汽車低碳化與動力總成技術創新＊

李駿 張曉艷 付磊 沈鐵軍 宮艷峰 楊興旺 王永軍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

汽車低碳化與動力總成技術創新＊

李駿 張曉艷 付磊 沈鐵軍 宮艷峰 楊興旺 王永軍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

從全球氣候變化入手，分析了中國低碳化發展需求，包括碳排放構成、汽車碳排放占比，基于《巴黎協定》中中國政府的CO2排放量承諾，預測了2025年和2030年汽車油耗限值，據此分析了中國汽車低碳化技術需求，提出了中國汽車低碳化發展技術路線，從國家、社會、汽車行業和汽車企業層面給出了低碳化建議。

1 前言

長期以來，中國汽車行業相關法規一直關注污染物的排放，隨著GB 19578《乘用車燃料消耗量限值》的實施，中國對汽車CO2的排放加以控制并以汽車油耗法規的形式體現，這與部分發達國家的控制策略不同。GB 19578的油耗限值要求使汽車企業面臨巨大壓力，從而促使低碳技術戰略成為汽車企業發展的重要戰略之一。

中國汽車工業面臨著3個重要課題，即油耗法規的制定、油耗法規的發展趨勢以及汽車行業的應對措施，其主線是低碳化。本文研究了國際能源和CO2排放量的構成與核算，分析了中國汽車工業碳排放現狀、低碳技術與國際先進水平的差距以及中國汽車工業的CO2排放份額，提出了全產業鏈條下中國汽車低碳化技術路線。

2 中國汽車工業低碳化發展需求

2.1 低碳化是中國的發展需求

世界主要國家已就氣候控制達成基本共識，即相較于工業革命前，全球溫度的升高幅度必須控制在2℃以內[1]。據環境科學家估計，要實現上述目標，全球CO2累計總排放量必須低于3.15萬億噸，到目前為止，人類已經排放1.9萬億噸，還有約1.25萬億噸的可排放空間[1]。所以，降低CO2排放量是極具挑戰性的任務。

為此，包括中國在內的多國簽署了第一個具有普遍約束力的氣候協議，即《巴黎協定》。目前，發達國家CO2排放量處于穩定甚至下降狀態，而中國正處于CO2排放量急劇增加的時期，因此，面臨更大的減排壓力。中國政府承諾，到2030年左右，中國CO2年排放總量不再增加，且單位GDP的CO2排放量較2005年降低60%～65%。為此，中國汽車產業必須支撐國家CO2減排整體戰略，持續降低單車碳排放水平，為國家碳排放控制作出貢獻，也為自身發展擴大空間。

2.2 汽車低碳化是中國低碳化發展的需求

全球CO2排放量構成中，公路交通CO2排放量占比17.5%[2]，是減排的重點領域。發達國家公路交通CO2排放量占比更大，美國為28%，歐盟為25%[3]。

在材料制造、燃料制造、車輛制造、使用、回收等汽車生命周期各環節中，使用環節的CO2排放量所占份額最大，本文主要論述使用環節，即“從油箱到車輪”（Tank to Wheel，TtW）的CO2排放問題。

目前，中國汽車CO2排放量只占總排放量的約7%，但增速較快，使用環節排放占比較低[2]，如圖1所示。中國政府承諾，中國CO2年排放量到2030年左右達到頂峰，因此，汽車保有量不能急劇增加，但汽車的需求量和產量不斷增長，汽車CO2年排放總量也在增加，未來，中國汽車CO2排放量占比必然會超過7%。

圖1 中國汽車使用環節CO2年排放總量及占比

圖2所示為世界主要國家千人汽車保有量與人均GDP的關系[4]，由圖2可知，二者呈線性關系是普遍規律。由此可以推測，伴隨中國經濟的發展，中國汽車保有量將快速增加，汽車將成為CO2排放量控制的重要領域。

圖2 千人汽車保有量與人均GDP

到2025年和2030年，中國人均GDP預計將分別達到8.4萬元和11.1萬元（人民幣），按模型預測，千人汽車保有量將分別達到227輛和280輛。中國汽車保有量預計在2020年達到3億輛，2025年達到3.7億輛，2030年達到4.3億輛。中國汽車產量預計在2020年達到3 000萬輛，2025年達到3 500萬輛，2030年達到3 800萬輛。

圖3所示為日本和美國的汽車CO2排放量占比與千人汽車保有量的關系，可以看出，二者呈現強線性關系，但是兩國的能源結構、汽車產品結構等因素使得汽車CO2排放量占比曲線相差較大。

圖3 汽車CO2排放量占比與千人汽車保有量

2.3 中國汽車低碳化發展分析

為分析汽車CO2排放量的變化趨勢，建立如圖4所示的預測模型。預測模型的輸入包括人均GDP、人口數量、千人汽車保有量、CO2基礎數據，由此可以預測全國CO2排放量中汽車的排放量占比。影響汽車CO2排放量占比的其他因素包括其他行業的發展、交通環境的變化、汽車使用強度、產品結構和低碳技術水平。

圖4 中國汽車CO2排放量占比預測模型

根據上述預測模型獲得的CO2排放量占比數據如圖5所示。到2030年，中國千人汽車保有量達到約280輛時，汽車CO2排放量占比必須開始下降。顯然，中國不能像發達國家那樣發展汽車工業，因此，《巴黎協定》對中國來說是極具挑戰性的。

圖5 中國汽車CO2排放量占比預測

圖5所示的預測結果與日本相近，因此，日本的情況具有一定的參考性，由此可知，中國CO2排放總量中汽車的占比不應超過12%。

利用此模型預測，中國汽車CO2年排放量到2028年左右達到頂峰，2030年順利進入下降期。汽車CO2排放量占比2025年應控制在11.5%，2030年應控制在11.2%。為此，汽車CO2年排放總量2020年要控制在11億噸以內，2025年將增加到11.8億噸，2030年則必須降到11.6億噸。由此推斷，乘用車新車平均CO2排放量2025年應控制在約92 g/km，2030年應控制在約75 g/km，相應的燃油消耗量為4.0 L/100 km和3.2 L/100 km。

3 中國汽車低碳化發展技術分析

面對汽車CO2排放法規的壓力，需要分析汽車低碳技術的發展。以中國乘用車產品結構分析為基礎，進行低碳技術的參數化分析，最后確定動力總成和其他技術的發展目標。

從產品結構來看，目前市場上的車型以三廂和兩廂緊湊型車為主，其市場占比為47.1%，SUV和MPV的緊湊型車占比為35%。這樣的產品結構具有中國特色，為此，以三廂和兩廂緊湊型車為目標進行低碳技術參數化分析。汽車燃料消耗量與整備質量、風阻系數、滾阻系數、發動機熱效率強相關，因此，構建了以上述參數為變量的分析模型。

3.1 第四階段油耗法規回顧

第四階段油耗法規（China Fuel Consumption RegulationⅣ，CFCR-Ⅳ）限值是5.0 L/100 km（相當于CO2排放量117 g/km），考慮到企業低碳化技術能力和產品結構，按照最低能力預測，緊湊型三廂車必須達標，此時中、大型車不達標，為此，必須開發相應的新能源汽車（New Energy Vehicle，NEV）加以平衡，成本非常高。根據參數分析，緊湊型車如需達標，其各項參數必須達到的水平見圖6。

圖6 CO2排放量影響參數分析

3.2 第五階段油耗法規

對于第五階段油耗法規（CFCR-Ⅴ），按照低碳技術均衡發展的原則，企業的技術能力必須確保緊湊型車達標，各項技術參數繼續優化，此時整車CO2排放量可以達到92 g/km（見圖6）。

在第五階段，中、大型車均不達標，CO2排放量分別可以達到115 g/km和148 g/km，為實現排放目標，企業需利用NEV平衡CO2排放量，代價越來越大。如果新能源補貼政策取消，企業就要考慮利用低碳技術實現產品減排，彌補虧損。

3.3 第六階段油耗法規

第六階段油耗法規（CFCR-Ⅵ）要求將更加嚴格，企業低碳技術能力必須大幅提升，否則緊湊型車無法達到75 g/km的CO2排放量目標。因此，企業必須加大輕量化力度，并將發動機熱效率提高到45%的可應用極限水平，實現緊湊型車CO2排放量80 g/km，中型車105 g/km，大型車140 g/km（見圖6）。此時，傳統內燃機（Internal Combustion Engine，ICE）汽車均無法達標，所有車型必須增加NEV的比例，這是一個很嚴峻的挑戰。

圖7所示為參數化分析后所有車型對應的CO2排放量和銷量占比。CFCR-Ⅳ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在123 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在78 g/km以下；CFCR-Ⅴ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在99 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在65 g/km以下；CFCR-Ⅵ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在87 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在60 g/km以下。

圖7 不同車型NEDC工況CO2排放量分析

按照這樣的計算模式，CFCR-Ⅳ實施時，ICE的貢獻度為69%，NEV的貢獻度為12%，CFCR-Ⅴ和CFCR-Ⅵ實施時，ICE的貢獻度會下降，NEV的貢獻度會提高，如表1所示。

表1 不同技術對低碳化的貢獻度 %

把在各時期汽車CO2排放總量按ICE車型、NEV分配，得到NEV的銷量。NEV的CO2排放量在CFCR-Ⅳ實施時的要求為78 g/km，CFCR-Ⅴ實施時為65 g/km，CFCR-Ⅵ實施時為60 g/km。按照總體碳排放達到法規要求進行銷量計算，NEV銷量占比在CFCR-Ⅳ實施時需達到12.9%，CFCR-Ⅴ實施時需達到20.6%，CFCR-Ⅵ實施時需達到44.6%。

4 中國汽車低碳化發展技術路線

低碳化總體技術路線包括ICE技術和NEV技術。

ICE技術的核心任務是提高熱效率。為滿足2020年CFCR-Ⅳ的要求（5.0 L/100 km），汽油發動機熱效率應達到38%，其對應的技術包括Miller循環技術、可變氣門升程（Variable Valve Lift，VVL）技術、整體式排氣管技術、高效增壓技術、低摩擦技術[5]及輕量化技術。

為應對2025年CFCR-Ⅴ的要求（預計油耗目標為4.0 L/100 km），以均質燃燒為基礎的汽油發動機可以實現42%的熱效率目標。在CFCR-Ⅳ應對技術的基礎上，應增加可變氣門（Variable Valve Actuation，VVA）技術、熱管理技術、E-boost技術、排氣再循環（Exhaust Gas Re?circulation，EGR）技術、發動機停缸技術、可變壓縮比（Variable Compression Ratio，VCR）技術、廢氣能量回收（Waste Heat Recovery，WHR）技術、噴水冷卻技術[6]。

為應對2030年CFCR-Ⅵ的要求（預計油耗目標為3.2 L/100 km），汽油發動機熱效率應不低于45%，為實現此目標，汽油機需要尋求顛覆性技術突破。在CF?CR-Ⅴ應對技術的基礎上，應增加低溫稀薄燃燒技術、大沖程缸徑比技術[7]、加氫燃燒技術、多源能量回收技術、絕熱技術、電動化技術。

實現低碳化目標的關鍵問題是不同技術路線的平衡和取舍，而實現平衡和取舍的方式是對不同技術路線的科學評價，需考慮的技術評價指標包括熱效率、生命周期使用成本（Total Cost Ownership，TCO）[8]、技術模塊化、產品的模塊化水平，同時還要考慮技術的創新性、成熟度和客戶魅力。對不同級別的車型都需要評價篩選，得到相應車型的技術路線，同時需要找到適合的技術平臺、技術模塊，使低碳技術具有連續性。

緊湊型車動力系統低碳技術成本分析及評分表如圖8和表2所示，其中路線1，即VVA+48 V技術很好地平衡了熱效率、技術創新性、TCO等評價指標，是實現2025年低碳化目標的最佳技術路線。

新能源汽車純電動行駛所耗能量為電能，必須考慮其“油井到車輪”（Well to Wheel，WtW）的燃料生命周期，以及我國電網的含碳量及其發展趨勢。依據前文的NEV全生命周期CO2排放總體分配目標，結合NEV技術發展趨勢，分解制定各類NEV在不同階段的CO2排放目標（見圖9），可據此預測分配插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、純電動汽車（Electric Vehicle，EV）和燃料電池電動車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）所需的銷售比例。

圖8 2025年緊湊型車動力系統低碳化技術成本分析

表2 2025年緊湊型車動力系統低碳化技術路線評分表

圖9 典型緊湊型NEV CO2排放目標（WtW）分解

對于典型緊湊型PHEV（整備質量為1 450 kg），依據其全生命周期CO2排放目標確定整車油耗目標（TtW）如圖10所示，并分解制定動力電機和機電耦合器等關鍵總成的技術指標，結合PHEV動力系統關鍵總成技術發展趨勢預測整車成本發展目標。根據以上分析，提出實現PHEV CO2排放目標的技術創新主要方向為動力系統集成度提高、綜合效率提升和成本降低，關鍵技術包括動力系統集成化技術、專用總成開發技術、智能化能量管理技術等。

圖10 PHEV CO2排放量和燃料消耗量

對于典型緊湊型EV（整備質量為1 450 kg），依據其全生命周期CO2排放目標確定整車電消耗量目標（TtW）如圖11所示，并分解制定動力電機和動力電池等關鍵總成的技術指標，結合整車成本發展趨勢預測，提出實現EV CO2排放目標的技術創新主要方向為成本降低、續駛里程提升和充電時間縮短，關鍵技術包括高比能量電池技術、高效電機技術、高壓功率電子技術和輕量化技術等。

圖11 EV CO2排放量和電消耗量

對于典型緊湊型FCEV（整備質量為1 550 kg），依據其全生命周期CO2排放目標確定整車氫消耗量目標（TtW）如圖12所示，并分解制定燃料電池系統技術指標，結合整車成本發展趨勢預測，提出實現FCEV CO2排放目標的技術創新主要方向為低成本、高效化和系統小型化，關鍵技術包括超薄雙極板技術、高溫低濕膜技術、非Pt催化劑技術及高儲氫率車載儲氫技術等。到2030年，預計FCEV將與PHEV和EV成本相當，并在低碳化水平方面具有絕對領先優勢。

圖12 FCEV CO2排放量和氫消耗量

未來，NEV產品必須符合市場規律，補貼政策不能維持其可持續發展。要實現其可持續發展，就要實現客戶所能接受的成本增加，達到客戶期待的續駛里程，同時解決充電時間問題，每100 km續駛里程的快速充電時間應控制在10 min以內。從成本增加、續駛里程和充電時間等角度分析：EV適合在緊湊型車上開發，滿足中、短途行駛需求；為滿足長途行駛需求，緊湊型SUV以上的車型適合發展PHEV和FCEV技術，但2030年燃料電池成本仍會很高，發展PHEV是比較現實的解決方案；2030年以后，預計FCEV在成本方面將與PHEV接近，而且其CO2排放量更低，但其市場推廣程度也取決于加氫站建設和氫燃料大批量生產的發展程度。

5 結束語

研究汽車碳排放的工程科技需要在四個層面上考慮。在國家層面：要統籌各行業碳排放占比，汽車行業應該獲得合理的碳排放份額；要綜合評估NEV對碳排放的影響，電能消耗也有碳排放；NEV還處于發展時期，國家應出臺大排量汽車碳稅政策以補貼NEV。在社會層面，必須提倡低碳消費和勤儉節約的文化，生活環節碳排放的增加勢必影響生產環節的碳排放份額，進而影響GDP的增長。在汽車行業層面，應研究全生命周期碳排放管理，通過提升企業信息化、智能化水平進一步降低碳排放量，要協同能源與制造業，發展低碳燃料。在汽車企業層面，要把傳統內燃機和新能源汽車很好地結合，轉型升級為低碳企業。

1 政府間氣候變化專門委員會.氣候變化綜合報告.哥本哈根，2014.

2 Fatih Birol.CO2Emissions From Fuel Combustion.Paris：International Energy Agency，2016.

3 日本汽車工業協會.日本汽車統計年報，2012.

4 日本汽車新聞社.汽車產業手冊，2001.

5 Hadler J,Lensch-Franzen C,Kirsten K,et al.New Aspects for a Tribologically Induced CO2and Emission Reduction.37th Internationales Wiener Motorensymposium，2016.

6 Thewes M,Baumgarten H,Scharf J,et al.Water Injection-High Power and High Efficiency Combined.25th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology，Aachen，2016.

7 Ikeya K,Takazawa M,Yamada T,et al.Thermal Efficiency Enhancement of a Gasoline Engine.SAE Paper No.2015-01-1263，2015.

8 Seger J,Hwang L K,Shao J,et al.Systems Engineering Approach for the Design of a Low Carbon,Fuel Efficient, Diesel Engine Powertrains for Commercial Vehicles.SAE Paper No.2011-01-2189，2011.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年3月13日。

Low Carbon Automotive and Powertrain Technology Innovation

Li Jun,Zhang Xiaoyan,Fu Lei,Shen Tiejun,Gong Yanfeng,Yang Xingwang,Wang Yongjun
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

This paper analyzes the demands for low carbon development in China by introducing global climate change,including components of CO2emission,proportion of vehicle carbon emission in total emission.This paper also predicts vehicle fuel consumption limits for 2025 and 2030 based on the commitment of CO2emission reduction made by the Chinese government within the framework of Paris Agreement.The demand for low carbon auto technologies in China is analyzed,the technology roadmap for the development of low carbon auto in China is proposed,and low carbon proposals are raised in aspects of the nation,the society,the auto industry as well as auto OEMs.

Low carbon,Powertrain,Technology innovation

低碳化 動力總成 技術創新

U461.8；U469.7；X734.2

A

1000-3703（2017）04-0001-05

中國工程院中國汽車低碳化系統工程研究項目（2016-XY-02）。

李駿（1958—），男，中國工程院院士，工學博士，研究方向為動力總成技術、汽車電子技術、新能源汽車技術。