汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)

汽車新型能源動力系 統(tǒng)技術(shù) 面對交通能源與環(huán)境問題的重大挑戰(zhàn)，以 汽車排放潔凈化、汽車燃料節(jié)約化、汽車 能源多元化為主要特征的節(jié)能與新能源汽 車迅速發(fā)展，相互競爭，并引發(fā)了汽車動 力電控化和電氣化兩大技術(shù)變革。先進(jìn)的 電控內(nèi)燃機技術(shù)突飛猛進(jìn)，混合動力技術(shù) 進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，動力電池取得重大突破，車 用燃料電池技術(shù)快速進(jìn)步。我們正在迎來 汽車能源動力技術(shù)創(chuàng)新突破的戰(zhàn)略機遇期 汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展背景 能源短缺、大氣污染和氣候變化等問題是全球汽 車產(chǎn)業(yè)共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。 目前世界汽車保有 量約 8 億輛，預(yù)計到 2020 年全球汽車保有量將達(dá) 到 12億輛，主要增幅來自發(fā)展中國家。國際能源 機構(gòu) (IEA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明， 2001 年全球 57%的 石油消費在交通領(lǐng)域 (其中美國達(dá)到 67%)。預(yù)計 到 2020 年交通用油占全球石油總消耗的 62%以上。 石油供求矛盾的不斷加大，使國際油價屢 創(chuàng)新高，且仍將保持高位運行。美國能源 部預(yù)測 1如圖 1 所示， 2020 年以后，全球 石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺 口， 2050年的供需缺口幾乎相當(dāng)于 2000 年 世界石油總產(chǎn)量的兩倍。與此同時，交通 能源消耗也是造成局部環(huán)境污染和全球溫 室氣體排放的主要來源之一。為此，全球 已達(dá)成共識：交通能源轉(zhuǎn)型勢在必行。 2007 年，我國汽車產(chǎn)銷量均超過 870 萬輛； 同年我國汽車保有量超過 4,229 萬輛 (機動 車保有量超過 1.5 億輛 )，是世界第三大汽 車生產(chǎn)國和第二大汽車市場。汽車燃油消 耗超過 8,000 萬噸，約占我國石油總需求量 的 1/4。由于汽車保有量的持續(xù)快速增長， 車用燃油消耗量以年均 12%以上的速度迅 速增加，車用能源消耗占整個石油消耗量 的比重日益加大。 我國汽車保有量今后仍將呈快速增長態(tài)勢。根據(jù) 國內(nèi)外多個研究機構(gòu)的預(yù)測結(jié)果，預(yù)計 2020 年將 達(dá)到 1.5 億輛左右， 2030 年達(dá)到 2.3 2.5 億輛。 與此同時，我國總體的石油對外依賴度不斷攀升。 據(jù)海關(guān)統(tǒng)計， 2007 年我國原油和成品油凈進(jìn)口量 為 1.97 億噸，對外依存度達(dá)到 47。預(yù)計到 2020 年，我國石油對外依存度可能會達(dá)到 60%。同時， 車用石油消耗所產(chǎn)生的空氣污染和 CO2 排放也正 在變成愈來愈嚴(yán)重的問題，我國已經(jīng)成為世界上 第二大 CO2 排放國，由此產(chǎn)生的國際政治和經(jīng)濟(jì) 爭端將會愈演愈烈。這充分表明，我國所面臨的 石油安全與交通能源問題將來勢更猛，影響更大， 挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。按傳統(tǒng)交通能源動力系統(tǒng)發(fā)展下 去，不可持續(xù)，實現(xiàn)我國交通能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型 是大勢所趨。 21 世紀(jì)頭 20 年是汽車能源動力系統(tǒng) 轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略機遇期 歷史上，交通能源動力系統(tǒng)變革一直處于 技術(shù)革命和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的核心位置。 19 世紀(jì)， 煤和蒸汽機火車引發(fā)了歐洲的工業(yè)革命， 開創(chuàng)了人類的工業(yè)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)文明； 20 世 紀(jì)，石油和內(nèi)燃機汽車促成了美國的經(jīng)濟(jì) 騰飛，把人類帶入了基于石油的經(jīng)濟(jì)體系 與物質(zhì)繁榮，也帶來了能源環(huán)境的巨大挑 戰(zhàn)。 。 20 世紀(jì)末到 21世紀(jì)初的交替期，以汽車 排放潔凈化、汽車燃料節(jié)約化、汽車能源 多元化為主要特征的各種節(jié)能環(huán)保汽車迅 猛發(fā)展，相互競爭，并引發(fā)了汽車動力電 控化和電氣化技術(shù)變革，預(yù)示著人類將要 進(jìn)入交通能源動力技術(shù)創(chuàng)新突破的機遇期 和后石油時代過渡期。 我國所處的這一技術(shù)變革時期為我國汽車能 源動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了歷史機遇： 1）中國的能源與資源狀況和城鄉(xiāng)布局適合 發(fā)展交通新型能源動力系統(tǒng) 中國缺油、多煤，這一能源結(jié)構(gòu)特點給燃 油汽車可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。基 于各種資源特點的多種替代燃料 (包括液體、 氣體和電 )可以充分發(fā)揮我國地域遼闊和資 源多樣性的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)汽車能源來源 的多樣化。我國鋰資源、稀土資源和鎂資 源豐富，可以為電動汽車新型動力系統(tǒng)關(guān) 鍵部件提供原材料資源保障。 同時，從我國城鄉(xiāng)布局與交通結(jié)構(gòu)看，呈現(xiàn)出明顯的點 - 線 -面特征。 在點上，我國城市模式以大城市群為主要特點，汽車燃料 基礎(chǔ)設(shè)施比較集中，公共交通比較發(fā)達(dá)，家用轎車普及率 較高，易于推行新能源城市客車和適合城市工況的混合動 力轎車。 在聯(lián)接大城市的交通干線上，我國以火車、柴油大客車和 大貨車為主要交通工具，轎車十分少見。而火車容易推行 電氣化，柴油車替代燃料來源較廣。 在面上，我國廣大城鎮(zhèn)和農(nóng)村已經(jīng)普及了具有中國特色的 電動自行車和柴油農(nóng)用車，而且不同地區(qū)的一次能源資源 特點也不同，比較適合發(fā)展一次能源來源多元化、燃料制 取和消費當(dāng)?shù)鼗娜剂瞎?yīng)體系。 2）我國具有實現(xiàn)交通能源動力系統(tǒng)變革的后 發(fā)優(yōu)勢 從我國汽車發(fā)展階段看，具有后發(fā)優(yōu)勢。盡管發(fā)達(dá)國家政 府均大力推動節(jié)能與新能源汽車發(fā)展，但是其傳統(tǒng)汽車產(chǎn) 業(yè)龐大，石油基礎(chǔ)設(shè)施完善，消費習(xí)慣難以轉(zhuǎn)變，實施轉(zhuǎn) 型社會成本高昂，轉(zhuǎn)型難度很大。而我國汽車工業(yè)剛剛發(fā) 展起來，汽車普及率低，因而在汽車動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選 擇上，有更大的自由度。同時，我國在電腦、電機、電池 等與汽車電控化和電氣化密切相關(guān)的領(lǐng)域具有較好的產(chǎn)業(yè) 基礎(chǔ)，相對傳統(tǒng)汽車而言，我國在節(jié)能與新能源汽車研發(fā) 和產(chǎn)業(yè)化方面具有比較優(yōu)勢。如果政策得當(dāng)，有可能實現(xiàn) 跨越式發(fā)展。 汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選擇 發(fā)展可持續(xù)交通、 保障能源安全與 保護(hù)環(huán)境已成為 國際社會關(guān)注的 焦點。世界主要 發(fā)達(dá)國家和地區(qū)， 紛紛研究制定了 符合各自國情的 車用能源發(fā)展戰(zhàn) 略和技術(shù)發(fā)展路 線圖。 1）日本發(fā)展戰(zhàn)略 2006 年 5 月，日本公布了新國家能源戰(zhàn)略。明確 提出：通過提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)促使企業(yè)采 用高效發(fā)動機等各種汽車節(jié)能技術(shù)，大幅度提高 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，使 2015 年與 2004 相比中級轎 車油耗平均降低約 25%；通過推進(jìn)生物質(zhì)燃料應(yīng) 用 (生物乙醇、生物甲醇等 )，促進(jìn)電動汽車和燃 料電池汽車發(fā)展等途徑，大幅度降低汽車能源對 石油的依賴度，使日本運輸領(lǐng)域在 2030 年對石油 的依賴程度從 100%降至 80%。 在日本汽車廠商已經(jīng)取得混合動力汽車商 業(yè)化領(lǐng)先地位的基礎(chǔ)上，為配合新國家能 源戰(zhàn)略的實施，日本政府與 2007 年又發(fā)布 了“下一代汽車及燃料計劃”。該計劃將 提高動力電池和燃料電池的性能及壽命、 降低成本作為工作重點，力爭在 2010 年左 右使小型純電動汽車商業(yè)化， 2015 年將可 充電式 (plug-in)混合動力商業(yè)化， 2030 年 左右使燃料電池汽車商業(yè)化。另外，該計 劃還將大力支持環(huán)保柴油機和生物燃料的 發(fā)展。 2）歐洲發(fā)展戰(zhàn)略 溫室氣體排放問題在歐盟受到高度重視，是歐盟 先進(jìn)汽車技術(shù)發(fā)展的主要推動力。根據(jù)歐洲汽車 產(chǎn)業(yè)協(xié)會和歐盟委員會制定的限制二氧化碳排放 協(xié)議，從 1995 年到 2008 年，轎車新車的平均排 放量應(yīng)當(dāng)減少 25，到 2008 年機動車二氧化碳平 均排放值降至 140 g/km。目前，歐盟正在與歐洲 主要汽車廠商協(xié)商進(jìn)一步降低機動車二氧化碳平 均排放量法規(guī)。 歐盟的車用能源動力技術(shù)發(fā)展趨勢主要體 現(xiàn)在兩個方面： 第一，繼續(xù)推進(jìn)以環(huán)保柴油機為代表的各 種先進(jìn)內(nèi)燃機技術(shù)，同時加強各種混合動 力汽車和純電動汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化； 第二，積極推進(jìn)車用能源多元化，重視發(fā) 展天然氣、氫和生物燃料。隨著二氧化碳 排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，同時配合經(jīng)濟(jì)激勵 政策和政府計劃 (如清潔能源伙伴計劃、 Hyfleet CUTE 計劃等 )的有效實施，將大大 促進(jìn)歐盟車用能源戰(zhàn)略的貫徹實施和戰(zhàn)略 目標(biāo)的實現(xiàn)。 3）美國發(fā)展戰(zhàn)略 美國在發(fā)展車用能源的戰(zhàn)略選擇上，已從 以往重點進(jìn)行燃料電池技術(shù)研發(fā)的單一化 發(fā)展格局向氫燃料電池、混合動力、先進(jìn) 內(nèi)燃機、生物燃料等多種技術(shù)路線共同發(fā) 展的多元化格局轉(zhuǎn)變。 。 2000 年以來，在美國逐漸興起了促進(jìn)可 充電式 (plug-in)混合動力研發(fā)和商業(yè)化的熱 潮，在全球產(chǎn)生了廣泛影響。 2007 年，美 國總統(tǒng)布什提出“ 20/10”計劃，要求在 10 年內(nèi)減少 20%的汽油消耗。其中，乙醇、 生物柴油等代用燃料將實現(xiàn) 15%的汽油替 代，另外的 5%將通過提高燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn) 實現(xiàn)。該計劃的推出，進(jìn)一步表明了美國 發(fā)展以生物燃料為代表的各種代用燃料技 術(shù)，擺脫對石油燃料依賴的車用能源的政 策取向。 我國汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選擇 1）目標(biāo)定位 汽車能源動力系統(tǒng)技術(shù)變革的遠(yuǎn)景目標(biāo)是 建立全球 21 世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的交通能源動 力系統(tǒng)。我國交通能源環(huán)境面臨挑戰(zhàn)與機 遇更大，我們必須順應(yīng)世界潮流，大力推 進(jìn)我國汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。 根據(jù)國家中長期科技規(guī)劃能源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究結(jié)果， 2020 年我國汽車節(jié)能目標(biāo)為：在汽車保有量調(diào)節(jié) 在 1.5 億輛左右的前提下，平均單車年油耗量控 制在 1,t 左右。與目前相比，節(jié)約 1/3 左右，節(jié)油 潛力為 7,000 萬噸左右。我國車用能源轉(zhuǎn)型的方 向?qū)氖?、天然?/煤層氣、煤基燃料向生物質(zhì) 燃料和化石能、核能及可再生能源制氫和發(fā)電過 渡。中長期車用石油替代燃料的主體將主要來自 3 方面：煤基燃料、生物燃料、天然氣燃料。到 2020 年，總量將可達(dá)到 3 000 萬噸以上，占車用 燃料總消費的 15%20。綜合兩個方面，應(yīng)以 2020 年節(jié)約和替代車用燃料總量達(dá)到 1 億噸 (節(jié) 約 6,0007,000 萬噸，替代 3,0004,000 萬噸 )作 為我國中長期奮斗目標(biāo)。與此同時，應(yīng)當(dāng)把建立 起我國汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，成為世 界汽車技術(shù)強國之一作為技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。 2）戰(zhàn)略選擇 要實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須進(jìn)行戰(zhàn)略選擇。應(yīng) 當(dāng)看到，國汽車能源動力面臨的挑戰(zhàn)是雙 重的。首先，隨著排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，我 們經(jīng)歷著發(fā)動機的電控化、汽柴油的清潔 化技術(shù)變革。與此同時，面對石油短缺、 二氧化碳減排的挑戰(zhàn)，我們面臨著動力電 氣化，能源多元化的技術(shù)變革。 我國面臨的是并行雙重挑戰(zhàn)。面臨這樣的 雙重挑戰(zhàn)，中國汽車能源動力系統(tǒng)的發(fā)展 戰(zhàn)略應(yīng)該是一個雙重戰(zhàn)略，一方面要優(yōu)化 現(xiàn)有以石油和內(nèi)燃機為基礎(chǔ)的車用能源動 力系統(tǒng)，發(fā)展節(jié)能汽車。另一方面要開發(fā) 新一代車用能源動力系統(tǒng)，發(fā)展新能源汽 車：通過這種“過渡”與“轉(zhuǎn)型”的雙重 戰(zhàn)略促進(jìn)汽車動力電控化和電氣化雙重技 術(shù)變革，最終達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的汽車能源 動力系統(tǒng)。 為此，要推進(jìn)節(jié)能與新能源汽車并行互動與協(xié)調(diào) 發(fā)展。在市場方面，要以節(jié)能汽車為主體，大力 發(fā)展小型化和微型化的節(jié)能環(huán)保國民車，盡快實 施燃油稅，加大油耗法規(guī)推進(jìn)力度。在研發(fā)方面， 要以新能源汽車為戰(zhàn)略重點，深入開展新型動力 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，尤其是要掌握動力電池和電 機驅(qū)動系統(tǒng)、先進(jìn)內(nèi)燃機及其混合動力系統(tǒng)、燃 料電池發(fā)動機及其混合動力系統(tǒng)，整車系統(tǒng)集成 與優(yōu)化控制等核心關(guān)鍵技術(shù)，建立我國汽車新型 能源動力系統(tǒng)技術(shù)平臺。 要以輕度混合動力轎車產(chǎn)業(yè)化為先導(dǎo)，帶 動各種混合動力轎車的研發(fā)與規(guī)模商業(yè)化， 實現(xiàn)自主品牌轎車的跨越式發(fā)展；以我國 在世界上獨一無二的年產(chǎn)銷量超過千萬輛 的電動自行車產(chǎn)業(yè)為基，改變傳統(tǒng)的汽車 文化習(xí)慣并修定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，以微型 車為主體，發(fā)展適合我國國情、具有我國 特色的純電動車輛；要緊緊抓住未來 20 年 汽車能源動力系統(tǒng)技術(shù)變革的戰(zhàn)略機遇期， 官產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，實現(xiàn)中國汽車產(chǎn)業(yè)由 產(chǎn)量大國到技術(shù)強國的跨越發(fā)展。 汽車新型動力系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展 我國從上世紀(jì) 90 年代起相繼開始了汽車動力電子控制和 新能源汽車動力系統(tǒng)國家科技行動計劃?！熬盼濉蹦?，科 技部聯(lián)合相關(guān)部委發(fā)起“空氣凈化工程 -清潔汽車行動” 計劃，“十五”期間啟動實施了電動汽車重大科技專項和 清潔汽車行動關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目，對汽車新型能源動力系 統(tǒng)研發(fā)加大規(guī)模和支持力度?！笆晃濉逼陂g，按照國家 中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要部署，結(jié)合汽車技術(shù)發(fā)展趨勢， 又啟動實施了 863 計劃“節(jié)能與新能源汽車”重大項目， 全面推進(jìn)代用燃料汽車、純電動汽車、混合動力汽車、燃 料電池汽車以及燃油汽車動力系統(tǒng)核心技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用示 范和產(chǎn)業(yè)化。 我國汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展前景展望 汽車動力系統(tǒng)是一個完整的體系，包括燃料、發(fā) 動機、動力傳動系統(tǒng) 3 個主要層次。根據(jù)生命周 期循環(huán)分析，從油井到車輪的效率來看，源于石 油的最佳組合是：汽油 /柴油 -內(nèi)燃機 -混合動力； 源于天然氣、煤的燃?xì)鈩恿蜌淠苋剂想姵貏恿?可與合成液體燃料內(nèi)燃機動力競爭；源于煤、核 及可再生能源發(fā)電，采用電池 /電機驅(qū)動系統(tǒng)的純 電動車也是最佳組合之一。 要繼續(xù)發(fā)展燃油、燃?xì)?、?3 種燃料 /能源 的基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)交通能源載體盡可能的 兼容性和一體化。 尤其是要重視電氣化交通基礎(chǔ)設(shè)施和電能 加注服務(wù)模式的開發(fā)與建設(shè)。 開發(fā)醇 / 醚 /酯含氧燃料、 TL/CTL/GTL 合成 油、天然氣 /煤層氣 /合成氣 /氫氣氣體燃料 3 大類代用燃料技術(shù)及其車輛應(yīng)用技術(shù)，推 進(jìn)汽車燃料因時、因地、有序、有限的多 元化。 采用“置換” (間接替代 )、“摻混” (部分替代 )、 “代替” (全部替代 )三管齊下，先易后難、穩(wěn)步 發(fā)展汽車替代能源；在此基礎(chǔ)上，要全面推進(jìn)汽 車 3 類新型能源動力系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用： 基于各種液體燃料的先進(jìn)電控內(nèi)燃機和燃油混 合動力； 基于氣體燃料的電控燃?xì)鈨?nèi)燃機與氫能燃料電 池及其混合動力； 基于電能的動力電池 /電機驅(qū)動純電動車動力系 統(tǒng)。 (1) 當(dāng)前的液體燃料主要是汽柴油，逐步摻 混各種替代液體燃料，其未來目標(biāo)是生物 燃料。在液體燃料中最好的發(fā)動機仍然是 內(nèi)燃機，還要繼續(xù)發(fā)展先進(jìn)的電控內(nèi)燃機。 從整車角度看，基于液體燃料的車輛主體 目前是燃油車，要逐步發(fā)展混合動力車， 最終過渡到可以外部充電的混合動力車 (插 入式混合動力 )。我國燃油與內(nèi)燃機汽車將 從目前處于世界前列的制造大國發(fā)展到節(jié) 能汽車技術(shù)的強國。 (2) 當(dāng)前的氣體燃料主要是天然氣，逐步摻 混各種替代氣體燃料 (煤層氣、合成氣等 )， 其未來目標(biāo)是氫氣。對于氣體發(fā)動機，當(dāng) 前主要是燃?xì)鈨?nèi)燃機，氫能燃料電池發(fā)動 機是研究重點。對于燃?xì)馄?，?dāng)前主要 是天然氣汽車，逐步發(fā)展燃?xì)饣旌蟿恿Γ?最終發(fā)展到氫能燃料電池電動汽車。我國 燃?xì)馀c燃料電池車將從目前世界上規(guī)模最 大的天然氣城市客車發(fā)展出獨具中國特色 的氫能燃料電池混合動力城市客車產(chǎn)業(yè)。 (3) 當(dāng)前的電能主要是煤電，逐步增加非化 石能源發(fā)電比例，其未來目標(biāo)是可再生能 源發(fā)電。對以電為基礎(chǔ)的汽車，要大力發(fā) 展先進(jìn)動力電池和電氣驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)。純 電動車可能會從現(xiàn)在的電動自行車 /電動摩 托車到電動微型轎車，最終到電動轎車。 我國將從目前世界上最大的電動自行車生 產(chǎn)國 (年產(chǎn)千萬輛 )，發(fā)展出裝備先進(jìn)動力電 池的微型電動車并廣泛推廣使用。 按照這一發(fā)展路線圖，可對我國汽車能源 動力系統(tǒng)市場前景進(jìn)行粗略的估計與展望， 如圖 8 所示，車用能源動力系統(tǒng)將由燃油內(nèi) 燃機汽車一統(tǒng)天下的局面逐步轉(zhuǎn)型為基于 各種液體燃料的內(nèi)燃機混合動力汽車 (包括 插入式混合動力 )、純電動汽車 (包括微型純 電動車 )、燃?xì)獍l(fā)動機和燃料電池汽車三分 天下的格局。