中国汽车能耗现状及未来趋势

陈巧荣

（长兴吉利汽车部件有限公司，浙江 湖州 313000）

近年来汽车产业发展受到一定程度影响，一方面国内车企对节能减排技术的探索与国外还存在一定差距，另一方面传统车企向新能源汽车企业转型未达到预期效果。而消费者对汽车能耗的关注却不断提高，致使传统燃油车企业面临巨大的降耗压力。为了促进可持续发展，加强大气污染防治力度与提高空气质量，各国政府均已出台了各种汽车燃料限制值及燃油车禁售时间计划等，我国2020年6月更新了双积分管理办法，2021年7月更新《乘用车燃料消耗量限值》等，旨在推动降低汽车能耗技术的发展。如何在竞争激烈的国际市场中脱颖而出，是每个车企永恒的研究课题。本文通过分析当前市场环境及汽车发展现有技术，探讨国内汽车节能减排的方向。

1 概述

2020年，公共安全事件对世界各国的经济社会发展均造成较大冲击，汽车产业链长、涉及面广，受影响程度较深。对双积分政策实施而言，公共安全事件延缓了企业新的低能耗车型和新能源车型研发上市进度，传统汽车平均油耗下降幅度未达到预期。但自2021年比亚迪汽车势如破竹在新能源市场上强势崛起，其他企业的新能源产品也在新能源路线上多线并举，实现新能源市场的提升。2022年7月新能源汽车渗透率达到26.7%，较去年7月提高了12%。根据《2021年度乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分情况公告》，2021年度，中国境内129家乘用车企业共生产/进口乘用车2 064.82万辆（含新能源乘用车，不含出口乘用车，下同），行业平均整车整备质量为1 533 kg，平均燃料消耗量实际值（全球轻型汽车测试循环工况（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC））为5.1 L/100 km，燃料消耗量正积分为1 593.99万分，燃料消耗量负积分为563.25万分，新能源汽车正积分为679.10万分，新能源汽车负积分为79.79万分。产生平均燃料消耗量负积分较多的企业，大部分都是传统燃油车产销规模较大的企业，比如一汽大众、上汽大众、上汽通用等，也就是说，在传统燃油车领域，行业领军企业面临巨大的降耗压力。政府发布的汽车产业中长期发展规划也明确了汽车燃料消耗量的目标。

依据《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》（GB 27999—2019）要求，未来四年的乘用车燃油消耗目标值需要达到的要求（按照整车整备质量为1 510 kg为例计算），如表1所示。

2021年7月开始实施的《乘用车燃料消耗量限值》，将综合油耗测试工况标准从原先的新欧洲驾驶循环工况（New European Driving Cycle,NEDC）转为WLTC，NEDC标准的测试内容包括了5个工况，其中有4个市区循环和1个郊区循环，NEDC工况多数时间处于匀速行驶状况，即使在加减速过程中，加速度也为恒定值，“速度-时间”曲线十分规则，属于稳态工况的范畴。全球轻型汽车测试规程标准包含了低速、中速、高速和超高速四个不同的工况场景，相对而言WLTC工况较NEDC工况更全面且更严，同一辆车的测试结果，WLTC的油耗往往大于NEDC测试结果，这意味着燃油车平均油耗的达标门槛提升，传统燃油车降耗的压力将进一步提升。该标准与《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》（GB 27999—2019）形成第五阶段乘用车燃料消耗量标准，共同支撑双积分管理办法顺利实施。

双积分政策实施早期，通过扩大新能源汽车的生产赚取新能源积分，可以一定程度上抵充产生的平均燃料消耗量。但目前看来，这样的思路似乎越来越行不通，双积分政策的调整以及市场的供需，决定企业尤其是传统车企，至少在中短期内，必须兼顾传统燃油车降耗和新能源汽车布局两条腿走路。

一方面国家政策引导汽车油耗趋势，另一方面消费者从经济性考虑也同样驱动着汽车的油耗改革。汽车油耗已经成为广大汽车消费者购买汽车的至关重要、不可或缺的一个考量点。目前热门的燃油类紧凑型轿车的综合油耗（NEDC）基本在5.5 L～6 L/100 km之间，例如广汽影豹、荣威I5、长安逸动、上汽朗逸等，超出此区间的此类别轿车，如上汽名爵6的综合油耗（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点，那在目前此级别的汽车类别上竞争力相对较弱，尤其在目前汽车市场竞争如此激烈的环境条件下。

2 汽车降低油耗的主要方式

2.1 车身轻量化

有研究表明，车身重量和油耗息息相关，油耗优化6%～8%的目标可以通过减少汽车重量10%来实现。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。车身的轻量化方案主要有以下两种：

1.车身轻材料应用

车身轻材料包括铝合金、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。众所周知，传统的车身大部分应用的材料都是钢铁，钢铁的密度为7.85 g/cm，而铝的密度仅为钢密度的1/3。同种车型条件下，铝合金材质的车身，其重量能够得到大幅的降低，是车身轻量化应用最广泛的材料。铝车身一度是各汽车主机厂的热门课题，蔚来ES8就是采用的铝合金车身。但铝合金车身强度不足，安全性能差，这也是目前铝合金车身未全面普及的重要原因。随着汽车制造技术的不断成熟，铝合金车身的不足可能会在不久的将来被攻克。2021年8月SUV的销量冠军红旗HS5，就采用了“轻量化车身+全铝底盘”，实现节能减排的同时，还将车身的轻量化做到了2.75。

汽车轻量化的推广也使塑料作为原材料在汽车零部件领域被广泛采用，从内装件到外装件以及功能结构件，塑料制件的身影随处可见。相比传统钢材，塑料件在轻量化、高强度、设计自由度及成本方面都具有非常大的优势。发达国家汽车塑料的应用正在由内饰件向外饰件、车身与结构件发展，例如奔驰Smart就采用了塑料车身。我国当前汽车塑料使用量较德国及美国等还存在不小的差异。一方面要实现汽车减重目标，提升塑料在汽车制造中的比重势在必行，另一方面中国汽车塑料的用量，也被作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志，作为当前汽车强国，必须日益提升品牌竞争力。

2. 车身结构优化

采用一体化车身，减少了各种焊装小支架等不必要结构，特斯拉Model Y的后地板位置就是采用的一体式压铸零件，难度在于一次过程管控困难，且上下游产业链不成熟、后续维修等问题都是需要逐一解决的难题。2021年上海的车展上就展出过一体式的白车身地板，体现了汽车主机厂在汽车结构上的探索和方向。在技术越来越娴熟的现代，一体式的铸造技术也将实现突破，汽车白车身结构会降低对焊接技术的依赖。车身结构优化另一手段主要是采用有限元分析、局部加强设计等计算机软件进行强度分析，减少不必要的结构，达到优化结构的目的。在计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）功能开发前，由于无法有效地判断车型强度，在有风险部分，增加各种加强筋等结构。计算机CAE软件开始使用至今，在汽车上的应用已相对成熟、可靠性高。某款车型在设计初期，将汽车后保安装支架常规为4个小支架，更新为3个小支架，通过CAE分析满足强度要求，达到了减少重量的作用，在实际验证中也满足强度的要求。随着CAE技术越来越成熟、功能更加全面，CAE在汽车开发中扮演的角色必将越来越重要。

2.2 发动机热效率提升

发动机燃料在燃烧过程中，汽油/柴油的化学能转化为热能，随后热能经过多个环节的传递和转化，最终用于驱动车辆或带动车载电气设备。由于发动机天性所限，燃烧大部分为不完全燃烧，且产生的热能会以不同形式损耗掉，如冷却损失、排气损失、机械损失等，最终能够得到有效利用的不足一半。现如今，主流发动机最高热效率通常介于35%～40%区间，超过40%的凤毛麟角。一台平均油耗为6 L/100 km，车身重量等变量在不改变的情况下，发动机热效率由35%提高至40%，油耗下降至5.25 L/100 km，因此，发动机热效率的提升对油耗的影响至关重要。2020年11月13日，比亚迪发布DM-i超级混动技术的核心部件之一—骁云-插混专用1.5L高效发动机以43.04%的超高热效率超过了马自达、丰田、本田等企业的发动机，成为目前世界上热效率最高的发动机。它拥有超高压缩比，增大了冲程-缸径比，采用阿特金森循环，配备废气再循环系统，采取一系列降摩擦措施，并针对高热效率目标优化了发动机控制系统。

根据国务院最新发布的新能源汽车产业发展规划，到2025年燃油汽车（含混动）的占比依然达到80%左右，这意味着发动机未来十年间依然是稳坐汽车三大件宝座，这也促使各车企在发动机技术上投入大量的研发资源进行技术突破，向高效率、小型化方向发展。通过高效的燃烧技术、按需型的智能热管理、轻量化低摩擦技术以及逐步普及的电气化技术，发动机热效率有望在2025年突破45%。

2.3 混动技术

传统的燃油汽车采用发动机驱动方式，发动机转速在一定区间时，热效率输出最高，但由于汽车在实际运行中受各种工况限制，发动机热效率不可能在最优输出区间。混动汽车，尤其增程式汽车，有效地改善了这个弊端，但是增程式汽车也受到很多人的质疑，且在多年前就出现、始终未能大范围普及的技术路线。而质疑的人往往忽略了，虽然增程式汽车利用发动机将油转化电能，再通过电能驱动车辆，多了一道能量传递，但是发动机能一直保持高效率运行，能大大地抵消能量传递过程的损失。混动汽车市场，理想ONE作为2020年SUV的中国新能源市场SUV销量冠军，打破了以往增程式汽车不能“走红”的魔咒，也再次掀起了增程式混动汽车的热潮。而目前炙手可热的增程式汽车莫过于比亚迪秦plus，2021年上市的比亚迪秦plus以3.8 L/100 km的亏电油耗（NEDC），上市推广不到半年，8月的销量已经破万，成功成为家轿市场的销量担当，也超过了热门的理想ONE及Model Y等车型。目前新能源汽车含混动汽车的市场正在不断攀升，在彻底解决纯电汽车的续航以及充电问题之前，混动汽车有望将在未来5年内占据汽车市场的主导地位。

2.4 能量回收系统

能量回收系统因涉及电池储能，是新能源汽车特有的、有别于传统燃油汽车的一个重要特征。电动车能将制动摩擦产生的能量给收集起来，通过电磁原理，回收储存至电池中，重新用于驱动，特别在遇到车主们头疼的堵车问题时，电动车的这一优势可以得到充分发挥。绝大部分的电动车可以轻松实现80%～90%的能量利用效率。电动车的这一优势，也让其能更快适应新的能耗标准，不惧复杂测试条件的考验。

汽车搭载电动机和电池是新能源汽车实现制动能量回收的必要条件。汽车能量回收的方式，包括制动能量回收和滑行能量回收，区分的唯一标准就是是否踩制动踏板。通过踩制动踏板实现能量回收的就是制动能量回收，仅依靠丢油门实现能量回收则叫做滑行能量回收。

就当前的技术而言，制动能量回收力度与汽车的安全性、操纵性、舒适性以及可靠性仍然存在着较大的矛盾。目前上市的新能源汽车所配备的能量回收系统一般都分为不同的三个等级，例如广汽丰田iA5的低、中、高三挡能量回收等级可以满足不同驾驶者习惯与需求，各挡位有较明显的区别，其中“低、中”挡更适宜日常驾驶，松开“电门”时拖拽感不会太强，即使有乘客也更容易控制，不易高挡，高挡时车辆对踏板响应比较灵敏，上手不太容易，拥堵路段反而会更容易疲劳。能量回收的等级越高，汽车的制动距离越短，制动愈加敏感。一方面汽车未能停止在理想位置，存在再次启动的二次浪费；另一方面汽车发生危险的可能性增加，更不要说乘驾人员的体验。汽车的制动性能关系到汽车的安全，制动能量回收技术的应用不能影响汽车的制动性能，如何将二者完美地结合对于新能源汽车的发展来说是个关键性的问题。

2.5 风阻系数

一般来说，汽车风阻系数的决定因素是汽车的外形，风阻系数越大，汽车的空气阻力越大，现代汽车的风阻系数多在0.2～0.5之间。有数据表明，一辆汽车行驶时的速度为80 km/h，所消耗的汽油中有60%是用来克服风阻的。车身的外形会影响风阻系数，而风阻系数又会影响到燃油的使用功率。而测算方式则主要来自汽车“风洞试验”，借由风速来模拟汽车行驶时的速度，用以测算其准确的空气阻力数值。当车辆的速度超过80 km/h，发动机有60%的动力都是用来抵抗风阻的，而随着速度的增加，这个比例还会持续上升。对于燃油车来说，风阻系数每降低10%，其油耗可以下降7%。国内第一款强调风阻系数的汽车是1999年的帕萨特B5，它的风阻系数当时仅为0.28。2017年荣威i6采用了非常流畅的车身线条设计，不仅有着年轻时尚的美感，而且风阻系数也相当低，仅为0.25。2020年12月，领克官方宣布ZERO concept量产车已完成“整车空气动力学仿真优化与风洞实测”，最终该车的风阻系数达到了0.23，为当时国产车最低。2021上海车展首次亮相的智己L7的风阻系数为0.21，一跃进入全球前三，成为国产车风阻系数最低的汽车。国产汽车市场竞争十分激烈，在各大车企被迫内卷的情势下，车企在风阻系数上的探索和进展非常的迅速，与国外品牌的差距也越来越小。按照目前发展趋势，国产汽车的风阻系数有望在5年内达到国际领先水平。

3 结论

国家发布的能耗测算限值和能耗限值愈发严格，就测试工况循环而言，我国结合WLTC，已经完成了中国工况测试标准，预计不久的将来会全面推行。汽车能耗的要求越来越高，只有通过不断地提升自身的产品竞争力，不断地创造新的产品、新的标准，才能在百花齐放的市场中脱颖而出。汽车轻量化、发动机热效率、混动技术、能量回收系统和降低风阻只是汽车减少能耗的其中五个措施，且需要共同高效协作，任何企业都不能独立地钻研单一技术，必须坚持全面发展。以比亚迪、长安、吉利等为代表的自主汽车品牌，都在汽车研究开发领域投入大量的资金，在未来必将拉动中国汽车产业技术革新和经济增长。