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內燃機與新能源動力發(fā)展的競爭之路

更新時間:2022-11-12      點擊次數:2046

根據世界汽車組織與汽車工業(yè)協會的統(tǒng)計,2017年汽車產量達到9498萬輛,其中乘用車和商用車產量占比分別約為75%和25%。2017全年,我國全年汽車產銷量分別為2901.54萬輛和2887.89萬輛,歷史性突破2900萬輛大關。其中乘用車產銷2480.67萬輛和2471.83萬輛,同比增長1.58%和1.40%;商用車產銷420.87萬輛和416.06萬輛,同比增長13.81%和13.95%;新能源汽車(包括混合動力)產銷量接近80萬輛,分別達到79.4萬輛和77.7萬輛,同比分別增長53.8%和53.3%。2017年新能源汽車市場**2.7%,比上年提高了0.9個百分點。由此可見,世界性的汽車產銷量增長態(tài)勢仍然不減,圖1為車滿為患的北京高架道路通行情況。
圖1 北京高架道路通行情況
1 汽車產量預測
根據咨詢機構LMCAutomotive發(fā)布的世界輕型汽車展望(GlobalLightVehicleOverview)預測,2018年前后,汽車年產量將突破1億輛(表1)。其中,亞洲地區(qū)是大的增量所在,平均每年大約將增加250萬輛,其中中國增量占比約100萬輛。目前,世界年增人口為8600萬,人類生產汽車的速度超過了人口增長的速度。每秒鐘約生產3輛汽車,其中就有1輛誕生在中國,無疑中國已經成為世界性的汽車生產大國和消費大國。

表1 2018—2020年世界汽車產量情況預測(單位:萬輛)
根據NavigantResearch公司發(fā)布的《交通運輸業(yè)預測:輕型汽車》報告,截至2017年底,世界汽車保有量已接近13億輛,2018年將達到13.4億輛。去除淘汰的報廢車輛,預計未來幾年世界汽車保有量還將以每年約5千萬輛的速度增加(表2)。

表2 未來幾年汽車保有量情況預測(單位:萬輛)
2 內燃機對世界環(huán)境的影響
巨大的汽車生產量和保有量已經對環(huán)境產生了顯著影響,尤其是人類的生存環(huán)境遇到了的挑戰(zhàn)。圖2為巴西圣保羅高速匝道口車輛通行情況。在近十幾年內,汽車行業(yè)一直致力于整車系統(tǒng)的輕量化、動力系統(tǒng)的小型化和節(jié)能減排,以緩解汽車工業(yè)對氣候與環(huán)境產生的巨大影響,同時也包括了對新能源動力的應用。從2017年下半年開始,各國都陸續(xù)發(fā)聲禁售燃油車,其中,歐洲的反應為強烈,法國、德國、英國、挪威等西歐工業(yè)強國都相繼聲明,至2030年前后將全面禁售燃油車。雖然德國、法國等幾個國家的相關部門相繼出來澄清,這不代表政府的言論,而是來自于環(huán)保行業(yè)協會的倡議,但不管禁不禁售燃油車,內燃機的“電氣化”進程將肯定會加快。
在未來的10~15年內,內燃機行業(yè)將注定會發(fā)生巨大的變化。2017年底,長安汽車和北汽集團分別宣布將停止銷售燃油車,并且不約而同的把時間節(jié)點都指向了2025年,這一里程碑式的宣布很有深意。
3 新能源動力電池
新能源汽車關鍵的三大部件為動力電源、電機和動力控制系統(tǒng)。其中,動力電源是核心中的核心,是新能源汽車的“心臟”。雖然現在市場上動力電源種類繁多,其中鋰動力電池因體積小、質量輕、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)點,在新能源汽車動力電源領域占據主導地位。圖3為索尼公司研發(fā)的18650型鋰電池。
4 鋰電需求
2014年鋰電產能約為59GW·h,2015年增加至76GW·h,2016年鋰電產能同比增長25.0%,達到95GW·h。2017年鋰電產能達到115GW·h。

圖3 索尼公司研發(fā)的18650鋰電池
根據鋰電產能的預期,2018—2020年鋰電產能將持續(xù)保持每年約20GW·h的增量,至2020年鋰電產能預計將達到170GW·h。圖4為2014—2020年鋰電總產能預測。

圖4 2014—2020年鋰電總產能及預測
從對鋰電產能的預測可以看出,鋰電產能從2016年開始明顯受到了壓制,產能受限主要是受到了鋰電材料供應量的制約,鋰電產能的年增幅一路下滑。預計2020年鋰電正極材料所使用的碳酸鋰將達到12.5萬t,所使用的氫氧化鋰將達2.9萬t,但將遠遠無法滿足鋰電行業(yè)的使用需求。
5 鋰礦資源及開采現狀
從鋰礦的探明儲量和資源分布圖(圖5)可以看出,鋰礦資源基本上集中在南美的東西大洋兩端,該地區(qū)儲量幾乎占據了鋰礦資源的一半以上,除此以外,美國和中國儲量也不少。主要礦種分為鹵水礦、沉積巖礦和偉晶巖礦。其中,沉積巖礦比較難開采,目前主要是開采鹵水礦和偉晶巖礦。值得指出的是,澳大利亞的探明儲量只有170萬t,但其開發(fā)力度卻大,年產量接近于總開采量的一半(表3)。

表3 鋰礦探明儲量及資源分布

圖5 鋰礦的探明儲量和資源分布圖(圖中,Brine:鹵水礦;Clay:沉積型礦;Pegmatite:偉晶巖礦。)
據美國地質勘探局(USGS)公布的數據顯示,頂鋰生產國正在盡大努力滿足不斷增長的鋰電需求。實際上,各鋰礦資源大國對于鋰礦的開采非常有節(jié)制,因為鋰礦資源是的,并且動力鋰電池中的鋰元素回收非常困難,回收成本遠遠高于開采成本,所以各鋰礦資源大國必須進行計劃性開采。表4為2015—2016年鋰礦生產國的開采量,其中澳大利亞和智利占據了總開采量的3/4,而其他國家出于自身國情和資源戰(zhàn)略考慮,現階段對于鋰礦的開采都微乎其微。2016年鋰產量較2015年增長了12%,至3.5萬t,在電動車市場未來繼續(xù)進行擴張的強需求下,鋰產量很可能在未來幾年持續(xù)增多。目前,中國是世界大鋰資源消費國。
鋰礦資源的生產鏈主要包括探礦、采礦、原礦清洗、配料、破碎、篩分、球磨、均化、除雜、分級、重選、浮選、鋰云母精礦、含鋰濃縮,后形成碳酸鋰。整套鋰電池生產鏈的建立大約需要2~3年時間。圖6為整套鋰電池生產鏈的基本結構。圖7為2017年我國鋰電池應用領域集中度分析。

表4 八大鋰礦生產國開采量(單位:萬t)

圖6 整套鋰電池生產鏈的基本結構

圖7 2017年我國鋰電池應用領域集中度分析
6 新能源動力電池
如表5所示,根據鋰礦資源及相關原材料的流向可以看出,近幾年新能源動力電池的使用量有爆發(fā)式增長。從2014年的8.3GW·h,增加到35.2GW·h,增幅4倍多。便攜式移動設備用鋰電池占比仍達到60%以上,且年復合增長率達到16%。目前,中國新能源動力電池的使用量占比超過30%,超過的平均值,表5為鋰電池及相關原材料流向分布。
在純電動汽車的采購成本中,動力電池的成本占比達到了48%,遠高于使用傳統(tǒng)發(fā)動機的成本構成。其中,正極材料即鋰電池的成本占比30%,隔膜材料成本占比25%,占純電動汽車采購成本的50%以上。
經過前一輪的碳酸鋰原材料市場的價格競爭亂象,從2016年起,碳酸鋰原材料價格在快速走高,導致純電動汽車生產成本的進一步上升(圖8)。

表5 鋰電池及相關原材料流向分布

表6 主要正極材料的性能對比

表7 具有代表性的新能源車型性能對比

圖8 新能源汽車及動力電池成本分析
新能源電池主要應用的正極材料主要分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰。其中,磷酸鐵鋰因為安全性能高,循環(huán)壽命長,在國內有著廣泛的應用,錳酸鋰的高溫性能始終得不到解決,已經被邊緣化。而三元鎳鈷鋁酸鋰電池,主要應用于純電動車型。其中,含貴金屬鈷的鋰電池價格普遍昂貴,并且受到鈷金屬產量的限制嚴重,難以得到大范圍的推廣。表6為主要正極材料的性能對比。
表7為目前比較有代表性的新能源車型,以及使用的動力電池情況??梢钥闯?,除了特斯拉ModelS采用的鎳鈷鋁酸鋰,其他材料的能量密度基本維持在100~140(W·h)/kg左右,寶馬和日產采用的改性錳酸鋰能量密度也超過了130(W·h)/kg,但是據稱在夏天高溫情況下能量的衰減非常嚴重,遠不如磷酸鐵鋰的表現穩(wěn)定。
7 未來內燃機的混動化
目前,單位新能源乘用車的碳酸鋰用量大約在50~60kg,單位中大型客(貨)車的碳酸鋰的用量在800kg左右,動力電池系統(tǒng)總質量超過1t。按照碳酸鋰年增產能4000t的規(guī)模計算,純電動車型的年增產能將再難以突破5萬輛的規(guī)模(包括中大型純電動客車),無法滿足目前年增50萬輛新能源車的產能需求。新型電池儲能材料短期內無法得到實際應用,考慮到政府補貼的持續(xù)退潮和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,大部分車企都轉而主攻混合動力作為企業(yè)未來幾年內主要的盈利來源。
2018年4月1日,我國正式實行燃油耗與新能源汽車積分并行政策。根據該政策措施,純粹生產傳統(tǒng)燃油車的車企將無法得到整車生產配給。預計在2018—2025年,混合動力的車型種類和產能將會有爆發(fā)性的增長,新型內燃機的需求量和性能要求也將持續(xù)增加,這對傳統(tǒng)內燃機也提出了更高的要求。傳統(tǒng)內燃機的“電氣化”進程將明顯加快,內燃機的“電氣化”發(fā)展要求內燃機需具備更高的可靠性,更小排量結構更緊湊的機型設計,進一步提高升功率表現,進一步提高低速扭矩表現,以及具備更長的保養(yǎng)里程。其中,新型48V集成式電機的應用可以實現對電子增壓器、變排量水泵,以及空調系統(tǒng)的優(yōu)化控制,將提升整個動力系統(tǒng)的性能和燃油經濟性。圖9為2018年即將或已經上市銷售的部分混合動力車型。在未來幾年內,幾乎所有的乘用車車型都將配備新能源動力電池。同時,在商用車領域,包括中長途運輸用載貨車在內的大中型重卡、輕卡等也將實現內燃機的“電氣化”,以提高能源的使用效率。新能源動力電池的應用將給內燃機行業(yè)帶來新的發(fā)展機遇,并必然深刻影響內燃機行業(yè)的技術變革和發(fā)展。

圖9 2018年即將或已經上市銷售的部分混合動力車型

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