中國汽車能耗現(xiàn)狀及未來趨勢

陳巧榮

（長興吉利汽車部件有限公司，浙江 湖州 313000）

近年來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到一定程度影響，一方面國內(nèi)車企對節(jié)能減排技術(shù)的探索與國外還存在一定差距，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)車企向新能源汽車企業(yè)轉(zhuǎn)型未達到預(yù)期效果。而消費者對汽車能耗的關(guān)注卻不斷提高，致使傳統(tǒng)燃油車企業(yè)面臨巨大的降耗壓力。為了促進可持續(xù)發(fā)展，加強大氣污染防治力度與提高空氣質(zhì)量，各國政府均已出臺了各種汽車燃料限制值及燃油車禁售時間計劃等，我國2020年6月更新了雙積分管理辦法，2021年7月更新《乘用車燃料消耗量限值》等，旨在推動降低汽車能耗技術(shù)的發(fā)展。如何在競爭激烈的國際市場中脫穎而出，是每個車企永恒的研究課題。本文通過分析當(dāng)前市場環(huán)境及汽車發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)，探討國內(nèi)汽車節(jié)能減排的方向。

1 概述

2020年，公共安全事件對世界各國的經(jīng)濟社會發(fā)展均造成較大沖擊，汽車產(chǎn)業(yè)鏈長、涉及面廣，受影響程度較深。對雙積分政策實施而言，公共安全事件延緩了企業(yè)新的低能耗車型和新能源車型研發(fā)上市進度，傳統(tǒng)汽車平均油耗下降幅度未達到預(yù)期。但自2021年比亞迪汽車勢如破竹在新能源市場上強勢崛起，其他企業(yè)的新能源產(chǎn)品也在新能源路線上多線并舉，實現(xiàn)新能源市場的提升。2022年7月新能源汽車滲透率達到26.7%，較去年7月提高了12%。根據(jù)《2021年度乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分情況公告》，2021年度，中國境內(nèi)129家乘用車企業(yè)共生產(chǎn)/進口乘用車2 064.82萬輛（含新能源乘用車，不含出口乘用車，下同），行業(yè)平均整車整備質(zhì)量為1 533 kg，平均燃料消耗量實際值（全球輕型汽車測試循環(huán)工況（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC））為5.1 L/100 km，燃料消耗量正積分為1 593.99萬分，燃料消耗量負積分為563.25萬分，新能源汽車正積分為679.10萬分，新能源汽車負積分為79.79萬分。產(chǎn)生平均燃料消耗量負積分較多的企業(yè)，大部分都是傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)銷規(guī)模較大的企業(yè)，比如一汽大眾、上汽大眾、上汽通用等，也就是說，在傳統(tǒng)燃油車領(lǐng)域，行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)面臨巨大的降耗壓力。政府發(fā)布的汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃也明確了汽車燃料消耗量的目標(biāo)。

依據(jù)《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》（GB 27999—2019）要求，未來四年的乘用車燃油消耗目標(biāo)值需要達到的要求（按照整車整備質(zhì)量為1 510 kg為例計算），如表1所示。

2021年7月開始實施的《乘用車燃料消耗量限值》，將綜合油耗測試工況標(biāo)準(zhǔn)從原先的新歐洲駕駛循環(huán)工況（New European Driving Cycle,NEDC）轉(zhuǎn)為WLTC，NEDC標(biāo)準(zhǔn)的測試內(nèi)容包括了5個工況，其中有4個市區(qū)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)，NEDC工況多數(shù)時間處于勻速行駛狀況，即使在加減速過程中，加速度也為恒定值，“速度-時間”曲線十分規(guī)則，屬于穩(wěn)態(tài)工況的范疇。全球輕型汽車測試規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)包含了低速、中速、高速和超高速四個不同的工況場景，相對而言WLTC工況較NEDC工況更全面且更嚴(yán)，同一輛車的測試結(jié)果，WLTC的油耗往往大于NEDC測試結(jié)果，這意味著燃油車平均油耗的達標(biāo)門檻提升，傳統(tǒng)燃油車降耗的壓力將進一步提升。該標(biāo)準(zhǔn)與《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》（GB 27999—2019）形成第五階段乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，共同支撐雙積分管理辦法順利實施。

雙積分政策實施早期，通過擴大新能源汽車的生產(chǎn)賺取新能源積分，可以一定程度上抵充產(chǎn)生的平均燃料消耗量。但目前看來，這樣的思路似乎越來越行不通，雙積分政策的調(diào)整以及市場的供需，決定企業(yè)尤其是傳統(tǒng)車企，至少在中短期內(nèi)，必須兼顧傳統(tǒng)燃油車降耗和新能源汽車布局兩條腿走路。

一方面國家政策引導(dǎo)汽車油耗趨勢，另一方面消費者從經(jīng)濟性考慮也同樣驅(qū)動著汽車的油耗改革。汽車油耗已經(jīng)成為廣大汽車消費者購買汽車的至關(guān)重要、不可或缺的一個考量點。目前熱門的燃油類緊湊型轎車的綜合油耗（NEDC）基本在5.5 L～6 L/100 km之間，例如廣汽影豹、榮威I5、長安逸動、上汽朗逸等，超出此區(qū)間的此類別轎車，如上汽名爵6的綜合油耗（NEDC）基本在6.2 L/100 km，如果不能在其他配置方面上有突出的亮點，那在目前此級別的汽車類別上競爭力相對較弱，尤其在目前汽車市場競爭如此激烈的環(huán)境條件下。

2 汽車降低油耗的主要方式

2.1 車身輕量化

有研究表明，車身重量和油耗息息相關(guān)，油耗優(yōu)化6%～8%的目標(biāo)可以通過減少汽車重量10%來實現(xiàn)。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。車身的輕量化方案主要有以下兩種：

1.車身輕材料應(yīng)用

車身輕材料包括鋁合金、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等。眾所周知，傳統(tǒng)的車身大部分應(yīng)用的材料都是鋼鐵，鋼鐵的密度為7.85 g/cm，而鋁的密度僅為鋼密度的1/3。同種車型條件下，鋁合金材質(zhì)的車身，其重量能夠得到大幅的降低，是車身輕量化應(yīng)用最廣泛的材料。鋁車身一度是各汽車主機廠的熱門課題，蔚來ES8就是采用的鋁合金車身。但鋁合金車身強度不足，安全性能差，這也是目前鋁合金車身未全面普及的重要原因。隨著汽車制造技術(shù)的不斷成熟，鋁合金車身的不足可能會在不久的將來被攻克。2021年8月SUV的銷量冠軍紅旗HS5，就采用了“輕量化車身+全鋁底盤”，實現(xiàn)節(jié)能減排的同時，還將車身的輕量化做到了2.75。

汽車輕量化的推廣也使塑料作為原材料在汽車零部件領(lǐng)域被廣泛采用，從內(nèi)裝件到外裝件以及功能結(jié)構(gòu)件，塑料制件的身影隨處可見。相比傳統(tǒng)鋼材，塑料件在輕量化、高強度、設(shè)計自由度及成本方面都具有非常大的優(yōu)勢。發(fā)達國家汽車塑料的應(yīng)用正在由內(nèi)飾件向外飾件、車身與結(jié)構(gòu)件發(fā)展，例如奔馳Smart就采用了塑料車身。我國當(dāng)前汽車塑料使用量較德國及美國等還存在不小的差異。一方面要實現(xiàn)汽車減重目標(biāo)，提升塑料在汽車制造中的比重勢在必行，另一方面中國汽車塑料的用量，也被作為衡量汽車設(shè)計和制造水平的一個重要標(biāo)志，作為當(dāng)前汽車強國，必須日益提升品牌競爭力。

2. 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用一體化車身，減少了各種焊裝小支架等不必要結(jié)構(gòu)，特斯拉Model Y的后地板位置就是采用的一體式壓鑄零件，難度在于一次過程管控困難，且上下游產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、后續(xù)維修等問題都是需要逐一解決的難題。2021年上海的車展上就展出過一體式的白車身地板，體現(xiàn)了汽車主機廠在汽車結(jié)構(gòu)上的探索和方向。在技術(shù)越來越嫻熟的現(xiàn)代，一體式的鑄造技術(shù)也將實現(xiàn)突破，汽車白車身結(jié)構(gòu)會降低對焊接技術(shù)的依賴。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化另一手段主要是采用有限元分析、局部加強設(shè)計等計算機軟件進行強度分析，減少不必要的結(jié)構(gòu)，達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。在計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）功能開發(fā)前，由于無法有效地判斷車型強度，在有風(fēng)險部分，增加各種加強筋等結(jié)構(gòu)。計算機CAE軟件開始使用至今，在汽車上的應(yīng)用已相對成熟、可靠性高。某款車型在設(shè)計初期，將汽車后保安裝支架常規(guī)為4個小支架，更新為3個小支架，通過CAE分析滿足強度要求，達到了減少重量的作用，在實際驗證中也滿足強度的要求。隨著CAE技術(shù)越來越成熟、功能更加全面，CAE在汽車開發(fā)中扮演的角色必將越來越重要。

2.2 發(fā)動機熱效率提升

發(fā)動機燃料在燃燒過程中，汽油/柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，隨后熱能經(jīng)過多個環(huán)節(jié)的傳遞和轉(zhuǎn)化，最終用于驅(qū)動車輛或帶動車載電氣設(shè)備。由于發(fā)動機天性所限，燃燒大部分為不完全燃燒，且產(chǎn)生的熱能會以不同形式損耗掉，如冷卻損失、排氣損失、機械損失等，最終能夠得到有效利用的不足一半?，F(xiàn)如今，主流發(fā)動機最高熱效率通常介于35%～40%區(qū)間，超過40%的鳳毛麟角。一臺平均油耗為6 L/100 km，車身重量等變量在不改變的情況下，發(fā)動機熱效率由35%提高至40%，油耗下降至5.25 L/100 km，因此，發(fā)動機熱效率的提升對油耗的影響至關(guān)重要。2020年11月13日，比亞迪發(fā)布DM-i超級混動技術(shù)的核心部件之一—驍云-插混專用1.5L高效發(fā)動機以43.04%的超高熱效率超過了馬自達、豐田、本田等企業(yè)的發(fā)動機，成為目前世界上熱效率最高的發(fā)動機。它擁有超高壓縮比，增大了沖程-缸徑比，采用阿特金森循環(huán)，配備廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，采取一系列降摩擦措施，并針對高熱效率目標(biāo)優(yōu)化了發(fā)動機控制系統(tǒng)。

根據(jù)國務(wù)院最新發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2025年燃油汽車（含混動）的占比依然達到80%左右，這意味著發(fā)動機未來十年間依然是穩(wěn)坐汽車三大件寶座，這也促使各車企在發(fā)動機技術(shù)上投入大量的研發(fā)資源進行技術(shù)突破，向高效率、小型化方向發(fā)展。通過高效的燃燒技術(shù)、按需型的智能熱管理、輕量化低摩擦技術(shù)以及逐步普及的電氣化技術(shù)，發(fā)動機熱效率有望在2025年突破45%。

2.3 混動技術(shù)

傳統(tǒng)的燃油汽車采用發(fā)動機驅(qū)動方式，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一定區(qū)間時，熱效率輸出最高，但由于汽車在實際運行中受各種工況限制，發(fā)動機熱效率不可能在最優(yōu)輸出區(qū)間。混動汽車，尤其增程式汽車，有效地改善了這個弊端，但是增程式汽車也受到很多人的質(zhì)疑，且在多年前就出現(xiàn)、始終未能大范圍普及的技術(shù)路線。而質(zhì)疑的人往往忽略了，雖然增程式汽車?yán)冒l(fā)動機將油轉(zhuǎn)化電能，再通過電能驅(qū)動車輛，多了一道能量傳遞，但是發(fā)動機能一直保持高效率運行，能大大地抵消能量傳遞過程的損失?；靹悠囀袌?，理想ONE作為2020年SUV的中國新能源市場SUV銷量冠軍，打破了以往增程式汽車不能“走紅”的魔咒，也再次掀起了增程式混動汽車的熱潮。而目前炙手可熱的增程式汽車莫過于比亞迪秦plus，2021年上市的比亞迪秦plus以3.8 L/100 km的虧電油耗（NEDC），上市推廣不到半年，8月的銷量已經(jīng)破萬，成功成為家轎市場的銷量擔(dān)當(dāng)，也超過了熱門的理想ONE及Model Y等車型。目前新能源汽車含混動汽車的市場正在不斷攀升，在徹底解決純電汽車的續(xù)航以及充電問題之前，混動汽車有望將在未來5年內(nèi)占據(jù)汽車市場的主導(dǎo)地位。

2.4 能量回收系統(tǒng)

能量回收系統(tǒng)因涉及電池儲能，是新能源汽車特有的、有別于傳統(tǒng)燃油汽車的一個重要特征。電動車能將制動摩擦產(chǎn)生的能量給收集起來，通過電磁原理，回收儲存至電池中，重新用于驅(qū)動，特別在遇到車主們頭疼的堵車問題時，電動車的這一優(yōu)勢可以得到充分發(fā)揮。絕大部分的電動車可以輕松實現(xiàn)80%～90%的能量利用效率。電動車的這一優(yōu)勢，也讓其能更快適應(yīng)新的能耗標(biāo)準(zhǔn)，不懼復(fù)雜測試條件的考驗。

汽車搭載電動機和電池是新能源汽車實現(xiàn)制動能量回收的必要條件。汽車能量回收的方式，包括制動能量回收和滑行能量回收，區(qū)分的唯一標(biāo)準(zhǔn)就是是否踩制動踏板。通過踩制動踏板實現(xiàn)能量回收的就是制動能量回收，僅依靠丟油門實現(xiàn)能量回收則叫做滑行能量回收。

就當(dāng)前的技術(shù)而言，制動能量回收力度與汽車的安全性、操縱性、舒適性以及可靠性仍然存在著較大的矛盾。目前上市的新能源汽車所配備的能量回收系統(tǒng)一般都分為不同的三個等級，例如廣汽豐田iA5的低、中、高三擋能量回收等級可以滿足不同駕駛者習(xí)慣與需求，各擋位有較明顯的區(qū)別，其中“低、中”擋更適宜日常駕駛，松開“電門”時拖拽感不會太強，即使有乘客也更容易控制，不易高擋，高擋時車輛對踏板響應(yīng)比較靈敏，上手不太容易，擁堵路段反而會更容易疲勞。能量回收的等級越高，汽車的制動距離越短，制動愈加敏感。一方面汽車未能停止在理想位置，存在再次啟動的二次浪費；另一方面汽車發(fā)生危險的可能性增加，更不要說乘駕人員的體驗。汽車的制動性能關(guān)系到汽車的安全，制動能量回收技術(shù)的應(yīng)用不能影響汽車的制動性能，如何將二者完美地結(jié)合對于新能源汽車的發(fā)展來說是個關(guān)鍵性的問題。

2.5 風(fēng)阻系數(shù)

一般來說，汽車風(fēng)阻系數(shù)的決定因素是汽車的外形，風(fēng)阻系數(shù)越大，汽車的空氣阻力越大，現(xiàn)代汽車的風(fēng)阻系數(shù)多在0.2～0.5之間。有數(shù)據(jù)表明，一輛汽車行駛時的速度為80 km/h，所消耗的汽油中有60%是用來克服風(fēng)阻的。車身的外形會影響風(fēng)阻系數(shù)，而風(fēng)阻系數(shù)又會影響到燃油的使用功率。而測算方式則主要來自汽車“風(fēng)洞試驗”，借由風(fēng)速來模擬汽車行駛時的速度，用以測算其準(zhǔn)確的空氣阻力數(shù)值。當(dāng)車輛的速度超過80 km/h，發(fā)動機有60%的動力都是用來抵抗風(fēng)阻的，而隨著速度的增加，這個比例還會持續(xù)上升。對于燃油車來說，風(fēng)阻系數(shù)每降低10%，其油耗可以下降7%。國內(nèi)第一款強調(diào)風(fēng)阻系數(shù)的汽車是1999年的帕薩特B5，它的風(fēng)阻系數(shù)當(dāng)時僅為0.28。2017年榮威i6采用了非常流暢的車身線條設(shè)計，不僅有著年輕時尚的美感，而且風(fēng)阻系數(shù)也相當(dāng)?shù)?，僅為0.25。2020年12月，領(lǐng)克官方宣布ZERO concept量產(chǎn)車已完成“整車空氣動力學(xué)仿真優(yōu)化與風(fēng)洞實測”，最終該車的風(fēng)阻系數(shù)達到了0.23，為當(dāng)時國產(chǎn)車最低。2021上海車展首次亮相的智己L7的風(fēng)阻系數(shù)為0.21，一躍進入全球前三，成為國產(chǎn)車風(fēng)阻系數(shù)最低的汽車。國產(chǎn)汽車市場競爭十分激烈，在各大車企被迫內(nèi)卷的情勢下，車企在風(fēng)阻系數(shù)上的探索和進展非常的迅速，與國外品牌的差距也越來越小。按照目前發(fā)展趨勢，國產(chǎn)汽車的風(fēng)阻系數(shù)有望在5年內(nèi)達到國際領(lǐng)先水平。

3 結(jié)論

國家發(fā)布的能耗測算限值和能耗限值愈發(fā)嚴(yán)格，就測試工況循環(huán)而言，我國結(jié)合WLTC，已經(jīng)完成了中國工況測試標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計不久的將來會全面推行。汽車能耗的要求越來越高，只有通過不斷地提升自身的產(chǎn)品競爭力，不斷地創(chuàng)造新的產(chǎn)品、新的標(biāo)準(zhǔn)，才能在百花齊放的市場中脫穎而出。汽車輕量化、發(fā)動機熱效率、混動技術(shù)、能量回收系統(tǒng)和降低風(fēng)阻只是汽車減少能耗的其中五個措施，且需要共同高效協(xié)作，任何企業(yè)都不能獨立地鉆研單一技術(shù)，必須堅持全面發(fā)展。以比亞迪、長安、吉利等為代表的自主汽車品牌，都在汽車研究開發(fā)領(lǐng)域投入大量的資金，在未來必將拉動中國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新和經(jīng)濟增長。