汽車低碳化與動力總成技術(shù)創(chuàng)新＊

李駿 張曉艷 付磊 沈鐵軍 宮艷峰 楊興旺 王永軍

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

汽車低碳化與動力總成技術(shù)創(chuàng)新＊

李駿 張曉艷 付磊 沈鐵軍 宮艷峰 楊興旺 王永軍

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

從全球氣候變化入手，分析了中國低碳化發(fā)展需求，包括碳排放構(gòu)成、汽車碳排放占比，基于《巴黎協(xié)定》中中國政府的CO2排放量承諾，預(yù)測了2025年和2030年汽車油耗限值，據(jù)此分析了中國汽車低碳化技術(shù)需求，提出了中國汽車低碳化發(fā)展技術(shù)路線，從國家、社會、汽車行業(yè)和汽車企業(yè)層面給出了低碳化建議。

1 前言

長期以來，中國汽車行業(yè)相關(guān)法規(guī)一直關(guān)注污染物的排放，隨著GB 19578《乘用車燃料消耗量限值》的實施，中國對汽車CO2的排放加以控制并以汽車油耗法規(guī)的形式體現(xiàn)，這與部分發(fā)達國家的控制策略不同。GB 19578的油耗限值要求使汽車企業(yè)面臨巨大壓力，從而促使低碳技術(shù)戰(zhàn)略成為汽車企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。

中國汽車工業(yè)面臨著3個重要課題，即油耗法規(guī)的制定、油耗法規(guī)的發(fā)展趨勢以及汽車行業(yè)的應(yīng)對措施，其主線是低碳化。本文研究了國際能源和CO2排放量的構(gòu)成與核算，分析了中國汽車工業(yè)碳排放現(xiàn)狀、低碳技術(shù)與國際先進水平的差距以及中國汽車工業(yè)的CO2排放份額，提出了全產(chǎn)業(yè)鏈條下中國汽車低碳化技術(shù)路線。

2 中國汽車工業(yè)低碳化發(fā)展需求

2.1 低碳化是中國的發(fā)展需求

世界主要國家已就氣候控制達成基本共識，即相較于工業(yè)革命前，全球溫度的升高幅度必須控制在2℃以內(nèi)[1]。據(jù)環(huán)境科學(xué)家估計，要實現(xiàn)上述目標(biāo)，全球CO2累計總排放量必須低于3.15萬億噸，到目前為止，人類已經(jīng)排放1.9萬億噸，還有約1.25萬億噸的可排放空間[1]。所以，降低CO2排放量是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

為此，包括中國在內(nèi)的多國簽署了第一個具有普遍約束力的氣候協(xié)議，即《巴黎協(xié)定》。目前，發(fā)達國家CO2排放量處于穩(wěn)定甚至下降狀態(tài)，而中國正處于CO2排放量急劇增加的時期，因此，面臨更大的減排壓力。中國政府承諾，到2030年左右，中國CO2年排放總量不再增加，且單位GDP的CO2排放量較2005年降低60%～65%。為此，中國汽車產(chǎn)業(yè)必須支撐國家CO2減排整體戰(zhàn)略，持續(xù)降低單車碳排放水平，為國家碳排放控制作出貢獻，也為自身發(fā)展擴大空間。

2.2 汽車低碳化是中國低碳化發(fā)展的需求

全球CO2排放量構(gòu)成中，公路交通CO2排放量占比17.5%[2]，是減排的重點領(lǐng)域。發(fā)達國家公路交通CO2排放量占比更大，美國為28%，歐盟為25%[3]。

在材料制造、燃料制造、車輛制造、使用、回收等汽車生命周期各環(huán)節(jié)中，使用環(huán)節(jié)的CO2排放量所占份額最大，本文主要論述使用環(huán)節(jié)，即“從油箱到車輪”（Tank to Wheel，TtW）的CO2排放問題。

目前，中國汽車CO2排放量只占總排放量的約7%，但增速較快，使用環(huán)節(jié)排放占比較低[2]，如圖1所示。中國政府承諾，中國CO2年排放量到2030年左右達到頂峰，因此，汽車保有量不能急劇增加，但汽車的需求量和產(chǎn)量不斷增長，汽車CO2年排放總量也在增加，未來，中國汽車CO2排放量占比必然會超過7%。

圖1 中國汽車使用環(huán)節(jié)CO2年排放總量及占比

圖2所示為世界主要國家千人汽車保有量與人均GDP的關(guān)系[4]，由圖2可知，二者呈線性關(guān)系是普遍規(guī)律。由此可以推測，伴隨中國經(jīng)濟的發(fā)展，中國汽車保有量將快速增加，汽車將成為CO2排放量控制的重要領(lǐng)域。

圖2 千人汽車保有量與人均GDP

到2025年和2030年，中國人均GDP預(yù)計將分別達到8.4萬元和11.1萬元（人民幣），按模型預(yù)測，千人汽車保有量將分別達到227輛和280輛。中國汽車保有量預(yù)計在2020年達到3億輛，2025年達到3.7億輛，2030年達到4.3億輛。中國汽車產(chǎn)量預(yù)計在2020年達到3 000萬輛，2025年達到3 500萬輛，2030年達到3 800萬輛。

圖3所示為日本和美國的汽車CO2排放量占比與千人汽車保有量的關(guān)系，可以看出，二者呈現(xiàn)強線性關(guān)系，但是兩國的能源結(jié)構(gòu)、汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素使得汽車CO2排放量占比曲線相差較大。

圖3 汽車CO2排放量占比與千人汽車保有量

2.3 中國汽車低碳化發(fā)展分析

為分析汽車CO2排放量的變化趨勢，建立如圖4所示的預(yù)測模型。預(yù)測模型的輸入包括人均GDP、人口數(shù)量、千人汽車保有量、CO2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由此可以預(yù)測全國CO2排放量中汽車的排放量占比。影響汽車CO2排放量占比的其他因素包括其他行業(yè)的發(fā)展、交通環(huán)境的變化、汽車使用強度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和低碳技術(shù)水平。

圖4 中國汽車CO2排放量占比預(yù)測模型

根據(jù)上述預(yù)測模型獲得的CO2排放量占比數(shù)據(jù)如圖5所示。到2030年，中國千人汽車保有量達到約280輛時，汽車CO2排放量占比必須開始下降。顯然，中國不能像發(fā)達國家那樣發(fā)展汽車工業(yè)，因此，《巴黎協(xié)定》對中國來說是極具挑戰(zhàn)性的。

圖5 中國汽車CO2排放量占比預(yù)測

圖5所示的預(yù)測結(jié)果與日本相近，因此，日本的情況具有一定的參考性，由此可知，中國CO2排放總量中汽車的占比不應(yīng)超過12%。

利用此模型預(yù)測，中國汽車CO2年排放量到2028年左右達到頂峰，2030年順利進入下降期。汽車CO2排放量占比2025年應(yīng)控制在11.5%，2030年應(yīng)控制在11.2%。為此，汽車CO2年排放總量2020年要控制在11億噸以內(nèi)，2025年將增加到11.8億噸，2030年則必須降到11.6億噸。由此推斷，乘用車新車平均CO2排放量2025年應(yīng)控制在約92 g/km，2030年應(yīng)控制在約75 g/km，相應(yīng)的燃油消耗量為4.0 L/100 km和3.2 L/100 km。

3 中國汽車低碳化發(fā)展技術(shù)分析

面對汽車CO2排放法規(guī)的壓力，需要分析汽車低碳技術(shù)的發(fā)展。以中國乘用車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，進行低碳技術(shù)的參數(shù)化分析，最后確定動力總成和其他技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，目前市場上的車型以三廂和兩廂緊湊型車為主，其市場占比為47.1%，SUV和MPV的緊湊型車占比為35%。這樣的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有中國特色，為此，以三廂和兩廂緊湊型車為目標(biāo)進行低碳技術(shù)參數(shù)化分析。汽車燃料消耗量與整備質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、滾阻系數(shù)、發(fā)動機熱效率強相關(guān)，因此，構(gòu)建了以上述參數(shù)為變量的分析模型。

3.1 第四階段油耗法規(guī)回顧

第四階段油耗法規(guī)（China Fuel Consumption RegulationⅣ，CFCR-Ⅳ）限值是5.0 L/100 km（相當(dāng)于CO2排放量117 g/km），考慮到企業(yè)低碳化技術(shù)能力和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，按照最低能力預(yù)測，緊湊型三廂車必須達標(biāo)，此時中、大型車不達標(biāo)，為此，必須開發(fā)相應(yīng)的新能源汽車（New Energy Vehicle，NEV）加以平衡，成本非常高。根據(jù)參數(shù)分析，緊湊型車如需達標(biāo)，其各項參數(shù)必須達到的水平見圖6。

圖6 CO2排放量影響參數(shù)分析

3.2 第五階段油耗法規(guī)

對于第五階段油耗法規(guī)（CFCR-Ⅴ），按照低碳技術(shù)均衡發(fā)展的原則，企業(yè)的技術(shù)能力必須確保緊湊型車達標(biāo)，各項技術(shù)參數(shù)繼續(xù)優(yōu)化，此時整車CO2排放量可以達到92 g/km（見圖6）。

在第五階段，中、大型車均不達標(biāo)，CO2排放量分別可以達到115 g/km和148 g/km，為實現(xiàn)排放目標(biāo)，企業(yè)需利用NEV平衡CO2排放量，代價越來越大。如果新能源補貼政策取消，企業(yè)就要考慮利用低碳技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品減排，彌補虧損。

3.3 第六階段油耗法規(guī)

第六階段油耗法規(guī)（CFCR-Ⅵ）要求將更加嚴(yán)格，企業(yè)低碳技術(shù)能力必須大幅提升，否則緊湊型車無法達到75 g/km的CO2排放量目標(biāo)。因此，企業(yè)必須加大輕量化力度，并將發(fā)動機熱效率提高到45%的可應(yīng)用極限水平，實現(xiàn)緊湊型車CO2排放量80 g/km，中型車105 g/km，大型車140 g/km（見圖6）。此時，傳統(tǒng)內(nèi)燃機（Internal Combustion Engine，ICE）汽車均無法達標(biāo)，所有車型必須增加NEV的比例，這是一個很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖7所示為參數(shù)化分析后所有車型對應(yīng)的CO2排放量和銷量占比。CFCR-Ⅳ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在123 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在78 g/km以下；CFCR-Ⅴ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在99 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在65 g/km以下；CFCR-Ⅵ實施時，ICE車型CO2排放量必須控制在87 g/km以下，NEV CO2排放量必須控制在60 g/km以下。

圖7 不同車型NEDC工況CO2排放量分析

按照這樣的計算模式，CFCR-Ⅳ實施時，ICE的貢獻度為69%，NEV的貢獻度為12%，CFCR-Ⅴ和CFCR-Ⅵ實施時，ICE的貢獻度會下降，NEV的貢獻度會提高，如表1所示。

表1 不同技術(shù)對低碳化的貢獻度 %

把在各時期汽車CO2排放總量按ICE車型、NEV分配，得到NEV的銷量。NEV的CO2排放量在CFCR-Ⅳ實施時的要求為78 g/km，CFCR-Ⅴ實施時為65 g/km，CFCR-Ⅵ實施時為60 g/km。按照總體碳排放達到法規(guī)要求進行銷量計算，NEV銷量占比在CFCR-Ⅳ實施時需達到12.9%，CFCR-Ⅴ實施時需達到20.6%，CFCR-Ⅵ實施時需達到44.6%。

4 中國汽車低碳化發(fā)展技術(shù)路線

低碳化總體技術(shù)路線包括ICE技術(shù)和NEV技術(shù)。

ICE技術(shù)的核心任務(wù)是提高熱效率。為滿足2020年CFCR-Ⅳ的要求（5.0 L/100 km），汽油發(fā)動機熱效率應(yīng)達到38%，其對應(yīng)的技術(shù)包括Miller循環(huán)技術(shù)、可變氣門升程（Variable Valve Lift，VVL）技術(shù)、整體式排氣管技術(shù)、高效增壓技術(shù)、低摩擦技術(shù)[5]及輕量化技術(shù)。

為應(yīng)對2025年CFCR-Ⅴ的要求（預(yù)計油耗目標(biāo)為4.0 L/100 km），以均質(zhì)燃燒為基礎(chǔ)的汽油發(fā)動機可以實現(xiàn)42%的熱效率目標(biāo)。在CFCR-Ⅳ應(yīng)對技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加可變氣門（Variable Valve Actuation，VVA）技術(shù)、熱管理技術(shù)、E-boost技術(shù)、排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Re?circulation，EGR）技術(shù)、發(fā)動機停缸技術(shù)、可變壓縮比（Variable Compression Ratio，VCR）技術(shù)、廢氣能量回收（Waste Heat Recovery，WHR）技術(shù)、噴水冷卻技術(shù)[6]。

為應(yīng)對2030年CFCR-Ⅵ的要求（預(yù)計油耗目標(biāo)為3.2 L/100 km），汽油發(fā)動機熱效率應(yīng)不低于45%，為實現(xiàn)此目標(biāo)，汽油機需要尋求顛覆性技術(shù)突破。在CF?CR-Ⅴ應(yīng)對技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加低溫稀薄燃燒技術(shù)、大沖程缸徑比技術(shù)[7]、加氫燃燒技術(shù)、多源能量回收技術(shù)、絕熱技術(shù)、電動化技術(shù)。

實現(xiàn)低碳化目標(biāo)的關(guān)鍵問題是不同技術(shù)路線的平衡和取舍，而實現(xiàn)平衡和取舍的方式是對不同技術(shù)路線的科學(xué)評價，需考慮的技術(shù)評價指標(biāo)包括熱效率、生命周期使用成本（Total Cost Ownership，TCO）[8]、技術(shù)模塊化、產(chǎn)品的模塊化水平，同時還要考慮技術(shù)的創(chuàng)新性、成熟度和客戶魅力。對不同級別的車型都需要評價篩選，得到相應(yīng)車型的技術(shù)路線，同時需要找到適合的技術(shù)平臺、技術(shù)模塊，使低碳技術(shù)具有連續(xù)性。

緊湊型車動力系統(tǒng)低碳技術(shù)成本分析及評分表如圖8和表2所示，其中路線1，即VVA+48 V技術(shù)很好地平衡了熱效率、技術(shù)創(chuàng)新性、TCO等評價指標(biāo)，是實現(xiàn)2025年低碳化目標(biāo)的最佳技術(shù)路線。

新能源汽車純電動行駛所耗能量為電能，必須考慮其“油井到車輪”（Well to Wheel，WtW）的燃料生命周期，以及我國電網(wǎng)的含碳量及其發(fā)展趨勢。依據(jù)前文的NEV全生命周期CO2排放總體分配目標(biāo)，結(jié)合NEV技術(shù)發(fā)展趨勢，分解制定各類NEV在不同階段的CO2排放目標(biāo)（見圖9），可據(jù)此預(yù)測分配插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、純電動汽車（Electric Vehicle，EV）和燃料電池電動車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）所需的銷售比例。

圖8 2025年緊湊型車動力系統(tǒng)低碳化技術(shù)成本分析

表2 2025年緊湊型車動力系統(tǒng)低碳化技術(shù)路線評分表

圖9 典型緊湊型NEV CO2排放目標(biāo)（WtW）分解

對于典型緊湊型PHEV（整備質(zhì)量為1 450 kg），依據(jù)其全生命周期CO2排放目標(biāo)確定整車油耗目標(biāo)（TtW）如圖10所示，并分解制定動力電機和機電耦合器等關(guān)鍵總成的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合PHEV動力系統(tǒng)關(guān)鍵總成技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測整車成本發(fā)展目標(biāo)。根據(jù)以上分析，提出實現(xiàn)PHEV CO2排放目標(biāo)的技術(shù)創(chuàng)新主要方向為動力系統(tǒng)集成度提高、綜合效率提升和成本降低，關(guān)鍵技術(shù)包括動力系統(tǒng)集成化技術(shù)、專用總成開發(fā)技術(shù)、智能化能量管理技術(shù)等。

圖10 PHEV CO2排放量和燃料消耗量

對于典型緊湊型EV（整備質(zhì)量為1 450 kg），依據(jù)其全生命周期CO2排放目標(biāo)確定整車電消耗量目標(biāo)（TtW）如圖11所示，并分解制定動力電機和動力電池等關(guān)鍵總成的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合整車成本發(fā)展趨勢預(yù)測，提出實現(xiàn)EV CO2排放目標(biāo)的技術(shù)創(chuàng)新主要方向為成本降低、續(xù)駛里程提升和充電時間縮短，關(guān)鍵技術(shù)包括高比能量電池技術(shù)、高效電機技術(shù)、高壓功率電子技術(shù)和輕量化技術(shù)等。

圖11 EV CO2排放量和電消耗量

對于典型緊湊型FCEV（整備質(zhì)量為1 550 kg），依據(jù)其全生命周期CO2排放目標(biāo)確定整車氫消耗量目標(biāo)（TtW）如圖12所示，并分解制定燃料電池系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合整車成本發(fā)展趨勢預(yù)測，提出實現(xiàn)FCEV CO2排放目標(biāo)的技術(shù)創(chuàng)新主要方向為低成本、高效化和系統(tǒng)小型化，關(guān)鍵技術(shù)包括超薄雙極板技術(shù)、高溫低濕膜技術(shù)、非Pt催化劑技術(shù)及高儲氫率車載儲氫技術(shù)等。到2030年，預(yù)計FCEV將與PHEV和EV成本相當(dāng)，并在低碳化水平方面具有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢。

圖12 FCEV CO2排放量和氫消耗量

未來，NEV產(chǎn)品必須符合市場規(guī)律，補貼政策不能維持其可持續(xù)發(fā)展。要實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展，就要實現(xiàn)客戶所能接受的成本增加，達到客戶期待的續(xù)駛里程，同時解決充電時間問題，每100 km續(xù)駛里程的快速充電時間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。從成本增加、續(xù)駛里程和充電時間等角度分析：EV適合在緊湊型車上開發(fā)，滿足中、短途行駛需求；為滿足長途行駛需求，緊湊型SUV以上的車型適合發(fā)展PHEV和FCEV技術(shù)，但2030年燃料電池成本仍會很高，發(fā)展PHEV是比較現(xiàn)實的解決方案；2030年以后，預(yù)計FCEV在成本方面將與PHEV接近，而且其CO2排放量更低，但其市場推廣程度也取決于加氫站建設(shè)和氫燃料大批量生產(chǎn)的發(fā)展程度。

5 結(jié)束語

研究汽車碳排放的工程科技需要在四個層面上考慮。在國家層面：要統(tǒng)籌各行業(yè)碳排放占比，汽車行業(yè)應(yīng)該獲得合理的碳排放份額；要綜合評估NEV對碳排放的影響，電能消耗也有碳排放；NEV還處于發(fā)展時期，國家應(yīng)出臺大排量汽車碳稅政策以補貼NEV。在社會層面，必須提倡低碳消費和勤儉節(jié)約的文化，生活環(huán)節(jié)碳排放的增加勢必影響生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放份額，進而影響GDP的增長。在汽車行業(yè)層面，應(yīng)研究全生命周期碳排放管理，通過提升企業(yè)信息化、智能化水平進一步降低碳排放量，要協(xié)同能源與制造業(yè)，發(fā)展低碳燃料。在汽車企業(yè)層面，要把傳統(tǒng)內(nèi)燃機和新能源汽車很好地結(jié)合，轉(zhuǎn)型升級為低碳企業(yè)。

1 政府間氣候變化專門委員會.氣候變化綜合報告.哥本哈根，2014.

2 Fatih Birol.CO2Emissions From Fuel Combustion.Paris：International Energy Agency，2016.

3 日本汽車工業(yè)協(xié)會.日本汽車統(tǒng)計年報，2012.

4 日本汽車新聞社.汽車產(chǎn)業(yè)手冊，2001.

5 Hadler J,Lensch-Franzen C,Kirsten K,et al.New Aspects for a Tribologically Induced CO2and Emission Reduction.37th Internationales Wiener Motorensymposium，2016.

6 Thewes M,Baumgarten H,Scharf J,et al.Water Injection-High Power and High Efficiency Combined.25th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology，Aachen，2016.

7 Ikeya K,Takazawa M,Yamada T,et al.Thermal Efficiency Enhancement of a Gasoline Engine.SAE Paper No.2015-01-1263，2015.

8 Seger J,Hwang L K,Shao J,et al.Systems Engineering Approach for the Design of a Low Carbon,Fuel Efficient, Diesel Engine Powertrains for Commercial Vehicles.SAE Paper No.2011-01-2189，2011.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年3月13日。

Low Carbon Automotive and Powertrain Technology Innovation

Li Jun,Zhang Xiaoyan,Fu Lei,Shen Tiejun,Gong Yanfeng,Yang Xingwang,Wang Yongjun
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

This paper analyzes the demands for low carbon development in China by introducing global climate change,including components of CO2emission,proportion of vehicle carbon emission in total emission.This paper also predicts vehicle fuel consumption limits for 2025 and 2030 based on the commitment of CO2emission reduction made by the Chinese government within the framework of Paris Agreement.The demand for low carbon auto technologies in China is analyzed,the technology roadmap for the development of low carbon auto in China is proposed,and low carbon proposals are raised in aspects of the nation,the society,the auto industry as well as auto OEMs.

Low carbon,Powertrain,Technology innovation

低碳化 動力總成 技術(shù)創(chuàng)新

U461.8；U469.7；X734.2

A

1000-3703（2017）04-0001-05

中國工程院中國汽車低碳化系統(tǒng)工程研究項目（2016-XY-02）。

李駿（1958—），男，中國工程院院士，工學(xué)博士，研究方向為動力總成技術(shù)、汽車電子技術(shù)、新能源汽車技術(shù)。