內燃機與新能源動(dòng)力發(fā)展的競爭之路

根據世界汽車(chē)組織與汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )的統計，2017年汽車(chē)產(chǎn)量達到9498萬(wàn)輛，其中乘用車(chē)和商用車(chē)產(chǎn)量占比分別約為75%和25%。2017全年，我國全年汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別為2901．54萬(wàn)輛和2887．89萬(wàn)輛，歷史性突破2900萬(wàn)輛大關(guān)。其中乘用車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)2480．67萬(wàn)輛和2471．83萬(wàn)輛，同比增長(cháng)1．58%和1．40%;商用車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)420．87萬(wàn)輛和416．06萬(wàn)輛，同比增長(cháng)13.81%和13．95%;新能源汽車(chē)(包括混合動(dòng)力)產(chǎn)銷(xiāo)量接近80萬(wàn)輛，分別達到79．4萬(wàn)輛和77．7萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)53．8%和53．3%。2017年新能源汽車(chē)市場(chǎng)**2．7%，比上年提高了0．9個(gè)百分點(diǎn)。由此可見(jiàn)，世界性的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量增長(cháng)態(tài)勢仍然不減，圖1為車(chē)滿(mǎn)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(chē)產(chǎn)量預測
根據咨詢(xún)機構LMCAutomotive發(fā)布的世界輕型汽車(chē)展望(GlobalLightVehicleOverview)預測，2018年前后，汽車(chē)年產(chǎn)量將突破1億輛(表1)。其中，亞洲地區是大的增量所在，平均每年大約將增加250萬(wàn)輛，其中中國增量占比約100萬(wàn)輛。目前，世界年增人口為8600萬(wàn)，人類(lèi)生產(chǎn)汽車(chē)的速度超過(guò)了人口增長(cháng)的速度。每秒鐘約生產(chǎn)3輛汽車(chē)，其中就有1輛誕生在中國，無(wú)疑中國已經(jīng)成為世界性的汽車(chē)生產(chǎn)大國和消費大國。

表1 2018—2020年世界汽車(chē)產(chǎn)量情況預測(單位:萬(wàn)輛)
根據NavigantＲesearch公司發(fā)布的《交通運輸業(yè)預測:輕型汽車(chē)》報告，截至2017年底，世界汽車(chē)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(chē)輛，預計未來(lái)幾年世界汽車(chē)保有量還將以每年約5千萬(wàn)輛的速度增加(表2)。

表2 未來(lái)幾年汽車(chē)保有量情況預測(單位:萬(wàn)輛)
2 內燃機對世界環(huán)境的影響
巨大的汽車(chē)生產(chǎn)量和保有量已經(jīng)對環(huán)境產(chǎn)生了顯著(zhù)影響，尤其是人類(lèi)的生存環(huán)境遇到了的挑戰。圖2為巴西圣保羅高速匝道口車(chē)輛通行情況。在近十幾年內，汽車(chē)行業(yè)一直致力于整車(chē)系統的輕量化、動(dòng)力系統的小型化和節能減排，以緩解汽車(chē)工業(yè)對氣候與環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響，同時(shí)也包括了對新能源動(dòng)力的應用。從2017年下半年開(kāi)始，各國都陸續發(fā)聲禁售燃油車(chē)，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(chē)。雖然德國、法國等幾個(gè)國家的相關(guān)部門(mén)相繼出來(lái)澄清，這不代表政府的言論，而是來(lái)自于環(huán)保行業(yè)協(xié)會(huì )的倡議，但不管禁不禁售燃油車(chē)，內燃機的“電氣化”進(jìn)程將肯定會(huì )加快。
在未來(lái)的10～15年內，內燃機行業(yè)將注定會(huì )發(fā)生巨大的變化。2017年底，長(cháng)安汽車(chē)和北汽集團分別宣布將停止銷(xiāo)售燃油車(chē)，并且不約而同的把時(shí)間節點(diǎn)都指向了2025年，這一里程碑式的宣布很有深意。
3 新能源動(dòng)力電池
新能源汽車(chē)關(guān)鍵的三大部件為動(dòng)力電源、電機和動(dòng)力控制系統。其中，動(dòng)力電源是核心中的核心，是新能源汽車(chē)的“心臟”。雖然現在市場(chǎng)上動(dòng)力電源種類(lèi)繁多，其中鋰動(dòng)力電池因體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(cháng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車(chē)動(dòng)力電源領(lǐng)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(chǎn)能約為59GW·h，2015年增加至76GW·h，2016年鋰電產(chǎn)能同比增長(cháng)25．0%，達到95GW·h。2017年鋰電產(chǎn)能達到115GW·h。

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

圖4 2014—2020年鋰電總產(chǎn)能及預測
從對鋰電產(chǎn)能的預測可以看出，鋰電產(chǎn)能從2016年開(kāi)始明顯受到了壓制，產(chǎn)能受限主要是受到了鋰電材料供應量的制約，鋰電產(chǎn)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(wàn)t，所使用的氫氧化鋰將達2．9萬(wàn)t，但將遠遠無(wú)法滿(mǎn)足鋰電行業(yè)的使用需求。
5 鋰礦資源及開(kāi)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(kāi)采，目前主要是開(kāi)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(wàn)t，但其開(kāi)發(fā)力度卻大，年產(chǎn)量接近于總開(kāi)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(zhì)勘探局(USGS)公布的數據顯示，頂鋰生產(chǎn)國正在盡大努力滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的鋰電需求。實(shí)際上，各鋰礦資源大國對于鋰礦的開(kāi)采非常有節制，因為鋰礦資源是的，并且動(dòng)力鋰電池中的鋰元素回收非常困難，回收成本遠遠高于開(kāi)采成本，所以各鋰礦資源大國必須進(jìn)行計劃性開(kāi)采。表4為2015—2016年鋰礦生產(chǎn)國的開(kāi)采量，其中澳大利亞和智利占據了總開(kāi)采量的3/4，而其他國家出于自身國情和資源戰略考慮，現階段對于鋰礦的開(kāi)采都微乎其微。2016年鋰產(chǎn)量較2015年增長(cháng)了12%，至3．5萬(wàn)t，在電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)未來(lái)繼續進(jìn)行擴張的強需求下，鋰產(chǎn)量很可能在未來(lái)幾年持續增多。目前，中國是世界大鋰資源消費國。
鋰礦資源的生產(chǎn)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(chǎn)鏈的建立大約需要2～3年時(shí)間。圖6為整套鋰電池生產(chǎn)鏈的基本結構。圖7為2017年我國鋰電池應用領(lǐng)域集中度分析。

表4 八大鋰礦生產(chǎn)國開(kāi)采量(單位:萬(wàn)t)

圖6 整套鋰電池生產(chǎn)鏈的基本結構

圖7 2017年我國鋰電池應用領(lǐng)域集中度分析
6 新能源動(dòng)力電池
如表5所示，根據鋰礦資源及相關(guān)原材料的流向可以看出，近幾年新能源動(dòng)力電池的使用量有爆發(fā)式增長(cháng)。從2014年的8．3GW·h，增加到35．2GW·h，增幅4倍多。便攜式移動(dòng)設備用鋰電池占比仍達到60%以上，且年復合增長(cháng)率達到16%。目前，中國新能源動(dòng)力電池的使用量占比超過(guò)30%，超過(guò)的平均值，表5為鋰電池及相關(guān)原材料流向分布。
在純電動(dòng)汽車(chē)的采購成本中，動(dòng)力電池的成本占比達到了48%，遠高于使用傳統發(fā)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)采購成本的50%以上。
經(jīng)過(guò)前一輪的碳酸鋰原材料市場(chǎng)的價(jià)格競爭亂象，從2016年起，碳酸鋰原材料價(jià)格在快速走高，導致純電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)成本的進(jìn)一步上升(圖8)。

表5 鋰電池及相關(guān)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(chē)型性能對比

圖8 新能源汽車(chē)及動(dòng)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(cháng)，在國內有著(zhù)廣泛的應用，錳酸鋰的高溫性能始終得不到解決，已經(jīng)被邊緣化。而三元鎳鈷鋁酸鋰電池，主要應用于純電動(dòng)車(chē)型。其中，含貴金屬鈷的鋰電池價(jià)格普遍昂貴，并且受到鈷金屬產(chǎn)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(chē)型，以及使用的動(dòng)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(chǎn)采用的改性錳酸鋰能量密度也超過(guò)了130(W·h)/kg，但是據稱(chēng)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定。
7 未來(lái)內燃機的混動(dòng)化
目前，單位新能源乘用車(chē)的碳酸鋰用量大約在50～60kg，單位中大型客(貨)車(chē)的碳酸鋰的用量在800kg左右，動(dòng)力電池系統總質(zhì)量超過(guò)1t。按照碳酸鋰年增產(chǎn)能4000t的規模計算，純電動(dòng)車(chē)型的年增產(chǎn)能將再難以突破5萬(wàn)輛的規模(包括中大型純電動(dòng)客車(chē))，無(wú)法滿(mǎn)足目前年增50萬(wàn)輛新能源車(chē)的產(chǎn)能需求。新型電池儲能材料短期內無(wú)法得到實(shí)際應用，考慮到政府補貼的持續退潮和企業(yè)的可持續發(fā)展，大部分車(chē)企都轉而主攻混合動(dòng)力作為企業(yè)未來(lái)幾年內主要的盈利來(lái)源。
2018年4月1日，我國正式實(shí)行燃油耗與新能源汽車(chē)積分并行政策。根據該政策措施，純粹生產(chǎn)傳統燃油車(chē)的車(chē)企將無(wú)法得到整車(chē)生產(chǎn)配給。預計在2018—2025年，混合動(dòng)力的車(chē)型種類(lèi)和產(chǎn)能將會(huì )有爆發(fā)性的增長(cháng)，新型內燃機的需求量和性能要求也將持續增加，這對傳統內燃機也提出了更高的要求。傳統內燃機的“電氣化”進(jìn)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(jìn)一步提高升功率表現，進(jìn)一步提高低速扭矩表現，以及具備更長(cháng)的保養里程。其中，新型48V集成式電機的應用可以實(shí)現對電子增壓器、變排量水泵，以及空調系統的優(yōu)化控制，將提升整個(gè)動(dòng)力系統的性能和燃油經(jīng)濟性。圖9為2018年即將或已經(jīng)上市銷(xiāo)售的部分混合動(dòng)力車(chē)型。在未來(lái)幾年內，幾乎所有的乘用車(chē)車(chē)型都將配備新能源動(dòng)力電池。同時(shí)，在商用車(chē)領(lǐng)域，包括中長(cháng)途運輸用載貨車(chē)在內的大中型重卡、輕卡等也將實(shí)現內燃機的“電氣化”，以提高能源的使用效率。新能源動(dòng)力電池的應用將給內燃機行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機遇，并必然深刻影響內燃機行業(yè)的技術(shù)變革和發(fā)展。

圖9 2018年即將或已經(jīng)上市銷(xiāo)售的部分混合動(dòng)力車(chē)型