基于電動汽車創(chuàng)新技術應用的碳減排潛力分析

高 涵，張建寰，趙靜波，于文益，劉劍筠

(1.廈門大學航空航天學院，福建廈門 361102；2.廣東省技術經濟研究發(fā)展中心，廣東廣州 510070；3.廣東省環(huán)境科學研究院，廣東廣州 510045)

近年來溫室效應造成的全球氣候變暖問題愈發(fā)嚴重，減少碳排放成為迫切需求，世界各國已將碳減排列為重要發(fā)展議題［1］。交通運輸行業(yè)是最主要的溫室氣體排放源之一，過去10 年全球二氧化碳排放總量增加了13%，源自交通工具的碳排放增長達25%，2016 年交通工具的二氧化碳排放量占全球總量的24%。在交通運輸行業(yè)中有72%的二氧化碳排放來自道路車輛。

電動汽車作為較為理想的出行替代選擇，對環(huán)境有著積極影響，早在上世紀各國就開始了投入研發(fā)。我國對汽車排放量越來越嚴格的控制以及政策激勵與企業(yè)投入共同促進了電動汽車產業(yè)發(fā)展，到2019 年我國新能源汽車保有量達381 萬輛，同比增長46%，占汽車總量的1.46%。2017年國務院發(fā)布了《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，計劃到2025 年，新能源汽車產銷量占比達20%以上。2019 年12 月工信部發(fā)布的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》（征求意見稿）中將這一目標提高到25%。

電動汽車在使用過程中無直接二氧化碳排放，其間接碳排放主要來自電力生產環(huán)節(jié)，國內外學者對于推廣應用電動汽車而產生的碳減排效果進行了研究。王雪然等［2］研究了深圳市純電動公交車與柴油公交車相比的CO2減排效果，并對未來的CO2減排量進行了預測。施曉清等［3］使用了一種改進的燃料碳排放模型，分析了電動汽車的碳排放及其減排潛力。徐慧智等［4］計算了在哈爾濱市客運交通中純電動汽車完全替代汽油和柴油車后的CO2減排量。

本文對電動汽車關鍵創(chuàng)新技術展開分析，從能量傳遞效率和輕量化兩個方面來研究創(chuàng)新技術對電動汽車能耗的影響，結合創(chuàng)新運營模式來分析對電動汽車碳排放的影響，提出有助于電動汽車碳減排的建議。

1 電動汽車創(chuàng)新技術分析

電動汽車的能量傳遞主要經過車外和車內兩個階段（圖1），在車外的階段為從電能的獲取到供給電動汽車，在車內的階段為從電動汽車接收電能到車輪做功。能量在車內的傳遞主要經過充電機、動力電池、電驅系統(tǒng)，充電技術決定著能量補充的快慢，動力電池技術決定著電動汽車的續(xù)航，電驅技術決定著電動汽車的動力性能。電動汽車的充電、動力電池和電機三個關鍵環(huán)節(jié)是電動汽車技術的核心部分［5］，不光影響著電動汽車性能，還影響著能量轉換效率和整車重量，從而對耗電量造成影響。

圖1 電動汽車能量傳遞示意圖

1.1 充電技術

電動汽車的充電方式主要有直流快充和交流慢充兩大類，如表1 所示。

表1 電動汽車充電類別

電動汽車充電的創(chuàng)新技術主要有碳化硅等新型功率半導體器件的應用、大功率超快充技術、雙向充電技術等。碳化硅器件有著高頻、高壓等優(yōu)良特性，減少了開關損耗和導通損耗，提升充電效率，同時實現高頻化可以減小無源器件的尺寸，從而減小充電機的重量、尺寸，提升功率密度。應用大功率超快充技術可將充電時間大大縮短至接近燃油車加油時間，充電最大功率在150kW 以上，特斯拉的第三代快充峰值功率可達250kW，5 分鐘即可充入行駛120km 里程的電量。大功率快充技術當前主要用于大型充電站，一些主流車企的快充規(guī)劃已經鋪開，普及后可極大緩解充電基礎設施不足的壓力，同時增加充電樁的使用次數，大幅提升運營商的盈利能力。雙向充電技術以車載充電機為載體，可將電池的能量由汽車反向傳輸到電網，也稱V2G 技術。這樣將電動汽車作為分布式儲能單元參與到能源體系中，可用于電網的削峰填谷和用戶獲得閑時收益。多家企業(yè)的車載充電機產品搭載了雙向充電技術，其潛在經濟效益對于電動汽車的推廣有重要作用，是車載充電機的一個重要發(fā)展趨勢。

1.2 電池技術

電動汽車的動力電池當前主要采用鋰電池，其關鍵技術包括正極、負極、電解質、隔膜的材料和電池封裝技術。以正極材料為依據將鋰電池劃分為不同的類型，主要有鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池［6］。目前在動力電池上應用最多的為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池［7］，其中三元鋰電池裝車量不斷增長，在2016 年占比為23%，2019 年已達到62%（38.8 GW·h），2019 年磷酸鐵鋰電池裝車量為20.0GW·h，占比為 32%。三元鋰電池以其更高的能量密度在乘用車中占據了絕對優(yōu)勢，而磷酸鐵鋰電池由于其較低的成本和高可靠性在大型客車中應用更為廣泛。

動力電池技術的主要創(chuàng)新方向是加強新材料的研究和應用，從而提高能量密度和降低成本，其中正極材料的創(chuàng)新是最關鍵部分。《促進汽車動力電池產業(yè)發(fā)展行動方案》提出了2020 年我國動力電池單體比能量達到300W·h/kg 的要求，而當前整體技術水平與此目標還存在差距。增加三元材料中鎳含量對能量密度提升作用明顯，三元鋰電池NCM811和NCA 等正極材料的高鎳方向是未來主流技術路線。鎳含量的提高會導致電池穩(wěn)定性變差，可通過離子摻雜的方式研制四元材料來改善高鎳三元材料的電化學性能。同時三元鋰電池正極材料的低鈷化也是一個主要的研究方向。鈷的成本較高且是一種戰(zhàn)略性資源，減少其用量可有效減小電池成本受其價格波動的影響，有助于推動行業(yè)發(fā)展。

傳統(tǒng)的負極材料石墨有其能量密度理論最大值(372mAh/g)的局限，研制新型負極材料也是提高電池容量和能量密度的重要手段。寧德時代新能源公司的高比能快充鋰離子電池技術以石墨負極材料為基礎，運用孔道優(yōu)化和快離子環(huán)技術提高鋰離子在石墨負極的嵌入速度，實現快充并能提升5%以上的能量密度，同時具有安全、壽命長的優(yōu)點。硅是目前已知能用于負極材料的比容量最高的材料，其理論比容量上限高達4 200mAh/g。研發(fā)硅碳復合材料技術可有效解決硅負極材料存在的問題，其中硅用于提升能量密度，碳可保證結構穩(wěn)定性，改善循環(huán)性能。硅碳復合材料與高鎳NCM811 或NCA 正極配合應用是當前使電池單體能量密度達到300W·h/kg 的主要創(chuàng)新技術方案。

動力電池在結構上主要由電芯、模組硬件、電池包硬件構成，采用更好的電池封裝技術整合精簡電芯、模組硬件可降低成本和提升系統(tǒng)能量密度。當前最新的CTP（Cell To Pack）電池包方案，改變了傳統(tǒng)的電芯-模組-電池包成組方式，采用無模組或簡化模組方式。相比于傳統(tǒng)電池包，寧德時代的CTP 技術可以使空間利用率提升15%～20%，零件數量減少40%，系統(tǒng)能量密度提升10%～15%，如寧德時代的方形811 電池ELE8A3 的單體能量密度達235.78W·h/kg，系統(tǒng)能量密度達到166W·h/kg。比亞迪的“刀片電池”超級磷酸鐵鋰電池，將電芯設計成扁片長條形并陣列排布，使電池包的能量密度提升了50%，且安全性更高，壽命更長。

1.3 電機及驅動技術

當前國內外典型電動汽車驅動電機功率密度已達到4.0kW/kg 以上，峰值效率達到97%。應用于電動汽車的電機類型主要有交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機，如表2 所示。

表2 應用于電動汽車的電機類型及特點

交流異步電機僅在特斯拉電動汽車中應用較多。永磁同步電機是當前市場應用的主流，但制作永磁體消耗稀土資源，成本較高且易引發(fā)資源短缺。開發(fā)低含量重稀土永磁材料可有效緩解此問題，當前主要有兩種創(chuàng)新發(fā)展方向。采用晶格細化和滲滴技術，將重稀土滲入磁體，重稀土使用量最高可降低50%。豐田、通用等企業(yè)研究可替代釹鐵硼永磁材料的混合磁體，已實現批量應用。開關磁阻電機是一種新型調速電機，其優(yōu)良特性使其很適合在電動車輛的工況下運行，在電動汽車領域潛力很大，目前國內北京中紡銳力公司和山東科匯公司研發(fā)的開關磁阻電機已達到國際先進水平。

按驅動電機安裝位置的不同可將電動汽車驅動方式分為中央電機、輪邊電機和輪轂電機驅動。比亞迪的電機與驅動橋輪邊深度集成技術等輪邊驅動創(chuàng)新技術極大節(jié)省了車輛底盤的空間，推動了純電動全通道低地板城市客車的發(fā)展。輪轂電機技術是最直接高效的驅動方式，其將電機、驅動器、制動裝置集成安裝在輪轂內，大大簡化了機械傳動部件，提高傳動效率且優(yōu)化整車重量，可實現復雜的操控動作。但當前存在輪轂重量較大影響操控性能，可靠性難以保證的問題。輪轂電機的構型方案主要有兩種，如表3 所示。開關磁阻電機和永磁同步電機均可應用于輪轂電機［8-9］。

表3 輪轂電機構型方案

發(fā)夾式/扁導線定子技術將電機定子繞組中的銅線由圓線改為扁線，可將電機的槽滿率由40%提升到60%以上，提升磁場強度從而獲得較大功率密度。扁導線與定子的有效接觸面積更大，熱傳導性能更好，與圓線電機相比繞組溫升可降低約10%。但扁導線加工難度較大，良品率較低。國外的電裝、博世、博格華納和國內精進電動、匯川技術等企業(yè)均對扁導線驅動電機進行了開發(fā)，部分產品已量產投入使用，其中精進電動研制的樣品功率密度達到4.4kW/kg 以上。

驅動電機、電機控制器與減速器深度集成的三合一電驅動總成是現階段乘用車電驅動系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，國內外多家企業(yè)都在進行此方向研究，2019 年先進水平的“三合一”集成電驅動系統(tǒng)基本參數如表4 所示。寶馬2020 年實現量產的第五代eDrive 電驅動系統(tǒng)進一步集成化和模塊化，在iX3車型上最大輸出功率達210kW，系統(tǒng)功率密度比第四代電驅動系統(tǒng)提高了約30%。

表4 2019 年國內外先進乘用車電驅動系統(tǒng)基本參數

2 電動汽車創(chuàng)新運營模式分析

電動汽車創(chuàng)新技術催生了新的運營模式，運營模式的創(chuàng)新提升了收益和服務效率，有助于電動汽車的推廣，進一步擴大燃油車替代程度和交通行業(yè)電氣化水平。

2.1 換電模式

到2019 年我國電動汽車車樁比僅為3.4 ∶1［10］，為解決電動汽車充電難問題，除了充電樁基礎設施的建設，換電運營模式的重啟也是行之有效的發(fā)展方向，并已得到國家政策支持。換電的補能時間約3～5 分鐘，與燃油車加油時間相當，大大提升電動車的行駛里程，且對電池進行統(tǒng)一管理和充電，可有效延長電池使用壽命。國內最大的換電服務提供商北汽新能源自主研發(fā)了底盤換電系統(tǒng)、電池生命周期管理技術等創(chuàng)新技術，在B 端商戶市場已成功運營，累計投放1.8 萬臺換電車輛，采用換電模式后出租車日均訂單數量增長了25%，運營里程提升了38%。未來大規(guī)模進入C 端消費者市場需要面對便捷性要求更高等問題，要在對B 端的成功經驗基礎上逐個城市拓展，穩(wěn)步推進。

2.2 V2X 模式

電動汽車的電池可作為分布式儲能設備，實現車到電網(V2G)、車到建筑物(V2B)，車到車(V2V)等方向電能的傳輸，可結合互聯網充分發(fā)揮車輛儲能體系的作用［11］。在V2G 模式中車輛通過充電設施形成充電網絡，用戶可選擇在閑時出售車內的電能來獲利，或在低價時段購買電能充電，充分調動用戶的積極性。電動汽車還可用作輔助電網運行的有效手段，通過控制充電網絡中電動汽車動力電池的充放電來調峰。在V2B 模式下用電動汽車存儲電網的夜間低谷電或用戶家庭光伏發(fā)電，在電動汽車有剩余電量時用于用戶的生活用電，形成多元互補的發(fā)電儲能系統(tǒng)，實現智能化的調度，大幅提升經濟效益。

3 電動汽車平均能耗計算

電動汽車行駛時驅動力和運動阻力是相互平衡的，電機發(fā)出的功率等于機械傳動損失功率加上運動阻力功率。不考慮加速和上坡情況，在水平路面勻速行駛時，運動阻力主要包括空氣阻力和滾動摩擦阻力，則電機所發(fā)出的功率為：

其中ua(km/h)為行駛速度，G為汽車重力，f為滾動阻力系數，CD為空氣阻力系數，A為汽車迎風面積，ηT為傳動效率。在乘用車中應用最多的為A級乘用車，取典型A級車整車重量1 900kg，f=0.013，CD=0.32，A=1.89m2，ηT=95%。

電動汽車廠商給出的續(xù)航里程一般是在60km/h等速巡航條件下測試的，取平均時速為60km/h，則行駛100km 電機做功為：

則汽車每行駛100km 耗電量為：

其中η1～η4分別為充電效率、電池充電效率、放電效率、電驅系統(tǒng)效率。

在充電環(huán)節(jié)中，應用了碳化硅器件的創(chuàng)新技術對充電機的轉換效率和功率密度均有提升作用，參考鐵城科技和富特科技等的車載充電機產品，使用硅器件的車載充電機滿載工作效率在93%左右，6.6kW 的產品重量在5.5～7kg，由欣銳科技、wolf speed 的碳化硅車載電源產品可知，應用碳化硅器件的車載充電機滿載效率可達到96%以上，功率密度為硅產品的3倍以上［12-13］。對于6.6kW的車載充電機，重量可減少4kg。

在動力電池環(huán)節(jié)，鋰電池使用中的充放電損耗很小，充放電效率近似為98%［14］。根據《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》，取動力電池系統(tǒng)能量密度平均值為140W·h/kg。寧德時代、國軒高科等多家企業(yè)應用高鎳三元、硅碳負極和創(chuàng)新封裝技術后達到了單體比能量300W·h/kg 的國家要求，對應的系統(tǒng)功率密度可提升至190W·h/kg，則一塊容量為24kW·h 電池重量可減少約45kg。

在電機驅動環(huán)節(jié)，取常規(guī)電驅動系統(tǒng)在NEDC工況下整體效率為86%［15-16］，采用開關磁阻電機技術，系統(tǒng)平均效率可提升至92%［17］。使用分立部件和硅半導體器件的電驅動系統(tǒng)平均功率密度約為1.1kW/kg。采用“三合一”集成創(chuàng)新技術后，以寶馬電驅動系統(tǒng)為例，第五代電驅動系統(tǒng)功率密度可提升至2.02kW/kg，則對于輸出功率為150kW 的電驅動系統(tǒng)，重量可減小約62kg。

綜上在各個環(huán)節(jié)應用創(chuàng)新技術后預計總體重量可減少111kg，整體轉換效率可提升10%。重量的減輕可從源頭上減少汽車做功，效率的提升可從傳輸過程中進一步減少電耗。經計算，應用創(chuàng)新技術前每百公里耗電量為13.14kW·h，應用創(chuàng)新技術后每百公里耗電量為11.40kW·h，降低了13.24%。根據工信部統(tǒng)計數據，純電動乘用車平均電耗為14.5 kW·h/100 km。由創(chuàng)新技術應用產生的13.24%降耗空間，應用創(chuàng)新技術后純電動乘用車平均電耗可減至約12.58kW·h/100km。

4 碳減排效果計算

由國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數據可知，2019 年我國6 000 千瓦及以上電廠供電標準煤耗為307g/kW·h，全國輸電線損率為5.9%，即輸電效率為94.1%。2018 和2019 年中國電力結構如表5所示，2019 年我國火電發(fā)電量占總量的68.9%。根據《能源基礎數據匯編》，燃燒一噸標準煤會產生2.62噸二氧化碳，則標準煤的CO2排放系數取2.62。

表5 2018 和2019 年中國各類發(fā)電量情況單位：億千瓦時

考慮電力生產中只有火電會產生CO2排放，可由火力發(fā)電量占比求出電力生產的平均二氧化碳排放因子(kg CO2eq/kWh)［18］

考慮電力傳輸損耗，電動汽車的每千米CO2間接排放量為

其中η0為輸電線損率。計算得應用創(chuàng)新技術前后純電動乘用車的CO2排放量分別為8.54kg/100km和7.41kg/100km。

由工信部統(tǒng)計數據，2018 年汽油乘用車平均燃料消耗量為6.6L/100km，根據汽油含碳量計算得到汽油乘用車的溫室氣體排放因子為2.272 kg CO2eq/L，則汽油乘用車的CO2排放量為15.00kg/100km。所計算得CO2排放量對比如表6 所示。

表6 不同類型乘用車CO2 排放量對比

我國城市中每天的平均通勤距離一般在21～28km，截至2018 年中國華南地區(qū)乘用車年均行駛里程為13 320 km［19］，則應用創(chuàng)新技術后每輛純電動乘用車每年可減排CO2150.5kg/年·車。

表7 主要運營商換電站基本信息

到2020 年6 月我國換電站保有量為452 座，其中廣東省為58 座，主要運營商為奧動、蔚來，如表7 所示。按比例取整體平均服務能力213 輛/天，則廣東省的換電站每天可服務約12 354 輛車。采用換電模式的電動汽車，增加的運營里程數替代了燃油車出行，參考北汽新能源的數據每輛車運營里程增加38%約為9.5km/天，則按現有換電站規(guī)模滿負荷運營，廣東省由此帶來的CO2減排量每年可達3 251t。

2006—2014 年以來廣東省乘用車保有量迅猛增長，年均增長率為18%以上，2015 年以來增速有所放緩，但年均增長率仍在13%以上，其中2018 年廣東省乘用車保有量已超過1 800 萬，較上年增長12%。廣東省乘用車保有量在未來將進一步受到全省基礎設施建設、人口密度、經濟發(fā)展等多方面影響，高速增長趨勢將受到限制，乘用車保有量會達到飽和水平。根據國際先進經驗，乘用車保有量的變化會經歷初始投入期、高速增長期、緩慢增長期以及飽和波動期，符合S 型曲線特征，目前已有許多學者對該類特征曲線在機動車保有量預測進行了相關研究。采用擬合數據的S 型曲線Gompertz 模型對廣東省乘用車保有量進行預測，該方法有利于相關政府部門制定交通規(guī)劃、能源規(guī)劃以及大氣污染防治策略。Gompertz 曲線的函數形式為：

其中，Vi為第i年乘用車千人保有量，V*為乘用車飽和水平的千人保有量，EFi為第i年的人均國內生產總值，α和β是由乘用車保有量與人均GDP決定的參數，并決定S 型曲線形狀。

基于2007—2018 年乘用車保有量的歷史數據，根據上述公式預測得到乘用車千人保有量，結合對廣東省在預測年的總人口數量即可得到全省乘用車總量。乘用車飽和水平的千人保有量參考國外經驗，結合廣東省人口密度等的實際發(fā)展情況，東京、倫敦等地區(qū)中保有量發(fā)展模式更適合于廣東省機動車發(fā)展現狀，即千人乘用車保有量飽和水平最終達到300～400 輛/千人。將乘用車飽和水平的千人保有量設置為400 輛/千人，預測結果如表8 所示。

表8 2020—2025 年廣東省乘用車保有量預測

表8 （續(xù)）

根據乘聯會和中汽協(xié)的銷量數據，我國近年來純電動乘用車銷量在新能源乘用車中的比例較為穩(wěn)定約為78%。

由預測得純電動乘用車保有量推算到2025 年創(chuàng)新技術應用的碳減排潛力，如表9 所示，應用創(chuàng)新技術前后廣東省純電動乘用車每年的CO2排放量對比如圖2 所示。2020 年到2025 廣東省純電動乘用車累計增量為70.92 萬輛，考慮以上新增純電動乘用車都應用創(chuàng)新技術，則2025 年全年可減少CO2排放量為106 734t。結合采用創(chuàng)新運營模式帶來的碳減排，則應用創(chuàng)新技術可使2025 年廣東省純電動乘用車CO2排放量減少109 986t，2020—2025 年累計減少310 814 萬噸CO2。

表9 2020—2025 年廣東省純電動乘用車創(chuàng)新技術應用減排效果

圖2 應用創(chuàng)新技術前后廣東省純電動乘用車CO2 排放量對比

5 電動汽車碳減排建議

由上述分析可知與燃油車相比，電動汽車的碳減排潛力很大，為更好發(fā)揮電動汽車的碳減排作用，建議加強以下幾方面工作：

（1）優(yōu)化電力生產結構。電動汽車的CO2排放主要來源于電力生產環(huán)節(jié)，由式（4）知隨著清潔能源發(fā)電量占比的提高，電動汽車的碳排放會進一步降低［20］。

（2）加強動力電池和電機相關創(chuàng)新技術的研究推廣。動力電池占整車質量約1/4，占整車成本40%～50%，在能量密度方面還有較大提升空間，電驅動系統(tǒng)的整體運行效率也存在較大優(yōu)化空間，需加強這兩個關鍵部件的技術研發(fā)。推動電動汽車性能提升，同時達到更好的節(jié)能減排效果。

（3）加強配套充換電基礎設施建設。當前我國電動汽車基礎設施還很不完善，存在充電難問題，且部分地區(qū)建設的充電樁閑置率很高，資源沒有得到充分利用。應完善充電樁的建設規(guī)劃，科學布局，同時加強充電設施標準體系建設，出臺符合實際、具有可操作性的充電設施國家標準。

（4）優(yōu)化政策扶持方式，加強行業(yè)監(jiān)管。確立將財政補貼面向先進技術和產品的方向，進一步提高電動汽車產品進入《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》的技術門檻，提高補貼的扶持效率。

6 結論

電動汽車比燃油車節(jié)能環(huán)保，是汽車產業(yè)的重要發(fā)展方向，其推廣應用有重要意義。電動汽車創(chuàng)新技術可從能量傳遞效率提升和減輕車身重量兩方面降低電動汽車能耗水平，在技術創(chuàng)新的基礎上進行創(chuàng)新運營模式的探索，可從出行方式選擇、經濟效益等方面挖掘電動汽車的碳減排潛力。本文對有助于提升電動汽車碳減排潛力的關鍵創(chuàng)新技術以及創(chuàng)新運營模式展開研究，應用創(chuàng)新技術后純電動乘用車能耗可降低13.24%，其行駛一年的CO2減排量可達150.5kg，創(chuàng)新運營模式推動的運營里程提升帶來的CO2減排量每年可達3 251t。以廣東省純電動乘用車市場為主體預測推算了到2025 年的CO2減排量可達188 366t。