電動汽車非尾氣顆粒物的排放研究綜述

＊盧康 張道德 潘偉 趙旭 王繼忠,

（1.安慶市環(huán)境監(jiān)測中心站 安徽 246004 2.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院 安徽 230009 3.廣電計量檢測（合肥）有限公司 安徽 230088）

大氣顆粒物（PM）是影響環(huán)境空氣質(zhì)量最為重要污染物之一，也是我國乃至全球環(huán)境空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。PM不僅影響能見度等社會問題，而且對人體健康造成嚴(yán)重負(fù)面影響，尤其細(xì)顆粒物（PM2.5）可透過肺部進(jìn)入心血管系統(tǒng)，造成中風(fēng)、心臟病、肺癌和慢性阻塞性肺病等呼吸道疾病。前期研究表明，我國省會城市因大氣污染造成的死亡率接近0.09%，即每10萬人群近90人因大氣污染造成死亡[1]。由此可見，PM污染對于環(huán)境空氣質(zhì)量影響至關(guān)重要。

交通排放是都市區(qū)域環(huán)境空氣中PM的重要來源[2]。機(jī)動車排放PM主要通過尾氣排放和非尾氣排放，尾氣排放PM主要來自于化石燃料的不完全燃燒。非尾氣排放過程包括輪胎磨損、剎車損耗、路面磨損和道路顆粒物的再懸浮等[3]。但是機(jī)動車尾氣或非尾氣排放的顆粒物對健康影響仍缺乏精準(zhǔn)理解。

PM通常劃分為PM10和PM2.5，分別表示在大氣中空氣動力學(xué)直徑小于10μm和2.5μm。機(jī)動車尾氣排放PM主要為PM2.5，含有各種碳?xì)浠衔?，這些污染物易于導(dǎo)致呼吸道疾病和增加致癌風(fēng)險[4]。機(jī)動車非尾氣排放PM主要以PM10為主，其化學(xué)組分因來源不同而不同，主要含有重金屬包括鋅、銅、鐵和鉛等物質(zhì)[5]。先前的毒性研究揭示顯示機(jī)動車非尾氣排放PM對人體健康有明顯負(fù)面影響，如肺部炎癥和DNA損傷[6]。同時，流行病學(xué)研究亦發(fā)現(xiàn)了PM10對死亡率的影響。

由于機(jī)動車尾氣和非尾氣排放的污染物化學(xué)組成成分存在差異性，因此這些污染物進(jìn)入到環(huán)境空氣中通過化學(xué)反應(yīng)生成的二次氣溶膠明顯不同。機(jī)動車尾氣排放的揮發(fā)性有機(jī)污染物在光照下易于生成二次有機(jī)氣溶膠，而機(jī)動車非尾氣排放主要為無機(jī)物質(zhì)，易于形成二次無機(jī)氣溶膠，但是當(dāng)前難以模擬機(jī)動車尾氣或非尾氣排放的污染物如何形成二次有機(jī)或無機(jī)氣溶膠。大量研究亦表明：機(jī)動車尾氣排放對環(huán)境空氣中二次氣溶膠的貢獻(xiàn)難以精確定量，而且亦難以區(qū)分一次氣溶膠和二次氣溶膠。有機(jī)二次氣溶膠明顯影響環(huán)境空氣中PM水平，因此有必要對它們在環(huán)境空氣中的重要性進(jìn)行更為準(zhǔn)確定量。由于機(jī)動車非尾氣排放PM主要為再懸浮顆粒物，均為二次顆粒物排放。

通過激勵電動汽車（Electric Vehicles，EV）使用是當(dāng)前提升環(huán)境空氣質(zhì)量的一個重要策略，也是解決環(huán)境空氣污染，實現(xiàn)低排放或零排放的一個重要措施。但是，當(dāng)通過模型模擬電動汽車行駛對環(huán)境空氣污染影響時發(fā)現(xiàn)，由于非尾氣排放并未減少PM。

因此本文主要通過對比EV或內(nèi)燃機(jī)汽車（Internal Combustion Engine Vehicles，ICEV）的車重差異性，討論它們對非尾氣排放PM影響，進(jìn)一步比較EV和ICEV行駛中PM排放總量。

1.車重與排放

(1)車重影響假設(shè)

眾所周知，路面磨損和輪胎磨損主要來自于輪胎螺紋與路面摩擦，其摩擦力是輪胎和路面之間摩擦系數(shù)函數(shù)，即路面法向力的函數(shù)，法向力與車重成正比。因此增加車重時將增加摩擦力，輪胎與路面之間的磨損速率增加。剎車磨損是由剎車片與車輪之間的摩擦造成，減小機(jī)動車推動力的能量與車速和車重成正比。因此，當(dāng)車重增加時，需要更多摩擦力以降低車速，導(dǎo)致更大的剎車磨損。顆粒物再懸浮由機(jī)動車尾流造成，因此與機(jī)動車大小、車重和空氣動力學(xué)有關(guān)。另外，車重大的機(jī)動車可以將粗顆粒物碾壓至細(xì)顆粒物，更易于懸浮，同時，越重的機(jī)動車越大，尾流越大，其造成的顆粒物再懸浮越多。

(2)車重對非尾氣排放的影響

直接開展非尾氣PM排放與車重之間關(guān)系的研究極少，少數(shù)研究定性地論述了車重可能對非尾氣PM排放的影響，如Barlow等認(rèn)為車重是輪胎磨損的一個影響因子，并進(jìn)一步提出車重增加時會導(dǎo)致非尾氣排放的增加。Garg等亦提及了慣性重量是剎車損耗速率的一個因子。盡管缺乏直接數(shù)據(jù)支撐，但大量源清單排放研究均建議車重增加會導(dǎo)致PM排放增加。Simons根據(jù)車重將EV非尾氣PM10的排放因子進(jìn)行等級劃分，并計算了單位車重輪胎磨損、剎車損耗和路面磨損的排放因子。例如，當(dāng)比較中型車輛（1600kg）與小型車輛（1200kg）時，輪胎磨損、剎車損耗和路面磨損的排放因子約增加50%。相較于小型車輛，大型車輛（2000kg）排放PM10的速率約是其2倍。

歐洲環(huán)境署（The European Environmental Agency， EEA）發(fā)布了大氣排放清單手冊，提供了不同類型機(jī)動車的排放速率，顯示：相較于客車（9座），輕型汽車（總重3500kg）因輪胎磨損和剎車損耗造成的總懸浮顆粒物、 PM10和PM2.5的排放因子較客車高57%，而路面磨損造成排放水平相當(dāng)。美國環(huán)保署（USEPA）提供的排放清單中亦包含了機(jī)動車輪胎和剎車磨損造成的排放因子。載貨卡車（＜3855kg）因剎車磨損造成的PM10和PM2.5排放因子約高于客車（＜2720kg）的67%，但前者因輪胎磨損造成的PM排放因子僅高于后者2%。荷蘭污染物排放和轉(zhuǎn)移登記處亦通過大量研究提供了機(jī)動車排放清單和排放因子，而一輛面包車或箱式貨車總重量約2000kg，因此面包車或箱式貨車輪胎磨損造成PM10和PM2.5排放較常規(guī)汽車高40%。同時荷蘭污染物排放和轉(zhuǎn)移登記處也計算了不同車型每個輪胎的排放因子，報告指出，汽車每個輪胎磨損速率較摩托車高10%，箱式貨車較汽車高20%，卡車較汽車高130%。

盡管對車重定義存在一定差異性，但多個關(guān)于測定非尾氣排放因子的研究均顯示：輕型汽車排放PM較小汽車多。例如，輕型汽車的輪胎磨損較小汽車高75%，小汽車因剎車損耗造成的PM2.5排放是摩托車的2倍。同時，Grge等研究了小轎車、大型轎車和大型皮卡車剎車損耗導(dǎo)致排放差異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大型轎車因剎車損耗導(dǎo)致的PM、PM10和PM2.5排放較小轎車高55%，而大型皮卡車排放PM約為小轎車2倍。

但不同類型機(jī)動車對顆粒物再懸浮影響研究極為稀少，Gillies等人研究發(fā)現(xiàn)：在未鋪路面上，顆粒物再懸浮總量與車速和車重呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系。美國EPA方法AP42中估算了機(jī)動車造成顆粒物再懸浮因子，建議再懸浮與車重呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時研究表明，小轎車行駛中造成的PM10再懸浮速率是摩托車的10倍，輕型汽車較小轎車高3倍。

(3)EV與ICEV車重比較

比較EV與ICEV車重并非簡單，EV車重往往通過使用鋁代替鋼減輕，以提高車輛的續(xù)航里程。如果ICEV采用該技術(shù)，其車重差異將比現(xiàn)在更大。此外，EV有許多局限性，如大眾e-Golf最高時速140km，續(xù)航133km，不能承載任何拖車負(fù)載。但傳統(tǒng)大眾高爾夫的最高時速取決于發(fā)動機(jī)尺寸，介于179km/h至203km/h之間，續(xù)航里程超過1000km，可承載高1100kg的拖車負(fù)載。因此直接比較EV與ICEV車重比較困難，尤其僅有少數(shù)類型車輛可獲得公開數(shù)據(jù)。如福特?？怂笶V較相同款式福特福克斯燃油型汽車重219kg。本田飛渡EV較相同款式燃油型汽車重335kg。起亞秀爾EV較同款燃油型汽車重311kg。Bauer等通過動力傳動系統(tǒng)技術(shù)模擬了EV和ICEV車重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中型ICEV汽車在2012年平均重量為1567kg，而EV車重為1944kg，至2030年，ICEV和EV車重預(yù)測為1383kg和1613kg。因此，EV較常規(guī)ICEV重280kg以上或重24%。

(4)車重對EV排放影響

因現(xiàn)有研究缺乏對EV車重與非尾氣排放定量關(guān)系，一些學(xué)者利用已有研究結(jié)果做出合理估算。例如，Simons估算了EV車重增加280kg將導(dǎo)致PM10每車每公里增加1.1mg（mg/vkm）輪胎磨損、1.1mg/vkm剎車磨損和1.4mg/vkm道路磨損。輪胎、制動器和道路磨損導(dǎo)致的PM2.5排放量增加分別為0.8mg/vkm、 0.5mg/vkm和0.7mg/vkm。然而，由于EV的再生剎車，剎車磨損往往較低，但很少文獻(xiàn)研究過實際排放量的減少。對于顆粒物再懸浮排放量，Gillies等人（2005）的研究結(jié)果認(rèn)為EV車重與顆粒物再懸浮量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此EV車輛的使用，可導(dǎo)致顆粒物再懸浮排放量增加24%。

2.廢氣和非廢氣排放因子

眾所周知，機(jī)動車通過尾氣和非尾氣途徑排放PM。為了正確看待排放量的增加，必須確定其平均PM10和PM2.5排放量。

(1)尾氣排放

尾氣排放PM的主要來源，尤其柴油車。隨著汽車尾氣PM排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)，所有新的柴油機(jī)動車均配備了柴油微粒過濾器（DPF）。伯格曼等人（2009）發(fā)現(xiàn)DPF對PM排放削減非常有效，可將PM的排放量降低99.3%。當(dāng)前歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)EURO 6規(guī)定，新柴油和汽油汽車的排放量必須低于5mg/vkm才能投放市場。

許多研究開展了機(jī)動車尾氣排放PM量。較早研究獲得的排放因子較最近結(jié)果高，表明了廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，測量精度更高。歐洲國家編制了大量機(jī)動車尾氣排放清單。這些排放清單匯總了大量測試和研究數(shù)據(jù)，以提供可用于估計對國家空氣污染的貢獻(xiàn)的排放因子。此外，隨著新研究的出現(xiàn)，排放清單每兩年修訂一次。這些排放清單之一是EMEP/EEA排放清單指南：歐盟國家使用本指南來確定其機(jī)動車排放量，并每年向EEA報告。最新的排放清單指南按燃料類型、發(fā)動機(jī)排量和技術(shù)提供不同車輛的排放因子。汽油和柴油型機(jī)動車PM排放因子通常非常低，遠(yuǎn)低于EURO 6限值。同時美國EPA亦匯總了機(jī)動車排放清單，其模型預(yù)測了尾氣平均排放的PM10和PM2.5量遠(yuǎn)低于EURO 6限值。Cai等（2013）使用了EPA的機(jī)動車排放模型（MOVES）來估算機(jī)動車尾氣PM排放量 （按車型年）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用較新車型，尾氣排放量減少。老款汽油車的排放量略高于EURO 6規(guī)定限值，而較新車型的平均排放因子要低得多。根據(jù)計算模型，所有配備DPF的柴油車型的排放量均低于EURO 6限值。

如果匯總這些排放清單中PM的排放因子，汽油車的PM10排放因子約為3.1mg/vkm，柴油車的PM10排放因子為2.4mg/vkm。汽油和柴油汽車的PM2.5排放因子分別為3.0mg/vkm和2.3mg/vkm。

(2)非廢氣排放

由于廢氣排放研究少且難度大，研究方法有待進(jìn)一步提升，目前最常用的方法包括：

①估算：排放因子可以根據(jù)輪胎使用和剎車使用的國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)、每個輪胎和剎車的平均重量損失以及需要更換輪胎/剎車前的平均距離來估算。一些制造商還提供有關(guān)輪胎和制動器磨損率的信息，可用于估算排放因子。②實驗室測量：實驗室測量通常使用圓形道路模擬器和加重車輪，帶或不帶制動器來測試輪胎、制動器和道路磨損?；蚩梢栽陲L(fēng)洞中的軌道上進(jìn)行測試，以更接近地模擬現(xiàn)實。使用道路模擬器的研究示例使用再懸浮室來研究道路灰塵的成分。③路邊和隧道測量：通過測量道路附近或隧道入口和出口處的PM水平，將其與PM的背景水平進(jìn)行比較，并通過分析將差異分配到尾氣或非尾氣排放中，并計算各自排放因子中PM的化學(xué)成分。④移動車載測量：移動車載測量是通過將采樣設(shè)備直接連接到移動車輛或移動車輛后面的拖車來完成確定再懸浮排放因子。但不同研究結(jié)果大相徑庭，主要取決于測量方法、位置和測試車輛的類型。因此，EEA的排放清單、美國EPA排放清單、Dutch PRTR清單和UK NAEI清單匯總這些研究結(jié)果，得出了輪胎磨損、剎車磨損和道路磨損的最具代表性的排放因子，而顆粒物再懸浮僅包含于英國排放清單中。匯總這些排放清單，輪胎磨損、剎車磨損、路面磨損和顆粒物再懸浮的PM10平均排放因子為6.1mg/vkm、9.3mg/vkm、7.5mg/vkm和40mg/vkm。而輪胎磨損、剎車磨損、道路磨損和顆粒物再懸浮的PM2.5排放速率分別為2.9mg/vkm、2.2mg/vkm、3.1mg/vkm和12mg/vkm。

3.比較EV和ICEV排放

關(guān)于車重對排放的影響以及尾氣和非尾氣平均排放，可以將EV的PM排放總量與汽油和柴油汽車的總排放量進(jìn)行比較。通過比較發(fā)現(xiàn)電動汽車排放的PM10與現(xiàn)代汽油和柴油汽車的排放量相同。當(dāng)比較PM2.5排放量時，可以發(fā)現(xiàn)電動汽車帶來的排放量減少可以忽略不計。與普通汽油型ICEV相比，EV排放的PM2.5減少3%。與普通柴油ICEV相比，EV排放的PM2.5減少1%。根據(jù)這些研究發(fā)現(xiàn)，EV對PM的排放并未有限削減。同時目前交通源排放的PM10約90%來自于非尾氣排放，而非尾氣排放的PM2.5約占總交通源的85%。隨著越來越嚴(yán)格的排放限制，其比例在未來可能會繼續(xù)增加。

多項研究亦對非尾氣排放的重要性得出了相同的結(jié)論，Reexeis和Hausberger（2009）預(yù)測，非尾氣排放PM占交通源PM排放總量的百分比將從2000年50%增加到2020年80%-90%。J?r?和Handke（2007）模擬了德國PM2.5的非尾氣排放，發(fā)現(xiàn)2000年非尾氣排放占交通源PM2.5排放的25%，預(yù)計到2020年將貢獻(xiàn)70%。

隨著對EV續(xù)航里程更長需求增加，需要更大電池，并且需要更多的結(jié)構(gòu)重量來容納這些電池，因此，未來EV和ICEV的非尾氣排放量可能會繼續(xù)增加。僅通過限制汽車尾氣排放來減少PM污染的策略將不再有效，需要制定非尾氣PM排放的新政策和措施。

4.對政策的影響

未來政策有多種選擇可以減少非尾氣排放。（1）所有新車（ICEV和EV）需要遵守非尾氣排放最大限值。然而，迄今為止，由于測量方法的差異，非尾氣排放的測量產(chǎn)生了不同的結(jié)論。因此，為了引入非尾氣限值，需要引入標(biāo)準(zhǔn)化的測量方法。（2）通過鼓勵減輕車輛重量創(chuàng)新技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有EV車重。歐洲綠色汽車倡議輕量化車身設(shè)計、改進(jìn)輪胎設(shè)計和再生制動等。通過新技術(shù)的引入，在增加續(xù)航里程的前提下，減輕車重，以進(jìn)一步減少其非尾氣排放。（3）政府應(yīng)鼓勵消費者和汽車制造商轉(zhuǎn)向更輕量化的機(jī)動車，以扭轉(zhuǎn)所有細(xì)分市場汽車重量增加的趨勢。

5.結(jié)論

交通是大氣PM的主要來源之一，尤其是在城市地區(qū)。EV已被認(rèn)為是解決空氣污染的重要途徑。因此，許多國家都在鼓勵EV替代ICEV。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)前EV比同等ICEV車型重約24%；多數(shù)研究證明，車重與非廢氣排放PM之間存在正相關(guān)關(guān)系。 EV排放的PM10量與普通傳統(tǒng)汽車相同，PM2.5排放量略低于ICEV，平均排放量比ICEV少1%-3%；非尾氣排放占交通源PM10排放量的90%以上和PM2.5排放量的85%，未來隨著汽車重量的增加，這一比例可能還會增加。因此，通過以上分析發(fā)現(xiàn)，EV對交通源PM的排放削減并不會產(chǎn)生較大影響，但目前的政策僅側(cè)重于減少尾氣中PM排放。此外，建議將輕量化車身和再生制動等電動汽車技術(shù)應(yīng)用于EV和ICEV，并為消費者和汽車制造商改用較輕的車輛提供獎勵。