郝瀚 陳康達(dá) 劉宗巍 趙福全

（清華大學(xué)，汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 前言

2000年以來，中國汽車市場一直呈現(xiàn)中高速增長態(tài)勢，2001~2010年平均增速約為25%，2011~2016年平均增速約為8%[1]。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，2016年中國汽車產(chǎn)銷分別為2 811.9萬輛和2 802.8萬輛，同比增長14.5%和13.7%，自2013年以來連續(xù)4年超過2 000萬輛，連續(xù)8年穩(wěn)居世界第一[2]。同時(shí)，截至2016年底，中國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.9億輛，其中汽車保有量為1.94億輛，平均千人汽車保有量突破140輛[3]。

但快速發(fā)展的同時(shí)，中國也面臨著嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題。中國原油對外依存度從2009年就已經(jīng)超過50%的國際安全警戒線，2011年首次超過美國達(dá)到55.2%，2015年達(dá)到60.6%，首次超過60%，而2016年則高達(dá)65.4%，遠(yuǎn)超國際安全警戒線[4]。同時(shí)，受汽車市場爆發(fā)的影響，中國從2006年就已經(jīng)取代美國成為世界第一大CO2排放國，全球27.6%的CO2排放來自中國[5]。2015年，在巴黎氣候峰會(huì)上，中國也再次提出了2030年單位GDP的CO2排放量比2005年下降60%~65%的目標(biāo)[6]。

為降低汽車行業(yè)燃油消耗水平，中國政府在2005~2015年分別實(shí)施完成了3個(gè)階段的乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，并于2016年1月1日起正式實(shí)施《乘用車燃油消耗量限值》第四階段標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步嚴(yán)格了汽車單車限值和目標(biāo)值要求，根據(jù)第四階段標(biāo)準(zhǔn)，將于2020年達(dá)到5.0 L/100km的平均燃油消耗量目標(biāo)[7]，推動(dòng)我國先進(jìn)節(jié)能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，持續(xù)降低乘用車燃料消耗量。但根據(jù)工信部最新發(fā)布的《2016年度乘用車企業(yè)平均燃料消耗量情況》，2016年中國市場乘用車企業(yè)油耗為6.56 L/100 km，距2020年5.0 L/100 km油耗的目標(biāo)還有較大差距[8]，企業(yè)為滿足未來不斷嚴(yán)格的油耗法規(guī)，也面臨著巨大壓力。

在此背景下，辨明未來技術(shù)發(fā)展趨勢，科學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用前景，前瞻性地制定適用于當(dāng)下和中長期的節(jié)能技術(shù)路線，對于縮小中國與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距、保證國家能源及環(huán)境安全，以及引導(dǎo)企業(yè)制定達(dá)標(biāo)技術(shù)策略具有重要的戰(zhàn)略意義。

美國作為曾經(jīng)世界上最大的汽車市場，過去多年來一直引領(lǐng)著全球法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢，其法規(guī)制定、技術(shù)趨勢和達(dá)標(biāo)路徑對于中國具有重要借鑒意義[9-10]。

本文根據(jù)《美國輕型車溫室氣體排放及燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)中期評(píng)估報(bào)告》[11]的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對2030年前美國市場上主流汽車制造商（OEM）為實(shí)現(xiàn)法規(guī)達(dá)標(biāo)將采取的節(jié)能與新能源技術(shù)路線及達(dá)標(biāo)成本進(jìn)行了深入挖掘和對比分析，并對行業(yè)整體技術(shù)路線進(jìn)行了綜合評(píng)估，對美國法規(guī)及節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行解讀，以期為中國中長期節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

2 方法論及數(shù)據(jù)

Volpe作為美國國家高速公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA）制定和評(píng)估美國公司平均燃料經(jīng)濟(jì)性（Corporate Average Fuel Economy,CAFE）法規(guī)的核心模型，其主要思路是對給定法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)下市場上主要汽車企業(yè)的決策進(jìn)行仿真，如采用何種技術(shù)路線、是否接受罰款等，并對決策所產(chǎn)生的燃油消耗、技術(shù)滲透率、排放等影響進(jìn)行預(yù)測。模型主要以技術(shù)數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)、車隊(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)、情景參數(shù)數(shù)據(jù)等幾大數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)輸入，以整個(gè)市場為框架，對每個(gè)主流OEM以最低成本滿足法規(guī)為目標(biāo)進(jìn)行戰(zhàn)略決策優(yōu)化，最終得到主流OEM各階段技術(shù)路線，以及系統(tǒng)的技術(shù)可行性及成本評(píng)估。所以本文所分析的數(shù)據(jù)均為Volpe仿真模型下的最優(yōu)達(dá)標(biāo)技術(shù)路線，可以反映出美國法規(guī)下的技術(shù)導(dǎo)向和趨勢，但需要說明的是，企業(yè)并不一定嚴(yán)格采取此技術(shù)路線。模型整體框架如圖1所示。

圖1 美國Volpe模型整體框架

模型所評(píng)估的先進(jìn)節(jié)油技術(shù)可分為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、變速器技術(shù)、電動(dòng)化技術(shù)、整車技術(shù)4類，共覆蓋增壓、汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection,GDI）、連續(xù)可變氣門正時(shí)（Variable Valve Timing,VVT）、先進(jìn)柴油機(jī)等29項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，輕量化、減摩擦、減阻等11項(xiàng)整車技術(shù)，以及目前市場上所有變速器結(jié)構(gòu)和從起停、起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（Integrated Starter Generator,ISG）、混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）、純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicle,BEV）到燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle,FCV）等主要電動(dòng)化技術(shù)。對每一個(gè)企業(yè)，模型首先判斷其銷量、價(jià)格、產(chǎn)品平臺(tái)、技術(shù)基準(zhǔn)等車隊(duì)初始參數(shù)，再基于企業(yè)基礎(chǔ)通過技術(shù)決策樹的方法對每一類技術(shù)路徑依次進(jìn)行選擇和應(yīng)用，直到企業(yè)滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。對于愿意接受罰款的企業(yè)，當(dāng)接受的罰款低于增加技術(shù)應(yīng)用所帶來的成本時(shí)，模型將停止技術(shù)應(yīng)用并選擇接受罰款[11]。

模型所需技術(shù)效果、成本數(shù)據(jù)主要來源于技術(shù)仿真軟件和硬件拆解試驗(yàn)，此外，美國環(huán)境保護(hù)署（Environ?mental Protection Agency,EPA）和NHTSA對來自聯(lián)邦及各地政府、非政府環(huán)保機(jī)構(gòu)及消費(fèi)者團(tuán)體、第三方智庫等的大量技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行了搜集、整理和研究，并與整車企業(yè)和主要供應(yīng)商進(jìn)行一對一訪談，對研究成果、企業(yè)戰(zhàn)略等進(jìn)行詳細(xì)交流，最終對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和綜合評(píng)估。因此，數(shù)據(jù)更加客觀，也更能真實(shí)反映先進(jìn)技術(shù)的節(jié)油效果、成本及節(jié)油潛力。

本文基于EPA報(bào)告數(shù)據(jù)，分行業(yè)整體、三大車系、典型企業(yè)3個(gè)層次，進(jìn)一步從關(guān)鍵技術(shù)滲透率、整體節(jié)油貢獻(xiàn)率、達(dá)標(biāo)成本及策略等幾個(gè)角度對美國2030年前主流OEM節(jié)油技術(shù)路線進(jìn)行了建模計(jì)算和對比。

3 美國主流OEM節(jié)能技術(shù)路線預(yù)測及行業(yè)整體評(píng)估

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.1.1 VVT技術(shù)

VVT技術(shù)作為復(fù)雜性較低的技術(shù)，可帶來2.1%~5.5%的節(jié)油率[12]，幾乎所有汽車企業(yè)未來都將持續(xù)導(dǎo)入。VVT技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)具有較高的技術(shù)滲透率，2030年前，豐田、本田、現(xiàn)代起亞、寶馬、福特等企業(yè)都將達(dá)到接近100%的滲透率，如圖2所示。

3.1.2 渦輪增壓小型化技術(shù)

汽油機(jī)一直存在兩條主流技術(shù)路線：以日本豐田、韓國現(xiàn)代為代表的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和以德國大眾、寶馬為代表的渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對成熟，峰值有效熱效率在40%左右，且與增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比成本較低，但其升功率低，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力性和強(qiáng)化程度低于渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)峰值有效熱效率略低，且成本高，但其具有較高的升功率，動(dòng)力性能強(qiáng)且結(jié)構(gòu)緊湊，可有效實(shí)現(xiàn)輕量化[13-14]。

圖2 VVT技術(shù)滲透率

渦輪增壓小型化技術(shù)（Turbochargingand Downsizing）作為重要的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油技術(shù)，EPA評(píng)估其在中型車上節(jié)油率可達(dá)到11%~17%[12]，美國國家研究委員會(huì)（National Research Council，NRC）評(píng)估其節(jié)油率可達(dá)到9%~12%[15]，如圖3所示。2015年美國市場渦輪增壓小型化技術(shù)滲透率約為17%，其中主要為歐系產(chǎn)品。如前文所述，增壓直噴技術(shù)作為歐系車企的核心技術(shù)，保持著相當(dāng)高的技術(shù)滲透率，寶馬2015年增壓小型化技術(shù)滲透率甚至達(dá)到96%。以福特和通用為代表的美系品牌則同時(shí)兼顧渦輪增壓和自然吸氣兩條技術(shù)路線，分別有33%和21%的產(chǎn)品應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)。而日系品牌當(dāng)前則普遍選擇自然吸氣技術(shù)路線，極少應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)。

圖3 渦輪增壓小型化技術(shù)滲透率

未來，以本田為代表的大量日系企業(yè)在堅(jiān)持自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線的同時(shí)，將逐步推出增壓直噴技術(shù)，利用后發(fā)優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)進(jìn)化，在傳統(tǒng)燃油車領(lǐng)域與歐洲路線趨于融合，2030年，豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)渦輪增壓技術(shù)滲透率均將達(dá)到20%左右。

目前保持較高渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用的歐美車企，未來技術(shù)滲透率將持續(xù)下降，產(chǎn)生這一轉(zhuǎn)變的主要原因是歐美品牌產(chǎn)品以大型、豪華型轎車為主，車型平均尺寸普遍大于日系品牌產(chǎn)品或以追求更好的動(dòng)力性為主要目標(biāo)，當(dāng)前，歐美品牌，尤其是歐系品牌已經(jīng)大量應(yīng)用增壓直噴技術(shù)，2021年即將把增壓直噴技術(shù)應(yīng)用到極致，之后再進(jìn)行技術(shù)升級(jí)將面臨巨大的成本增加，因此2022年開始，歐美企業(yè)將普遍轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力技術(shù)以實(shí)現(xiàn)車型達(dá)標(biāo)，這一技術(shù)趨勢也將在后文電動(dòng)化技術(shù)路線分析中得以驗(yàn)證。

3.1.3 汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)

汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection,GDI）技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵節(jié)油技術(shù)之一，與增壓技術(shù)結(jié)合可將壓縮比提高0.5~1.5，并可減輕渦輪增壓的敲缸問題，因此，GDI技術(shù)在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍采用[11]。自然吸氣式汽油機(jī)過去多采用進(jìn)氣道噴射（PFI）方式，而近年來隨著GDI技術(shù)在自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上不斷成熟，采用GDI技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)油的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)也越來越多。

2015年，美國市場GDI技術(shù)滲透率在45%左右，其中，以渦輪增壓直噴技術(shù)路線為主的歐系品牌普遍具有較高GDI技術(shù)滲透率，以自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為主的豐田、日產(chǎn)等日系品牌GDI技術(shù)滲透率較低，現(xiàn)代、馬自達(dá)、本田等則憑借率先將缸內(nèi)直噴技術(shù)成熟應(yīng)用于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，具有較高的GDI技術(shù)滲透率。同時(shí)兼顧渦輪增壓直噴和自然吸氣缸內(nèi)直噴技術(shù)路線的美系企業(yè)同樣具有70%左右的高滲透率，如圖4所示。

圖4 GDI技術(shù)滲透率

未來，GDI技術(shù)憑借廣泛的適用性，在美國市場的平均滲透率將不斷提高，2030年將達(dá)到69%。日系企業(yè)GDI技術(shù)滲透率未來將大幅度提高，日產(chǎn)甚至將從2015年3%的技術(shù)滲透率上升到2030年的93%。這一方面得益于GDI技術(shù)在自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上的不斷應(yīng)用，另一方面，大量日系企業(yè)也在逐步推出渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，利用后發(fā)優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)進(jìn)化。

同渦輪增壓技術(shù)趨勢類似，目前保持較高GDI技術(shù)應(yīng)用的歐系車企，未來GDI技術(shù)滲透率將普遍下降，大眾、寶馬、奔馳均將發(fā)生這一技術(shù)趨勢轉(zhuǎn)變，奔馳GDI技術(shù)滲透率更是將從2015年的94%下降到19%。與渦輪增壓技術(shù)相同，2021年即將把增壓直噴技術(shù)應(yīng)用到極致，之后再進(jìn)行技術(shù)升級(jí)將面臨巨大的成本壓力。而美系品牌憑借在自然吸氣技術(shù)路線上的儲(chǔ)備，2022年之后GDI技術(shù)滲透率下降幅度將遠(yuǎn)小于歐系品牌。

3.1.4 先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)

柴油機(jī)與汽油機(jī)相比具有更高的熱效率，先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)20%~30%的節(jié)油率[12]，但同時(shí)排放問題也是制約柴油機(jī)發(fā)展的致命缺陷，需要采用大量高成本的后處理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)[16]。當(dāng)前美國市場上柴油機(jī)技術(shù)滲透率較低，只有大眾在以相對高的比例投入先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)，技術(shù)滲透率達(dá)到15%，但仍會(huì)隨時(shí)間下降，如圖5所示。

圖5 先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)滲透率

3.2 變速器技術(shù)滲透率

3.2.1 日韓品牌變速器技術(shù)

日韓品牌變速器技術(shù)發(fā)展路徑可分為兩類，一類是以AT作為核心技術(shù)發(fā)展，例如豐田、現(xiàn)代等；另一類是以CVT技術(shù)為主持續(xù)推進(jìn)，本田、日產(chǎn)、三菱、斯巴魯?shù)却罅咳障灯放七x擇此類技術(shù)路線。

未來，豐田、現(xiàn)代等將逐漸淘汰5AT，同時(shí)，6AT將不斷向8AT轉(zhuǎn)換。2030年，豐田將有接近60%的汽車搭載8AT，而CVT滲透率一直保持在16%左右。本田等則將繼續(xù)以發(fā)展CVT技術(shù)為主，同時(shí)輔以20%左右的AT。與豐田類似，5AT將逐漸被淘汰，2021年后6AT將不斷向8AT轉(zhuǎn)換。

3.2.2 歐系品牌變速器技術(shù)

歐系品牌變速器技術(shù)發(fā)展路徑也分為兩類，一類聚焦于DCT技術(shù)發(fā)展，以大眾為主要代表，另一類則以發(fā)展AT技術(shù)為主，除大眾以外的其他歐系企業(yè)，如寶馬、奔馳、菲亞特、捷豹路虎、沃爾沃等均選擇此技術(shù)路線。

作為DCT的主要推動(dòng)者，2015年大眾變速器產(chǎn)品中DCT占據(jù)90%的比例。2021年之后，由于混合動(dòng)力技術(shù)不斷被導(dǎo)入，歐系品牌傳統(tǒng)燃油車的比例普遍快速下降。大眾DCT技術(shù)滲透率也將隨之下降到2030年的49%，寶馬將剩34%的8AT和16%的DCT。

3.2.3 美系品牌變速器技術(shù)

美系品牌主要以福特和通用為主，兩大企業(yè)核心技術(shù)路線相似，都以發(fā)展AT為主。2015年福特公司有64%的汽車產(chǎn)品搭載6AT，未來6AT向8AT轉(zhuǎn)換的趨勢明顯，2030年，福特所有傳統(tǒng)燃油車都將搭載8AT。通用公司當(dāng)前主要以6AT為主，技術(shù)滲透率達(dá)到92%，同時(shí)有少量8AT和CVT，未來6AT將迅速向8AT轉(zhuǎn)換，并在2030年實(shí)現(xiàn)6AT全部被8AT替代。

同時(shí)，由于電動(dòng)化技術(shù)的沖擊，未來美系品牌傳統(tǒng)變速器份額也將呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。

3.2.4 行業(yè)整體技術(shù)滲透率

從美國市場行業(yè)整體來看，目前占據(jù)市場主流的6AT未來向8AT轉(zhuǎn)換的趨勢明顯，并且2030年8AT將占據(jù)近一半市場，6AT將在2030年左右被徹底淘汰。由于大量日系品牌的持續(xù)推動(dòng)，美國市場CVT技術(shù)滲透率將保持在21%左右。而大眾主推的DCT技術(shù)將占5%左右市場份額。

綜合來看，混合動(dòng)力及新能源汽車技術(shù)對自動(dòng)變速器搭載率有一定沖擊，自動(dòng)變速器技術(shù)滲透率將從2015年的90%逐漸下降到2030年的71%，但自動(dòng)變速器仍將有巨大的市場，如圖6所示。

3.3 電動(dòng)化技術(shù)滲透率

3.3.1 日韓品牌電動(dòng)化技術(shù)

日韓企業(yè)產(chǎn)品一直保持高燃油經(jīng)濟(jì)性，在傳統(tǒng)燃油車法規(guī)達(dá)標(biāo)上處于領(lǐng)先。未來將持續(xù)導(dǎo)入起停技術(shù)，并借助起停、ISG及少量強(qiáng)混滿足法規(guī)。具體到每個(gè)企業(yè)，未來達(dá)標(biāo)技術(shù)路線各有側(cè)重。豐田目前主要借助強(qiáng)混實(shí)現(xiàn)法規(guī)達(dá)標(biāo)，未來在強(qiáng)混基礎(chǔ)上導(dǎo)入少量起停技術(shù)將能以最低的成本滿足2030年法規(guī)。本田等企業(yè)則可能選擇大力導(dǎo)入起停技術(shù)以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)?？傮w而言，日韓品牌僅依靠較低電動(dòng)化水平就可以滿足2030年法規(guī)。

圖6 行業(yè)整體變速器技術(shù)滲透率

3.3.2 歐系品牌電動(dòng)化技術(shù)

歐系企業(yè)電動(dòng)化技術(shù)發(fā)展路徑與日系企業(yè)呈現(xiàn)出較大不同，由于歐系品牌產(chǎn)品以豪華型轎車為主，已經(jīng)搭載的大量先進(jìn)節(jié)油技術(shù)潛力即將被挖掘到極致，傳統(tǒng)燃油車達(dá)標(biāo)壓力將不斷增大，未來為滿足法規(guī)必須大量導(dǎo)入ISG和強(qiáng)混技術(shù)。以大眾和寶馬為典型企業(yè)進(jìn)行分析：

大眾2021年之前主要依靠繼續(xù)挖掘增壓直噴等技術(shù)的節(jié)油潛力，同時(shí)發(fā)展8%左右的起停技術(shù)可滿足法規(guī)，2021年轉(zhuǎn)而以ISG和強(qiáng)混為主要方向大力發(fā)展混合動(dòng)力技術(shù)，并在2030年分別實(shí)現(xiàn)ISG和強(qiáng)混45%和44%的技術(shù)滲透率。

與大眾類似，寶馬、奔馳、捷豹路虎等豪華車品牌在2021年之前仍可憑借對增壓直噴技術(shù)節(jié)油潛力的挖掘，加上大面積搭載起停技術(shù)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)，2021年之后將同樣面臨傳統(tǒng)燃油車技術(shù)升級(jí)成本過高的壓力，轉(zhuǎn)而快速發(fā)展更深層次的混合動(dòng)力技術(shù)，2021年開始，寶馬的最佳達(dá)標(biāo)技術(shù)路線是快速應(yīng)用ISG和強(qiáng)混替代起停技術(shù)，最終在2030年以33%的ISG和57%的強(qiáng)混技術(shù)實(shí)現(xiàn)法規(guī)達(dá)標(biāo)。

3.3.3 美系品牌電動(dòng)化技術(shù)

美系企業(yè)電動(dòng)化技術(shù)路線與歐系企業(yè)總體相似，都將大量導(dǎo)入ISG和強(qiáng)混技術(shù)以滿足未來法規(guī)，同時(shí)，美系品牌將發(fā)展少量PHEV。福特和通用在起停技術(shù)發(fā)展比例上存在一定差異，在混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展上福特以ISG和強(qiáng)混為主，2021年前發(fā)展少量起停技術(shù)。通用當(dāng)前已經(jīng)有18%的起停技術(shù)應(yīng)用，近期（2021年前）將大力發(fā)展起停和ISG技術(shù)，遠(yuǎn)期（2021~2030年）隨著法規(guī)不斷加嚴(yán)，將大力發(fā)展ISG和強(qiáng)混技術(shù)。

3.3.4 行業(yè)整體技術(shù)滲透率

從美國市場行業(yè)整體來看，未來ISG將成為眾多OEM法規(guī)達(dá)標(biāo)選擇的對象。同時(shí)，雖然對于各大OEM來說，以最小成本達(dá)標(biāo)側(cè)重的技術(shù)各不相同，但從行業(yè)整體來看，隨著法規(guī)的不斷加嚴(yán)，起停、ISG和強(qiáng)混3種不同程度的混合動(dòng)力技術(shù)將并進(jìn)發(fā)展，2030年三者技術(shù)滲透率分別達(dá)到29%、24%和22%。同時(shí)，2021~2030年僅分別有1%左右的PHEV和BEV產(chǎn)品導(dǎo)入市場。2030年以前，企業(yè)并不需要FCV即可達(dá)到法規(guī)要求。

綜合各大OEM技術(shù)發(fā)展路線，日韓系品牌僅依靠較低電動(dòng)化水平即可滿足2030年法規(guī)，歐系和美系品牌為滿足法規(guī)則必須大量導(dǎo)入ISG和強(qiáng)混技術(shù)。2030年前，PHEV和BEV市場滲透率較低，僅部分OEM有少量發(fā)展，而FCV在2030年前市場滲透率基本為零，如圖7所示。

圖7 行業(yè)整體電動(dòng)化技術(shù)滲透率

3.4 整車關(guān)鍵技術(shù)滲透率

3.4.1 輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)（Mass Reduction）作為重要整車技術(shù)，具有極大的節(jié)油潛力。美國EPA和NHTSA根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的減重效果將輕量化技術(shù)分為不同等級(jí)，本文評(píng)估了MR7.5、MR10、MR15、MR20共4種等級(jí)的輕量化技術(shù)。其中，MR7.5代表輕量化7.5%，主要為車身以外，如線束、裝飾、儀表板等的材料初步替代技術(shù)；MR10主要是采用高強(qiáng)度鋼車身和鋁覆蓋件；MR15主要采用鋁車身及鋁覆蓋件；MR20主要采用鋁車身、鎂和復(fù)合材料組件、復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩等。

圖8所示為對豐田、大眾、通用3家企業(yè)輕量化技術(shù)路線的預(yù)測，可以看出，未來 MR7.5技術(shù)將快速發(fā)展，2030年左右將基本覆蓋所有車型，2030年之前MR7.5以上的輕量化技術(shù)發(fā)展相對有限。

圖8 豐田、大眾、通用輕量化技術(shù)滲透率

3.4.2 空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)

綜合來看，空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)（Aerodynamic，AERO）節(jié)油潛力為2%~5%，且所需成本較低，空氣阻力降低10%（AERO10）單車成本約為200元，降低20%（AERO20）單車成本約為880元[15]，具有較好的成本有效性。

行業(yè)整體空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢預(yù)測見圖9，雖然當(dāng)前空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)滲透率不高，但未來隨著法規(guī)越來越嚴(yán)格，幾乎所有企業(yè)都將大力導(dǎo)入空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)。行業(yè)整體技術(shù)滲透率在2021年將達(dá)到86%，到2030年幾乎所有車型都將應(yīng)用不同層級(jí)空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)。

3.4.3 低滾阻技術(shù)

綜合來看，低滾阻技術(shù)（Low Roll Resistance，ROLL）節(jié)油潛力為2%~4%，滾阻降低10%（ROLL10）單車成本約為35元，滾阻降低20%（ROLL20）單車成本約為240元[15]，同樣具有較高成本有效性，但需綜合考慮油耗、磨損和制動(dòng)效果的平衡，有一定技術(shù)難度。

行業(yè)整體低滾阻技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測見圖9，與空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)相似，雖然當(dāng)前美國市場上幾乎沒有企業(yè)采用低滾阻技術(shù)，但未來隨著法規(guī)加嚴(yán)，幾乎所有企業(yè)都將大力導(dǎo)入空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)，行業(yè)整體技術(shù)滲透率將在2021年接近100%。

3.5 行業(yè)整體技術(shù)路線綜合評(píng)估

3.5.1 行業(yè)整體達(dá)標(biāo)技術(shù)路線

由圖9可以看出，當(dāng)前整體滲透率較高的是VVT、GDI、6AT等技術(shù)，且29項(xiàng)先進(jìn)節(jié)油技術(shù)中只有VVT和6AT技術(shù)滲透率超過50%，其他先進(jìn)節(jié)油技術(shù)還未被大量導(dǎo)入。

隨著法規(guī)的不斷加嚴(yán)，VVL、GDI、停缸、冷卻EGR、8AT及整車技術(shù)將迎來快速發(fā)展，尤其是MR7.5、AERO、ROLL等整車技術(shù)將出現(xiàn)大幅增長。同時(shí)，2021年之前依靠發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及整車技術(shù)等傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，搭配少量混合動(dòng)力技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)，起停、ISG、強(qiáng)混3種混合動(dòng)力技術(shù)滲透率分別達(dá)到10%左右。

到2030年，幾乎所有車型都將搭載VVT、AERO20、ROLL20技術(shù)，VVL、GDI、MR7.5技術(shù)滲透率也將分別達(dá)到62%、69%、80%。TURBO2（2級(jí)增壓技術(shù)，BMEP為2.4 MPa）將不斷替換TURBO1（1級(jí)增壓技術(shù)，BMEP為1.8 MPa）。同時(shí)，2030年停缸和冷卻EGR技術(shù)滲透率將分別達(dá)到22%和29%。8AT將成為未來市場主力，幾乎完全替代5AT和6AT，實(shí)現(xiàn)44%的滲透率，CVT技術(shù)滲透率則將穩(wěn)定在21%左右?？傮w來看，2030年法規(guī)達(dá)標(biāo)需大力挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、整車節(jié)油技術(shù)潛力，同時(shí)發(fā)展30%左右起停技術(shù)、25%左右ISG和20%左右強(qiáng)混技術(shù)。2030年之前只需微量PHEV和BEV，不需要FCV即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

圖9 行業(yè)整體技術(shù)滲透率

3.5.2 技術(shù)整體節(jié)油貢獻(xiàn)率預(yù)測

行業(yè)整體以及豐田、大眾、通用3家典型企業(yè)的節(jié)油貢獻(xiàn)率如圖10所示，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、電動(dòng)化、整車技術(shù)將分別為2021年法規(guī)達(dá)標(biāo)貢獻(xiàn)37.3%、15.1%、21.2%、26.4%的節(jié)油率。2030年發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器節(jié)油貢獻(xiàn)率有所下降，電動(dòng)化及整車技術(shù)貢獻(xiàn)率逐步上升，尤其是整車技術(shù)將從2021年的26.4%上升到31.9%。2030年之前法規(guī)達(dá)標(biāo)路徑中發(fā)動(dòng)機(jī)和整車技術(shù)仍將是重中之重，電動(dòng)化技術(shù)節(jié)油貢獻(xiàn)率將逐步接近發(fā)動(dòng)機(jī)和整車技術(shù)。

圖10 技術(shù)節(jié)油貢獻(xiàn)率

3.5.3 企業(yè)達(dá)標(biāo)成本及戰(zhàn)略決策

圖11對2025年企業(yè)單位節(jié)油率技術(shù)成本增量和企業(yè)單車達(dá)標(biāo)總成本增量（以2015年為基準(zhǔn)）進(jìn)行了預(yù)測，其中,達(dá)標(biāo)總成本包括技術(shù)成本、積分交易或罰款成本?？梢钥闯觯磥須W美企業(yè)達(dá)標(biāo)所需技術(shù)成本和總成本都普遍高于日系企業(yè)，這也意味著歐美企業(yè)未來技術(shù)升級(jí)成本壓力將不斷變大。豐田是所有OEM中單位節(jié)油率提升所需技術(shù)成本增量最低的，也是將技術(shù)成本有效性挖掘最好的企業(yè)。綜合來看，2025年行業(yè)整體燃油經(jīng)濟(jì)性每提升1%，所需增加的技術(shù)成本為77美元。相比2015年，行業(yè)平均單車達(dá)標(biāo)總成本增量為2 070美元，平均年增加成本為207美元。

圖11 2025年企業(yè)單位節(jié)油率技術(shù)成本增量及單車達(dá)標(biāo)總成本

美國2017~2025年輕型車燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)所確定的標(biāo)準(zhǔn)年改善率為4%[17]，2025年之后的法規(guī)還未頒布。考慮到積分后向轉(zhuǎn)結(jié)、產(chǎn)品開發(fā)周期等因素，部分企業(yè)在2025年之后還需要幾年燃油經(jīng)濟(jì)性才能達(dá)到2025年法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)水平，所以模型將2030年法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為與2025年水平一致，以分析樂觀情景下企業(yè)達(dá)標(biāo)情況。

綜合分析可知，日韓企業(yè)在法規(guī)達(dá)標(biāo)上始終處于領(lǐng)先，2015年本田、馬自達(dá)、三菱、日產(chǎn)、豐田等企業(yè)展現(xiàn)出較大的達(dá)標(biāo)優(yōu)勢。未來，日韓企業(yè)始終可以滿足美國CAFE法規(guī)而不被罰款。美系企業(yè)現(xiàn)階段達(dá)標(biāo)情況不容樂觀，而未來將大力發(fā)展節(jié)油技術(shù)以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

以豪華車型為主的歐系企業(yè)則始終在“水位線”以下。根據(jù)EPA和NHTSA與各大OEM的一對一調(diào)研，在技術(shù)升級(jí)成本和罰款的權(quán)衡問題上，歐系品牌表示在沒有達(dá)到法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的情況下愿意接受罰款，而日韓及美系企業(yè)則表示不愿接受罰款，將通過技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。限于過高的技術(shù)升級(jí)成本，歐系品牌目前及未來很長一段時(shí)間將采取的策略是即使被罰款，但依靠盈利較強(qiáng)的豪華車仍可換來較大收益。目前美國法規(guī)已經(jīng)將罰款額度從$129/（km·L-1）上調(diào)至$329/（km·L-1），未來若進(jìn)一步上調(diào)罰款力度，歐系企業(yè)的技術(shù)策略可能會(huì)出現(xiàn)巨大變化。

4 總結(jié)

4.1 美國節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1.1 節(jié)能技術(shù)發(fā)展

未來美國CAFE法規(guī)將持續(xù)促進(jìn)各大企業(yè)對先進(jìn)節(jié)能技術(shù)潛力的挖掘。在動(dòng)力總成方面，除了VVT、VVL、GDI等發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將被幾乎所有美國市場上的企業(yè)大力導(dǎo)入之外，各大OEM根據(jù)派系不同，將呈現(xiàn)出一定的技術(shù)路線差異。

歐系企業(yè)的產(chǎn)品以豪華型轎車為主，目前已經(jīng)大力發(fā)展增壓直噴，長期來看將無法滿足法規(guī)要求，因此，2021年之后將大力發(fā)展ISG和強(qiáng)混技術(shù)。先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)方面，只有大眾會(huì)以相對高的比例（15%）投入，但仍會(huì)隨時(shí)間推移不斷下降。

以豐田為代表的大量日系企業(yè)在堅(jiān)持自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線的同時(shí)，將逐步推出渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。2021年前大部分日系企業(yè)將深入挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)潛力，依靠自然吸氣直噴技術(shù)和增壓直噴技術(shù)進(jìn)行法規(guī)達(dá)標(biāo)，少部分企業(yè)如豐田將在此基礎(chǔ)上同步發(fā)展強(qiáng)混技術(shù)。2021年之后幾乎所有日系企業(yè)都將借助“自然吸氣直噴+增壓直噴+起停+強(qiáng)混”的技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)法規(guī)達(dá)標(biāo)。

美系企業(yè)的產(chǎn)品以中大型車為主，因此油耗更高，達(dá)標(biāo)壓力更大。美系企業(yè)兼顧自然吸氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)兩條技術(shù)路線，并且2021年前將在傳統(tǒng)汽油機(jī)和混合動(dòng)力技術(shù)兩方面同步發(fā)展。2021年之后將大力發(fā)展ISG和強(qiáng)混技術(shù)，部分企業(yè)將逐漸以更深度的混合動(dòng)力技術(shù)全面替代起停技術(shù)。

韓系企業(yè)始終以自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為主要技術(shù)路線，2021年之前將主要以自然吸氣直噴技術(shù)搭配起停技術(shù)滿足法規(guī)。2021年之后在此基礎(chǔ)上將逐漸導(dǎo)入ISG和強(qiáng)混技術(shù)。

變速器方面，多擋化是未來自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，美國市場6AT向8AT轉(zhuǎn)換的趨勢明顯，同時(shí)，幾乎所有企業(yè)都將AT作為重要技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，2030年，AT將占據(jù)近一半變速器市場。本田、日產(chǎn)、三菱、斯巴魯?shù)热障灯髽I(yè)會(huì)持續(xù)大力發(fā)展CVT。DCT技術(shù)應(yīng)用主要以歐系企業(yè)為主，大眾作為DCT的主要推動(dòng)者，未來仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展DCT技術(shù)，但受混合動(dòng)力及新能源車型的影響，滲透率也呈現(xiàn)下降趨勢。

綜合來看，傳統(tǒng)動(dòng)力總成技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化和采用混合動(dòng)力技術(shù)將是滿足美國CAFE法規(guī)的必由之路。日系品牌憑借在節(jié)能技術(shù)和車型上的優(yōu)勢，僅依靠較少強(qiáng)混技術(shù)就可以滿足2030年法規(guī)，歐系和美系品牌為滿足法規(guī)則必須大量導(dǎo)入ISG和強(qiáng)混技術(shù)。

對于整車技術(shù)而言，未來行業(yè)整體技術(shù)趨勢趨同。雖然目前美國市場上整車技術(shù)應(yīng)用比例不高，但整車技術(shù)具有較大節(jié)能潛力，并且隨著時(shí)間推移，技術(shù)成熟度和成本有效性不斷提高。未來在動(dòng)力總成技術(shù)不斷被挖掘到極致的情況下，整車技術(shù)對于法規(guī)達(dá)標(biāo)至關(guān)重要。并且整車技術(shù)對于傳統(tǒng)燃油車和新能源車都適用，未來美國市場上幾乎所有的廠商都會(huì)大力導(dǎo)入空氣動(dòng)力學(xué)、低滾阻技術(shù)以及輕量化技術(shù)，并在2030年實(shí)現(xiàn)接近100%的滲透率。

4.1.2 新能源技術(shù)發(fā)展

對于CAFE法規(guī)下的美國市場而言，2030年前PHEV和BEV市場滲透率較低，只有部分OEM有少量發(fā)展，F(xiàn)CV在2030年之前市場滲透率基本為零。2021年之前，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及整車技術(shù)等節(jié)能技術(shù)的充分優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)CAFE法規(guī)達(dá)標(biāo)，2022~2030年需根據(jù)企業(yè)實(shí)際導(dǎo)入起停、ISG及強(qiáng)混技術(shù)，但只需要微量新能源汽車和先進(jìn)柴油車，基本不需要燃料電池汽車的貢獻(xiàn)。這也在一定程度上說明了CAFE法規(guī)還沒有為新能源汽車的發(fā)展提供足夠的推動(dòng)力。

4.2 美國CAFE法規(guī)評(píng)估

美國乘用車節(jié)能技術(shù)發(fā)展在全球范圍內(nèi)一直處于領(lǐng)先地位，其技術(shù)趨勢和達(dá)標(biāo)路徑可為中國中長期技術(shù)發(fā)展路徑提供重要參考。但另一方面，由于美國目前缺少全國性NEV法規(guī)，因此新能源汽車發(fā)展動(dòng)力不足。雖然CAFE法規(guī)規(guī)定以新能源汽車真實(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性除以0.15的“杠桿”作為其核算的燃油經(jīng)濟(jì)性，且沒有CAFE放大作用的上限規(guī)定[17]，同時(shí)溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放法規(guī)也對EV等進(jìn)行了核算乘數(shù)優(yōu)惠[18]，以鼓勵(lì)企業(yè)發(fā)展新能源汽車。但始終保持一致性原則的CAFE和GHG法規(guī)對新能源汽車的推動(dòng)力都不明顯，2025年法規(guī)達(dá)標(biāo)中新能源汽車的貢獻(xiàn)都微乎其微[11]。加州零排放汽車（Zero Emission Vehicle，ZEV）法規(guī)雖然對各類新能源汽車的發(fā)展有極大的推動(dòng)作用，并且獲得了另外10個(gè)州和華盛頓特區(qū)的響應(yīng)和加入，但合計(jì)也只覆蓋了美國30%的汽車市場[19-20]，還無法形成對全國范圍內(nèi)新能源汽車的推動(dòng)。因此，相比對新能源汽車發(fā)展的推動(dòng)，美國燃油經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體排放法規(guī)對節(jié)能技術(shù)的導(dǎo)向和技術(shù)發(fā)展趨勢對中國更具有借鑒意義。

長期來看，先進(jìn)節(jié)能技術(shù)投入應(yīng)用和新能源汽車開發(fā)均不可松懈。尤其是中國近期最新發(fā)布的“雙積分”法規(guī)[21]，可謂率先在全國范圍內(nèi)建立節(jié)能與新能源汽車管理長效機(jī)制，為節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展提供了倒逼動(dòng)力。同時(shí)雙積分并行管理法規(guī)的出臺(tái)也將更加挑戰(zhàn)企業(yè)產(chǎn)品組合和技術(shù)決策能力。相比中國政府對節(jié)能減排政策的積極推動(dòng)，美國新一屆政府退出《巴黎協(xié)定》等舉措很可能將減緩節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展步伐，不利于未來節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展。

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