純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車能耗與排放對(duì)比分析

郭 勝，石 琴，李彥保，郭 寧

Guo Sheng，Shi Qin，Li Yanbao，Guo Ning

（合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言1

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，汽車也越來(lái)越多地走進(jìn)尋常百姓家。截至2011年我國(guó)汽車總保有量為7800萬(wàn)輛[1]，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到2.28億輛[2]。隨著汽車數(shù)量的增加，交通運(yùn)輸業(yè)的 CO2排放量的增加也是驚人的。根據(jù)測(cè)算，2004年我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的CO2排放量約為2.9億t，預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)CO2的排放量將是2004年的3.8倍，也就是11.08億t[3]。基于此政府也制定了相應(yīng)的減排目標(biāo)，并于2009年11月25日正式對(duì)社會(huì)宣布，2020年單位GDP CO2排放量要比2005年降低40%～45%，同時(shí)以此作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的約束性指標(biāo)，充分體現(xiàn)了政府在保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方面的決心。在這種背景下，人們更加關(guān)注純電動(dòng)汽車的發(fā)展前景。

電動(dòng)汽車在歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了很好的發(fā)展，在適合其運(yùn)行特點(diǎn)的領(lǐng)域開(kāi)展了示范應(yīng)用，主要以集團(tuán)化公共服務(wù)用車為主。對(duì)于純電動(dòng)汽車自身而言，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵是動(dòng)力電池，鋰離子電池是目前關(guān)注和研發(fā)的焦點(diǎn)。日本的一些相關(guān)企業(yè)在政府部門的帶領(lǐng)下，將共同制定一些關(guān)于車用鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容是測(cè)試方式、充電方法等。同時(shí)，一些電力公司認(rèn)為電動(dòng)汽車的發(fā)展會(huì)給他們帶來(lái)巨大商機(jī)，因此也在電動(dòng)汽車的應(yīng)用、測(cè)試、能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面做出了自己的努力[4]，進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。

電動(dòng)汽車在我國(guó)發(fā)展以來(lái)，得到了政府企業(yè)的高度重視，我國(guó)在研發(fā)方面付出了很大努力，也取得了一系列科研成果，開(kāi)發(fā)出一批整車產(chǎn)品，并在一些城市開(kāi)展了不同形式的示范運(yùn)行。同時(shí)國(guó)家也出臺(tái)了“十城千輛”、購(gòu)買電動(dòng)車補(bǔ)貼等一系列政策措施來(lái)推動(dòng)純電動(dòng)汽車的發(fā)展。雖然我國(guó)在電動(dòng)汽車示范運(yùn)行上取得了一些經(jīng)驗(yàn)，但還是缺乏有效長(zhǎng)久推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的市場(chǎng)化機(jī)制，因此，純電動(dòng)汽車距離大規(guī)模應(yīng)用還有較長(zhǎng)的過(guò)程。另外，純電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，消耗的是電能，而我國(guó)80%的電能是火力發(fā)電，所以說(shuō)純電動(dòng)汽車并不是完全意義上“零排放”。所以文中就對(duì)比分析了傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車的能耗、熱效率與排放問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車熱效率與能耗對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車對(duì)比

以國(guó)內(nèi)某汽車廠生產(chǎn)的一款汽油汽車（以下稱傳統(tǒng)汽車）與該廠生產(chǎn)的純電動(dòng)汽車為例進(jìn)行對(duì)比分析，該純電動(dòng)汽車是在同款汽油汽車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)制造的，兩車的相關(guān)基本參數(shù)見(jiàn)表1。表中可以看出，純電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量比傳統(tǒng)汽車重了 160 kg，主要是由于純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車只是在動(dòng)力系統(tǒng)方面的不同（其它基本沒(méi)有變化），純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、控制器和電池構(gòu)成，而傳統(tǒng)汽車則是傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成方式。

表1 基本參數(shù)

1.2 傳統(tǒng)汽車百公里能耗、熱效率分析

1.2.1 傳統(tǒng)汽車百公里能耗

傳統(tǒng)汽車百公里能耗是通過(guò)乘用車模擬城市循環(huán)工況燃料消耗量臺(tái)架試驗(yàn)，并按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 12545.2—2001測(cè)得（圖1）。試驗(yàn)規(guī)定十五工況循環(huán)試驗(yàn)，其中有怠速、加速、等速等，全循環(huán)累計(jì)時(shí)間195 s，并采用重量法確定百公里燃料消耗量C。

式中，Sg為標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃（293 K）下的燃料密度，kg/dm3；D為試驗(yàn)期間的實(shí)際行駛距離，km；M 為燃料消耗量測(cè)量值，kg。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得該車城市工況百公里油耗 8.0 L。取汽油的密度 0.725 kg/L，汽油熱值43124 KJ/kg，可得8.0 L汽油所含熱量為250119 KJ。

1.2.2 傳統(tǒng)汽車熱效率計(jì)算

在計(jì)算該車熱效率時(shí)，采用作用在驅(qū)動(dòng)車輪上的力Fq乘以在該力作用下驅(qū)動(dòng)輪所行駛的距離S。由汽車行駛的總阻力[5]

其中Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。汽車行駛方程式

Fi為汽車驅(qū)動(dòng)力；G為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力；α為道路坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛橫截迎風(fēng)面積；ua為行車速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車總質(zhì)量；為汽車行駛加速度。在試驗(yàn)中道路坡度角為0，即坡度阻力為0，計(jì)算過(guò)程中不予考慮。取滾動(dòng)阻力系數(shù) 0.02，由于空氣阻力較小，未予考慮。

根據(jù) GB/T12545.2—2001的試驗(yàn)要求，計(jì)算十五工況循環(huán)中每個(gè)工況汽車所作有用功。在計(jì)算過(guò)程中，離合器脫開(kāi)的情況下，汽車并沒(méi)有將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)的機(jī)械能，所以對(duì)這部分熱能不計(jì)算在汽車有用功之內(nèi)。計(jì)算工況 2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14 下汽車所作有用功為 450.076 KJ，其百公里所作有用功為45007.6 KJ。汽車熱效率為17.99%。

1.3 純電動(dòng)汽車百公里耗電、熱效率分析

來(lái)自工業(yè)部的信息顯示，在 2009年我國(guó)6000 kW以上級(jí)發(fā)電企業(yè)每生產(chǎn)1 kWh的電能需要消耗 340 g的標(biāo)準(zhǔn)煤[6]，另外國(guó)標(biāo)GB2589—1981中已經(jīng)寫明每燃燒1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤所能釋放的熱量值為29271 KJ，而從2008年6月1日開(kāi)始使用的《綜合能耗計(jì)算通則》來(lái)看，電力當(dāng)量值是3600 KJ/（kWh）。由以上火力發(fā)電的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出，我國(guó)電力企業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)煤的平均發(fā)電效率為

將我國(guó)火力發(fā)電效率取為 36%。發(fā)電廠內(nèi)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)和控制設(shè)備的工作都要消耗一定的電能，此電能直接來(lái)自廠內(nèi)發(fā)電，稱為廠用電，通常的廠用電率為5%～10%，而像擁有300 MW機(jī)組的發(fā)電廠則達(dá)到5%，這里取用5%。

發(fā)電廠生產(chǎn)的電能首先要經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化成高壓交流電后，才能通過(guò)高壓電纜傳送到企業(yè)、工廠和普通家庭中，雖然高壓輸送可以有效地減少能量損失，但仍然有電纜和變壓器的電阻能量損耗。2009年，全國(guó)電網(wǎng)輸電線路損失率為8%[8]。目前，國(guó)內(nèi)的充電機(jī)效率一般在94%[7]。純電動(dòng)汽車采用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組，電池由于受到內(nèi)阻的影響，其放電效率不能達(dá)到100%，此外電池的放電效率還受到放電電流大小因素的影響，因此取電池的放電效率為91%[9]。電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)效率85%[10]。所以，純電動(dòng)汽車效率為22%。

表2 能耗、綜合效率對(duì)比

通過(guò)乘用車模擬城市循環(huán)工況燃料消耗量臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得，該純電動(dòng)汽車在城市工況下的百公里耗電量為16 kWh。目前，我國(guó)電力供應(yīng)主要有火電、水電、核電、風(fēng)電。源自國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的數(shù)據(jù)表明，我國(guó)在 2010年的發(fā)電總量達(dá)到了4.1413×1012kWh，具體包括：煤炭火力發(fā)電3.3253×1012kWh，江河水利發(fā)電 6.622×1011kWh，原子核能發(fā)電 7.34×1010kWh，風(fēng)力發(fā)電 4.30×1010kWh，由此可計(jì)算目前中國(guó)火電廠發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電量的比例為80%[7]。所以在純電動(dòng)汽車城市工況耗電量16 kWh的情況下，火電廠的發(fā)電量應(yīng)為

16×80% ÷94% ÷92% ÷95% =15.6 kWh

所需供電標(biāo)煤為：15.6×0.34=5.3 kg，

即熱量 5.3×29271=155136 KJ

通過(guò)對(duì)比，該純電動(dòng)汽車在百公里耗能、綜合效率、比能耗方面均優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，在百公里能耗方面?zhèn)鹘y(tǒng)汽車要高出近 38%，這是由于傳統(tǒng)汽車在怠速、低速等工況下，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)或者處在低效率區(qū)。比能耗是單位汽車質(zhì)量行駛單位距離汽車的耗能，可對(duì)不同質(zhì)量的兩車進(jìn)行能耗比較，從數(shù)據(jù)比較來(lái)看，純電動(dòng)汽車在比能耗方面優(yōu)勢(shì)明顯，見(jiàn)表2。

2 傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車排放分析

2.1 生產(chǎn)純電動(dòng)汽車用電帶來(lái)的排放

國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的文件信息顯示，工業(yè)企業(yè)每消耗1 t的標(biāo)準(zhǔn)煤，要釋放2620 kg的CO2，8.5 kg的SO2，以及7.4 kg的NOx；利用相關(guān)的節(jié)污減排技術(shù)，火電廠每使用1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)生的CO2為 2.46 kg，SO2為 0.006 kg，NOx為 0.0087 kg[11]。該純電動(dòng)汽車百公里耗電量為16 kWh，即該車每行駛100 km消耗標(biāo)準(zhǔn)煤5.3 kg。所以該純電動(dòng)汽車排放情況見(jiàn)表3。

表3 純電動(dòng)汽車廢氣排放

2.2 傳統(tǒng)汽車排放

以汽油為燃料的汽車燃燒 1L汽油會(huì)排放0.295 g SO2[12]，由于該傳統(tǒng)汽車模擬城市工況百公里油耗為 8L，所以該車 SO2排放量為 0.0236 g/km，CO2排放量180.3 g/km，其他廢氣（CO、HC、NOx、）排放量參照文獻(xiàn)[11]。

純電動(dòng)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所有部件由電池組直接供能，不會(huì)像燃油燃燒一樣產(chǎn)生尾氣，而電動(dòng)車對(duì)環(huán)境的污染要追溯到上游發(fā)電企業(yè)，如火力發(fā)電廠排放的廢氣，這種廢氣可以等價(jià)于電動(dòng)車的尾氣。從圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，電動(dòng)汽車排放尾氣中的有害成份種類，比內(nèi)燃機(jī)汽車要少一些，CO和HC幾乎沒(méi)有出現(xiàn)，而這兩種氣體對(duì)大氣污染危害最大。對(duì)于NOX和SO2，傳統(tǒng)汽車的排放低于純電動(dòng)汽車，而煤電廠已使用了相關(guān)技術(shù)，對(duì)廢氣進(jìn)行了脫硝、脫硫處理，處理后大約85%的SO2、80%～90%的NOX被脫離，廢氣中的粉塵顆粒采用布袋法處理后，也幾乎可以完全清除[13]。

3 結(jié) 論

綜上所述，在市區(qū)工況下，平均車速低，平均行駛周期短，怠速比例高，等速行駛比例小，這樣就使車輛加減速頻繁，等速和準(zhǔn)等速行駛時(shí)間短。由于純電動(dòng)汽車在怠速等工況下能耗較低，所以在純電動(dòng)汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車之間進(jìn)行比較，電動(dòng)汽車的能源消耗量較低，綜合效率也比傳統(tǒng)汽車高；純電動(dòng)汽車自身不產(chǎn)生尾氣的排放，其對(duì)環(huán)境造成的影響主要集中在上游企業(yè)，具體表現(xiàn)在煤電廠發(fā)電對(duì)大氣的污染，但同時(shí)煤電廠也相應(yīng)采取了治理措施，效果明顯，并且國(guó)家也在逐漸提高核電等電廠的比例，極大減輕了對(duì)環(huán)境的污染。但是純電動(dòng)汽車的發(fā)展推廣也受到自身的一些限制，如續(xù)航里程、充電配套設(shè)施等。總的來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車的發(fā)展有利于國(guó)家能源的安全，但是距離全面普及還有較長(zhǎng)的路要走。

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