我国节能乘用车技术发展路径分析

李江

(陕西工业职业技术学院汽车工程学院，陕西咸阳 712000)

0 引言

近年来，我国乘用车节能技术发展迅速，但与国外先进技术相比仍有不小差距。因此，研究我国节能汽车技术路径就显得尤为重要，在路径的设计中应重点考虑以下几方面的因素：(1)必须实现国家设立的宏观战略目标；(2)必须处理好节能汽车与新能源汽车协同发展的关系；(3)必须立足现状、实现双赢；(4)必须顺应全球汽车产业发展的潮流和方向；(5)必须充分借鉴国外汽车产业发展过程中已有的经验；(6)必须满足国内市场实际需求。以上几点因素是我国在设计乘用车节能技术发展路径时应予以重点考虑的关键因素，其中实现国家设立的宏观战略目标是重中之重。

1 我国节能汽车技术发展目标

我国乘用车未来几年的能耗目标已基本确定。根据《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》《中国制造2025》等政策法规要求，我国乘用车平均油耗目标为2020年5.0 L/100 km、2025年4.0 L/100 km。因此，文中分析的乘用车节能技术路径主要围绕以上两个能耗目标制定[1-2]。

1.1 规模预测

2017年我国乘用车销量2 471.83万辆，同比增长3.04%。考虑到我国经济发展进入新常态，预计未来5～10年，我国乘用车销售规模将保持中低速增长态势。假设2018—2020年、2020—2025年我国乘用车销量年均增速分别为3.5%、3.0%，预测2020年我国乘用车销量约2 740万辆，2025年我国乘用车销量约3 170万辆[3]。

1.1.1 不同动力类型销量数据预测

我国新能源乘用车持续高速增长是大概率事件，但总体规模和市场占比在未来10年内仍相对较小。得益于补贴政策、基础设施建设跟进与市场需求提升，2017年我国新能源乘用车销售77.7万辆，同比增长53.3%。结合国家政策导向及规划目标，按新能源商用车市场增速放缓等情景进行预测，2020年我国新能源乘用车销量将达到210万辆，2025年则将达到800万辆。

根据IEA(International Energy Agency)等国际知名科研机构的研究报告显示：至少在2030以前，全球汽车工业仍将以内燃机为主导。鉴于以内燃机为唯一动力的传统乘用车节能水平提升存在瓶颈，难以满足2020年以后日趋严格的油耗法规与国家能耗目标，在新能源汽车市场规模及占比有限的情况下，混合动力依靠其成熟的技术，成为有效拉低乘用车整体油耗水平的有力工具。

受我国能源战略及环境保护等因素影响，替代燃料车型未来有望实现快速发展。替代燃料汽车在NOx、PM(Particulate Matter)、HC(Hydrocarbons)等污染物排放方面相比传统动力汽车优势明显，更加符合国家出台的对大气污染物控制方面的法律法规。国家在《能源发展战略行动计划(2014—2020)年》中明确要求，稳步发展天然气等多元能源的交通运输。综上，2020年及2025年我国乘用车市场按车型销量结构预测结果如表1所示。

表1 2020年及2025年分车型乘用车销量预测万辆

1.1.2 不同整备质量段销量预测

我国乘用车分整备质量销售情况如表2所示，可以看出：大中型车辆的占比不断提升，高于1 320 kg的车型占比由2014年的44.17%上升至2016年的50.1%。这样的趋势显然不利于汽车工业的节能减排，也与国际主流发展趋势背道而驰。因此，合理调整、优化我国乘用车车型结构和整备质量m是推进乘用车车企节能减排的重要途径。

表2 2014—2016年分整备质量乘用车销售占比%

从降低油耗和节能减排的角度考虑，小质量段的车型占比应适当增大。从市场需求方面考虑，整备质量m在(1 090 kg,1 660 kg]的车型仍将占据主流；从占比变化速度来考虑，小质量段(低于1 320 kg)车型每年若能实现小幅的占比提升则相对比较合理。

1.2 油耗目标

1.2.1 2020年油耗目标

2020年，我国乘用车企业平均5 L/100 km的油耗目标达成存在较大压力，需各领域发挥各自最大的潜力才可能达到。

不同车型能耗测算依据：混合动力能耗按照传统动力的70%、插电式混合动力按照传统动力的30%的能耗水平进行推算；替代燃料按照目前唯一大规模产业化的CNG(Compressed Natural Gas)车型，综合根据碳平衡法推算与实际测量结果，按照传统汽油乘用车85%～90%的能耗水平推算[6]。

(1)不同动力类型

考虑油耗法规在2020年对新能源汽车实行核算优惠，纯电动汽车和纯电模式下行驶里程超过50 km的插电式混合动力汽车综合工况能耗按2倍数量计入核算基数。照此推算，2020年我国传统动力、混合动力、替代燃料乘用车分别应达到5.7、4、5 L/100 km的能耗水平，这样整个乘用车市场才可基本达到油耗法规要求。传统动力车型实现油耗目标值的压力极大，2016年国产传统乘用车平均油耗约为6.9 L/100 km，连续4年需年均下降约4%才能勉强实现2020年5.7 L/100 km的目标。混合动力车型实现油耗目标有一定可行性，当前我国混合动力车型油耗主要集中在(5～6) L/100 km，随着传统车辆能耗水平的提升以及混合动力技术的成熟与进步，只要传统动力油耗5.7 L/100 km的目标能实现，则混合动力油耗4 L/100 km即有望达成(相对于传统动力混合动力节油度一般可达30%)。替代燃料车型实现油耗目标值存在一定压力，我国替代燃料类型以CNG为主，目前车辆能耗为(5.5～6.5) L/100 km，未来每年能耗需下降2%以上才能达成目标[4-6]。

(2)不同整备质量段

将我国乘用车划分为4个整备质量段(混合动力、替代燃料与新能源汽车都统计在内)，各整备质量段车型的平均油耗约达到表3中的水平才能满足5 L/100 km的油耗目标。

表3 2020年不同质量段应达到平均油耗值L·10-2·km-1

1.2.2 2025年油耗目标

(1)不同动力类型

2025年，预计我国将不再对新能源汽车实行能耗核算优惠措施。照此推算，2025年我国传统动力、混合动力、替代燃料乘用车油耗分别应达到5.2、3.6、4.6 L/100 km，才可能基本满足4 L/100 km的总体目标。

传统动力车型实现油耗目标值依旧面临巨大挑战，甚至可以说是难以完成。2020—2025年还要进一步削减约9%，但是在平均整备质量段(1 250～1 390 kg)内，目前全球能实现5 L/100 km以下综合油耗的传统汽油乘用车几乎没有，对于节能技术应用落后发达国家5年以上的我国来说，能耗目标达成的难度非常大。

混合动力车型实现油耗限值具有一定可行性。目前，国外紧凑型混合动力车型油耗已降至4 L/100 km以下。考虑近年来自主研发创新的不断进步，到2025年实现3.6 L/100 km的油耗目标值存在希望[7-8]。

替代燃料车型的基本情况和传统燃油车型一样，对于节能技术基本相当的技术路线而言，要达到2025年4.6 L/100 km的目标很艰难。

(2)不同整备质量段

至2025年4个整备质量段应达到表4中所罗列的平均油耗才能达到5 L/100 km的油耗目标。

表4 2025年不同整备质量段应达到的平均油耗值L·10-2·km-1

考虑不同整备质量车型能耗优化难度与空间不同，基于2020年目标值，建议1 320 kg以下车型年均能耗降幅为4.5%～4.8%、1 320～1 660 kg整备质量段车型年均能耗降幅为6%、1 660 kg以上车型年均降幅为6.9%。

综上所述：各整备质量段车型能耗降幅目标极高，需加速传统动力升级挖潜、混合动力普及应用和新能源技术的规模提升协同努力才能实现。

2 我国节能汽车发展路径分析

考虑我国汽车工业发展与市场需求等因素的多样性与复杂性，建议未来我国采取传统节能技术升级、发展混合动力为主的动力多元化、鼓励车辆小型化、轻量化的产品结构优化为主的节能汽车发展路径。在各类车型中则分阶段、各有侧重地加快先进节能技术应用步伐，以实现既定的节能目标。我国乘用车节能总体应以大力发展混合动力车型为主、替代燃料为支撑、适当削减传统动力车型比例为主的发展思路。

2.1 传统动力乘用车发展路径分析

就当前车辆技术而言，发动机、变速器、电子控制系统对提升整车节能水平而言仍有较大的发展空间和潜力。

发动机方面，建议重点采用增压、混合喷射、改善进排气、改善缸内燃烧等技术路线。具体而言，通过进一步提高压缩比结合米勒循环大规模应用，进一步提升HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的技术应用水平，继续优化冷却系统等相关技术将热效率提升至40%。变速器方面，建议重点采用多挡AT(Automatic Transmission)和DCT(Dual Clutch Transmission)为主，6MT(Manual Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automatedmechanical Transmission) 等为辅的技术路线，推动8AT进入批量市场化应用阶段，同时推动紧凑型及以下乘用车搭载CVT等。先进电子控制系统方面，加快推动48 V系统大规模应用，以期实现12%～15%的节能水平提升；同时普及电子水泵、电子机油泵、电动压缩机、电子节温器的应用等。

其他节能技术方面，进一步降低风阻系数、发展浮动环轴承、低摩擦技术、降低车身整体质量。

2.2 混合动力乘用车发展路径分析

2020年以前，加强混合动力专用发动机及电池、电机技术的研究与应用，辅以其他节能技术的同步发展。电池电机方面，应用低损耗定子铁芯与高密度分布绕组技术，使电机功率密度高于4 kW/kg，提升电池能量密度，采用轻质化设计减少电池包质量约3%，实现比功率提升8%以上。混合动力专用发动机方面，应使阿特金森/米勒循环的混合动力专用发动机的压缩比超过12且实现市场化应用，推动增压小型发动机市场占比超过50%，通过中等比例冷却EGR(Exhaust Gas Recirculation)技术、高能点火等综合措施实现混合动力用发动机热效率达到40%左右[9]。2020—2025年，应改善各项先进电子电器技术应用，以进一步提升混合动力车型的节油水平。电子电器方面，规模市场化应用各类节能电子电器，STT(Stop-Start)、高效空调、EPS(Electric Power Steering)、电子水泵等基本成为标配。动力系统进一步改善，提升电机功率密度不低于4.5 kW/kg，提升电池能量密度，采用轻质化设计减少电池包质量5%以上，实现比功率提升15%以上。

2.3 替代燃料乘用车发展路径分析

为完成2020年及2025年我国替代燃料乘用车(针对CNG车辆而言)既定节能目标，建议我国在2020年以前，以提升专用发动机节能水平为主要节能手段，在2020年以后，同步传统汽车节能技术提升来实现进一步节能[10]。

2020年以前，应着重加强替代燃料专用发动机节能技术的研究与应用，辅以其他节能技术的同步发展。天然气专用发动机方面，应规模化应用CNG专用用发动机，同时针对CNG专用发动机开展高效协同电控系统的开发，发展节气模式和瞬态工况精细化修正等节能控制策略，突破燃料组分自学习、VVT(Variable Valve Timing)、油气协同等控制策略及算法，实现“双主式”ECU整车集成应用。其他节能技术方面，因CNG乘用车特定市场需求与产品特性所限，建议2020年前小规模市场应用高强度钢车身，重点降低气瓶铝内胆质量50%以上，以实现部分轻量化效果。2020—2025年应完成CNG乘用车结构优化工作，单车整备质量较2017年平均水平下降6%以上；推动单燃料CNG专用发动机实现大规模市场化应用，发展应用电子节气门等先进技术，使用适合燃料特性的压缩比，对发动机本体进行优化设计，促进专用发动机燃烧系统优化、进排气系统优化、气瓶压力提升等多项技术的研究与实际应用。

3 相关政策建议

为保证乘用车节能这个复杂且持续的系统性工程达到国家相应法规限值的要求，建议国家在以下方面应予以重视：

(1)制定国家在中远期乘用车油耗法规管理办法、排放法律法规和汽车领域碳排放积分交易制度。

(2)持续推进汽车产业更加开放、更加法治的管理体系，创造更加符合全球利益的市场竞争环境。

(3)发挥市场的决定性作用。

(4)在积极发展新能源汽车产业的同时，也应积极推动节能汽车技术产业的研发与应用。

(5)借鉴国际先进经验，建立符合中国国情的政策法规、标准等。

(6)大力引导产业链各个环节合作互动。