电动车制造红海破浪 跨域迎接减碳未来

因应国际净零碳排潮流与疫后创新产业趋势，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能手机的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，今年上半年中国大陆整车出口为234.1万辆、较同期成长76.9%，更优于日本上半年汽车出口量为202万辆、同期成长17%。这意味着大陆已稳居全球第一汽车出口大国宝座，而排名前2名的中国大陆车为上汽、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）参展厂商也有约41%总部位于亚洲，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：「在软件定义的未来交通中，除了硬件至关重要，不同来源的软件间互动也很关键！博世则具备软硬体专业，将应用新科技实现软件定义汽车，使其加速上路。」为了较以往更强化其交通移动软件公司的定位，同时持续发展硬件专业，博世将于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名软件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）

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，当前全球正处于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、电池和智能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，且更易于维护。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。
工研院产科国际所副组长熊治民进一步指出，现今电动车规模化生产需求，系受惠于净零碳排浪潮下，各地补贴政策措施出笼、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，将藉由各项运具数量提升和实施环境改善配套计划，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%。
中国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、印度尼西亚、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。

打造智能自动化生产线 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能产线商机。」熊治民说，其中的动力系统约占整车成本15%~20%，虽然相较于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，对于轴承质量要求较高；且在本体制造过程中，必须先利用冲压设备，将硅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硅钢片重迭，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坎。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。
借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质量。
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，用于量产中小型齿轮；并针对电动车齿轮开发独有的珩齿机，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组件包含电池芯、模块、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中国大陆、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。
至于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便采用意大利IDER公司所开发的GIGA Press压铸机，于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、制造参数和结构设计优化，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望引进。
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后的切割、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，可用来实现结构优化，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，基于车辆零组件制造与组装，须要持续提升生产效能，以维持作业质量及控制成本、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，于产线和工厂导入数字化与智能化需求。
包括工业/协作型机器人、AGV/AMR等自动化接口设备，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；利用工业物联网（AIoT）、数字分身（Digital twin）结合数字模型数据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仿真验证、机台与产线实时状态监控可视化、参数调整与优化、设备健康状态诊断及预测维护等，最终打造出智慧工厂，都有助于提高电动车生产效能及质量。
最后熊治民指出，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，维持质量与成本控管。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、与终端客户合作网络。

 
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能产线商机。（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
中国台湾最具有代表性的开放式电动车联盟MIH，则趁着日前参与在台北举行的「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，其如何利用著名的达梭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后，已可看到有许多欧系车厂都「醒过来」了。虽然在疫情过后，德、法电动车厂已开始急起直追，但竞争远比想象中快，还会反应称电动化的脚步走得太慢。

由于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200万辆整车从生产在线缓缓驶出的「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，唯有缩短软件仿真分析，才能与Tesla竞争。

 
图3 : 开放式电动车联盟MIH执行长郑显聪日前参与「2023年达梭系统产业高峰会」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。（摄影：陈念舜）

在中国台湾的Bosch、Siemens、达梭等MIH合作伙伴，也会向欧洲总部反应，希望能有更多互动。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伙伴零时差、24/7天协同作业开发车用软、硬件。
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后，由于标准化及模块化趋势，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；再利用软件仿真、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平台仿真、分析来实现数字分身理念，即由掌握云端平台权限于最快时间搜集信息，减少重复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，须确保合乎规范才上线生产。
包括真正导入了基于开发者（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，也能经由合作伙伴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；支持上层软件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字转型。（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字转型。
因此可避免与欧、美、日、中国大陆车厂直接在硬件削价竞争，进而直接要求B2B应用场域，透过服务克服痛点，如物流运输业者对于净零碳排的迫切需求；并利用数字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，且所有数据数据最后还是会在云端，伴随用户一辈子，进而驱动软件平台成长，带来更好的顾客体验。
智能城市则能提供电动车更多应用场景的平台，此时后台也变得更为重要，可随时随地复制、扩大体验内容。MIH也希望借着与达梭合作平台，整合各地不同市场及消费者体验而持续成长，将更有助于大幅提升工作效率。