我國(guó)節(jié)能乘用車技術(shù)發(fā)展路徑分析

李江

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)乘用車節(jié)能技術(shù)發(fā)展迅速，但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比仍有不小差距。因此，研究我國(guó)節(jié)能汽車技術(shù)路徑就顯得尤為重要，在路徑的設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾方面的因素：(1)必須實(shí)現(xiàn)國(guó)家設(shè)立的宏觀戰(zhàn)略目標(biāo)；(2)必須處理好節(jié)能汽車與新能源汽車協(xié)同發(fā)展的關(guān)系；(3)必須立足現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)雙贏；(4)必須順應(yīng)全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流和方向；(5)必須充分借鑒國(guó)外汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中已有的經(jīng)驗(yàn)；(6)必須滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)實(shí)際需求。以上幾點(diǎn)因素是我國(guó)在設(shè)計(jì)乘用車節(jié)能技術(shù)發(fā)展路徑時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素，其中實(shí)現(xiàn)國(guó)家設(shè)立的宏觀戰(zhàn)略目標(biāo)是重中之重。

1 我國(guó)節(jié)能汽車技術(shù)發(fā)展目標(biāo)

我國(guó)乘用車未來(lái)幾年的能耗目標(biāo)已基本確定。根據(jù)《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》《中國(guó)制造2025》等政策法規(guī)要求，我國(guó)乘用車平均油耗目標(biāo)為2020年5.0 L/100 km、2025年4.0 L/100 km。因此，文中分析的乘用車節(jié)能技術(shù)路徑主要圍繞以上兩個(gè)能耗目標(biāo)制定[1-2]。

1.1 規(guī)模預(yù)測(cè)

2017年我國(guó)乘用車銷量2 471.83萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.04%。考慮到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年，我國(guó)乘用車銷售規(guī)模將保持中低速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。假設(shè)2018—2020年、2020—2025年我國(guó)乘用車銷量年均增速分別為3.5%、3.0%，預(yù)測(cè)2020年我國(guó)乘用車銷量約2 740萬(wàn)輛，2025年我國(guó)乘用車銷量約3 170萬(wàn)輛[3]。

1.1.1 不同動(dòng)力類型銷量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

我國(guó)新能源乘用車持續(xù)高速增長(zhǎng)是大概率事件，但總體規(guī)模和市場(chǎng)占比在未來(lái)10年內(nèi)仍相對(duì)較小。得益于補(bǔ)貼政策、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟進(jìn)與市場(chǎng)需求提升，2017年我國(guó)新能源乘用車銷售77.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)53.3%。結(jié)合國(guó)家政策導(dǎo)向及規(guī)劃目標(biāo)，按新能源商用車市場(chǎng)增速放緩等情景進(jìn)行預(yù)測(cè)，2020年我國(guó)新能源乘用車銷量將達(dá)到210萬(wàn)輛，2025年則將達(dá)到800萬(wàn)輛。

根據(jù)IEA(International Energy Agency)等國(guó)際知名科研機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告顯示：至少在2030以前，全球汽車工業(yè)仍將以內(nèi)燃機(jī)為主導(dǎo)。鑒于以內(nèi)燃機(jī)為唯一動(dòng)力的傳統(tǒng)乘用車節(jié)能水平提升存在瓶頸，難以滿足2020年以后日趨嚴(yán)格的油耗法規(guī)與國(guó)家能耗目標(biāo)，在新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模及占比有限的情況下，混合動(dòng)力依靠其成熟的技術(shù)，成為有效拉低乘用車整體油耗水平的有力工具。

受我國(guó)能源戰(zhàn)略及環(huán)境保護(hù)等因素影響，替代燃料車型未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。替代燃料汽車在NOx、PM(Particulate Matter)、HC(Hydrocarbons)等污染物排放方面相比傳統(tǒng)動(dòng)力汽車優(yōu)勢(shì)明顯，更加符合國(guó)家出臺(tái)的對(duì)大氣污染物控制方面的法律法規(guī)。國(guó)家在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)年》中明確要求，穩(wěn)步發(fā)展天然氣等多元能源的交通運(yùn)輸。綜上，2020年及2025年我國(guó)乘用車市場(chǎng)按車型銷量結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 2020年及2025年分車型乘用車銷量預(yù)測(cè)萬(wàn)輛

1.1.2 不同整備質(zhì)量段銷量預(yù)測(cè)

我國(guó)乘用車分整備質(zhì)量銷售情況如表2所示，可以看出：大中型車輛的占比不斷提升，高于1 320 kg的車型占比由2014年的44.17%上升至2016年的50.1%。這樣的趨勢(shì)顯然不利于汽車工業(yè)的節(jié)能減排，也與國(guó)際主流發(fā)展趨勢(shì)背道而馳。因此，合理調(diào)整、優(yōu)化我國(guó)乘用車車型結(jié)構(gòu)和整備質(zhì)量m是推進(jìn)乘用車車企節(jié)能減排的重要途徑。

表2 2014—2016年分整備質(zhì)量乘用車銷售占比%

從降低油耗和節(jié)能減排的角度考慮，小質(zhì)量段的車型占比應(yīng)適當(dāng)增大。從市場(chǎng)需求方面考慮，整備質(zhì)量m在(1 090 kg,1 660 kg]的車型仍將占據(jù)主流；從占比變化速度來(lái)考慮，小質(zhì)量段(低于1 320 kg)車型每年若能實(shí)現(xiàn)小幅的占比提升則相對(duì)比較合理。

1.2 油耗目標(biāo)

1.2.1 2020年油耗目標(biāo)

2020年，我國(guó)乘用車企業(yè)平均5 L/100 km的油耗目標(biāo)達(dá)成存在較大壓力，需各領(lǐng)域發(fā)揮各自最大的潛力才可能達(dá)到。

不同車型能耗測(cè)算依據(jù)：混合動(dòng)力能耗按照傳統(tǒng)動(dòng)力的70%、插電式混合動(dòng)力按照傳統(tǒng)動(dòng)力的30%的能耗水平進(jìn)行推算；替代燃料按照目前唯一大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的CNG(Compressed Natural Gas)車型，綜合根據(jù)碳平衡法推算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果，按照傳統(tǒng)汽油乘用車85%～90%的能耗水平推算[6]。

(1)不同動(dòng)力類型

考慮油耗法規(guī)在2020年對(duì)新能源汽車實(shí)行核算優(yōu)惠，純電動(dòng)汽車和純電模式下行駛里程超過(guò)50 km的插電式混合動(dòng)力汽車綜合工況能耗按2倍數(shù)量計(jì)入核算基數(shù)。照此推算，2020年我國(guó)傳統(tǒng)動(dòng)力、混合動(dòng)力、替代燃料乘用車分別應(yīng)達(dá)到5.7、4、5 L/100 km的能耗水平，這樣整個(gè)乘用車市場(chǎng)才可基本達(dá)到油耗法規(guī)要求。傳統(tǒng)動(dòng)力車型實(shí)現(xiàn)油耗目標(biāo)值的壓力極大，2016年國(guó)產(chǎn)傳統(tǒng)乘用車平均油耗約為6.9 L/100 km，連續(xù)4年需年均下降約4%才能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)2020年5.7 L/100 km的目標(biāo)。混合動(dòng)力車型實(shí)現(xiàn)油耗目標(biāo)有一定可行性，當(dāng)前我國(guó)混合動(dòng)力車型油耗主要集中在(5～6) L/100 km，隨著傳統(tǒng)車輛能耗水平的提升以及混合動(dòng)力技術(shù)的成熟與進(jìn)步，只要傳統(tǒng)動(dòng)力油耗5.7 L/100 km的目標(biāo)能實(shí)現(xiàn)，則混合動(dòng)力油耗4 L/100 km即有望達(dá)成(相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力混合動(dòng)力節(jié)油度一般可達(dá)30%)。替代燃料車型實(shí)現(xiàn)油耗目標(biāo)值存在一定壓力，我國(guó)替代燃料類型以CNG為主，目前車輛能耗為(5.5～6.5) L/100 km，未來(lái)每年能耗需下降2%以上才能達(dá)成目標(biāo)[4-6]。

(2)不同整備質(zhì)量段

將我國(guó)乘用車劃分為4個(gè)整備質(zhì)量段(混合動(dòng)力、替代燃料與新能源汽車都統(tǒng)計(jì)在內(nèi))，各整備質(zhì)量段車型的平均油耗約達(dá)到表3中的水平才能滿足5 L/100 km的油耗目標(biāo)。

表3 2020年不同質(zhì)量段應(yīng)達(dá)到平均油耗值L·10-2·km-1

1.2.2 2025年油耗目標(biāo)

(1)不同動(dòng)力類型

2025年，預(yù)計(jì)我國(guó)將不再對(duì)新能源汽車實(shí)行能耗核算優(yōu)惠措施。照此推算，2025年我國(guó)傳統(tǒng)動(dòng)力、混合動(dòng)力、替代燃料乘用車油耗分別應(yīng)達(dá)到5.2、3.6、4.6 L/100 km，才可能基本滿足4 L/100 km的總體目標(biāo)。

傳統(tǒng)動(dòng)力車型實(shí)現(xiàn)油耗目標(biāo)值依舊面臨巨大挑戰(zhàn)，甚至可以說(shuō)是難以完成。2020—2025年還要進(jìn)一步削減約9%，但是在平均整備質(zhì)量段(1 250～1 390 kg)內(nèi)，目前全球能實(shí)現(xiàn)5 L/100 km以下綜合油耗的傳統(tǒng)汽油乘用車幾乎沒(méi)有，對(duì)于節(jié)能技術(shù)應(yīng)用落后發(fā)達(dá)國(guó)家5年以上的我國(guó)來(lái)說(shuō)，能耗目標(biāo)達(dá)成的難度非常大。

混合動(dòng)力車型實(shí)現(xiàn)油耗限值具有一定可行性。目前，國(guó)外緊湊型混合動(dòng)力車型油耗已降至4 L/100 km以下。考慮近年來(lái)自主研發(fā)創(chuàng)新的不斷進(jìn)步，到2025年實(shí)現(xiàn)3.6 L/100 km的油耗目標(biāo)值存在希望[7-8]。

替代燃料車型的基本情況和傳統(tǒng)燃油車型一樣，對(duì)于節(jié)能技術(shù)基本相當(dāng)?shù)募夹g(shù)路線而言，要達(dá)到2025年4.6 L/100 km的目標(biāo)很艱難。

(2)不同整備質(zhì)量段

至2025年4個(gè)整備質(zhì)量段應(yīng)達(dá)到表4中所羅列的平均油耗才能達(dá)到5 L/100 km的油耗目標(biāo)。

表4 2025年不同整備質(zhì)量段應(yīng)達(dá)到的平均油耗值L·10-2·km-1

考慮不同整備質(zhì)量車型能耗優(yōu)化難度與空間不同，基于2020年目標(biāo)值，建議1 320 kg以下車型年均能耗降幅為4.5%～4.8%、1 320～1 660 kg整備質(zhì)量段車型年均能耗降幅為6%、1 660 kg以上車型年均降幅為6.9%。

綜上所述：各整備質(zhì)量段車型能耗降幅目標(biāo)極高，需加速傳統(tǒng)動(dòng)力升級(jí)挖潛、混合動(dòng)力普及應(yīng)用和新能源技術(shù)的規(guī)模提升協(xié)同努力才能實(shí)現(xiàn)。

2 我國(guó)節(jié)能汽車發(fā)展路徑分析

考慮我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展與市場(chǎng)需求等因素的多樣性與復(fù)雜性，建議未來(lái)我國(guó)采取傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)升級(jí)、發(fā)展混合動(dòng)力為主的動(dòng)力多元化、鼓勵(lì)車輛小型化、輕量化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主的節(jié)能汽車發(fā)展路徑。在各類車型中則分階段、各有側(cè)重地加快先進(jìn)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用步伐，以實(shí)現(xiàn)既定的節(jié)能目標(biāo)。我國(guó)乘用車節(jié)能總體應(yīng)以大力發(fā)展混合動(dòng)力車型為主、替代燃料為支撐、適當(dāng)削減傳統(tǒng)動(dòng)力車型比例為主的發(fā)展思路。

2.1 傳統(tǒng)動(dòng)力乘用車發(fā)展路徑分析

就當(dāng)前車輛技術(shù)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、電子控制系統(tǒng)對(duì)提升整車節(jié)能水平而言仍有較大的發(fā)展空間和潛力。

發(fā)動(dòng)機(jī)方面，建議重點(diǎn)采用增壓、混合噴射、改善進(jìn)排氣、改善缸內(nèi)燃燒等技術(shù)路線。具體而言，通過(guò)進(jìn)一步提高壓縮比結(jié)合米勒循環(huán)大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)一步提升HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的技術(shù)應(yīng)用水平，繼續(xù)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)將熱效率提升至40%。變速器方面，建議重點(diǎn)采用多擋AT(Automatic Transmission)和DCT(Dual Clutch Transmission)為主，6MT(Manual Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automatedmechanical Transmission) 等為輔的技術(shù)路線，推動(dòng)8AT進(jìn)入批量市場(chǎng)化應(yīng)用階段，同時(shí)推動(dòng)緊湊型及以下乘用車搭載CVT等。先進(jìn)電子控制系統(tǒng)方面，加快推動(dòng)48 V系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用，以期實(shí)現(xiàn)12%～15%的節(jié)能水平提升；同時(shí)普及電子水泵、電子機(jī)油泵、電動(dòng)壓縮機(jī)、電子節(jié)溫器的應(yīng)用等。

其他節(jié)能技術(shù)方面，進(jìn)一步降低風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)展浮動(dòng)環(huán)軸承、低摩擦技術(shù)、降低車身整體質(zhì)量。

2.2 混合動(dòng)力乘用車發(fā)展路徑分析

2020年以前，加強(qiáng)混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)及電池、電機(jī)技術(shù)的研究與應(yīng)用，輔以其他節(jié)能技術(shù)的同步發(fā)展。電池電機(jī)方面，應(yīng)用低損耗定子鐵芯與高密度分布繞組技術(shù)，使電機(jī)功率密度高于4 kW/kg，提升電池能量密度，采用輕質(zhì)化設(shè)計(jì)減少電池包質(zhì)量約3%，實(shí)現(xiàn)比功率提升8%以上。混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，應(yīng)使阿特金森/米勒循環(huán)的混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比超過(guò)12且實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化應(yīng)用，推動(dòng)增壓小型發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占比超過(guò)50%，通過(guò)中等比例冷卻EGR(Exhaust Gas Recirculation)技術(shù)、高能點(diǎn)火等綜合措施實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力用發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到40%左右[9]。2020—2025年，應(yīng)改善各項(xiàng)先進(jìn)電子電器技術(shù)應(yīng)用，以進(jìn)一步提升混合動(dòng)力車型的節(jié)油水平。電子電器方面，規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用各類節(jié)能電子電器，STT(Stop-Start)、高效空調(diào)、EPS(Electric Power Steering)、電子水泵等基本成為標(biāo)配。動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步改善，提升電機(jī)功率密度不低于4.5 kW/kg，提升電池能量密度，采用輕質(zhì)化設(shè)計(jì)減少電池包質(zhì)量5%以上，實(shí)現(xiàn)比功率提升15%以上。

2.3 替代燃料乘用車發(fā)展路徑分析

為完成2020年及2025年我國(guó)替代燃料乘用車(針對(duì)CNG車輛而言)既定節(jié)能目標(biāo)，建議我國(guó)在2020年以前，以提升專用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能水平為主要節(jié)能手段，在2020年以后，同步傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)提升來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能[10]。

2020年以前，應(yīng)著重加強(qiáng)替代燃料專用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用，輔以其他節(jié)能技術(shù)的同步發(fā)展。天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，應(yīng)規(guī)模化應(yīng)用CNG專用用發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)針對(duì)CNG專用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展高效協(xié)同電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，發(fā)展節(jié)氣模式和瞬態(tài)工況精細(xì)化修正等節(jié)能控制策略，突破燃料組分自學(xué)習(xí)、VVT(Variable Valve Timing)、油氣協(xié)同等控制策略及算法，實(shí)現(xiàn)“雙主式”ECU整車集成應(yīng)用。其他節(jié)能技術(shù)方面，因CNG乘用車特定市場(chǎng)需求與產(chǎn)品特性所限，建議2020年前小規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用高強(qiáng)度鋼車身，重點(diǎn)降低氣瓶鋁內(nèi)膽質(zhì)量50%以上，以實(shí)現(xiàn)部分輕量化效果。2020—2025年應(yīng)完成CNG乘用車結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，單車整備質(zhì)量較2017年平均水平下降6%以上；推動(dòng)單燃料CNG專用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，發(fā)展應(yīng)用電子節(jié)氣門等先進(jìn)技術(shù)，使用適合燃料特性的壓縮比，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)專用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化、氣瓶壓力提升等多項(xiàng)技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用。

3 相關(guān)政策建議

為保證乘用車節(jié)能這個(gè)復(fù)雜且持續(xù)的系統(tǒng)性工程達(dá)到國(guó)家相應(yīng)法規(guī)限值的要求，建議國(guó)家在以下方面應(yīng)予以重視：

(1)制定國(guó)家在中遠(yuǎn)期乘用車油耗法規(guī)管理辦法、排放法律法規(guī)和汽車領(lǐng)域碳排放積分交易制度。

(2)持續(xù)推進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)更加開(kāi)放、更加法治的管理體系，創(chuàng)造更加符合全球利益的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

(3)發(fā)揮市場(chǎng)的決定性作用。

(4)在積極發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，也應(yīng)積極推動(dòng)節(jié)能汽車技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與應(yīng)用。

(5)借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立符合中國(guó)國(guó)情的政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等。

(6)大力引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)合作互動(dòng)。