1、汽车新型能源动力系统技术n面对交通能源与环境问题的重大挑战，以汽车排放洁净化、汽车燃料节约化、汽车能源多元化为主要特征的节能与新能源汽车迅速发展，相互竞争，并引发了汽车动力电控化和电气化两大技术变革。先进的电控内燃机技术突飞猛进，混合动力技术进入产业化，动力电池取得重大突破，车用燃料电池技术快速进步。我们正在迎来汽车能源动力技术创新突破的战略机遇期汽车新型能源动力系统发展背景n能源短缺、大气污染和气候变化等问题是全球汽车产业共同面临的巨大挑战。目前世界汽车保有量约8 亿辆，预计到2020 年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。国际能源机构(IEA)的统计数据表明，2001 年
2、全球57%的石油消费在交通领域(其中美国达到67%)。预计到2020 年交通用油占全球石油总消耗的62%以上。n石油供求矛盾的不断加大，使国际油价屡创新高，且仍将保持高位运行。美国能源部预测1如图1 所示，2020 年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2050年的供需缺口几乎相当于2000 年世界石油总产量的两倍。与此同时，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。为此，全球已达成共识：交通能源转型势在必行。n2007 年，我国汽车产销量均超过870 万辆；同年我国汽车保有量超过4,229 万辆(机动车保有量超过1.5 亿辆)，是世界第三大汽车生产国和第
3、二大汽车市场。汽车燃油消耗超过8,000 万吨，约占我国石油总需求量的1/4。由于汽车保有量的持续快速增长，车用燃油消耗量以年均12%以上的速度迅速增加，车用能源消耗占整个石油消耗量的比重日益加大。n我国汽车保有量今后仍将呈快速增长态势。根据国内外多个研究机构的预测结果，预计2020 年将达到1.5 亿辆左右，2030 年达到2.32.5 亿辆。与此同时，我国总体的石油对外依赖度不断攀升。据海关统计，2007 年我国原油和成品油净进口量为1.97 亿吨，对外依存度达到47。预计到2020 年，我国石油对外依存度可能会达到60%。同时，车用石油消耗所产生的空气污染和CO2 排放也正在变成愈来愈严
4、重的问题，我国已经成为世界上第二大CO2 排放国，由此产生的国际政治和经济争端将会愈演愈烈。这充分表明，我国所面临的石油安全与交通能源问题将来势更猛，影响更大，挑战更加严峻。按传统交通能源动力系统发展下去，不可持续，实现我国交通能源动力系统转型是大势所趋。21 世纪头20 年是汽车能源动力系统转型的战略机遇期n历史上，交通能源动力系统变革一直处于技术革命和经济转型的核心位置。19 世纪，煤和蒸汽机火车引发了欧洲的工业革命，开创了人类的工业经济和工业文明；20 世纪，石油和内燃机汽车促成了美国的经济腾飞，把人类带入了基于石油的经济体系与物质繁荣，也带来了能源环境的巨大挑战。n。20 世纪末到21
5、世纪初的交替期，以汽车排放洁净化、汽车燃料节约化、汽车能源多元化为主要特征的各种节能环保汽车迅猛发展，相互竞争，并引发了汽车动力电控化和电气化技术变革，预示着人类将要进入交通能源动力技术创新突破的机遇期和后石油时代过渡期。我国所处的这一技术变革时期为我国汽车能源动力系统技术发展提供了历史机遇：n1）中国的能源与资源状况和城乡布局适合发展交通新型能源动力系统n中国缺油、多煤，这一能源结构特点给燃油汽车可持续发展带来了严峻的挑战。基于各种资源特点的多种替代燃料(包括液体、气体和电)可以充分发挥我国地域辽阔和资源多样性的优势，从而实现汽车能源来源的多样化。我国锂资源、稀土资源和镁资源丰富，可以为电动
6、汽车新型动力系统关键部件提供原材料资源保障。n同时，从我国城乡布局与交通结构看，呈现出明显的点-线-面特征。n在点上，我国城市模式以大城市群为主要特点，汽车燃料基础设施比较集中，公共交通比较发达，家用轿车普及率较高，易于推行新能源城市客车和适合城市工况的混合动力轿车。n在联接大城市的交通干线上，我国以火车、柴油大客车和大货车为主要交通工具，轿车十分少见。而火车容易推行电气化，柴油车替代燃料来源较广。n在面上，我国广大城镇和农村已经普及了具有中国特色的电动自行车和柴油农用车，而且不同地区的一次能源资源特点也不同，比较适合发展一次能源来源多元化、燃料制取和消费当地化的燃料供应体系。2）我国具有实现
7、交通能源动力系统变革的后发优势n从我国汽车发展阶段看，具有后发优势。尽管发达国家政府均大力推动节能与新能源汽车发展，但是其传统汽车产业庞大，石油基础设施完善，消费习惯难以转变，实施转型社会成本高昂，转型难度很大。而我国汽车工业刚刚发展起来，汽车普及率低，因而在汽车动力系统发展战略选择上，有更大的自由度。同时，我国在电脑、电机、电池等与汽车电控化和电气化密切相关的领域具有较好的产业基础，相对传统汽车而言，我国在节能与新能源汽车研发和产业化方面具有比较优势。如果政策得当，有可能实现跨越式发展。汽车新型能源动力系统发展战略选择n发展可持续交通、保障能源安全与保护环境已成为国际社会关注的焦点。世界主要
8、发达国家和地区，纷纷研究制定了符合各自国情的车用能源发展战略和技术发展路线图。1）日本发展战略n2006 年5 月，日本公布了新国家能源战略。明确提出：通过提高汽车燃油经济性标准促使企业采用高效发动机等各种汽车节能技术，大幅度提高汽车燃油经济性，使2015 年与2004 相比中级轿车油耗平均降低约25%；通过推进生物质燃料应用(生物乙醇、生物甲醇等)，促进电动汽车和燃料电池汽车发展等途径，大幅度降低汽车能源对石油的依赖度，使日本运输领域在2030 年对石油的依赖程度从100%降至80%。n在日本汽车厂商已经取得混合动力汽车商业化领先地位的基础上，为配合新国家能源战略的实施，日本政府与2007
9、年又发布了“下一代汽车及燃料计划”。该计划将提高动力电池和燃料电池的性能及寿命、降低成本作为工作重点，力争在2010 年左右使小型纯电动汽车商业化，2015 年将可充电式(plug-in)混合动力商业化，2030 年左右使燃料电池汽车商业化。另外，该计划还将大力支持环保柴油机和生物燃料的发展。2）欧洲发展战略n温室气体排放问题在欧盟受到高度重视，是欧盟先进汽车技术发展的主要推动力。根据欧洲汽车产业协会和欧盟委员会制定的限制二氧化碳排放协议，从1995 年到2008 年，轿车新车的平均排放量应当减少25，到2008 年机动车二氧化碳平均排放值降至140 g/km。目前，欧盟正在与欧洲主要汽车厂商
10、协商进一步降低机动车二氧化碳平均排放量法规。n欧盟的车用能源动力技术发展趋势主要体现在两个方面：n第一，继续推进以环保柴油机为代表的各种先进内燃机技术，同时加强各种混合动力汽车和纯电动汽车研发与产业化；n第二，积极推进车用能源多元化，重视发展天然气、氢和生物燃料。随着二氧化碳排放法规的不断严格，同时配合经济激励政策和政府计划(如清洁能源伙伴计划、Hyfleet CUTE 计划等)的有效实施，将大大促进欧盟车用能源战略的贯彻实施和战略目标的实现。3）美国发展战略n美国在发展车用能源的战略选择上，已从以往重点进行燃料电池技术研发的单一化发展格局向氢燃料电池、混合动力、先进内燃机、生物燃料等多种技术
11、路线共同发展的多元化格局转变。n。2000 年以来，在美国逐渐兴起了促进可充电式(plug-in)混合动力研发和商业化的热潮，在全球产生了广泛影响。2007 年，美国总统布什提出“20/10”计划，要求在10 年内减少20%的汽油消耗。其中，乙醇、生物柴油等代用燃料将实现15%的汽油替代，另外的5%将通过提高燃油经济性标准实现。该计划的推出，进一步表明了美国发展以生物燃料为代表的各种代用燃料技术，摆脱对石油燃料依赖的车用能源的政策取向。我国汽车新型能源动力系统发展战略选择n1）目标定位n汽车能源动力系统技术变革的远景目标是建立全球21 世纪可持续发展的交通能源动力系统。我国交通能源环境面临挑战
12、与机遇更大，我们必须顺应世界潮流，大力推进我国汽车新型能源动力系统技术发展。n根据国家中长期科技规划能源领域战略研究结果，2020 年我国汽车节能目标为：在汽车保有量调节在1.5 亿辆左右的前提下，平均单车年油耗量控制在1,t 左右。与目前相比，节约1/3 左右，节油潜力为7,000 万吨左右。我国车用能源转型的方向将从石油、天然气/煤层气、煤基燃料向生物质燃料和化石能、核能及可再生能源制氢和发电过渡。中长期车用石油替代燃料的主体将主要来自3 方面：煤基燃料、生物燃料、天然气燃料。到2020 年，总量将可达到3 000 万吨以上，占车用燃料总消费的15%20。综合两个方面，应以2020 年节约
13、和替代车用燃料总量达到1 亿吨(节约6,0007,000 万吨，替代3,0004,000 万吨)作为我国中长期奋斗目标。与此同时，应当把建立起我国汽车新型能源动力系统技术平台，成为世界汽车技术强国之一作为技术发展目标。2）战略选择n要实现上述目标，必须进行战略选择。应当看到，国汽车能源动力面临的挑战是双重的。首先，随着排放法规不断加严，我们经历着发动机的电控化、汽柴油的清洁化技术变革。与此同时，面对石油短缺、二氧化碳减排的挑战，我们面临着动力电气化，能源多元化的技术变革。n我国面临的是并行双重挑战。面临这样的双重挑战，中国汽车能源动力系统的发展战略应该是一个双重战略，一方面要优化现有以石油和内
14、燃机为基础的车用能源动力系统，发展节能汽车。另一方面要开发新一代车用能源动力系统，发展新能源汽车：通过这种“过渡”与“转型”的双重战略促进汽车动力电控化和电气化双重技术变革，最终达到可持续发展的汽车能源动力系统。n为此，要推进节能与新能源汽车并行互动与协调发展。在市场方面，要以节能汽车为主体，大力发展小型化和微型化的节能环保国民车，尽快实施燃油税，加大油耗法规推进力度。在研发方面，要以新能源汽车为战略重点，深入开展新型动力系统关键技术攻关，尤其是要掌握动力电池和电机驱动系统、先进内燃机及其混合动力系统、燃料电池发动机及其混合动力系统，整车系统集成与优化控制等核心关键技术，建立我国汽车新型能源动
15、力系统技术平台。n要以轻度混合动力轿车产业化为先导，带动各种混合动力轿车的研发与规模商业化，实现自主品牌轿车的跨越式发展；以我国在世界上独一无二的年产销量超过千万辆的电动自行车产业为基，改变传统的汽车文化习惯并修定相关的标准法规，以微型车为主体，发展适合我国国情、具有我国特色的纯电动车辆；要紧紧抓住未来20 年汽车能源动力系统技术变革的战略机遇期，官产学研联合攻关，实现中国汽车产业由产量大国到技术强国的跨越发展。汽车新型动力系统研发进展n我国从上世纪90 年代起相继开始了汽车动力电子控制和新能源汽车动力系统国家科技行动计划。“九五”末，科技部联合相关部委发起“空气净化工程-清洁汽车行动”计划，
16、“十五”期间启动实施了电动汽车重大科技专项和清洁汽车行动关键技术攻关项目，对汽车新型能源动力系统研发加大规模和支持力度。“十一五”期间，按照国家中长期科技发展规划纲要部署，结合汽车技术发展趋势，又启动实施了863 计划“节能与新能源汽车”重大项目，全面推进代用燃料汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车以及燃油汽车动力系统核心技术研发、应用示范和产业化。我国汽车新型能源动力系统发展前景展望n汽车动力系统是一个完整的体系，包括燃料、发动机、动力传动系统3 个主要层次。根据生命周期循环分析，从油井到车轮的效率来看，源于石油的最佳组合是：汽油/柴油-内燃机-混合动力；源于天然气、煤的燃气动力和氢
17、能燃料电池动力可与合成液体燃料内燃机动力竞争；源于煤、核及可再生能源发电，采用电池/电机驱动系统的纯电动车也是最佳组合之一。n要继续发展燃油、燃气、电3 种燃料/能源的基础设施，实现交通能源载体尽可能的兼容性和一体化。n尤其是要重视电气化交通基础设施和电能加注服务模式的开发与建设。n开发醇/醚/酯含氧燃料、TL/CTL/GTL 合成油、天然气/煤层气/合成气/氢气气体燃料3 大类代用燃料技术及其车辆应用技术，推进汽车燃料因时、因地、有序、有限的多元化。n采用“置换”(间接替代)、“掺混”(部分替代)、“代替”(全部替代)三管齐下，先易后难、稳步发展汽车替代能源；在此基础上，要全面推进汽车3 类
18、新型能源动力系统的开发与应用：n基于各种液体燃料的先进电控内燃机和燃油混合动力；n基于气体燃料的电控燃气内燃机与氢能燃料电池及其混合动力；n基于电能的动力电池/电机驱动纯电动车动力系统。n(1)当前的液体燃料主要是汽柴油，逐步掺混各种替代液体燃料，其未来目标是生物燃料。在液体燃料中最好的发动机仍然是内燃机，还要继续发展先进的电控内燃机。从整车角度看，基于液体燃料的车辆主体目前是燃油车，要逐步发展混合动力车，最终过渡到可以外部充电的混合动力车(插入式混合动力)。我国燃油与内燃机汽车将从目前处于世界前列的制造大国发展到节能汽车技术的强国。n(2)当前的气体燃料主要是天然气，逐步掺混各种替代气体燃料
19、(煤层气、合成气等)，其未来目标是氢气。对于气体发动机，当前主要是燃气内燃机，氢能燃料电池发动机是研究重点。对于燃气汽车，当前主要是天然气汽车，逐步发展燃气混合动力，最终发展到氢能燃料电池电动汽车。我国燃气与燃料电池车将从目前世界上规模最大的天然气城市客车发展出独具中国特色的氢能燃料电池混合动力城市客车产业。n(3)当前的电能主要是煤电，逐步增加非化石能源发电比例，其未来目标是可再生能源发电。对以电为基础的汽车，要大力发展先进动力电池和电气驱动系统技术。纯电动车可能会从现在的电动自行车/电动摩托车到电动微型轿车，最终到电动轿车。我国将从目前世界上最大的电动自行车生产国(年产千万辆)，发展出装备先进动力电池的微型电动车并广泛推广使用。n按照这一发展路线图，可对我国汽车能源动力系统市场前景进行粗略的估计与展望，如图8 所示，车用能源动力系统将由燃油内燃机汽车一统天下的局面逐步转型为基于各种液体燃料的内燃机混合动力汽车(包括插入式混合动力)、纯电动汽车(包括微型纯电动车)、燃气发动机和燃料电池汽车三分天下的格局。
