滿足未來中國燃油消耗量法規(guī)的行業(yè)技術(shù)路線選擇＊

陳康達 趙福全 劉宗巍 郝瀚

（清華大學，汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

主題詞：燃油消耗量法規(guī) 節(jié)能與新能源技術(shù) 技術(shù)路線 企業(yè)達標技術(shù)策略

1 前言

中國汽車市場的快速發(fā)展給中國帶來了嚴峻的能源安全問題和環(huán)境挑戰(zhàn)[1-5]，為此，2005年至今中國已經(jīng)頒布實施了4個階段的乘用車燃油消耗量法規(guī)[6]，旨在推動我國先進節(jié)能技術(shù)發(fā)展和應用，持續(xù)降低乘用車燃料消耗量。縱向?qū)Ρ葋砜矗恢了碾A段國家標準均以整車整備質(zhì)量作為基準參數(shù)，第一、二階段規(guī)定了乘用車燃料消耗量的限值，第三階段在單車限值標準的基礎(chǔ)上引入乘用車企業(yè)平均燃料消耗量（CAFC）概念，以整車整備質(zhì)量作為基準規(guī)定了乘用車CAFC目標值，并采用CAFC實際值與目標值的比值作為評價指標，企業(yè)可在滿足總體CAFC要求下靈活調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。第四階段仍延續(xù)第三階段車型燃料消耗量限值和企業(yè)CAFC達標雙重管理方案，并且進一步加嚴了汽車單車限值和目標值要求。自此，乘用車燃料消耗量法規(guī)已經(jīng)成為中國政府實現(xiàn)汽車節(jié)能減排目標的重要舉措，而CAFC法規(guī)的設計對行業(yè)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展及企業(yè)的產(chǎn)品、技術(shù)路線選擇也有著根本性的影響[7]。

面向未來，中國燃油消耗量法規(guī)將日益嚴苛，2025年行業(yè)平均目標值將由2020年的5 L/100 km降為4 L/100 km，同時第五階段（2021-2025年）法規(guī)將面臨重大調(diào)整，計劃由階梯型法規(guī)變?yōu)榕c美國CAFE（Corporate Average Fuel Economy）法規(guī)相同的連續(xù)型法規(guī)[8]。第六階段計劃延續(xù)五階段連續(xù)型法規(guī)，同時2030年行業(yè)平均目標值進一步降為3.2 L/100 km[9]。一方面，面對第四階段及五、六階段逐步加嚴的連續(xù)型法規(guī)，行業(yè)整體技術(shù)路線發(fā)展趨勢如何，各企業(yè)如何以最低成本達標，如何優(yōu)化技術(shù)配置都是亟待考慮的重點問題。另一方面，科學評價法規(guī)對技術(shù)路線、產(chǎn)品路線、企業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的影響，及時對法規(guī)和技術(shù)路線進行優(yōu)化和調(diào)整，前瞻性地制定適用于當下和中、長期發(fā)展的技術(shù)路線，對于縮小中國與發(fā)達國家的技術(shù)差距，保證國家能源及環(huán)境安全，以及引導企業(yè)制定達標技術(shù)策略具有重要的戰(zhàn)略意義[10]。

本文基于中國CAFC法規(guī)建立了可面向全行業(yè)進行系統(tǒng)的技術(shù)可行性及成本評估的技術(shù)路線選擇模型，并基于全行業(yè)市場、技術(shù)數(shù)據(jù)庫，對2030年前中國市場上27家主流OEM（Original Equipment Manufacturer）為實現(xiàn)CAFC法規(guī)達標將采取的節(jié)能與新能源技術(shù)路線及達標成本進行了計算和分析，并對行業(yè)整體技術(shù)路線、企業(yè)達標成本和達標難度進行了綜合評估，通過對CAFC法規(guī)影響及節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，以期為中國燃油消耗量法規(guī)的完善和中長期節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展提供參考和建議。

2 方法論及數(shù)據(jù)

對中國乘用車燃油消耗量法規(guī)產(chǎn)生的影響需要從全行業(yè)角度進行評估，這樣才能更加全面和準確地反映節(jié)能與新能源技術(shù)路線及達標成本的變化趨勢。本研究首先基于技術(shù)組合優(yōu)化思想和龐大的技術(shù)數(shù)據(jù)庫建立了節(jié)能與新能源技術(shù)路線選擇模型，并進一步結(jié)合包含企業(yè)車型、銷量、技術(shù)配置等數(shù)據(jù)的市場參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在不同CAFC法規(guī)情境下，以所有OEM最低成本滿足CAFC法規(guī)要求為優(yōu)化目標，建立了CAFC法規(guī)評估模型，如圖1所示。該模型可面向全行業(yè)進行系統(tǒng)的技術(shù)可行性及成本評估，同時對不同情境下技術(shù)滲透率、技術(shù)路線、達標成本等的影響進行量化綜合評估。該模型也是覆蓋全行業(yè)及企業(yè)的CAFC法規(guī)評價及技術(shù)路線決策模型，通過結(jié)果對比，其優(yōu)化效果比企業(yè)常規(guī)使用的“類貪婪”技術(shù)決策方法有明顯提升，可實現(xiàn)企業(yè)達標成本降低約14%。

模型所評估的先進節(jié)油技術(shù)可分為發(fā)動機技術(shù)、變速器技術(shù)、電動化技術(shù)、整車技術(shù)4類，共覆蓋增壓、汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection,GDI）、連續(xù)可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）、先進柴油機、輕量化、減摩擦、減阻以及目前市場上所有變速器結(jié)構(gòu)和從啟停、ISG（Integrated Starter Generator）、HEV（Hybrid Electric Vehicle）、PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、BEV（Battery Electric Vehicle）等56項節(jié)能與新能源汽車技術(shù)。對每一個企業(yè)，以企業(yè)中期決策為時間情景，即基于現(xiàn)有平臺，車型可以在4～8年實現(xiàn)重大升級和重新設計。

圖1 CAFC法規(guī)達標模型整體框架

模型主要包含6個子模塊，分別為技術(shù)參數(shù)模塊、成本模塊、市場信息模塊、CAFC法規(guī)模塊、法規(guī)外部政策模塊和技術(shù)決策模塊。首先判斷其產(chǎn)品平臺、技術(shù)基準等車隊初始參數(shù)，再基于企業(yè)基礎(chǔ)通過技術(shù)組合優(yōu)化的方法對每一類技術(shù)路徑依次進行應用和成本對比，直到企業(yè)以最小成本滿足CAFC法規(guī)標準為止。需要注意的是，預測結(jié)果為模型根據(jù)OEM最小化達標成本原則得出，不代表企業(yè)實際規(guī)劃。同時該研究針對燃油消耗量法規(guī)進行研究，并未將新能源汽車補貼及雙積分政策[11]考慮在內(nèi)。

模型數(shù)據(jù)主要分為市場、企業(yè)和技術(shù)3個部分，市場數(shù)據(jù)主要包括銷量、售價等，企業(yè)數(shù)據(jù)包括車型、動力平臺、技術(shù)配置，技術(shù)數(shù)據(jù)包括技術(shù)成本、技術(shù)節(jié)能效果和技術(shù)的物理特性參數(shù)。其中市場及企業(yè)數(shù)據(jù)來源于中國汽車研究中心，技術(shù)成本和節(jié)能效果數(shù)據(jù)來自于美國國家研究委員會（National Research Council，NRC）、美國環(huán)境保護署（Environmental Protection Agency，EPA）和美國高速公路安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）的技術(shù)評價報告[12-15]，技術(shù)物理重量參數(shù)來自于亞琛工業(yè)大學的節(jié)能技術(shù)評價報告[16]。由于中國CAFC法規(guī)以整備質(zhì)量為基準，因此技術(shù)的物理重量參數(shù)對于車型油耗和法規(guī)達標也有重要影響。

本文面向行業(yè)整體從關(guān)鍵技術(shù)路線、CAFC達標情況、整體節(jié)油貢獻率、達標成本及企業(yè)達標難度等幾個角度針對中國2020年、2025年、2030年CAFC法規(guī)的影響進行建模仿真和分析。

3 2030年前行業(yè)節(jié)能技術(shù)路線預測

3.1 發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)滲透率

如圖2所示，在發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)方面，發(fā)動機減摩擦、VVT、VVL（Variable Valve Lift，連續(xù)可變升程）等技術(shù)的成本有效性較高，將成為未來滿足CAFC法規(guī)的標配技術(shù)。渦輪增壓小型化技術(shù)（Turbocharging and Downsizing）作為重要的發(fā)動機節(jié)油技術(shù)，EPA評估其在中型車上節(jié)油率可達到11%～17%[13]，美國NRC評估其節(jié)油率可達到9%～12%[15]，將在2025年前發(fā)揮較大的節(jié)能貢獻。同時，盡管柴油機與汽油機相比具有更高的熱效率，先進柴油機技術(shù)可實現(xiàn)20%～30%的節(jié)油率[9]，但成本和排放問題也是制約柴油機發(fā)展的致命問題，根據(jù)仿真結(jié)果中國市場上柴油機技術(shù)將徹底被摒棄。總體而言，發(fā)動機技術(shù)行業(yè)平均滲透率將呈下降態(tài)勢，主要原因是未來電動車成本有效性的逐漸提高將帶來內(nèi)燃機總量的下降。

圖2 發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.2 變速器技術(shù)滲透率

圖3 為變速器關(guān)鍵技術(shù)滲透率。由圖3可看出，當前中國市場自動變速器主要以4AT和6AT為主，未來變速器技術(shù)將呈現(xiàn)明顯的多擋化趨勢。2020年，4AT將逐漸被淘汰，8AT和CVT市場份額大幅上升；2030年，8AT和CVT將成為變速器市場主流，6DCT和8DCT將占據(jù)15%左右的市場份額，同時受電動車市場份額逐步提升的影響，自動變速器市場相對份額將出現(xiàn)下降。從自主品牌和合資品牌技術(shù)路線選擇來看，當前自主品牌變速器主要以4AT為主，合資品牌變速器較自主品牌先進，6AT份額較大，同時未來合資品牌將應用更多的DCT和CVT技術(shù)，從而減少對電動汽車的依賴。

圖3 變速器關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.3 電動化技術(shù)滲透率

如圖4所示，未來在中國嚴苛的油耗法規(guī)下，ISG、強混技術(shù)將逐步替代啟停技術(shù)獲得大力發(fā)展，同時隨著電動化的不斷滲透，2030年電動化技術(shù)總占比將達到78%左右，純內(nèi)燃機汽車占比為22%左右，但內(nèi)燃機仍將占據(jù)市場主流，只是以混合動力、插電式混合動力等不同形式存在。CAFC法規(guī)將驅(qū)動動力系統(tǒng)向電氣化發(fā)展，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車基于已有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，通過電氣化升級，可以長時間工作在高效率的特定工況區(qū)域，從而將大幅改善能耗及排放。正因如此，未來內(nèi)燃機會與電機、電池結(jié)合成混合動力、插電式混合動力（包括增程式系統(tǒng)）等繼續(xù)發(fā)揮作用。

圖4 電動化關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.4 整車關(guān)鍵技術(shù)滲透率

圖5 為整車關(guān)鍵技術(shù)滲透率。由圖5可看出，隨著油耗法規(guī)的不斷加嚴，附件提升、低滾阻、低風阻等技術(shù)將成為CAFC法規(guī)達標標配技術(shù)。輕量化技術(shù)方面，2020年應用小輕量化率技術(shù)為主，2025年～2030年以中等輕量化率技術(shù)為主。但總體而言，輕量化技術(shù)在中國以整備質(zhì)量為基準的CAFC法規(guī)下應用前景較差，因為CAFC法規(guī)對整備質(zhì)量的“非中立性”使得應用輕量化技術(shù)所獲得的節(jié)油效果會在一定程度上被整備質(zhì)量下降帶來油耗目標值的下降所抵消。同時與自主品牌車企相比，合資品牌整車技術(shù)配置更成熟，同時未來可持續(xù)依靠加大整車技術(shù)投入實現(xiàn)CAFC法規(guī)達標。

圖5 整車關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.5 行業(yè)整體技術(shù)路線綜合評估

3.5.1 行業(yè)整體達標技術(shù)路線

通過對發(fā)動機、變速器、電動化、整車4類56項關(guān)鍵技術(shù)行業(yè)整體滲透率的分析，由圖6可以看出，2015年整體滲透率較高的是發(fā)動機減摩擦、VVT、GDI、4AT、EPS、輕量化等技術(shù)，其它先進節(jié)油技術(shù)還未被大量應用。

隨著CAFC法規(guī)的不斷加嚴，VVT、VVL、增壓小型化、8AT及低滾阻、低風阻等技術(shù)將迎來快速發(fā)展。2020年依靠發(fā)動機、變速器及整車技術(shù)等傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，搭配一定混合動力技術(shù)即可實現(xiàn)達標，其中啟停技術(shù)滲透率接近20%，ISG、強混技術(shù)滲透率分別達到5%左右。隨著CAFC法規(guī)的進一步加嚴和電動車成本有效性提高，2025年將在ISG和強混技術(shù)進一步提高的情況下，將有6.5%的PHEV和14.3%的EV導入。

圖6 行業(yè)整體技術(shù)滲透率

到2030年，發(fā)動機減摩擦、VVT、VVL、附件提升、低風阻、低滾阻等技術(shù)將成為標配技術(shù)，8AT和CVT將成為未來市場主力，4AT和6AT幾乎完全被替代。總體來看，2030年CAFC法規(guī)達標需大力挖掘發(fā)動機、變速器、整車節(jié)油技術(shù)潛力，同時發(fā)展10%左右啟停技術(shù)、20%左右ISG和16%左右強混技術(shù)。CAFC法規(guī)的加嚴和電動化成本的下降將使PHEV和EV的技術(shù)滲透率將分別達到10%和20%。

3.5.2 技術(shù)節(jié)油貢獻率及達標成本預測

圖7為2020年、2025年、2030年各類技術(shù)節(jié)油貢獻率，由計算結(jié)果可知，2020年主要依靠發(fā)動機、變速器、整車（包括附件）技術(shù)即可實現(xiàn)CAFC法規(guī)達標，幾乎不需要BEV、PHEV的貢獻。而隨著CAFC法規(guī)的不斷加嚴和傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)達到上限，電動化技術(shù)滲透率和貢獻率不斷提高，2025年、2030年電動化技術(shù)將成為CAFC法規(guī)達標的主要貢獻者，分別貢獻44.1%和69.0%，占總成本投入的68.9%和89.0%。柴油機技術(shù)節(jié)油貢獻率為0（圖7中未標注）。

圖7 技術(shù)節(jié)油貢獻率

根據(jù)計算，相對于2015年乘用車車隊，2020年、2025年、2030年單車達標增量成本分別為4 363元、14 878元、19 745元。2020年CAFC法規(guī)不但可以依靠改進傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)，而且在不考慮其它刺激政策情況下，依靠傳統(tǒng)技術(shù)是最佳選擇。2025年電氣化技術(shù)成本投入需要大幅增加。同時由圖8車隊技術(shù)增量成本分布情況可以看出，2020年到2030年的成本分布的峰度逐漸變小，產(chǎn)品的增量成本分布更加分散，直方圖從單峰向多峰轉(zhuǎn)變，這反映了車型的技術(shù)路線和產(chǎn)品組合的變化，單峰代表單一的汽油機技術(shù)路線，多峰則反映了HEV、PHEV和BEV的多種技術(shù)路線。汽車企業(yè)在2020年CAFC法規(guī)下，仍可以采用較為均勻地整體提升車隊的燃油經(jīng)濟性的產(chǎn)品戰(zhàn)略。但在2025和2030年更加嚴格的CAFC法規(guī)下，在提升車隊整體燃油經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，開發(fā)更加清潔的應用先進動力總成技術(shù)的節(jié)能明星車型，多種節(jié)能技術(shù)路線并舉是最優(yōu)的產(chǎn)品組合戰(zhàn)略[17]。

圖8 2020年～2030年CAFC法規(guī)下的車隊技術(shù)增量成本分布

3.5.3 企業(yè)達標難度分析

圖9和圖10分別從油耗下降率和成本承載力兩個角度分析了中國市場上27家主流企業(yè)在2020年、2025年、2030年燃油消耗量法規(guī)下企業(yè)的達標難度。油耗下降率和成本承受能力分別指以2015年企業(yè)狀況為基準，通過技術(shù)進步和優(yōu)化達到未來法規(guī)標準時，企業(yè)CAFC值需要下降的幅度和企業(yè)增量成本占產(chǎn)品售價的比例。從油耗下降率的角度來看，先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢較大，新能源產(chǎn)品應用較多的企業(yè)（如A1、B1、C1和A2、B2、C2）可以輕松實現(xiàn)達標，2020年油耗下降率分別為5%和7%，2025年分別為27%和28%，2030年分別為41%和42%；相比之下，A10、B10、C10達標難度最大，2020年、2025年、2030年油耗下降率分別達到29%、46%、55%；A4、B4、C4等企業(yè)的車型整備質(zhì)量大，但由于先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，達標難度適中。

圖9 企業(yè)達標難度（油耗角度）

圖10 企業(yè)達標難度（成本角度）

從成本承載力角度來看，一方面先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢越大的企業(yè)，達標增量成本越低，壓力相對小。如A1、B1、C1和A2、B2、C2由于新能源汽車的投入，在不需要增加成本的情況下即可滿足2020年CAFC法規(guī)。另一方面，產(chǎn)品市場定位高、平均售價高的企業(yè)具備更強的成本投入承受能力，往往能夠攤低達標增量成本與平均售價的比率，緩解企業(yè)的法規(guī)達標壓力。而大批企業(yè)由于未來法規(guī)達標增量成本將占售價25%甚至30%左右，將面臨巨大的達標壓力。

4 結(jié)束語

在中國燃油消耗量法規(guī)的日益嚴苛，同時伴隨著法規(guī)形式由“階梯型”向“連續(xù)型”調(diào)整的背景下，科學評價法規(guī)對技術(shù)路線、產(chǎn)品路線、企業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的影響，及時對法規(guī)和技術(shù)路線進行優(yōu)化和調(diào)整，前瞻性地制定適用于當下和中、長期發(fā)展的技術(shù)路線，對于縮小中國與發(fā)達國家的技術(shù)差距，保證國家能源安全及環(huán)境友好，以及引導企業(yè)制定達標技術(shù)策略具有重要的戰(zhàn)略意義。

研究建立了在CAFC法規(guī)下進行節(jié)能技術(shù)路線選擇和決策的組合優(yōu)化模型，面向全行業(yè)進行了系統(tǒng)的技術(shù)路線可行性及成本評估。模型優(yōu)化效果比企業(yè)常規(guī)技術(shù)決策方法有明顯提升，成本可降低約14%。

研究結(jié)果表明，在行業(yè)技術(shù)路線方面，發(fā)動機減摩擦、VVT、VVL、附件提升、低滾阻、低風阻技術(shù)將是未來CAFC達標的標配技術(shù)。變速器多擋化趨勢明顯，8AT和CVT將成為中國變速器市場主流。未來中國嚴苛的法規(guī)下ISG、強混技術(shù)將逐步替代啟停技術(shù)獲得大力發(fā)展。2030年電動化技術(shù)總占比將達到78%左右，純內(nèi)燃機汽車占比22%左右，同時相比合資品牌，自主品牌需要投入更多的電動化技術(shù)才可實現(xiàn)達標。但另一方面，中國以整備質(zhì)量為基準的法規(guī)會限制輕量化技術(shù)的應用。

從達標成本和達標難度角度，面向日益嚴苛的油耗法規(guī)，2020年后多種節(jié)能技術(shù)路線并舉是最優(yōu)的技術(shù)組合戰(zhàn)略。2025年將迎來傳統(tǒng)汽油機份額大幅下降和電氣化技術(shù)投入的大幅增加，2020年、2025年、2030年單車達標增量成本分別為4 363元、14 878元、19 745元。同時，法規(guī)達標壓力由企業(yè)先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品市場定位共同決定。一方面先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢越大的企業(yè)，達標增量成本越低，壓力相對小。另一方面企業(yè)產(chǎn)品平均售價較高的企業(yè)具備更強的投入成本承受能力，往往能夠攤低達標成本與平均售價的比率，緩解企業(yè)的法規(guī)達標壓力。