內(nèi)燃機(jī)與新能源動(dòng)力發(fā)展的競爭之路

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0 前言

根據(jù)世界汽車組織與汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2017年全球汽車產(chǎn)量達(dá)到9 498萬輛，其中乘用車和商用車產(chǎn)量占比分別約為75%和 25%。2017全年，我國全年汽車產(chǎn)銷量分別為2 901.54萬輛和2 887.89萬輛，歷史性突破2 900萬輛大關(guān)。其中乘用車產(chǎn)銷2 480.67萬輛和2 471.83萬輛，同比增長1.58%和1.40%；商用車產(chǎn)銷420.87萬輛和416.06萬輛，同比增長13.81%和13.95%；新能源汽車(包括混合動(dòng)力)產(chǎn)銷量接近80萬輛，分別達(dá)到79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.8%和53.3%。2017年新能源汽車市場占比2.7%，比上年提高了0.9個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，世界性的汽車產(chǎn)銷量增長態(tài)勢(shì)仍然不減，圖1為車滿為患的北京高架道路通行情況。

圖1 北京高架道路通行情況

1 全球汽車產(chǎn)量預(yù)測(cè)

根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)LMC Automotive發(fā)布的世界輕型汽車展望(Global Light Vehicle Overview)預(yù)測(cè)，2018年前后，全球汽車年產(chǎn)量將突破1億輛(表1)。其中，亞洲地區(qū)是最大的增量所在，平均每年大約將增加250萬輛，其中中國增量占比約100萬輛。目前，世界年增人口為8 600萬，人類生產(chǎn)汽車的速度超過了人口增長的速度。全球每秒鐘約生產(chǎn)3輛汽車，其中就有1輛誕生在中國，無疑中國已經(jīng)成為世界性的汽車生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國。

表1 2018—2020年世界汽車產(chǎn)量情況預(yù)測(cè) (單位：萬輛)

根據(jù)NavigantResearch公司發(fā)布的《交通運(yùn)輸業(yè)預(yù)測(cè)：輕型汽車》報(bào)告，截至2017年底，世界汽車保有量已接近13億輛，2018年將達(dá)到13.4億輛。去除淘汰的報(bào)廢車輛，預(yù)計(jì)未來幾年世界汽車保有量還將以每年約5千萬輛的速度增加(表2)。

表2 未來幾年全球汽車保有量情況預(yù)測(cè)(單位：萬輛)

2 內(nèi)燃機(jī)對(duì)世界環(huán)境的影響

巨大的汽車生產(chǎn)量和保有量已經(jīng)對(duì)全球環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響，尤其是人類的生存環(huán)境遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。圖2為巴西圣保羅高速匝道口車輛通行情況。在最近十幾年內(nèi)，汽車行業(yè)一直致力于整車系統(tǒng)的輕量化、動(dòng)力系統(tǒng)的小型化和節(jié)能減排，以緩解汽車工業(yè)對(duì)全球氣候與環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響，同時(shí)也包括了對(duì)新能源動(dòng)力的應(yīng)用。從2017年下半年開始，全球各國都陸續(xù)發(fā)聲禁售燃油車，其中，歐洲的反應(yīng)最為強(qiáng)烈，法國、德國、英國、挪威等西歐工業(yè)強(qiáng)國都相繼聲明，至2030年前后將全面禁售燃油車。雖然德國、法國等幾個(gè)國家的相關(guān)部門相繼出來澄清，這不代表政府的言論，而是來自于環(huán)保行業(yè)協(xié)會(huì)的倡議，但不管禁不禁售燃油車，內(nèi)燃機(jī)的“電氣化”進(jìn)程將肯定會(huì)加快。在未來的10～15年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)將注定會(huì)發(fā)生巨大的變化。2017年底，長安汽車和北汽集團(tuán)分別宣布將停止銷售燃油車，并且不約而同的把時(shí)間節(jié)點(diǎn)都指向了2025年，這一里程碑式的宣布很有深意。

圖2 巴西圣保羅高速匝道口車輛通行情況

3 新能源動(dòng)力電池

新能源汽車最關(guān)鍵的三大部件為動(dòng)力電源、電機(jī)和動(dòng)力控制系統(tǒng)。其中，動(dòng)力電源是核心中的核心，是新能源汽車的“心臟”。雖然現(xiàn)在市場上動(dòng)力電源種類繁多，其中鋰動(dòng)力電池因體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車動(dòng)力電源領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。圖3為索尼公司研發(fā)的18650型鋰電池。

圖3 索尼公司研發(fā)的18650鋰電池

4 全球鋰電需求

2014年全球鋰電產(chǎn)能約為59 GW·h，2015年增加至76 GW·h，2016年鋰電產(chǎn)能同比增長25.0%，達(dá)到95 GW·h。2017年全球鋰電產(chǎn)能達(dá)到115 GW·h。根據(jù)全球鋰電產(chǎn)能的預(yù)期，2018—2020年鋰電產(chǎn)能將持續(xù)保持每年約20 GW·h的增量，至2020年鋰電產(chǎn)能預(yù)計(jì)將達(dá)到170 GW·h。圖4為2014—2020年全球鋰電總產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

圖4 2014—2020年全球鋰電總產(chǎn)能及預(yù)測(cè)

從對(duì)鋰電產(chǎn)能的預(yù)測(cè)可以看出，鋰電產(chǎn)能從2016年開始明顯受到了壓制，產(chǎn)能受限主要是受到了鋰電材料供應(yīng)量的制約，鋰電產(chǎn)能的年增幅一路下滑。預(yù)計(jì)2020年鋰電正極材料所使用的碳酸鋰將達(dá)到12.5萬t，所使用的氫氧化鋰將達(dá)2.9萬t，但將遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足鋰電行業(yè)的使用需求。

5 全球鋰礦資源及開采現(xiàn)狀

從全球鋰礦的探明儲(chǔ)量和資源分布圖(圖5)可以看出，鋰礦資源基本上集中在南美的東西大洋兩端，該地區(qū)儲(chǔ)量幾乎占據(jù)了全球鋰礦資源的一半以上，除此以外，美國和中國儲(chǔ)量也不少。主要礦種分為鹵水礦、沉積巖礦和偉晶巖礦。其中，沉積巖礦比較難開采，目前主要是開采鹵水礦和偉晶巖礦。值得指出的是，澳大利亞的探明儲(chǔ)量只有170萬t，但其開發(fā)力度卻最大，年產(chǎn)量接近于全球總開采量的一半(表3)。

表3 全球鋰礦探明儲(chǔ)量及資源分布

圖5 全球鋰礦的探明儲(chǔ)量和資源分布圖(圖中，Brine：鹵水礦；Clay：沉積型礦；Pegmatite：偉晶巖礦。)

據(jù)美國地質(zhì)勘探局(USGS)公布的最新數(shù)據(jù)顯示，世界頂級(jí)鋰生產(chǎn)國正在盡最大努力滿足不斷增長的鋰電需求。實(shí)際上，各鋰礦資源大國對(duì)于鋰礦的開采非常有節(jié)制，因?yàn)殇嚨V資源是不可再生的，并且動(dòng)力鋰電池中的鋰元素回收非常困難，回收成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開采成本，所以各鋰礦資源大國必須進(jìn)行計(jì)劃性開采。表4為2015—2016年全球鋰礦生產(chǎn)國的開采量，其中澳大利亞和智利占據(jù)了總開采量的3/4，而其他國家出于自身國情和資源戰(zhàn)略考慮，現(xiàn)階段對(duì)于鋰礦的開采都微乎其微。2016年全球鋰產(chǎn)量較2015年增長了12%，至3.5萬t，在電動(dòng)車市場未來繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)張的強(qiáng)需求下，鋰產(chǎn)量很可能在未來幾年持續(xù)增多。目前，中國是世界最大鋰資源消費(fèi)國。

鋰礦資源的生產(chǎn)鏈主要包括探礦、采礦、原礦清洗、配料、破碎、篩分、球磨、均化、除雜、分級(jí)、重選、浮選、鋰云母精礦、含鋰濃縮，最后形成碳酸鋰。整套鋰電池生產(chǎn)鏈的建立大約需要2～3年時(shí)間。圖6為整套鋰電池生產(chǎn)鏈的基本結(jié)構(gòu)。圖7為2017年我國鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域集中度分析。

表4 全球八大鋰礦生產(chǎn)國開采量(單位：萬t)

圖6 整套鋰電池生產(chǎn)鏈的基本結(jié)構(gòu)

圖7 2017年我國鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域集中度分析

6 新能源動(dòng)力電池

如表5所示，根據(jù)鋰礦資源及相關(guān)原材料的流向可以看出，最近幾年新能源動(dòng)力電池的使用量有爆發(fā)式增長。從2014年的8.3 GW·h，增加到35.2 GW·h，增幅4倍多。便攜式移動(dòng)設(shè)備用鋰電池占比仍達(dá)到60 %以上，且年復(fù)合增長率達(dá)到16 %。目前，中國新能源動(dòng)力電池的使用量占比超過30 %，超過全球的平均值，表5為全球鋰電池及相關(guān)原材料流向分布。

在純電動(dòng)汽車的采購成本中，動(dòng)力電池的成本占比達(dá)到了4 8%，遠(yuǎn)高于使用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的成本構(gòu)成。其中，正極材料即鋰電池的成本占比30 %，隔膜材料成本占比25 %，占純電動(dòng)汽車采購成本的50%以上。經(jīng)過前一輪的碳酸鋰原材料市場的價(jià)格競爭亂象，從2016年起，碳酸鋰原材料價(jià)格在快速走高，導(dǎo)致純電動(dòng)汽車生產(chǎn)成本的進(jìn)一步上升(圖8)。

表5 全球鋰電池及相關(guān)原材料流向分布

表6 主要正極材料的性能對(duì)比

表7 全球具有代表性的新能源車型性能對(duì)比

圖8 新能源汽車及動(dòng)力電池成本分析

新能源電池主要應(yīng)用的正極材料主要分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰。其中，磷酸鐵鋰因?yàn)榘踩阅芨?，循環(huán)壽命長，在國內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，錳酸鋰的高溫性能始終得不到解決，已經(jīng)被邊緣化。而三元鎳鈷鋁酸鋰電池，主要應(yīng)用于高端純電動(dòng)車型。其中，含貴金屬鈷的鋰電池價(jià)格普遍昂貴，并且受到鈷金屬產(chǎn)量的限制嚴(yán)重，難以得到大范圍的推廣。表6為主要正極材料的性能對(duì)比。

表7為目前全球比較有代表性的新能源車型，以及使用的動(dòng)力電池情況。可以看出，除了特斯拉Model S采用的鎳鈷鋁酸鋰，其他材料的能量密度基本維持在100～140 (W·h)/kg左右，寶馬和日產(chǎn)采用的改性錳酸鋰能量密度也超過了130 (W·h)/kg，但是據(jù)稱在夏天高溫情況下能量的衰減非常嚴(yán)重，遠(yuǎn)不如磷酸鐵鋰的表現(xiàn)穩(wěn)定。

7 未來內(nèi)燃機(jī)的混動(dòng)化

目前，單位新能源乘用車的碳酸鋰用量大約在50～60 kg，單位中大型客(貨)車的碳酸鋰的用量在800 kg左右，動(dòng)力電池系統(tǒng)總質(zhì)量超過1 t。按照全球碳酸鋰年增產(chǎn)能4 000 t的規(guī)模計(jì)算，純電動(dòng)車型的年增產(chǎn)能將再難以突破5萬輛的規(guī)模(包括中大型純電動(dòng)客車)，無法滿足目前全球年增50萬輛新能源車的產(chǎn)能需求。新型電池儲(chǔ)能材料短期內(nèi)無法得到實(shí)際應(yīng)用，考慮到政府補(bǔ)貼的持續(xù)退潮和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大部分車企都轉(zhuǎn)而主攻混合動(dòng)力作為企業(yè)未來幾年內(nèi)主要的盈利來源。

2018年4月1日，我國正式實(shí)行燃油耗與新能源汽車積分并行政策。根據(jù)該政策措施，純粹生產(chǎn)傳統(tǒng)燃油車的車企將無法得到整車生產(chǎn)配給。預(yù)計(jì)在2018—2025年，混合動(dòng)力的車型種類和產(chǎn)能將會(huì)有爆發(fā)性的增長，新型內(nèi)燃機(jī)的需求量和性能要求也將持續(xù)增加，這對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的“電氣化”進(jìn)程將明顯加快，內(nèi)燃機(jī)的“電氣化”發(fā)展要求內(nèi)燃機(jī)需具備更高的可靠性，更小排量結(jié)構(gòu)更緊湊的機(jī)型設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高升功率表現(xiàn)，進(jìn)一步提高低速扭矩表現(xiàn)，以及具備更長的保養(yǎng)里程。其中，新型48 V集成式電機(jī)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子增壓器、變排量水泵，以及空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，將提升整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。圖9為2018年即將或已經(jīng)上市銷售的部分混合動(dòng)力車型。在未來幾年內(nèi)，幾乎所有的乘用車車型都將配備新能源動(dòng)力電池。同時(shí)，在商用車領(lǐng)域，包括中長途運(yùn)輸用載貨車在內(nèi)的大中型重卡、輕卡等也將實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的“電氣化”，以提高能源的使用效率。新能源動(dòng)力電池的應(yīng)用將給內(nèi)燃機(jī)行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，并必然深刻影響內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的技術(shù)變革和發(fā)展。

圖9 2018年即將或已經(jīng)上市銷售的部分混合動(dòng)力車型