內燃機與新能源動力發展的競爭之路

根據世界汽車組織與汽車工業協會的統計，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公司發布的《交通運輸業預測: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 內燃機對世界環境的影響
巨大的汽車生產量和保有量已經對環境產生了顯著影響，尤其是人類的生存環境遇到了的挑戰。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，汽車行業一直致力于整車系統的輕量化、動力系統的小型化和節能減排，以緩解汽車工業對氣候與環境產生的巨大影響，同時也包括了對新能源動力的應用。從2017年下半年開始，各國都陸續發聲禁售燃油車，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，而是來自于環保行業協會的倡議，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，內燃機行業將注定會發生巨大的變化。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。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、循環壽命長、無污染等優點，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 索尼公司研發的18650鋰電池
根據鋰電產能的預期，2018—2020年鋰電產能將持續保持每年約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進行擴張的強需求下，鋰產量很可能在未來幾年持續增多。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%，遠高于使用傳統發動機的成本構成。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，動力電池系統總質量超過1t。按照碳酸鋰年增產能4000t的規模計算，純電動車型的年增產能將再難以突破5萬輛的規模(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退潮和企業的可持續發展，大部分車企都轉而主攻混合動力作為企業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性的增長，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”進程將明顯加快，內燃機的“電氣化”發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，以及空調系統的優化控制，將提升整個動力系統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帶來新的發展機遇，并必然深刻影響內燃機行業的技術變革和發展。

圖9 2018年即將或已經上市銷售的部分混合動力車型