【摘要】基于美国EPA 2016年报告《美国轻型车2022-2025年温室气体排放及燃油经济性法规中期评估》发布的基础
数据，分行业整体、三大车系、典型企业3个层次，从关键技术渗透率、整体节油贡献率、达标成本及策略等角度对2030年前美国市场上主流OEM 为实现法规达标将采取的节能与新能源技术路线及企业达标成本进行了深入挖掘和对比分析，并对美国行业整体技术路线和达标成本进行了综合评估。
主题词：美国燃油经济性法规节能与新能源技术技术渗透率企业达标技术策略
中图分类号：U469.7
文献标识码：A DOI:10.19620/jki.1000-3703.20172223
Prediction of Energy Saving &New Energy Technology Development
in the US Through 2030
Hao Han,Chen Kangda,Liu Zongwei,Zhao Fuquan
（Tsinghua Automotive Strategy Research Institute,State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084）
【Abstract 】Based on the data published by EPA in 2016report:Mid-term Evaluation of Light-Duty Vehicle Greenhouse Gas Emissions Standards and Corporate Fuel Economy Standards for Model Years 2022-2025,this study made in-depth research and contrastive analysis on the energy saving and new energy technology routes that the mainstream OEMs in the U.S market would take to comply with the regulations before 2030in term of technology penetration,fuel-saving contribution rate,compliance cost and technology strategy from three aspects of the whole industry,three major vehicle series and typical automakers.Meanwhile,the technology route and the relative cost of the whole automotive industry in the U.S were evaluated comprehensively.
Key words:America fuel economy regulation,Energy saving and new energy technology,
Technology penetration,Technology strategy for compliance
郝瀚陈康达刘宗巍赵福全
（清华大学，汽车产业与技术战略研究院汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）
*基金项目：中国工程院委托项目（2016-XY-02-04）；国家自然科学基金青年科学基金项目（71403142）。
通讯作者：赵福全（1963—），男，教授，博士，研究方向为汽车产业发展、企业运营与管理、技术发展路线，zhaofuquan@tsinghua.edu 。
美国2030年节能与新能源技术发展预测*
1前言
2000年以来，中国汽车市场一直呈现中高速增长
态势，2001~2010年平均增速约为25%，2011~2016年平均增速约为8%[1]。从产业规模来看，2016年中国汽车产销分别为2811.9万辆和2802.8万辆，同比增长14.5%和13.7%，自2013年以来连续4年超过2000万辆，连续8年稳居世界第一[2]。同时，截至2016年底，中国机动车保有量达2.9亿辆，其中汽车保有量为1.94亿辆，平均千
人汽车保有量突破140辆[3]。
但快速发展的同时，中国也面临着严峻的能源和环境问题。中国原油对外依存度从2009年就已经超过50%的国际安全警戒线，2011年首次超过美国达到55.2%，2015年达到60.6%，首次超过60%，而2016年则高达65.4%，远超国际安全警戒线[4]。同时，受汽车市场爆发的影响，中国从2006年就已经取代美国成为世界第一大CO 2排放国，全球27.6%的CO 2排放来自中国[5]。2015年，在巴黎气候峰
会上，中国也再次提出了2030年单位GDP 的CO 2排放量比2005年下降60%~65%的
目标[6]。
汽车技术·Automobile Technology
为降低汽车行业燃油消耗水平，中国政府在2005~ 2015年分别实施完成了3个阶段的乘用车燃料消耗量标准，并于2016年1月1日起正式实施《乘用车燃油消耗量限值》第四阶段标准，进一步严格了汽车单车限值和目标值要求，根据第四阶段标准，将于2020年达到5.0L/100km的平均燃油消耗量目标[7]，推动我国先进节能技术发展和应用，持续降低乘用车燃料消耗量。但根据工信部最新发布的《2016年度乘用车企业平均燃料消耗量情况》，2016年中国市场乘用车企业油耗为6.56L/100km，距2020年5.0L/100km油耗的目标还有较大差距[8]，企业为满足未来不断严格的油耗法规，也面临着巨大压力。
在此背景下，辨明未来技术发展趋势，科学评价技术的应用前景，前瞻性地制定适用于当下和中长期的节能技术路线，对于缩小中国与发达国家的技术差距、保证国家能源及环境安全，以及引导企业制定达标技术策略具有重要的战略意义。
美国作为曾经世界上最大的汽车市场，过去多年来一直引领着全球法规标准和先进汽车技术的发展趋势，其法规制定、技术趋势和达标路径对于中国具有重要借鉴意义[9-10]。
本文根据《美国轻型车温室气体排放及燃油经济性法规中期评估报告》[11]的基础数据，对2030年前美国市场上主流汽车制造商（OEM）为实现法规达标将采取的节能与新能源技术路线及达标成本进行了深入挖掘和对比分析，并对行业整体技术路线进行了综合评估，对美国法规及节能技术发展趋势进行解读，以期为中国中长期节能与新能源技术发展提供借鉴。
2方法论及数据
Volpe作为美国国家高速公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA）制定和评估美国公司平均燃料经济性（Corporate Average Fuel Economy,CAFE）法规的核心模型，其主要思路是对给定法规标准下市场上主要汽车企业的决策进行仿真，如采用何种技术路线、是否接受等，并对决策所产生的燃油消耗、技术渗透率、排放等影响进行预测。模型主要以技术数据、市场数据、车队参数数据、情景参数数据等几大数据库为基础输入，以整个市场为框架，对每个主流OEM以最低成本满足法规为目标进行战略决策优化，最终得到主流OEM各阶段技术路线，以及系统的技术可行性及成本评估。所以本文所分析的数据均为Volpe仿真模型下
的最优达标技术路线，可以反映出美国法规下的技术导向和趋势，但需要说明的是，企业并不一定严格采取此技术路线。模型整体框架如图1所示。
图1美国Volpe模型整体框架
模型所评估的先进节油技术可分为发动机技术、变速器技术、电动化技术、整车技术4类，共覆盖增压、汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection,GDI）、连续可变气门正时（Variable Valve Timing,VVT）、先进柴油机等29项发动机技术，轻量化、减摩擦、减阻等11项整车技术，以及目前市场上所有变速器结构和从起停、起动发电一体机（Integrated Starter Generator,ISG）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）、纯电动汽车（Battery Electric Vehicle,BEV）到燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle,FCV）等主要电动化技术。对每一个企业，模型首先判断其销量、价格、产品平台、技术基准等车队
初始参数，再基于企业基础通过技术决策树的方法对每一类技术路径依次进行选择和应用，直到企业满足法规标准。对于愿意接受的企业，当接受的低于增加技术应用所带来的成本时，模型将停止技术应用并选择接受[11]。
模型所需技术效果、成本数据主要来源于技术仿真软件和硬件拆解试验，此外，美国环境保护署（Environ⁃mental Protection Agency,EPA）和NHTSA对来自联邦及各地政府、非政府环保机构及消费者团体、第三方智库等的大量技术文献进行了搜集、整理和研究，并与整车企业和主要供应商进行一对一访谈，对研究成果、企业战略等进行详细交流，最终对数据进行整合和综合评估。因此，数据更加客观，也更能真实反映先进技术的节油效果、成本及节油潜力。
本文基于EPA报告数据，分行业整体、三大车系、典型企业3个层次，进一步从关键技术渗透率、整体节油贡献率、达标成本及策略等几个角度对美国2030年前主流OEM 节油技术路线进行了建模计算和对比。
技术效果
技术成本
技术协同效应
物理特性参数
其他技术参数
数
据
驱
动
系
统
评
估
车队销量油价
企业产品、技术基准……
法规达标模型
基准情形技术升级是否交易……
OEM技术路线
3
美国主流OEM 节能技术路线预测及行业整
体评估
3.1
发动机关键技术渗透率
3.1.1
VVT 技术
VVT 技术作为复杂性较低的技术，可带来2.1%~5.5%的节油率[12]，几乎所有汽车企业未来都将持续导
入。VVT 技术当前已经具有较高的技术渗透率，2030年前，丰田、本田、现代起亚、宝马、福特等企业都将达到接近100%的渗透率，如图2所示。
3.1.2
涡轮增压小型化技术
汽油机一直存在两条主流技术路线：以日本丰田、
韩国现代为代表的自然吸气发动机和以德国大众、宝马为代表的涡轮增压直喷发动机。自然吸气发动机技术相对成熟，峰值有效热效率在40%左右，且与增压直喷发动机相比成本较低，但其升功率低，发动机整机动力性和强化程度低于涡轮增压直喷发动机。与自然吸气发动机相比，涡轮增压直喷发动机峰值有效热效率略低，且成本高，但其具有较高的升功率，动力性能强且结构紧凑，可有效实现轻量化[13-14]。
图2VVT 技术渗透率
涡轮增压小型化技术（Turbocharging and Downsizing ）作为重要的发动机节油技术，EPA 评估其在中型车上节油率可达到11%~17%[12]，美国国家研究委员会（National Research Council ，NRC ）评估其节油率可达到9%~12%[15]，如图3所示。2015年美国市场涡轮增压小型化技术渗透率约为17%，其中主要为欧系产品。如前
文所述，增压直喷技术作为欧系车企的核心技术，保持着相当高的技术渗透率，宝马2015年增压小型化技术渗透率甚至达到96%。以福特和通用为代表的美系品牌则同时兼顾涡轮增压和自然吸气两条技术路线，分别有33%和21%的产品应用涡轮增压技术。而日系品牌当前则普遍选择自然吸气技术路线，极少应用涡轮增压技术。
行业整体
日韩
欧系
美系
2015
20212030
产业平均丰田本田日产现代起亚大众宝马戴姆勒福特通用
1009080706050403020100
技术渗透率/%
图3涡轮增压小型化技术渗透率
行业整体
日韩
欧系
美系
2015
20212030
产业平均
丰田
本田日产
现代
大众宝马戴姆勒福特通用
1009080706050403020100
技术渗透率/%
未来，以本田为代表的大量日系企业在坚持自然吸气式发动机技术路线的同时，将逐步推出增压直喷技术，利用后发优势实现技术升级进化，在传统燃油车领域与欧洲路线趋于融合，2030年，丰田、本田、日产等企
业涡轮增压技术渗透率均将达到20%左右。
目前保持较高涡轮增压技术应用的欧美车企，未来技术渗透率将持续下降，产生这一转变的主要原因是欧美品牌产品以大型、豪华型轿车为主，车型平均尺寸普
遍大于日系品牌产品或以追求更好的动力性为主要目标，当前，欧美品牌，尤其是欧系品牌已经大量应用增压直喷技术，2021年即将把增压直喷技术应用到极致，之后再进行技术升级将面临巨大的成本增加，因此2022年开始，欧美企业将普遍转向混合动力技术以实现车型达标，这一技术趋势也将在后文电动化技术路线分析中得以验证。3.1.3
汽油缸内直喷技术
汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection,GDI ）技术作为发动机关键节油技术之一，与增压技术结合可将压缩比提高0.5~1.5，并可减轻涡轮增压的敲缸问题，因此，GDI 技术在涡轮增压发动机中普遍采用[11]。自
然吸气式汽油机过去多采用进气道喷射（PFI ）方式，而近年来随着GDI 技术在自然吸气式发动机上不断成熟，采用GDI 技术实现进一步节油的自然吸气式发动机也越来越多。
2015年，美国市场GDI 技术渗透率在45%左右，其
中，以涡轮增压直喷技术路线为主的欧系品牌普遍具有
较高GDI 技术渗透率，以自然吸气发动机为主的丰田、日产等日系品牌GDI 技术渗透率较低，现代、马自达、本田等则凭借率先将缸内直喷技术成熟应用于自然吸气发动机，具有较高的GDI 技术渗透率。同时兼顾涡轮增压直喷和自然吸气缸内直喷技术路线的美系企业同样具有70%左右的高渗透率，如图4所示。
图4GDI 技术渗透率
未来，GDI 技术凭借广泛的适用性，在美国市场的平均渗透率将不断提高，2030年将达到69%。日系企业GDI 技术渗透率未来将大幅度提高，日产甚至将从2015年3%的技术渗透率上升到2030年的93%。这一方面得益于GDI 技术在自然吸气式发动机上的不断应用，另一
方面，大量日系企业也在逐步推出涡轮增压直喷发动机，利用后发优势实现技术升级进化。
同涡轮增压技术趋势类似，目前保持较高GDI 技术应用的欧系车企，未来GDI 技术渗透率将普遍下降，大众、宝马、奔驰均将发生这一技术趋势转变，奔驰GDI 技术渗透率更是将从2015年的94%下降到19%。与涡轮增压技术相同，2021年即将把增压直喷
技术应用到极致，之后再进行技术升级将面临巨大的成本压力。而美系品牌凭借在自然吸气技术路线上的储备，2022年之后GDI 技术渗透率下降幅度将远小于欧系品牌。3.1.4
先进柴油机技术
柴油机与汽油机相比具有更高的热效率，先进柴油机技术可实现20%~30%的节油率[12]，但同时排放问题也是制约柴油机发展的致命缺陷，需要采用大量高成本的后处理技术以实现排放达标[16]。当前美国市场上柴油机技术渗透率较低，只有大众在以相对高的比例投入先进柴油机技术，技术渗透率达到15%，但仍会随时间下降，如图5所示。
行业整体
日韩
欧系
美系
2015
20212030
产业平均
丰田
本田
日产现代起亚
大众宝马戴姆勒福特通用
1009080706050403020100
技术渗透率/%
图5先进柴油机技术渗透率
行业整体
日韩
欧系
美系
2015
20212030
产业平均
丰田
本田
日产
现代
大众宝马戴姆勒福特通用
151050
技术渗透率/%3.2变速器技术渗透率
3.2.1
日韩品牌变速器技术
日韩品牌变速器技术发展路径可分为两类，一类是以AT 作为核心技术发展，例如丰田、现代等；另一类是以CVT 技术为主持续推进，本田、日产、三菱、斯巴鲁等大量日系品牌选择此类技术路线。
未来，丰田、现代等将逐渐淘汰5AT，同时，6AT将不断向8AT转换。2030年，丰田将有接近60%的汽车搭载8AT，而CVT渗透率一直保持在16%左右。本田等则将继续以发展CVT技术为主，同时辅以20%左右的AT。与丰田类似，5AT将逐渐被淘汰，2021年后6AT将不断向8AT转换。
3.2.2欧系品牌变速器技术
欧系品牌变速器技术发展路径也分为两类，一类聚焦于DCT技术发展，以大众为主要代表，另一类则以发展AT技术为主，除大众以外的其他欧系企业，如宝马、奔驰、菲亚特、捷豹路虎、沃尔沃等均选择此技术路线。
作为DCT的主要推动者，2015年大众变速器产品中DCT占据90%的比例。2021年之后，由于混合动力技术不断被导入，欧系品牌传统燃油车的比例普遍快速下降。大众DCT技术渗透率也将随之下降到2030年的49%，宝马将剩34%的8AT和16%的DCT。
3.2.3美系品牌变速器技术
美系品牌主要以福特和通用为主，两大企业核心技术路线相似，都以发展AT为主。2015年福特公司有64%的汽车产品搭载6AT，未来6AT向8AT转换的趋势明显，2030年，福特所有传统燃油车都将搭载8AT。通用公司当前主要以6AT为主，技术渗透率达到92%，同时有少量8AT和CVT，未来6AT将迅速向8AT转换，并在2030年实现6AT全部被8AT替代。
同时，由于电动化技术的冲击，未来美系品牌传统变速器份额也将呈现出不断下降的趋势。
3.2.4行业整体技术渗透率
从美国市场行业整体来看，目前占据市场主流的6AT未来向8AT转换的趋势明显，并且2030年8AT将占据近一半市场，6AT将在2030年左右被彻底淘汰。由于大量日系品牌的持续推动，美国市场CVT技术渗透率将保持在21%左右。而大众主推的DCT技术将占5%左右市场份额。
综合来看，混合动力及新能源汽车技术对自动变速器搭载率有一定冲击，自动变速器技术渗透率将从2
015年的90%逐渐下降到2030年的71%，但自动变速器仍将有巨大的市场，如图6所示。
3.3电动化技术渗透率
3.3.1日韩品牌电动化技术
日韩企业产品一直保持高燃油经济性，在传统燃油车法规达标上处于领先。未来将持续导入起停技术，并借助起停、ISG及少量强混满足法规。具体到每个企业，未来达标技术路线各有侧重。丰田目前主要借助强混实现法规达标，未来在强混基础上导入少量起停技术将能以最低的成本满足2030年法规。本田等企业则可能选择大力导入起停技术以实现达标。总体而言，日韩品牌仅依靠较低电动化水平就可以满足2030年法规。
图6行业整体变速器技术渗透率
3.3.2欧系品牌电动化技术
欧系企业电动化技术发展路径与日系企业呈现出较大不同，由于欧系品牌产品以豪华型轿车为主，已经搭载的大量先进节油技术潜力即将被挖掘到极致，传统燃油车达标压力将不断增大，未来为满足法规必须大量导入ISG和强混技术。以大众和宝马为典型企业进行分析：
大众2021年之前主要依靠继续挖掘增压直喷等技术的节油潜力，同时发展8%左右的起停技术可满足法规，2021年转而以ISG和强混为主要方向大力发展混合动力技术，并在2030年分别实现ISG和强混45%和44%的技术渗透率。
与大众类似，宝马、奔驰、捷豹路虎等豪华车品牌在2021年之前仍可凭借对增压直喷技术节油潜力的挖掘，加上大面积搭载起停技术实现达标，2021年之后将同样面临传统燃油车技术升级成本过高的压力，转而快速发展更深层次的混合动力技术，2021年开始，宝马的最佳达标技术路线是快速应用ISG和强混替代起停技术，最终在2030年以33%的ISG和57%的强混技术实现法规达标。
3.3.3美系品牌电动化技术
美系企业电动化技术路线与欧系企业总体相似，都将大量导入ISG和强混技术以满足未来法规，同时，美系品牌将发展少量PHEV。福特和通用在起停技术发展比例上存在一定差异，在混合动力技术发展上福特以ISG和强混为主，2021年前发展少量起停技术。通用当前已经有18%的起停技术应用，近期（2021年前）将大力发展起停和ISG技术，远期（2021~2030年）随着法规不断加严，将大力发展ISG和强混技术。
3.3.4行业整体技术渗透率
从美国市场行业整体来看，未来ISG 将成为众多
2015年2021年2030年
100
80
60
40
20
技
术
渗
节能汽车透
率
/
%
6AT
5AT
8AT
CVT
6DCT
8DCT其他车辆