如何評估純電車續航力

2020年08月18日
專欄作家/陳世芳
交通大學電子工程系學士與科技管理研究所碩士,目前為麥斯管理顧問公司創辦人、天使投資人,以及佑勝光電(uSenlight)董事。
擁有多年的創業投資經驗,並且擔任過多家公司的董監事,擅長產業前瞻預測分析、企業發展、新事業與新產品開發、募資等。

 

2020年儘管遇到COVID 19的襲擊,導致全球汽車生產過量,租車公司的業績也是慘澹無比,台灣純電車的銷售量依然強勁成長,Tesla Group的市佔率高達94%。Robert Bosch預估2020年全球汽車產量將萎縮20%;美國第二大租車公司Hertz與第四大租車公司Advantage Vehicles雙雙不敵市場衰退,而聲請破產保護;台灣在1~4月總共銷售1,903台純電車,其中第一名Tesla Model 3市佔率79%,第二名Tesla Model X市佔率14%,二者合計佔93%。咦?Model S怎麼市佔率只剩下2%?從數據來看,Model 3取代Model S的趨勢很明顯,一方面因為Model 3的價格比較便宜,另一方面Model 3也確實做得比較好,所以Tesla大幅度調降Model S的售價,看起來是正確的決策。可以預期,當Model Y在台灣上市之後,會有更多車主選擇Model Y,而不是Model X或Model 3。

 
圖一、2020年1~4月台灣純電車銷售概況

我該買怎樣的純電車,才可以避免里程焦慮?這一直是一個困擾許多純電車主的問題。我認為影響純電車續航力的因素有下面幾個:(1)智慧化程度(AutoPilot):短期內自動駕駛程度越高的純電車越耗電,Tesla的Hardware 3如果全功率使用約1,000W,我的筆電HP Spectre耗電量約30W,一台Tesla約是我的33台筆電耗電量;(2)當地氣溫:對於純電車來說,當地氣溫太高或太低都不好,太低比太高更不好。空調系統一直是影響汽油車里程數的關鍵之一,到了純電車時代也是如此。氣溫太高要開冷氣,氣溫太低要開暖氣,都很耗電。為此,Tesla Model Y開發了Heat Pump系統,透過節能的熱泵,來提高空調系統的能效。為什麼說氣溫低比氣溫高更不好呢?主要原因是氣溫低的時候,其實就算不開車,純電車也要啟動電池保暖系統,以免電力快速流失(電池內阻因素)。NCA(三元鋰)電池的內阻比磷酸鋰鐵(LFP)電池更低,所以NCA(三元鋰)電池比較適合在寒帶國家使用,亞熱帶國家則適合用磷酸鋰鐵。台灣一年四季如春,用哪一種電池,內阻對於電力衰退的效應並不明顯。磷酸鋰鐵電池在中國大陸本來要被NCA(三元鋰)電池所取代,但是中國政府與Tesla做了利益交換,中國政府給予許多優惠與補助,加速Tesla在上海建廠,要求使用國產電池,Tesla選擇了CATL的磷酸鋰鐵電池,同時避免自己最新的1百萬英里NCA(三元鋰)電池技術外流給中國,這樣的利益交換對於雙方來說都有好處。所以磷酸鋰鐵電池在中國市場起死回生了。BYD公司為了延續磷酸鋰鐵電池的產品生命週期,推出了刀片電池技術,使得重量容量密度從原本的80-100Wh/kg提高到140-150Wh/kg,很接近普通三元電池NCM811的170-180Wh/kg。CATL也有類似刀片電池的技術叫做CTP(Cell to Pack),其NCM811已經做到240Wh/kg,預估到了2024年將達到350Wh/kg。在Tesla宣布申請可用1百萬英里(160萬公里)的電池專利(IPN:WO 2020/082019A1)之後,LFP長壽命的優勢已經被NCA所打破,新電池的電壓約在4.3V;(3)當地路況:例如高速公路就會比市區更省電;(4)駕駛習慣:喜歡緊急煞車的車主,開車會比較耗電;(5)車體內裝:車體內裝如果隔絕冷熱的效果比較好,則可以省電。車體內裝如果越豪華,車子越重,自然也就比較耗電;(6)馬達等級:IE5馬達比IE3馬達更省電,2020年Tesla全系列已經使用IE5馬達;(7)電控電路:使用Power SiC/GaN電子元件比IGBT更省電。一般車主看到這麼多專業的細節,大概都會頭暈了,我們後面來看看一些比較平易近人的分析比較。
根據Waat Car的實測,全球前十名長里程數的純電車排名如圖二。我們可以看到實際里程約在313~414公里,實測里程與官方里程的差距約在60~92%之間,平均每度電電池的里程數介於3.2~5.8之間,實際里程/車重介於0.12~0.25之間。Tesla的策略是控制實際里程/官方里程的數字,約在60~79%之間;Hyundai、Jaguar、Kia、Nissan、Mercides-Benz則採用高標準,控制在80~92%之間。以上的數據說明,不同品牌的車廠策略不同,他們對於如何控制實際里程/官方里程的%數據,策略也不一樣。所以購買之前,最好先查詢該車種的實際里程/官方里程%數據,自己先心裡有數做好準備比較好。豪華車的內裝比較好,通常會超過2,000公斤,所以實際里程/車重數字會比較低,由圖中看到約介於0.12~0.19 km/kg之間,其他車種則介於0.2~0.25 km/kg之間。對於內裝很重視的車主就別抱怨了,內裝好,又要高里程數,目前僅有Jaguar I-Pace一種選擇,但是其缺點是智慧化程度不如Tesla那麼高。Tesla在純電車智慧化的努力是世界第一,其他車廠望塵莫及,所以Kia, Hyundai, Jaguar就在長里程數上面努力,這也是一種差異化策略。電池的優劣只是影響純電車續航力的因素之一,並不是那麼絕對,所以車主選擇電動車的時候,其實可以不必那麼在意電池的種類,而是要想清楚自己對於純電車最重視的東西是什麼。智慧化?內裝?實際里程數?


圖二:What Car實測純電車里程數與官方數據比較

如果我們消除車重與電池種類的因素,可以看到目前做得比較好的純電車如圖三,紅字的車款。Nissan Leaf e+是一款適合都市使用的小車,其電池容量只有62KWh,實際里程數347公里。如果車主不常開長途,而是近程上下班為主,這台車比較合適。當然Nissan的缺點也是智慧化不如Tesla。今天要特別跟大家提一個「Smart BEV」的概念,汽油車時代,車主比較重視Powertrain動力系統,純電車時代,我認為智慧化的重要性遠超過動力系統,最後勝出的是最智慧化相對來說又不是那麼耗電的車種。我不認為最長實際里程數的公司會勝出,我也認為內裝豪華的純電車依舊是利基市場。原因是慢速充電樁正在快速興起,會出現在住家、辦公室、商場、車站…..最終每一個停車位都會配置一個慢速充電樁,車主只要停車就順便充電,所謂的里程焦慮問題會隨著基礎建設的佈建,而逐漸獲得緩解。當然,如果車主很堅持要把純電車開到人煙稀少之處,我看十年之後還是很挑戰,這種車主其實不適合購買純電車。許多研究機構認為,長期來看,DC快速充電樁的數量約在5%附近,換句話說AC慢速充電樁約在95%。


圖三:km/kg v.s. km/KWh
 
我會比較樂觀的原因是台灣新的建築法規已經要求新建築物替每個停車位預留慢速充電樁的位置、線路與電力容量。合理預期,可以充電的房屋比較保值,新建案的需求依然高於舊建案。假如說政府給予新建案容積獎勵,在能源管理系統慢速充電樁儲能裝置(BESS)上,有助於加速新建案當中慢速充電樁的滲透率,同時也兼顧電力品質與大樓契約容量成本。有些建商已經把可充電的車位當成是賣點,包括希華、璞園、遠雄。如果建商看到今年台灣純電車的銷售實績,相信未來會有越來越多建商的新建案都會把慢速充電的功能放進去。在這裡我也要提醒建商,能源管理系統、慢速充電樁、儲能裝置是三位一體,缺一不可。缺少能源管理系統與儲能系統,會影響大樓的電力品質。也建議屋主買新屋的時候,不要看到可以慢充就見獵欣喜,最好問清楚大樓有沒有配置能源管理系統與儲能系統,以免將來大樓超過契約容量被罰錢或電力品質不穩定常常跳電。
 
舊的建案也越來越多社區可以安裝慢速充電樁。媒體蘋果仁整理出一份全台灣可拉充電樁社區的名單(”特斯拉等電動車友注意!全台「可拉充電樁」社區大樓整理”),買車買房之前可以先查閱一下。Mobile 01上面也有最新的更新資料,特別是新竹地區。一般成屋安裝慢速充電的費用約在3~5萬元,且必須管委會同意,要買純電車的車主最好先徵詢管委會與充電器安裝公司,瞭解規定與費用。管委會如果希望通案處理,也建議先洽詢能源管理公司,做一個整體性的規劃,才是長遠之計。如果是個案處理,將來可能會面臨大量停車位都要充電的問題,屆時的成本應該會更高,且累積不少抱怨。
 
我個人對於純電車的發展比較樂觀,Tesla的實績大家有目共睹,另一個原因是超音波新技術增強了電池的效能。根據Advanced Materials所刊出的論文” Lithium‐Metal Batteries: Enabling Rapid Charging Lithium Metal Batteries via Surface Acoustic Wave‐Driven Electrolyte Flow (Adv. Mater. 14/2020)”,如果使用100MHz的超音波,可以讓電池在充放電的時候更穩定。鋰電池在充電的時候,鋰離子會變成鋰晶枝,如果放任鋰晶枝亂長,可能會刺破隔離膜,造成危險。如果在充電的時候利用超音波元件產生循環電流,維持電解液流動的穩定,就可以減少鋰晶枝生長的機率,讓電池更安全。科學家研究指出充放電循環250次之後,依然穩定,且從0%充電到100%約只需要10分鐘時間。
 
台灣純電車在2020年銷售強勁是一個事實,我認為影響純電車續航力的原因總共有七點,但因為太技術,對一般車主的參考價值不高。所以我參考What Car的數據,以及我自己整理的數據,提供其他觀點來讓車主比較容易理解應該如何選購純電車。我們可以看到不同的汽車公司、不同的車款有其不同的客群,汽車公司透過這樣的方式來做差異化。車主應該根據自己的喜好來選擇純電車,選到不適合自己的車子,開起來很痛苦的。新舊建案都因為純電車的趨勢而做了許多改變,越來越多建商將慢速充電樁列為基本配備,因為房子會比較好賣。既有的成屋,也越來越多允許慢速充電。慢速充電的時代,能源管理系統、儲能系統都非常重要,洽詢專業的能源管理公司合作會比較妥當一點。我們看到Tesla的電池已經來到使用160公里的效能,超音波裝置可以提高充電的安全性,且降低充電時間,因此我對於智慧純電車(Smart BEV)未來的發展會比較樂觀一點。