清華大學汽車工程系主任、汽車安全與節能國家重點實驗室主任歐陽明高

一、我國面臨的挑戰和機遇

1、交通能源與環境問題是21世紀全球面臨的重大挑戰，對我國尤為嚴峻

目前世界汽車保有量約8億輛，預計到2020年全球汽車保有量將達到12億輛，主要增量來自發展中國家。國際能源機構（IEA）的統計數據表明，2001年全球57%的石油消費在交通領域（其中美國達到67%）。預計到2020年交通用油占全球石油總消耗的62%以上。美國能源部預測，2020年以后，全球石油需求與常規石油供給之間將出現凈缺口，2050年的供需缺口幾乎相當于2000年世界石油總產量的兩倍。與此同時，交通能源消耗也是造成局部環境污染和全球溫室氣體排放的主要來源之一。為此，全球已達成共識：交通能源轉型勢在必行。

近年來，我國汽車業迅猛發展。2005年，我國汽車產、銷量均超過570萬輛，分別居世界第三位和第二位，自主品牌轎車和汽車出口均出現大幅增長。預計2020年前我國將成為世界上較大的汽車制造國和主要的汽車出口國之一。我國目前的汽車人均保有量還很低，2003年每千人汽車保有量僅為美國的2.5%（19輛），大約相當于美國90年前的水平，是世界上汽車市場潛力較大的國家，預計2020年汽車保有量將達到1.3～1.5億輛。但是，當我國剛剛到達汽車社會門檻，車用石油消費在石油總消費中的比例（1/3以下）還大大低于世界平均水平時（1/2以上），我們已經感受到了石油供應的日益緊張。同時，車用石油消耗所產生的空氣污染和CO2排放也正在變成愈來愈嚴重的問題，我國已經成為世界上第二大CO2排放國，由此產生的國際政治和經濟爭端將會愈演愈烈。這充分表明，我國所面臨的石油安全與交通能源問題將來勢更猛、影響更大、挑戰更加嚴峻。按傳統交通能源動力系統發展下去，不可持續，實現我國交通能源動力系統轉型是大勢所趨。

2、未來20年是我國交通能源動力系統轉型的戰略機遇期

歷史上，交通能源動力系統變革一直處于技術革命和經濟轉型的核心位置。十九世紀，煤和蒸汽機火車引發了歐洲的工業革命，開創了人類的工業經濟和工業文明；二十世紀，石油和內燃機汽車促成了美國的經濟騰飛，把人類帶入了基于石油的經濟體系與物質繁榮，也帶來了能源環境的巨大挑戰。進入二十一世紀，以替代燃料和混合動力為代表的各種新型汽車能源動力技術迅猛發展，相互競爭，引發了一場新的技術變革，預示著人類將要進入后石油時代過渡期和能源動力技術創新突破的機遇期。

這場能源動力系統變革的主要趨勢是汽車能源多元化、汽車動力電氣化和汽車排放潔凈化：基于可再生能源的生物燃料對于各種車輛具有良好的適用性，成為各國共同推廣的新型燃料；混合動力作為新型汽車能源動力技術共性平臺，繼承了先進內燃機技術，結合高效潔凈的電力驅動方式，既充分利用現有燃料基礎設施，又能包容各種新型燃料，現已成為新型動力汽車產業化的里程碑；燃料電池作為一種新興能量轉換裝置，盡管目前還存在很多需要克服的技術障礙，但其作為新一代汽車能源動力系統的遠期解決方案仍然被全球所看好。

汽車能源動力技術的變革是一個比較漫長的過程。混合動力有望在近中期逐步普及；燃料電池汽車的規模商業化大約在2020年以后。面向中長期的汽車技術發展，我國汽車所處的這一技術變革時期為我國交通能源動力系統變革提供了歷史機遇。

機遇之一：中國的資源和能源狀況適合發展新能源交通動力系統。中國缺油、少氣、多煤，這一結構特點給交通能源可持續發展帶來了嚴峻的挑戰。基于各種資源特點的多種替代燃料可以充分發揮我國地域遼闊和資源多樣性的優勢，因地制宜發展基于煤炭的燃料工業、基于生物質的農業能源和基于天然氣的各種氣體燃料技術，從而實現交通能源來源的多樣化。同時，從我國城鄉布局看，城市模式以大城市群為主要特點，汽車燃料基礎設施比較集中，有利于燃料清潔化管理和監督。我國廣大農村，隨地區不同，其一次能源資源特點也不同，這比較適合發展一次能源來源多元化、燃料制取和消費當地化的燃料供應體系。

機遇之二：我國具有實現交通能源動力系統變革的后發優勢。從我國汽車發展階段看，具有后發優勢。盡管發達國家政府均大力推動各種代用燃料汽車的應用和向氫能燃料電池汽車動力系統的轉型，但是其傳統汽車產業龐大，石油基礎設施完善，消費習慣難以轉變，實施轉型社會成本高昂，轉型難度很大。而我國汽車工業剛剛發展起來，汽車普及率低，因而在汽車動力系統發展戰略選擇上，有更大的自由度。相對常規汽車而言，我國在新能源汽車研發和產業化方面具有比較優勢。如果政策得當，可以在世界上率先實現轉型。

機遇之三：實施汽車動力系統變革，是多年來我國發展清潔汽車和電動汽車成功實踐的戰略總結和發展的必然要求。基于對我國能源安全、環境保護和實現我國汽車工業跨越發展的戰略考慮，“九五”期間，科技部會同有關部委組織實施了“清潔汽車行動”，取得了重大階段性成果。目前，全國已有燃氣汽車22萬輛，加氣站700余座，年替代石油150萬噸。而且天然氣汽車呈現快速增長勢頭，預計今后幾年將進入大規模推廣應用階段。“十五”期間，科技部組織實施了“電動汽車重大科技專項”，國家投入8.8億元，是較大的科技專項之一。全國200余家單位、2000多名骨干科技人員直接參與實施，初步形成了官、產、學、研合作機制。目前，小型純電動車輛已經開始小規模產業化，混合動力汽車已有多個車型通過國家認證成為產品，燃料電池汽車已進入示范考核運行階段。自主開發的燃料電池、動力蓄電池、驅動電機和電子控制系統具備批量化生產能力。這為我國汽車動力轉型戰略的實施，奠定了堅實的技術、人才和實踐基礎。

二、我國交通能源動力系統發展的戰略選擇

基于我國汽車能源動力系統面臨的挑戰與機遇，我國汽車能源動力系統發展目標應當是立足轉型、盡快轉型。但是，新型汽車能源動力系統與現有汽車能源動力系統存在著千絲萬縷的聯系。同時，我國當前汽車產業發展和節能環保問題還要靠現有汽車能源動力技術解決。為此，應當選擇一種“過渡”和“轉型”并行互動、協調發展的戰略。一方面，發展節能汽車解決緊迫的能源安全問題，另一方面，開展新能源汽車研究，瞄準未來汽車競爭制高點和實現汽車能源動力系統的可持續發展。

1、節能汽車

優化現有以石油和內燃機為基礎的車用能源動力系統，發展節能汽車，重點發展直噴式內燃機及其混合動力系統。利用現有液體燃料基礎設施，實施汽柴油清潔化戰略，逐步與國際燃油規范接軌；大力發展各種合成燃料，尤其是符合中國國情的煤基合成燃料，并與汽柴油混合，形成新型清潔燃料。

2000年以來，我國汽車（包括農用汽車）汽柴油年消費約占全國汽柴油消費總量的一半，石油消費的1/3左右。這一數據說明三個問題：1）車用汽柴油消費總量與石油消費總量同步快速增長。考慮到汽車市場的持續升溫，石油安全風險很大。2）與國際平均水平相比，我國汽柴油消費占石油總消費的比例較低。通過石油消費結構調整優化，可實施汽車燃料的間接替代。主要是通過置換方式將替代難度較小的工業燃料等用非石油產品先行替代，將其原先使用的石油燃料用于汽車。則在相同石油消費總量下，車用燃料消費總量大約具有20％以上的上升空間。3）我國目前車用燃油消費總量與汽車保有量之比偏高，也即汽車油耗量偏大，節能的潛力巨大。2002年，我國計入農用車和摩托車后的等效平均單車年耗油量約為1.5噸，接近美國2000年的平均單車年耗油量，而大大高于2000年的法國(1.2噸）和日本（1噸）。平均單車年耗油量取決于車輛技術、車型結構和行駛里程以及運行工況等因素,中長期均有較大的改善潛力。根據國家中長期科技規劃能源領域戰略研究結果，建議2020年我國汽車節能目標為：在汽車保有量調節在1.5億輛以內的前提下，平均單車年油耗量控制在1噸左右。與目前相比，節約1/3左右，節油潛力7000萬噸左右。汽車燃油消耗總量控制在1.5～2億噸。為了達到這一目標，關鍵的節能汽車能源動力技術如下：

（1）高效柴油發動機技術

轎車柴油機節能效果與汽油混合動力不相上下。據國務院發展研究中心分析預測，如果2020年我國柴油轎車發展到乘用車的20％，則當年可節約燃料1880萬噸。為此應當在我國發展先進的柴油轎車，但是必須解決好排放控制關鍵技術問題。主要包括：柴油機電控技術，排氣后處理技術和清潔柴油與代用柴油技術；柴油機電控高壓燃油噴射系統和智能化發動機電子管理系統，是綠色高效柴油機核心關鍵技術，應當大力發展；柴油機排放控制可采取如下應對策略：EGR（廢氣再循環）技術成熟，效果顯著，應盡快推廣使用；DPF（微粒捕捉器）技術2010年前將會在歐洲柴油轎車普及，我國需加快應用速度；NOx（氮氧化物）催化轉換器技術路線需要慎重選擇，SCR在商用車中的應用應當引起重視；發展合成柴油和生物柴油對解決柴油的數量和質量都具有重大意義，要大力發展代用柴油技術，力爭在2020年，將生產能力提高到1000萬噸以上。根據2002年統計，我國農用車所消耗的柴油總量與常規柴油車的柴油消耗總量不相上下。開發節能、經濟的新型農用車并逐步采用農業能源作為燃料對于汽車節能和發展農村經濟具有重大戰略意義。

（2）節能汽油發動機技術

當前，我國的轎車基本上是汽油轎車，目前采用的轎車汽油發動機還有20％以上的節能潛力。汽油發動機節能技術的發展呈如下趨勢：缸內直噴技術、電輔助增壓、電動氣門、可變壓縮比、停缸控制技術等將在今后五年規模產業化。世界各國正在對直噴汽油發動機技術開展深入研究。以日本為代表的非均質直噴技術面臨燃燒穩定性和后處理等問題，以歐洲為代表的均質直噴技術正在興起。電動氣門與無凸輪發動機技術也在突破之中。電動氣門具有與電控噴射同等重要的意義，它將給發動機空氣系統控制和循環過程管理帶來一系列節能技術變革，如取消節氣門，可變壓縮比、部分停缸等。目前我國轎車主要集中在大城市。在中小城市和農村，摩托車和三輪摩托車是主要個人交通工具，保有量已達1.2億輛以上，其節能環保水平急待提高，其升級換代趨勢值得關注。有針對性的開發具有中國特色的超微型節能汽油車具有重要的節能意義和市場前景。

（3）先進的混合內燃機技術

先進內燃機的發展呈現多重混合化趨勢。

燃料供應的混合：常規汽柴油與代用燃料混合。以常規汽柴油為主，將各種代用燃料，包括醇醚燃料與汽柴油摻混并進行適當設計將會成為主流燃料技術。

燃燒方式的混合：汽油機均質充氣與柴油機壓燃點燃混合。以燃料混合技術和控制技術為基礎，綜合汽油機和柴油機兩種燃燒方式優點的均質壓燃HCCI內燃機技術正在興起。

輸出功率的混合：內燃機與電機功率的混合。新型集成化大功率啟動電機/發電機一體化裝置ISG與新型電源系統技術既是內燃機電控技術的擴展和深化，也是復雜混合動力傳動系統的基礎模塊技術。內燃機的混合化是聯結現有汽車節能環保技術與新能源汽車技術之間的橋梁。

2、新能源汽車

開發新一代車用能源動力系統，發展新能源汽車。重點發展各種液體代用燃料發動機及其混合動力汽車，逐步過渡到采用生物燃料的混合動力和可充電的混合動力；進一步發展以天然氣為主體的氣體燃料基礎設施，分步建設長期可持續利用的氣體燃料供應網絡；以天然氣發動機為基礎，發展各種燃氣動力，尤其是天然氣/氫氣內燃機及其混合動力；發展新一代燃料電池發動機及其混合動力，到2020年，達到規模商業化水平；大力推進動力電池的技術進步，發展適合中國國情的純電動車尤其是微型純電動車。以城市公交車輛為重點，以點帶面，穩步推進新能源汽車的示范與商業化。

（1）車用能源轉型的方向和重點

車用能源轉型的方向將從石油、天然氣/煤層氣、煤基燃料向生物質燃料和化石能、核能及可再生能源制氫和發電過渡。從資源來源看，中長期車用石油替代燃料的主體將來自三方面：煤基燃料、生物燃料、天然氣燃料。到2020年，總量將可達到3000萬噸以上，占車用燃料總消費的15％～20％，與歐盟的預期目標基本相同。從車輛應用角度看，車用代用燃料主要有三類：含氧燃料（醇/醚/酯）、合成油（BTL/CTL/GTL）、氣體燃料（甲烷氣/合成氣/氫氣）。含氧燃料技術成熟，是近期推廣應用的重點，一般以摻混使用為宜。合成油與現有車輛技術體系和基礎設施完全兼容，而且是一種優質的環保燃料。其技術也還有較大的改進余地。從中長期看，將成為一種主體代用燃料。氣體燃料中，甲烷氣是近中期的重點，以天然氣為例，2020年，我國天然氣供應量可達到1200億m3以上，如拿出10％左右用于汽車就可替代1000萬噸左右汽柴油；合成氣是各種一次能源通過氣化工藝制成的富氫氣體，是各種汽車新型燃料的原料氣，也可直接用作車用燃料，在車用能源轉型中發揮著關鍵作用；氫氣是一種原料來源廣泛、尾氣排放為零的環保燃料，是車用能源轉型的戰略目標之一。根據國家中長期科技發展規劃綱要，我國將從基礎科學研究、前沿技術創新、工程應用開發等多個層面實施對氫能技術的重點突破。

（2）汽車動力轉型與混合動力

汽車動力系統是一個完整的體系，包括燃料、發動機、動力傳動系統三個主要層次。根據生命周期循環分析，從油井到車輪的效率來看，源于石油的較佳組合是：汽油/柴油—內燃機—混合動力；源于天然氣、煤的氫燃料電池及其混合動力可與合成燃料內燃機及其混合動力競爭。近年來，汽車動力系統較大的突破是混合動力技術，它為汽車動力系統的轉型奠定了基礎平臺。

當前，內燃機混合動力轎車產業化是動力轉型的里程碑。采用混聯式汽油混合動力系統的轎車城市工況可節油40%左右。混合動力還為汽車排放控制尤其是城市工況條件下的排放控制提供了有效的新途徑。鑒于我國私人轎車主要集中在大中城市，混合動力轎車非常適合在我國推廣使用。同時,我國是一個公交車大國,在公交車中推廣使用混合動力車輛也具有重要的節能環保意義。要借鑒我國汽車產業在發動機電控噴射等技術變革中所積累的開發經驗和商業模式，并通過稅收優惠等激勵政策，大力開發和推廣混合動力。

今后，發展我國混合動力有兩條技術路線值得重視：一是轎車混合動力的模塊化。通過功能模塊的發展與組合逐步推進汽車動力的電氣化。從只具備自動啟停、怠速關機功能的“微混合（micro-hybrid）”、以并聯式混合動力發動機為主體的“輕混合(mild-hybrid）”和以混聯式為特征的“全混合(full-hybrid）”，隨著電功率的比例逐步提高，較終過渡到串聯式“可充電混合(plug-in-hybrid）”。二是城市客車混合動力系統的平臺化。發電機組+驅動電機+儲能裝置構成了混合動力系統的基本技術平臺。通過換用不同的輔助動力總成(APU）適應從汽、柴油內燃機到氫能燃料電池各種不同的能源動力轉化裝置，形成油—電、氣—電、電—電各種不同混合動力，促進動力系統的平穩過渡與轉型。

（3）汽車能源動力轉型的關鍵與瓶頸：動力蓄電池和氫能燃料電池

目前，新型動力電池尚不能很好滿足汽車使用要求，即使對于已經產業化的國外混合動力轎車用動力電池也還存在初始成本高，使用壽命短等問題。動力蓄電池同時涉及混合動力、純電動和燃料電池三種電動汽車，因此動力系統的轉型將強烈依賴電池技術的突破。盡管混合動力的產業化會大大促進動力電池尤其是高功率型動力電池的技術進步，但是近三十年來車用動力電池研發的經驗表明其技術進步過程將呈現出長期、穩步和漸變的特征。

氫燃料電池系統是較具效率潛力的車用發動機，并能帶來全新的汽車設計概念。據IEA2004年統計，全球能源科技研發公共資金投入中約12％投向了氫能燃料電池。近年來，燃料電池汽車技術得到了快速的發展，例如電堆大規模生產成本已降低到接近100美元/千瓦。但是，車用燃料電池商業化還面臨一系列重大挑戰：壽命仍需提高兩倍以上，還有儲氫、氫源基礎設施等重大問題有待解決。以低溫膜和碳極板為標志的車用質子交換膜燃料電池技術研發和投資的第一高潮已經過去。以復合增強高溫膜、低鉑催化劑和金屬雙極板為標志的新一代技術正在興起。美國能源部2005年8月發布較新技術路線圖，美國國會批準繼續加大氫能燃料電池投入，全球正在為燃料電池產業化而繼續努力，我國在氫能燃料電池技術競爭中處于除日本、加拿大、美國之后的第二行列。

總體上講，燃料電池是車用動力系統的一個長遠解決方案。其中，燃料電池城市大客車可望率先實現商業化。美國正在實施國家計劃，目標是到2015年使燃料電池城市客車占到新增城市公交車的10％。相比而言，城市公交在我國更具戰略地位，我國大客車產業更具國際競爭力。應當把燃料電池大客車作為燃料電池汽車商業化的突破口。

（4）我國新型能源動力汽車發展趨勢與進程展望

綜合國外各種研究預測和各大國際汽車公司與能源公司的技術發展路線圖，結合我國具體國情和發展現狀，可初步展望我國汽車能源動力系統的轉型趨勢：

1）2010年左右，隨著石油價格的上漲和燃油稅的征收以及排放法規與國際接軌，我國汽車能源動力系統技術轉型的轉折點將會出現。以混合動力和混合燃料為主體的新能源動力系統車輛產業化高潮將會到來。

2）2020年左右，隨著常規石油供需缺口的出現和CO2政策法規的實施以及燃料電池、動力電池等新型能源動力技術的進步，我國汽車能源動力系統技術轉型將取得進一步突破，燃料電池轎車產業化可望興起。

3）21世紀上半葉，基于各種液體燃料及其基礎設施的先進內燃機與混合動力車、基于各種氣體燃料及其基礎設施的燃氣與燃料電池車、基于電燃料及其基礎設施的純電動車在將會長期并存。其中先進內燃機與混合動力車將占主導地位。燃氣與燃料電池車以及純電動車之和在21世紀中葉前后可望達到汽車銷量的1/3～1/2。

我國新型汽車能源動力系統的發展進程路線將是沿著中國特色之路逐步走向世界前沿。

◎內燃機及其混合動力車將會出現適合我國城市工況的輕度混合動力小型車、適合地區特點的超微型汽油車等特色車型，其所用燃料近中期將以汽柴油為主，摻混少量替代燃料。中遠期，各種替代燃料的比例將會逐步加大逐步發展出基于生物燃料的充電式（plug-in）內燃混合動力車；

◎燃氣與燃料電池車將從目前世界上較大的天然氣公交車隊、燃料電池混合動力公交車隊，逐步發展出規模產業化的氫能燃料電池轎車；

◎純電動車將從目前世界上較大的電動自行車生產國（年產1000萬輛），發展出裝備先進動力電池的微型電動車并廣泛推廣使用。

考慮到新技術研發與應用推廣中的各種風險和不確定性，上述預測是一種比較初步和粗略的估計，需要根據新的進展加以修正。但這一展望可以作為我們努力爭取的目標。

三、我國應采取的科技對策

基于節能與新能源汽車“過渡”與“轉型”的雙重發展戰略，我國汽車能源動力系統的科技對策可遵循三條基本技術路線。三管齊下，并行互動：

（1）開發和推廣先進內燃機與混合動力汽車，解決緊迫的節能與環保問題并促進自主品牌汽車發展，推進動力系統技術轉型。

（2）研發和應用氣體燃料、煤基燃料和生物燃料等汽車代用燃料，促進交通能源來源多元化，同時有步驟的推動基礎設施的擴展和轉型。

（3）開展燃料電池汽車和純電動車的研發、示范和產業化，促進新能源電動汽車技術創新與重點跨越。

近年來，國家攻關計劃、清潔汽車行動、電動汽車重大科技專項的實施，極大地推動了我國節能和新能源汽車的技術變革。根據國家中長期科技發展規劃，今后將進一步加大力度，推進我國汽車能源動力科技創新與產業化。為此建議：

1）以2020年節約和替代車用燃料總量達到1億噸（節約7000萬噸，替代3000萬噸）為目標，推進節能與新能源汽車并行互動與協調發展戰略。在市場方面，要以節能汽車為主體,大力發展小型化和微型化的節能環保國民車，盡快實施燃油稅，加大油耗法規推進力度。在研發方面，要以新能源汽車為戰略重點，緊緊抓住未來二十年汽車能源動力系統技術變革的戰略機遇期，官產學研聯合攻關，實現中國汽車產業由產量大國到技術強國的跨越發展。

2）采用“置換”（間接替代）、“摻混”（部分替代）、“代替”（全部替代）三管齊下，先易后難、穩步發展汽車替代能源；大力發展煤基、生物質基、天然氣基石油替代燃料，促進交通能源多元化；繼續發展燃油、燃氣、電三種燃料/能源的基礎設施，實現交通能源載體盡可能的兼容性和一體化；

3）開發醇/醚/酯含氧燃料、BTL/CTL/GTL合成油、天然氣/合成氣/氫氣氣體燃料三大類代用燃料技術及其車輛應用技術，推進汽車燃料因時、因地、有序、有限的多元化；液體代用燃料宜以摻混應用為主，通過合理的燃料設計、優化的整車匹配和規范的油品管理，逐步替代石油基汽柴油；全力推進車用燃料技術創新尤其是合成氣技術、氫儲運技術等，建立代用燃料的基礎技術平臺，以適應交通能源轉型過程中代用燃料品種的變化與過渡；

4）以先進內燃機及其混合動力系統、燃料電池發動機及其混合動力系統和動力電池/超級電容及其電力驅動系統為核心，深入開展新型動力系統關鍵技術攻關，掌握成套知識產權，建立相關產業體系；以輕度混合動力轎車產業化為先導，帶動各種混合動力轎車的研發與規模商業化，實現自主品牌轎車的跨越式發展；以我國在世界上獨一無二的年產銷量超過1000萬輛的電動自行車產業為基礎，改變傳統的汽車文化習慣并修訂相關的標準法規，以微型車為主體，發展適合我國國情、具有我國特色的純電動車輛；

5）以城市車輛為重點，加大各種新能源電動汽車市場開發力度。以混合動力為統一平臺，通過平臺化、系列化實現規模化，通過規模化推動高端技術——燃料電池汽車商業化；以政策標準法規為導向，促進轎車小型化、公交優先化，推動交通理念和消費觀念的全面進步,為符合中國國情的自主創新技術創造市場環境。