結合人工操作,使之成本、工時居高不下。


其中還須加入3D printing、積層製造技術,可用來實現結構最佳化,強化生產輕量化結構件與客製化零件能力,並加速新車原型及零組件設計開發、驗證,製作鑄造砂模、夾治具與工具,以縮短電動車開發時間。


值得一提的是,近年來因應疫情及缺工、少子化社會沖擊下,基於車輛零組件製造與組裝,須要持續提升生產效能,以維持作業品質及控制成本、降低人員傷害,所以目前汽車製造業也持續透過推動自動化系統整合,於產線和工廠導入數位化與智慧化需求。


包括工業/協作型機器人、AGV/AMR等自動化周邊設備,IBG-Automation公司也在2023年德國漢諾威自動化展,發表其使用ABB機器人的汽車裝配應用,以多部機器人組裝電動車電池;利用工業物聯網(AIoT)、數位分身(Digital twin)結合數位模型資料及實體設備整合應用,可協助實現機台、產線設計布置的生產系統設計和效能模擬驗證、機台與產線即時狀態監控可視化、參數調整與優化、設備健康狀態診斷及預測維護等,最終打造出智慧工廠,都有助於提高電動車生產效能及品質。


最後熊治民指出,電動車製造商機雖大,台廠仍需要在工具機、馬達/電池、組裝設備、自動化與SI聚焦及建立優勢,包括客製化配合能力,驅使完整、靈活的動力/電池系統、整車組裝供應鏈廠商異業合作,維持品質與成本控管。另針對國際電動車廠、機械設備商、新創產業等產業鏈投資併購,克服在先天上的劣勢,包括:缺乏具主導性客戶、品牌形象與價格天花板、與終端客戶合作網路。



圖2 : 隨著電動車產能擴張,還將陸續促成動力系統、動力電池、車體結構與零組件等多類製造生產的機械設備市場需求,以及自動化整合與智慧產線商機。(source:us.bosch-press.com)
圖2 : 隨著電動車產能擴張,還將陸續促成動力系統、動力電池、車體結構與零組件等多類製造生產的機械設備市場需求,以及自動化整合與智慧產線商機。(source:us.bosch-press.com)

MIH善用達梭3D體驗平台 加速電動車開發與智慧城市融合

台灣最具有代表性的開放式電動車聯盟MIH,則趁著日前參與在台北舉行的「2023年達梭系統(Dassault Systemes)臺灣產業高峰會」期間,由MIH執行長鄭顯聰現身說法,其如何利用著名的達梭3DEXPERIENCE平台,將開發電動車時間從5年縮短至2年,至少節省約10%~15%成本。


鄭顯聰表示,從今年德國規模最大的慕尼黑車展結束後,已可看到有許多歐系車廠都「醒過來」了。雖然在疫情過後,德、法電動車廠已開始急起直追,但競爭遠比想像中快,還會反應稱電動化的腳步走得太慢。


由於現今電動車推陳出新的速度越來越快,過去大約每隔5~10年推出一款新車的週期時間已經改變,而必須縮短在24~30個月內完成,經過不斷地升級改進,目前特斯拉(Tesla)上海超級工廠不到40秒就能下線(離開生產線)一輛整車,在今年9月6日特斯拉上海超級工廠第200萬輛整車從生產線上緩緩駛出的「特斯拉速度」。包括德國、美國車廠都已跟不上Tesla的一體壓鑄技術,原有員工也不願接受組織改革,唯有縮短軟體模擬分析,才能與Tesla競爭。



圖3 : 開放式電動車聯盟MIH執行長鄭顯聰日前參與「2023年達梭系統臺灣產業高峰會」現身說法,其如何將開發電動車時間從5年縮短至2年,至少節省約10%~15%成本。(攝影:陳念舜)
圖3 : 開放式電動車聯盟MIH執行長鄭顯聰日前參與「2023年達梭系統臺灣產業高峰會」現身說法,其如何將開發電動車時間從5年縮短至2年,至少節省約10%~15%成本。(攝影:陳念舜)

在台灣的Bosch、Siemens、達梭等MIH合作夥伴,也會向歐洲總部反應,希望能有更多互動。MIH則與德商FEV合作研發Body Structure車身設計,增加銲點及可更換樑柱來符合小車設計需求,而不必浪費成本來引進昂貴的一體成型壓鑄機。達梭3DEXPERIENCE平台也頻獲電動車廠青睞,協助MIH布局全球和歐洲,實現與世界各地供應鏈夥伴零時差、24/7天協同作業開發車用軟、硬體。


鄭顯聰進一步分析,過去完整的造車系統除了核心的底盤、車身、引擎、電子/電機之外,皆將其他零組/配件委外生產。但進入電動車時代之後,由於標準化及模組化趨勢,已讓其整體零組件數量減少30%、開發時間縮短6~8個月以上;再利用軟體模擬、分析,縮短在工程測試、驗證及評價的時程到6~8個月,合計約可減省1~1.5年開發新車的時間。


MIH還透過達梭3DEXPERIENCE平台模擬、分析來實現數位分身理念,即由掌握雲端平台權限於最快時間蒐集資訊,減少重覆工作造成的額外負擔;與更多跨國團隊交流討論、快速導入創新技術和IP布局全球;同時解決建置電動車系統流程所需的有形/無形成本和縮短模擬分析、驗證、測試時間,須確保合乎規範才上線生產。


包括真正導入了基於開發者(Developer Oriented)、使用者(User Oriented)體驗而生產,即使未必要使用如Tesla的高價一體壓鑄式設備,也能經由合作夥伴FEV協助設計Body Structure、Denso負責溫控空調系統等,形成「堆積木式」的底層技術架構而方便替換;支援上層軟體VicOne、Black berry持續更新換代,與世界各地工程師協同作業。



圖4 : 目前MIH不只從事電動車OEM生產,還必須要建立完整生態系,帶領台灣其他產業數位轉型。(source:autoevolution.com)
圖4 : 目前MIH不只從事電動車OEM生產,還必須要建立完整生態系,帶領台灣其他產業數位轉型。(source:autoevolution.com)

值得一提的是,鄭顯聰也說明了電動車與未來智慧城市關聯性,強調目前MIH共有超過2,700家會員、分為14種類型的工作團隊,已不只從事電動車OEM生產,還必須要建立完整生態系,帶領台灣其他產業數位轉型。


因此可避免與歐、美、日、大陸車廠直接在硬體削價競爭,進而直接訴求B2B應用場域,透過服務克服痛點,如物流運輸業者對於淨零碳排的迫切需求;並利用數位分身建立可與車輛以語音通訊互動、安全等14類工作體驗的模型,且所有數據資料最後還是會在雲端,伴隨用戶一輩子,進而驅動軟體平台成長,帶來更好的顧客體驗。


智慧城市則能提供電動車更多應用場景的平台,此時後台也變得更為重要,可隨時隨地複製、擴大體驗內容。MIH也希望藉著與達梭合作平台,整合各地不同市場及消費者體驗而持續成長,將更有助於大幅提升工作效率。


**刊頭圖(source:autoevolution.com)


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