当前，由化石能源向电能及氢能过渡的汽车动力革命正不断深化，节能与新能源汽车成为行业持续高度关注的重要议题之一：传统发动机、各种不同程度的混合动力、电动车以及燃料电池汽车，各自承担什么使命、面临哪些挑战、将会怎样发展、适宜何种应用？这一系列问题事关产业未来走向和可持续发展，亟需系统梳理和清晰判断。为此，本文基于大量研究和思考，尝试给出答案。 首先应当明确，站在解决全球能源问题的高度看，开源与节流是缺一不可的两大途径。对于汽车产业而言，节流意味着完善现有技术，以不断提升传统发动机效率为其代表，包括各种节能技术，可归入节能汽车技术；而开源意味着寻找新的动力源，以电动车和燃料电池汽车最为典型，被称为新能源汽车技术。两者的占比固然会有此消彼长，但却并非相互对立的关系。实际上，节能汽车将为新能源汽车逐步走向成熟赢得时间，两者共同确保汽车能够继续造福人类。同时，传统动力总成以外的共性节能技术也将助力新能源汽车的效率提升。如图1所示。因此，开源与节流同行，生存与发展并重，这应是我们看待节能与新能源汽车发展的基本出发点。
图1 节能与新能源汽车：共同支撑汽车产业的可持续发展
发动机虽号称“传统”，但在本轮汽车动力革命中同样将经历质的变化。过去，发动机与变速器组合提供动力输出。为满足复杂的工况，发动机需要工作在较宽区间，并通过不断扩大最佳工作区域来实现热效率的提升。无论发动机可变气门正时（VVT）、可变气门升程（VVL）及可变压缩比（VCR），还是变速器多档化或采用无级变速器（CVT），其本质都在于通过改善机械配置来实现动力输出可变，以适应变工况下的高效运行需求。这将不可避免地造成系统越来越复杂、控制越来越难以及成本越来越高。即使如此，发动机的热效率也不可能无限增长，事实上目前正在逐渐接近物理原理上的“天花板”，单独使用发动机的汽车产品将越来越难以满足日趋严格的油耗和排放法规。 但是，这并不意味着发动机已无发展潜力和应用空间。未来传统动力系统将向电气化方向进化，即发动机与电池电机有效组合提供动力输出，由此获得提升效率的新空间。尽管复杂的工况需求并未改变，但由于动力系统中耦合了电池电机单元，可通过电池充放电来调节发动机的运行状态，从而使发动机得以工作在更窄的最佳热效率区域。其本质是通过机电耦合来实现动力输出可变，以适应变工况下的高效运行需求。这实际上正是混合动力的设计理念。如图2所示。 图2 传统动力系统的全面电气化将带来质的不同
传统动力系统的电气化之路不会一蹴而就，但将不断提速。第一阶段，企业依托于现有发动机，匹配较小的电池和电机，此时电能单元不能单独驱动车辆，也不能与发动机充分交互，整个动力系统的效率提升主要仍源自发动机优化，此外当然还有制动能量回收等。因此，发动机依旧较为复杂，综合热效率的改善也较有限。不过这是传统车企直接沿用原有先进发动机技术，并减少高成本电池投入的合理选择。 第二阶段，随着法规的加严和电池成本的下降，发动机与较大的电池和电机匹配。此时电能单元将有强大的充放电及输出能力，从而可以更大程度地对发动机运行状态进行调节；相应的，发动机要向与之前完全不同的方向优化，即将被设计得更简单，重点追求在较小工作区域内的高效率，这样就不需要复杂的机械控制，发动机的成本不增反降。这也是真正意义上的混合动力，意味着整个动力系统的重新定义。 第三阶段，发动机几乎只在热效率最高的“甜蜜点”上工作，整体设计更趋简化，而单点工作效率趋近极致；与此同时，不断增大电池电机的比重，形成理想的机电耦合模式。特别是大电池也可直接预先充电，带着电能参与工作循环，从而不仅可以提升热效率，更为满足未来油耗与碳排放法规提供了灵活手段。这实际上就是插电式混合动力系统。 上述三个阶段在时间上其实是相互重叠的，不同的企业可以有不同的选择和发展时间表。但在本质上，技术决策者需要权衡的是电池、电机成本的增加与发动机成本的节省——因为在同样的输出效果下，加大电池电机的投入可以使发动机做得较为简单，关键在于合理地评估平衡点。在此过程中，发动机将有质的变化，针对机电耦合需求开发适宜的专用发动机将成为重要发展方向，尚有很多工作亟待重视和开展。 此外，面向动力系统的电气化升级，系统集成及控制方面也将有所不同，更强调发动机与电机的有效耦合。正因如此，在传统动力总成中主要关注变速器的节油贡献，而在混动系统中更强调变速器的耦合作用而非简单的传动效率。
总体而言，电动车的发展轨迹是动力电池的时间函数，而动力电池本身存在着一定的不确定性。一方面，目前对未来动力电池的性能指标做出的预测，更多的是基于经验和一般规律，究竟现有主流动力电池在材料化学的本质上是否存在增长极限尚难定论。另一方面，新体系电池以及氢燃料电池的发展速度也难以预料。这就使企业基于现有动力电池体系进行投入存在很大的风险。然而，由于动力电池的重要性，本文认为，在政策加速推进新能源的大势下，已经具有一定规模的整车企业都不能只做电池的采购者，而应该切实有所投入，可以按照先控制成组，有余力再适当参股单体制造的方式，不断提升自身对动力电池的掌控力。 原因在于：其一，新能源汽车的发展速度，尤其是在中国的推进力度，远超预期，整车企业已无观望等待的时间；其二，现有主流动力电池进步快速，短期内的不确定性正在下降；其三，最重要的是，如同传统燃油车掌控发动机技术一样，整车企业开发电动车也必须掌控动力电池关键技术，否则仅靠外购无法确保可持续的核心竞争力。而电池成组与单体技术的差异性非常大，其中成组技术直接决定电池在整车上的性能表现，并与车身结构、整车策略、热管理及安全性能等密切相关，因此整车企业理应投入谋求掌控；相比之下，单体技术涉及完全不同的材料、工艺与装备，不确定性更大，整车企业就需要谨慎投入。 除动力电池的能量密度和成本在短期内难有革命性的突破之外，另一个制约电动车发展的硬性障碍是充电设施不足，这加剧了消费者的里程焦虑，使企业不得不为电动车装上更多昂贵的电池。解决充电设施问题并不比提升动力电池性能容易，不仅基础设施建设需要成本和时间，而且一旦充电技术出现更迭，还可能造成之前的投入完全浪费。 尽管如此，对于企业来说，在法规压力下，打造电动车仍是必然的选项。对此，本文的判断：一是电动车一定小型化，以节省电池成本；同时小型车一定电动化，在不得不做电动车的情况下，企业理应优先选择最适宜的小型车作为突破口。二是续航里程够用就好，同样是为了节省电池，以提升电动车的性价比。三是企业必须思考商业模式创新和特定技术方案解决充电难题以赢得先机，包括可拆装电池、换电模式以及增程式电动车等，因为依靠充电设施普及支撑电动车实现重大突破，在短期内挑战较大。如图3所示。 图3 电池和充电是影响电动车发展的两大核心问题
混合动力常被视为从发动机到电动车的过渡技术，但这种过渡无疑将是一个长期的过程，而长期的过渡其实就不是过渡。在汽车动力革命的进程中，混合动力是无法跨越的。作为节流与开源的交叉技术，混合动力同时享有两方面进步的收益，将成为满足未来节能环保法规的必然技术选项之一。特别是由于具有多种不同方案，混合动力提供了更广的适用范围，当然这也更考验企业的技术决策和创新能力。此外，混合动力在本质上是两种不同动力源的有效耦合，因此该领域的进步将为今后其他形式多种动力源耦合的可能前景做好充分的技术储备。 综合油耗、性能与成本之间的诉求，企业可以选择不同混合度的混动方案以满足自身的需要。总体来说，本文认为：怠速起停成本低廉、技术成熟度高，将逐步广泛普及。轻混和中混技术成本、性能适中，在中小型汽车上将得到越来越多的应用。重混技术系统复杂、增加成本多，将在中大型汽车上应用。 这里要指出的是，混合动力并不一定需要大电池，这是其与电动车相比的优势所在。也就是说，混合动力汽车与电动车相比，本质上是两套动力装置的成本与电池成本及充电便利性之间的权衡，只要动力电池没有革命性的重大突破，混合动力就有其存在的价值与合理性。在可预期的未来，油电耦合将成为汽车动力系统的“新常态”，因此，混合动力必不可少、大有可为。
插电式混合动力与增程式电动车在中国都被归入新能源汽车范畴，并划分为一类，实际上两者的本质完全不同，企业在应用中不能偏离其各自的本质。 插电式是加大了电池、可直接充电的混合动力汽车。其目的是为满足日益严苛的法规提供灵活性极高的混动解决方案。在本质上插电式就是“发动机 可变的电池”，通过调整后者的容量，提高纯电驱动的里程，就可以满足油耗及碳排放法规，或者享受新能源汽车的优惠（或积分）。在结构上插电式为并联或混联构型，以带有较大发动机的两套动力系统和复杂的控制为其特点。所以，插电式所装的电池并不一定很大，即使只有二三十公里的纯电驱动里程，也可以构成插电式混动汽车，并有适用于某种应用场景的可能。而在油耗和碳排放约束越来越严的前景下，插电式的应用空间会越来越大。当然，插电式的成本比一般的混合动力要高，这是其劣势。 而增程式则是自带充电装置的电动车。目的在于以较小投入，化解里程焦虑难题。在本质上增程式就是为电动车安装了一种可自充电的配置，当然也可以在加了自充电配置后适当少装一些电池。在结构上增程式都是串联构型，搭载只负责补电、不直接参与驱动的小发动机，控制相对简单。增程式最大优势就在于可以使电动车少受充电设施的制约。而其劣势也很明显，一方面增程式要比电动车增加额外的配置；另一方面增程式仍然是一种电动车，小发动机补电只是为了保障车辆在意外情况下无法正常充电时也不会抛锚，也就是说，增程式还是立足于纯电驱动为主，如果因为充电设施严重滞后，小发动机始终提供动力，以防万一的“回家模式”成为常态，那就等于“小马拉大车”，反而更不节能了。 由上述分析可知，插电式与增程式的本质及其应用是完全不同的：前者为发动机延续发挥作用提供了一种高度灵活的解决方案；后者则是一种解决充电问题的可能方案，相当于一种适应性较强的电动车。因此，插电式的性价比主要不应与电动车比较，而应站在混合动力的延展曲线上来思考。同样的，讨论增程式的油耗问题其实毫无意义，更不能以此作为反对增程式的理由，因为增程式的“常态”应该是纯电行驶。如图4所示。 图4 插电式混合动力与增程式电动车存在本质不同
这里还需提及串联混合动力（Series HEV），虽然与增程式电动车在结构上类似，发动机同样只充电而不直接驱动车辆，但其实两者也有根本差异：串联混动更应与并联及混联混动进行比较，其优势在于以相对简单的构型获得还算不错的节油效果，并可实现类似电动车的驾乘体验。为满足全工况驱动的需要，串联混动配备大发动机是理所当然的，因为发动机依然是车辆的主要动力来源，只不过经过了电机的中转；而增程式配备发动机纯粹是为电动车提供充电保障，因此搭载大发动机并非合理的选择。鉴于相同的理由，串联混动并不一定需要配备较大的电池，而更关注电池的充放电效率；增程式却是电动车，为保证足够续航里程，大电池应该是其标配。企业对此也要有正确的理解。 总体来说，插电式混动未来在中大型车以及SUV上有较大应用空间：面对日益严苛的法规，大型车越来越不得不做重度混动，而已经做了重混，就不如再做插电式，虽然成本可能略高一些，但大车的承载力本来就比较高，更重要的是由此即可拥有面向未来法规的灵活解决方案，并且还可能拿到一些新能源汽车的优惠（或积分）。而在小型车电动化的基础上，增程式电动车更应偏向于在中型车上应用。
燃料电池汽车代表着汽车产业动力革命的重要方向之一，对于改善未来能源结构，发展低碳交通，具有深远意义。甚至有观点认为，燃料电池汽车技术正在快速走向成熟，可能对电动车构成跨越式发展的挑战。但实际上，综合全球产业发展和技术攻关现状不难发现，燃料电池汽车在短期内大规模产业化的前景并不明朗。 从长远来看，电能与氢能孰胜孰负或未易量，两者共同支撑起汽车摆脱化石能源的大趋势。不过就当下而言，为加速推广新能源汽车，尽快取得节能减排实效，仍然需要有所选择。由于核心技术尚未突破，燃料电池汽车还存在成本、耐久、基础设施等全球性瓶颈，从制氢、运氢、储氢到加氢的氢能产业链也并未清晰。相比之下，电动车明显比燃料电池汽车的商用化成熟度更高。而且地域辽阔的中国也很难同时承担加油站、充电站和加氢站三套基础设施的建设。因此，现阶段“发展有先后、推进有侧重”的新能源汽车策略可以理解。 但是，这并不意味着我们可以忽略燃料电池汽车。同样因为我们是大国，在能源战略上绝不能赌博，必须把“能源多元化”作为长期战略，对于任何一种重要技术选项都不能疏漏。因此，建议国家给予燃料电池汽车足够的重视，持续进行基础研发投入、财政补贴支持和示范工程推动。 总体来说，本文认为燃料电池汽车在中国应该以商用车优先切入，以此培育产业链，并为燃料电池乘用车进行技术储备。因为，商用车也必将进入电动化时代，而搭载大量动力电池本身就不节能环保，相比之下燃料电池汽车可能是更合适的选择。同时，燃料电池成本较高，商用车更有可能承载。此外，保障长途运行的大型货车和客车，只需定点建设少量加氢站即可，具有相对较强的可行性。 对于企业而言，应将燃料电池汽车纳入技术路线选择中来，进行认真的评估和比较，并根据实际情况适时进行技术攻关与储备。特别是商用车企业，更要思考如果后续商用车也和乘用车一样，纳入NEV强制积分管理范围，应以何种新能源技术应对。显然，在这样的前景下，燃料电池将是不容忽视的重要选项。
CAFC、NEV和碳配额等法规组合日益加严、市场需求多样而易变、成本压力有增无减，这些挑战要求企业必须在节能与新能源汽车技术路线上做出明智的选择。在此，本文对节能与新能源汽车的主要技术路线有如下预测： 从时间维度看，纯发动机的汽车市场份额将不断下降；传统车企为满足日益加严的油耗法规，将加速导入基于传统发动机的混合动力、插电式、增程式技术以及纯电动技术；而燃料电池汽车预期在2025年之后有望兴起。 最后必须强调的是，汽车动力源的转变将是一个渐进的长期过程，在此过程中，各种技术的突破、不同政策的变化以及能源格局的走向等，都会对节能与新能源汽车的此消彼长产生重大影响。具体到各家企业，更要结合自身实际情况进行因企而异的针对性选择。因此，没有绝对正确的技术决策，只有更合适且需不断完善的路线选择。不过从产业总体来看，一个不容置疑的基本判断是：未来车用能源的高效、清洁、低碳和多元化将成为主流趋势；未来汽车动力系统一定是节流与开源并重，多种动力源之间相互竞争并有效组合来完成汽车节能减排的历史重任。
本文原载于《汽车商业评论》201801期 近期回顾 |
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