純電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車全生命周期節(jié)能減排對(duì)比研究

劉大鵬，陳軼嵩

（1.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

近年來(lái)，汽車數(shù)量高速增長(zhǎng)對(duì)我國(guó)資源、能源以及環(huán)境造成了越來(lái)越大的影響。為保證汽車產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，國(guó)家已密集出臺(tái)多項(xiàng)政策，以引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)開(kāi)展綠色制造、鼓勵(lì)消費(fèi)者進(jìn)行綠色消費(fèi)。但以混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為主的節(jié)能與新能源汽車對(duì)資源、能源、環(huán)境帶來(lái)怎樣的影響尚缺乏全面科學(xué)的認(rèn)知，唯有通過(guò)全生命周期評(píng)價(jià)才可以得到全面的、系統(tǒng)的認(rèn)知。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)此展開(kāi)了一定研究，如Hackney[4]，Van Mierlo[5]，Aatterson[6]以及 Wang[7]等針對(duì)各種燃料汽車建立了生命周期能耗、排放與成本的清單比較模型，重點(diǎn)研究燃料生產(chǎn)鏈和整車使用過(guò)程各種替代燃料汽車的全生命周期環(huán)境損害評(píng)級(jí)體系之間的差異。Haller[8]估算了一個(gè)超過(guò)180臺(tái)車的車隊(duì)從傳統(tǒng)汽車升級(jí)到替代能源汽車的十年內(nèi)的環(huán)境收益與經(jīng)濟(jì)代價(jià)，還包括了一定量基礎(chǔ)設(shè)施投入。Kliucininkas[9]針對(duì)立陶宛考納斯城市公交車與有軌電車使用各種替代能源的情境，計(jì)算出了各自的全生命周期加權(quán)環(huán)境損害值。在電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域，Stefano[10]，Oscar[11]等針對(duì)電動(dòng)車的生命周期使用效率、燃料消耗、溫室氣體排放、成本等計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究。近年來(lái)對(duì)于關(guān)注度很高的電動(dòng)汽車國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了諸多研究，如清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了生命周期評(píng)價(jià)分析模型Tinghua-CA3EM，以煤電為情景進(jìn)行模擬，對(duì)新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)、制造、使用整個(gè)能耗和排放進(jìn)行比較，深入分析了百公里電動(dòng)汽車行駛的 LCA能耗和 GWP情況[12,13]。同濟(jì)大學(xué)黃志甲[14]建立了汽車燃料的生命周期評(píng)價(jià)模型，并對(duì)氫燃料生命周期和汽油燃料生命周期進(jìn)行了清單計(jì)算和結(jié)果比較，得出制氫方案是影響燃料電池車的燃料生命周期環(huán)境性能的關(guān)鍵。重慶大學(xué)任玉瓏[26]從經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境三個(gè)視角出發(fā)，通過(guò)評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車對(duì) 3E體系的影響，以多目標(biāo)優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，以追求綜合效益最大化為目標(biāo)和邊界，提出了3E視角下的電動(dòng)汽車發(fā)展對(duì)策措施與政策建議。邢文等[27]引用了大量實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，并運(yùn)用SPSS等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車對(duì)生態(tài)環(huán)境的不同影響程度進(jìn)行了分析比較和情景模擬。

綜上所述，我國(guó)汽車領(lǐng)域的生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用起步較晚，但是近年來(lái)汽車相關(guān)生命周期評(píng)價(jià)研究逐漸增多，但是研究體系的完整性與合理性較發(fā)達(dá)國(guó)家尚有一定的差距，尤其缺乏針對(duì)新能源汽車的車輛循環(huán)（包括車輛制造、配送、維護(hù)和報(bào)廢處理等）的節(jié)能問(wèn)題的完整評(píng)價(jià)體系。

1 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

建立能源消耗差異評(píng)價(jià)模型，旨在描述HEV（混合動(dòng)力汽車）與BEV（純電動(dòng)汽車）的生命周期能源消耗差異情況，該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究HEV和BEV從資源獲取、材料制備到零部件加工、制造、整車裝配再到使用、回收利用階段的能源消耗差異情況?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)，本文進(jìn)一步提出了一種最終的能源消耗計(jì)算方法。

最終HEV與BEV的能耗差異可用公式（1）來(lái)表示。

式(1)中q表示該款BEV中的零部件種類數(shù)，y表示該款BEV零部件加工過(guò)程中消耗的能源種類數(shù)。

因此，etwcij則表示該BEV第i種零部件加工過(guò)程中消耗的第j種能源量；式中etwdij表示HEV和BEV消耗的第j種能源的差異量，，當(dāng) i＞q 或 j＞y 時(shí)，ecij=0。

為了評(píng)估不可再生資源（主要包括礦產(chǎn)資源：銅、鐵、鋁等；化石能源：原煤、原油、天然氣等）對(duì)環(huán)境的影響，本文引用GaBi軟件中的特征化因子，具體數(shù)值如表1所示。

表1 不可再生資源特征化因子Table 1 Characterization factor of non-renewable resource

由上表可知：化石資源消耗的單位是MJ。

為了將礦產(chǎn)資源消耗和化石能源消耗這兩種不同類型的單位能夠統(tǒng)一，從而能夠較清楚地對(duì)比相關(guān)礦產(chǎn)、能源的稀缺程度，本文將化石能源消耗的單位轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一單位：kg銻當(dāng)量。本文引用萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心提出的 CML修正方法將化石能源單位轉(zhuǎn)化為kg銻當(dāng)量，具體公式(2)如下：

式(2)中，ADPi,eng表示化石能源i的特征化因子，單位為kg銻當(dāng)量/kgce；Dri,eng表示化石能源i的年開(kāi)采量；ε表示化石能源i的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；Ri,eng表示化石能源i的儲(chǔ)量；Drref表示參考資源（銻）當(dāng)年的開(kāi)采量，單位為kg·yr-1；Rref表示參考資源（銻）的儲(chǔ)量，單位為kg。

在計(jì)算各種污染物對(duì)應(yīng)的特征化值時(shí)只需將相應(yīng)污染物的質(zhì)量乘上相應(yīng)的特征化系數(shù)，然后，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行求和即可。具體如公式(3)所示。

式中，Tk表示第k種影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征化值；Mi表示第i種污染物的質(zhì)量；Ci表示第i種污染物對(duì)應(yīng)的特征化因子。

2 評(píng)價(jià)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

評(píng)價(jià)系統(tǒng)以汽車產(chǎn)品為研究對(duì)象，將前面的模型嵌入到后臺(tái)計(jì)算引擎中，通過(guò)MATLAB軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，和VS環(huán)境友善的操作界面，開(kāi)發(fā)一款操作簡(jiǎn)便，人機(jī)交互友好，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的HEV與BEV汽車全生命周期評(píng)價(jià)軟件。

根據(jù)評(píng)價(jià)模型，將能源生產(chǎn)和原材料生產(chǎn)的基本數(shù)據(jù)以及從相關(guān)文獻(xiàn)中獲得的BEV和HEV的清單數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)地分配到評(píng)價(jià)系統(tǒng)中。評(píng)價(jià)結(jié)果中包含了除回收利用階段以外的原材料生產(chǎn)階段、制造階段和使用階段的能耗和排放值。

3 評(píng)價(jià)案例

3.1 清單數(shù)據(jù)獲取

此次研究從相關(guān)文獻(xiàn)中選取了一家典型的中國(guó)企業(yè)作為實(shí)施評(píng)價(jià)計(jì)算的案例。根據(jù)此次評(píng)價(jià)中的數(shù)據(jù)需求，我們深入到研發(fā)中心、生產(chǎn)和裝配車間以及測(cè)試中心去收集清單數(shù)據(jù)，比如，BOM 表、制造階段的能耗等。并且獲取了電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制裝置、磷酸鐵裡電池、變速器、減速器、發(fā)動(dòng)機(jī)以及鎳氫電池組的材料清單。

3.2 計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證和改進(jìn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。首先，我們通過(guò)交互界面將清單數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，比如，BOM（材料清單）表、總成制造階段能耗和排放表、使用階段能耗和排放表、報(bào)廢與回收利用表以及物流表等。然后，我們使用 MATLAB工作環(huán)境中的背景計(jì)算引擎對(duì)來(lái)自 SQL中的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2-4所示。

表2 HEV和BEV的全生命周期各階段能耗Table 2 Energy consumption of HEV and BEV (MJ)

（1）原材料生產(chǎn)階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖1和圖2中的能耗和排放量。由圖2可知，BEV在各種污染物排放及生產(chǎn)能耗上均高于HEV，特別是一氧化碳的排放超出了60%。

圖1 原材料生產(chǎn)階段能耗差異Fig. 1 Energy consumption differences of Raw material production phase

圖2 原材料生產(chǎn)階段排放差異Fig. 2 Emission differences of Raw material production phase

分析可得，造成這種結(jié)果主要是由于 BEV在原材料數(shù)量、重量上均高于HEV，再加上高能耗的電池加工過(guò)程，所以產(chǎn)生以上數(shù)據(jù)是合情合理的。

（2）制造階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖3和圖4中的能耗和排放量。從圖中可以看出，電動(dòng)汽車在制造階段的能耗與排放與原材料生產(chǎn)階段的能耗與排放呈相關(guān)性趨勢(shì)，即BEV高于HEV，究其原因大致是因?yàn)锽EV的組裝難度、制造程序的復(fù)雜程度要高于HEV不少，再加上BEV屬于新生事物，加工熟練度不能與 HEV的制造相比，所以純電動(dòng)汽車在制造階段的生命周期評(píng)價(jià)仍高于混合動(dòng)力汽車。

圖3 制造階段能耗差異Fig. 3 Energy consumption differences of manufacturing phase

圖4 制造階段排放差異Fig. 4 Emission differences of manufacturing phase

（3）使用階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖5和圖6中的能耗和排放量。由圖6可知，在使用階段，BEV比HEV的污染物排放還要高，這是由于中國(guó)發(fā)電水平的限制，具體地講，火電是我國(guó)主要的電力來(lái)源，而低下的發(fā)電效率深

深的限制了BEV的排放水平，同比直接燃燒汽油轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的HEV，其效率因?yàn)橛呻娔苻D(zhuǎn)動(dòng)能而再次降低，以至于在排放上還是要高于HEV。在能源消耗上，兩者體現(xiàn)出了明顯的能源結(jié)構(gòu)差異，HEV主要是對(duì)原油資源的使用，BEV主要是對(duì)原煤資源的使用，這與我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)仍密不可分。

圖5 使用階段能耗差異Fig. 5 Energy consumption differences of use phase

圖6 使用階段排放差異Fig. 6 Emission differences of use phase

4 結(jié)論

①由于當(dāng)前我國(guó)的電力組成，我國(guó)產(chǎn)生的電是“不清潔的”，這使混合動(dòng)力汽車比純電動(dòng)汽車更節(jié)能環(huán)保。如果我國(guó)電能結(jié)構(gòu)中像核電這種可再生能源的比例升高，純電動(dòng)汽車的對(duì)相關(guān)環(huán)境的影響將大幅地降低。

②通過(guò)對(duì) HEV與 BEV的各個(gè)階段能耗與排放對(duì)比發(fā)現(xiàn)，純電動(dòng)汽車在使用階段的能耗和排放比混合動(dòng)力汽車更低，但是在原材料生產(chǎn)階段和制造階段，結(jié)果是相反的。這與純電動(dòng)汽車裝配制造過(guò)程中高工作強(qiáng)度所引起的能源消耗增加密不可分，同時(shí)電池作為BEV的核心部件，與內(nèi)燃機(jī)相比，其制造水平的不成熟也導(dǎo)致了更高的能耗和排放。