我國節(jié)能乘用車技術發(fā)展路徑分析

李江

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

近年來，我國乘用車節(jié)能技術發(fā)展迅速，但與國外先進技術相比仍有不小差距。因此，研究我國節(jié)能汽車技術路徑就顯得尤為重要，在路徑的設計中應重點考慮以下幾方面的因素：(1)必須實現(xiàn)國家設立的宏觀戰(zhàn)略目標；(2)必須處理好節(jié)能汽車與新能源汽車協(xié)同發(fā)展的關系；(3)必須立足現(xiàn)狀、實現(xiàn)雙贏；(4)必須順應全球汽車產業(yè)發(fā)展的潮流和方向；(5)必須充分借鑒國外汽車產業(yè)發(fā)展過程中已有的經驗；(6)必須滿足國內市場實際需求。以上幾點因素是我國在設計乘用車節(jié)能技術發(fā)展路徑時應予以重點考慮的關鍵因素，其中實現(xiàn)國家設立的宏觀戰(zhàn)略目標是重中之重。

1 我國節(jié)能汽車技術發(fā)展目標

我國乘用車未來幾年的能耗目標已基本確定。根據《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》《中國制造2025》等政策法規(guī)要求，我國乘用車平均油耗目標為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)能技術路徑主要圍繞以上兩個能耗目標制定[1-2]。

1.1 規(guī)模預測

2017年我國乘用車銷量2 471.83萬輛，同比增長3.04%?？紤]到我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，預計未來5～10年，我國乘用車銷售規(guī)模將保持中低速增長態(tài)勢。假設2018—2020年、2020—2025年我國乘用車銷量年均增速分別為3.5%、3.0%，預測2020年我國乘用車銷量約2 740萬輛，2025年我國乘用車銷量約3 170萬輛[3]。

1.1.1 不同動力類型銷量數據預測

我國新能源乘用車持續(xù)高速增長是大概率事件，但總體規(guī)模和市場占比在未來10年內仍相對較小。得益于補貼政策、基礎設施建設跟進與市場需求提升，2017年我國新能源乘用車銷售77.7萬輛，同比增長53.3%。結合國家政策導向及規(guī)劃目標，按新能源商用車市場增速放緩等情景進行預測，2020年我國新能源乘用車銷量將達到210萬輛，2025年則將達到800萬輛。

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

受我國能源戰(zhàn)略及環(huán)境保護等因素影響，替代燃料車型未來有望實現(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)動力汽車優(yōu)勢明顯，更加符合國家出臺的對大氣污染物控制方面的法律法規(guī)。國家在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(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輸。綜上，2020年及2025年我國乘用車市場按車型銷量結構預測結果如表1所示。

表1 2020年及2025年分車型乘用車銷量預測萬輛

1.1.2 不同整備質量段銷量預測

我國乘用車分整備質量銷售情況如表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%。這樣的趨勢顯然不利于汽車工業(yè)的節(jié)能減排，也與國際主流發(fā)展趨勢背道而馳。因此，合理調整、優(yōu)化我國乘用車車型結構和整備質量m是推進乘用車車企節(jié)能減排的重要途徑。

表2 2014—2016年分整備質量乘用車銷售占比%

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

1.2 油耗目標

1.2.1 2020年油耗目標

2020年，我國乘用車企業(yè)平均5 L/100 km的油耗目標達成存在較大壓力，需各領域發(fā)揮各自最大的潛力才可能達到。

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

(1)不同動力類型

考慮油耗法規(guī)在2020年對新能源汽車實行核算優(yōu)惠，純電動汽車和純電模式下行駛里程超過50 km的插電式混合動力汽車綜合工況能耗按2倍數量計入核算基數。照此推算，2020年我國傳統(tǒng)動力、混合動力、替代燃料乘用車分別應達到5.7、4、5 L/100 km的能耗水平，這樣整個乘用車市場才可基本達到油耗法規(guī)要求。傳統(tǒng)動力車型實現(xiàn)油耗目標值的壓力極大，2016年國產傳統(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%才能勉強實現(xiàn)2020年5.7 L/100 km的目標?；旌蟿恿囆蛯崿F(xiàn)油耗目標有一定可行性，當前我國混合動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力技術的成熟與進步，只要傳統(tǒng)動力油耗5.7 L/100 km的目標能實現(xiàn)，則混合動力油耗4 L/100 km即有望達成(相對于傳統(tǒng)動力混合動力節(jié)油度一般可達30%)。替代燃料車型實現(xiàn)油耗目標值存在一定壓力，我國替代燃料類型以CNG為主，目前車輛能耗為(5.5～6.5) L/100 km，未來每年能耗需下降2%以上才能達成目標[4-6]。

(2)不同整備質量段

將我國乘用車劃分為4個整備質量段(混合動力、替代燃料與新能源汽車都統(tǒng)計在內)，各整備質量段車型的平均油耗約達到表3中的水平才能滿足5 L/100 km的油耗目標。

表3 2020年不同質量段應達到平均油耗值L·10-2·km-1

1.2.2 2025年油耗目標

(1)不同動力類型

2025年，預計我國將不再對新能源汽車實行能耗核算優(yōu)惠措施。照此推算，2025年我國傳統(tǒng)動力、混合動力、替代燃料乘用車油耗分別應達到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。

傳統(tǒng)動力車型實現(xiàn)油耗目標值依舊面臨巨大挑戰(zhàn)，甚至可以說是難以完成。2020—2025年還要進一步削減約9%，但是在平均整備質量段(1 250～1 390 kg)內，目前全球能實現(xiàn)5 L/100 km以下綜合油耗的傳統(tǒng)汽油乘用車幾乎沒有，對于節(jié)能技術應用落后發(fā)達國家5年以上的我國來說，能耗目標達成的難度非常大。

混合動力車型實現(xiàn)油耗限值具有一定可行性。目前，國外緊湊型混合動力車型油耗已降至4 L/100 km以下?？紤]近年來自主研發(fā)創(chuàng)新的不斷進步，到2025年實現(xiàn)3.6 L/100 km的油耗目標值存在希望[7-8]。

替代燃料車型的基本情況和傳統(tǒng)燃油車型一樣，對于節(jié)能技術基本相當的技術路線而言，要達到2025年4.6 L/100 km的目標很艱難。

(2)不同整備質量段

至2025年4個整備質量段應達到表4中所羅列的平均油耗才能達到5 L/100 km的油耗目標。

表4 2025年不同整備質量段應達到的平均油耗值L·10-2·km-1

考慮不同整備質量車型能耗優(yōu)化難度與空間不同，基于2020年目標值，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：各整備質量段車型能耗降幅目標極高，需加速傳統(tǒng)動力升級挖潛、混合動力普及應用和新能源技術的規(guī)模提升協(xié)同努力才能實現(xiàn)。

2 我國節(jié)能汽車發(fā)展路徑分析

考慮我國汽車工業(yè)發(fā)展與市場需求等因素的多樣性與復雜性，建議未來我國采取傳統(tǒng)節(jié)能技術升級、發(fā)展混合動力為主的動力多元化、鼓勵車輛小型化、輕量化的產品結構優(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、各有側重地加快先進節(jié)能技術應用步伐，以實現(xiàn)既定的節(jié)能目標。我國乘用車節(jié)能總體應以大力發(fā)展混合動力車型為主、替代燃料為支撐、適當削減傳統(tǒng)動力車型比例為主的發(fā)展思路。

2.1 傳統(tǒng)動力乘用車發(fā)展路徑分析

就當前車輛技術而言，發(fā)動機、變速器、電子控制系統(tǒng)對提升整車節(jié)能水平而言仍有較大的發(fā)展空間和潛力。

發(fā)動機方面，建議重點采用增壓、混合噴射、改善進排氣、改善缸內燃燒等技術路線。具體而言，通過進一步提高壓縮比結合米勒循環(huán)大規(guī)模應用，進一步提升HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的技術應用水平，繼續(xù)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)等相關技術將熱效率提升至40%。變速器方面，建議重點采用多擋AT(Automatic Transmission)和DCT(Dual Clutch Transmission)為主，6MT(Manual Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automatedmechanical Transmission) 等為輔的技術路線，推動8AT進入批量市場化應用階段，同時推動緊湊型及以下乘用車搭載CVT等。先進電子控制系統(tǒng)方面，加快推動48 V系統(tǒng)大規(guī)模應用，以期實現(xiàn)12%～15%的節(jié)能水平提升；同時普及電子水泵、電子機油泵、電動壓縮機、電子節(jié)溫器的應用等。

其他節(jié)能技術方面，進一步降低風阻系數、發(fā)展浮動環(huán)軸承、低摩擦技術、降低車身整體質量。

2.2 混合動力乘用車發(fā)展路徑分析

2020年以前，加強混合動力專用發(fā)動機及電池、電機技術的研究與應用，輔以其他節(jié)能技術的同步發(fā)展。電池電機方面，應用低損耗定子鐵芯與高密度分布繞組技術，使電機功率密度高于4 kW/kg，提升電池能量密度，采用輕質化設計減少電池包質量約3%，實現(xiàn)比功率提升8%以上。混合動力專用發(fā)動機方面，應使阿特金森/米勒循環(huán)的混合動力專用發(fā)動機的壓縮比超過12且實現(xiàn)市場化應用，推動增壓小型發(fā)動機市場占比超過50%，通過中等比例冷卻EGR(Exhaust Gas Recirculation)技術、高能點火等綜合措施實現(xiàn)混合動力用發(fā)動機熱效率達到40%左右[9]。2020—2025年，應改善各項先進電子電器技術應用，以進一步提升混合動力車型的節(jié)油水平。電子電器方面，規(guī)模市場化應用各類節(jié)能電子電器，STT(Stop-Start)、高效空調、EPS(Electric Power Steering)、電子水泵等基本成為標配。動力系統(tǒng)進一步改善，提升電機功率密度不低于4.5 kW/kg，提升電池能量密度，采用輕質化設計減少電池包質量5%以上，實現(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年我國替代燃料乘用車(針對CNG車輛而言)既定節(jié)能目標，建議我國在2020年以前，以提升專用發(fā)動機節(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)能技術提升來實現(xiàn)進一步節(jié)能[10]。

2020年以前，應著重加強替代燃料專用發(fā)動機節(jié)能技術的研究與應用，輔以其他節(jié)能技術的同步發(fā)展。天然氣專用發(fā)動機方面，應規(guī)?；瘧肅NG專用用發(fā)動機，同時針對CNG專用發(fā)動機開展高效協(xié)同電控系統(tǒng)的開發(fā)，發(fā)展節(jié)氣模式和瞬態(tài)工況精細化修正等節(jié)能控制策略，突破燃料組分自學習、VVT(Variable Valve Timing)、油氣協(xié)同等控制策略及算法，實現(xiàn)“雙主式”ECU整車集成應用。其他節(jié)能技術方面，因CNG乘用車特定市場需求與產品特性所限，建議2020年前小規(guī)模市場應用高強度鋼車身，重點降低氣瓶鋁內膽質量50%以上，以實現(xiàn)部分輕量化效果。2020—2025年應完成CNG乘用車結構優(yōu)化工作，單車整備質量較2017年平均水平下降6%以上；推動單燃料CNG專用發(fā)動機實現(xiàn)大規(guī)模市場化應用，發(fā)展應用電子節(jié)氣門等先進技術，使用適合燃料特性的壓縮比，對發(fā)動機本體進行優(yōu)化設計，促進專用發(fā)動機燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、進排氣系統(tǒng)優(yōu)化、氣瓶壓力提升等多項技術的研究與實際應用。

3 相關政策建議

為保證乘用車節(jié)能這個復雜且持續(xù)的系統(tǒng)性工程達到國家相應法規(guī)限值的要求，建議國家在以下方面應予以重視：

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

(2)持續(xù)推進汽車產業(yè)更加開放、更加法治的管理體系，創(chuàng)造更加符合全球利益的市場競爭環(huán)境。

(3)發(fā)揮市場的決定性作用。

(4)在積極發(fā)展新能源汽車產業(yè)的同時，也應積極推動節(jié)能汽車技術產業(yè)的研發(fā)與應用。

(5)借鑒國際先進經驗，建立符合中國國情的政策法規(guī)、標準等。

(6)大力引導產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)合作互動。