我國節能乘用車技術發展路徑分析

李江

(陜西工業職業技術學院汽車工程學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

近年來，我國乘用車節能技術發展迅速，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)必須實現國家設立的宏觀戰略目標；(2)必須處理好節能汽車與新能源汽車協同發展的關系；(3)必須立足現狀、實現雙贏；(4)必須順應全球汽車產業發展的潮流和方向；(5)必須充分借鑒國外汽車產業發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能技術發展路徑時應予以重點考慮的關鍵因素，其中實現國家設立的宏觀戰略目標是重中之重。

1 我國節能汽車技術發展目標

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能技術路徑主要圍繞以上兩個能耗目標制定[1-2]。

1.1 規模預測

2017年我國乘用車銷量2 471.83萬輛，同比增長3.04%。考慮到我國經濟發展進入新常態，預計未來5～10年，我國乘用車銷售規模將保持中低速增長態勢。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高速增長是大概率事件，但總體規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，全球汽車工業仍將以內燃機為主導。鑒于以內燃機為唯一動力的傳統乘用車節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與國家能耗目標，在新能源汽車市場規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。

受我國能源戰略及環境保護等因素影響，替代燃料車型未來有望實現快速發展。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動力汽車優勢明顯，更加符合國家出臺的對大氣污染物控制方面的法律法規。國家在《能源發展戰略行動計劃(2014—2020)年》中明確要求，穩步發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的節能減排，也與國際主流發展趨勢背道而馳。因此，合理調整、優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，我國乘用車企業平均5 L/100 km的油耗目標達成存在較大壓力，需各領域發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動力的70%、插電式混合動力按照傳統動力的30%的能耗水平進行推算；替代燃料按照目前唯一大規模產業化的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

考慮油耗法規在2020年對新能源汽車實行核算優惠，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要求。傳統動力車型實現油耗目標值的壓力極大，2016年國產傳統乘用車平均油耗約為6.9 L/100 km，連續4年需年均下降約4%才能勉強實現2020年5.7 L/100 km的目標。混合動力車型實現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，只要傳統動力油耗5.7 L/100 km的目標能實現，則混合動力油耗4 L/100 km即有望達成(相對于傳統動力混合動力節油度一般可達30%)。替代燃料車型實現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惠措施。照此推算，2025年我國傳統動力、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。

傳統動力車型實現油耗目標值依舊面臨巨大挑戰，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5 L/100 km以下綜合油耗的傳統汽油乘用車幾乎沒有，對于節能技術應用落后發達國家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。考慮近年來自主研發創新的不斷進步，到2025年實現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燃油車型一樣，對于節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，需加速傳統動力升級挖潛、混合動力普及應用和新能源技術的規模提升協同努力才能實現。

2 我國節能汽車發展路徑分析

考慮我國汽車工業發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節能技術升級、發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化為主的節能汽車發展路徑。在各類車型中則分階段、各有側重地加快先進節能技術應用步伐，以實現既定的節能目標。我國乘用車節能總體應以大力發展混合動力車型為主、替代燃料為支撐、適當削減傳統動力車型比例為主的發展思路。

2.1 傳統動力乘用車發展路徑分析

就當前車輛技術而言，發動機、變速器、電子控制系統對提升整車節能水平而言仍有較大的發展空間和潛力。

發動機方面，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大規模應用，進一步提升HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的技術應用水平，繼續優化冷卻系統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。先進電子控制系統方面，加快推動48 V系統大規模應用，以期實現12%～15%的節能水平提升；同時普及電子水泵、電子機油泵、電動壓縮機、電子節溫器的應用等。

其他節能技術方面，進一步降低風阻系數、發展浮動環軸承、低摩擦技術、降低車身整體質量。

2.2 混合動力乘用車發展路徑分析

2020年以前，加強混合動力專用發動機及電池、電機技術的研究與應用，輔以其他節能技術的同步發展。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%，實現比功率提升8%以上。混合動力專用發動機方面，應使阿特金森/米勒循環的混合動力專用發動機的壓縮比超過12且實現市場化應用，推動增壓小型發動機市場占比超過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混合動力用發動機熱效率達到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油水平。電子電器方面，規模市場化應用各類節能電子電器，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，實現比功率提升15%以上。

2.3 替代燃料乘用車發展路徑分析

為完成2020年及2025年我國替代燃料乘用車(針對CNG車輛而言)既定節能目標，建議我國在2020年以前，以提升專用發動機節能水平為主要節能手段，在2020年以后，同步傳統汽車節能技術提升來實現進一步節能[10]。

2020年以前，應著重加強替代燃料專用發動機節能技術的研究與應用，輔以其他節能技術的同步發展。天然氣專用發動機方面，應規模化應用CNG專用用發動機，同時針對CNG專用發動機開展高效協同電控系統的開發，發展節氣模式和瞬態工況精細化修正等節能控制策略，突破燃料組分自學習、VVT(Variable Valve Timing)、油氣協同等控制策略及算法，實現“雙主式”ECU整車集成應用。其他節能技術方面，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，以實現部分輕量化效果。2020—2025年應完成CNG乘用車結構優化工作，單車整備質量較2017年平均水平下降6%以上；推動單燃料CNG專用發動機實現大規模市場化應用，發展應用電子節氣門等先進技術，使用適合燃料特性的壓縮比，對發動機本體進行優化設計，促進專用發動機燃燒系統優化、進排氣系統優化、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

為保證乘用車節能這個復雜且持續的系統性工程達到國家相應法規限值的要求，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管理辦法、排放法律法規和汽車領域碳排放積分交易制度。

(2)持續推進汽車產業更加開放、更加法治的管理體系，創造更加符合全球利益的市場競爭環境。

(3)發揮市場的決定性作用。

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

(5)借鑒國際先進經驗，建立符合中國國情的政策法規、標準等。

(6)大力引導產業鏈各個環節合作互動。