內燃機與新能源動力發(fā)展的競爭之路

根據(jù)世界汽車組織與汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2017年全球汽車產(chǎn)量達到9498萬輛，其中乘用車和商用車產(chǎn)量占比分別約為75%和25%。2017全年，我國全年汽車產(chǎn)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(chǎn)銷2480．67萬輛和2471．83萬輛，同比增長1．58%和1．40%;商用車產(chǎn)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(chǎn)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年新能源汽車市場占比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(chǎn)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 全球汽車產(chǎn)量預測
根據(jù)咨詢機構LMCAutomotive發(fā)布的世界輕型汽車展望(GlobalLightVehicleOverview)預測，2018年前后，全球汽車年產(chǎn)量將突破1億輛(表1)。其中，亞洲地區(qū)是最大的增量所在，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(chǎn)汽車的速度超過了人口增長的速度。全球每秒鐘約生產(chǎn)3輛汽車，其中就有1輛誕生在中國，無疑中國已經(jīng)成為世界性的汽車生產(chǎn)大國和消費大國。

表1 2018—2020年世界汽車產(chǎn)量情況預測(單位:萬輛)
根據(jù)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 未來幾年全球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(chǎn)量和保有量已經(jīng)對全球環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響，尤其是人類的生存環(huán)境遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。圖2為巴西圣保羅高速匝道口車輛通行情況。在最近十幾年內，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)對全球氣候與環(huán)境產(chǎn)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，全球各國都陸續(xù)發(fā)聲禁售燃油車，其中，歐洲的反應最為強烈，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(xié)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
新能源汽車最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(xiàn)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(jù)主導地位。圖3為索尼公司研發(fā)的18650型鋰電池。
4 全球鋰電需求
2014年全球鋰電產(chǎn)能約為59GW·h，2015年增加至76GW·h，2016年鋰電產(chǎn)能同比增長25．0%，達到95GW·h。2017年全球鋰電產(chǎn)能達到115GW·h。

圖3 索尼公司研發(fā)的18650鋰電池
根據(jù)全球鋰電產(chǎn)能的預期，2018—2020年鋰電產(chǎn)能將持續(xù)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年全球鋰電總產(chǎn)能預測。

圖4 2014—2020年全球鋰電總產(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 全球鋰礦資源及開采現(xiàn)狀
從全球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(jù)了全球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)力度卻最大，年產(chǎn)量接近于全球總開采量的一半(表3)。

表3 全球鋰礦探明儲量及資源分布

圖5 全球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(jù)美國地質勘探局(USGS)公布的數(shù)據(jù)顯示，世界頂鋰生產(chǎn)國正在盡最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，因為鋰礦資源是不可再生的，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年全球鋰礦生產(chǎn)國的開采量，其中澳大利亞和智利占據(jù)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(xiàn)階段對于鋰礦的開采都微乎其微。2016年全球鋰產(chǎn)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(chǎn)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(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，最后形成碳酸鋰。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域集中度分析。

表4 全球八大鋰礦生產(chǎn)國開采量(單位:萬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域集中度分析
6 新能源動力電池
如表5所示，根據(jù)鋰礦資源及相關原材料的流向可以看出，最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%，超過全球的平均值，表5為全球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(jīng)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(chǎn)成本的進一步上升(圖8)。

表5 全球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 全球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(jīng)被邊緣化。而三元鎳鈷鋁酸鋰電池，主要應用于高端純電動車型。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(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為目前全球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(chǎn)采用的改性錳酸鋰能量密度也超過了130(W·h)/kg，但是據(jù)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(xiàn)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。按照全球碳酸鋰年增產(chǎn)能4000t的規(guī)模計算，純電動車型的年增產(chǎn)能將再難以突破5萬輛的規(guī)模(包括中大型純電動客車)，無法滿足目前全球年增50萬輛新能源車的產(chǎn)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(jù)該政策措施，純粹生產(chǎn)傳統(tǒng)燃油車的車企將無法得到整車生產(chǎn)配給。預計在2018—2025年，混合動力的車型種類和產(chǎn)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(xiàn)，進一步提高低速扭矩表現(xiàn)，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(xiàn)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(jīng)濟性。圖9為2018年即將或已經(jīng)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(xiàn)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(jīng)上市銷售的部分混合動力車型