增程式電動(dòng)汽車全生命周期節(jié)能減排績效評(píng)價(jià)

馬驪溟，許海波，陳軼嵩，劉佳慧

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064)

隨著國家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和能源持續(xù)性發(fā)展的重視，新能源汽車正在快速發(fā)展。國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，明確提出以純電動(dòng)汽車為新能源汽車的主要發(fā)展目標(biāo)[1]。同時(shí)，新能源汽車技術(shù)路線也在快速發(fā)展，目前已形成多種技術(shù)路線并行發(fā)展的態(tài)勢(shì)，而增程式電動(dòng)汽車作為我國新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線之一，也已經(jīng)被納入到了純電動(dòng)汽車的管理范疇。近期國家發(fā)改委發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定》也明確提出增程式電動(dòng)汽車按照純電動(dòng)汽車進(jìn)行管理[2]。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)我國能源戰(zhàn)略和新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于增程式電動(dòng)汽車節(jié)能減排績效的研究也就很有必要。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者利用生命周期評(píng)價(jià)的方法對(duì)新能源汽車進(jìn)行了廣泛的研究。比如，SHARMA等[3]對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、油電混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車三類乘用車進(jìn)行了對(duì)比研究，并且評(píng)估了電力系統(tǒng)在減少環(huán)境排放方面的潛力。HOOFTMAN等[4]分別研究了插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車兩者動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響。EVANGELISTITI等[5]對(duì)燃料電池汽車進(jìn)行了全面的生命周期評(píng)估，并與純電動(dòng)汽車、傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行比較，對(duì)燃料電池汽車的關(guān)鍵部件進(jìn)行敏感性分析。LEWIS等[6]創(chuàng)建了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、油電混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生命周期評(píng)價(jià)模型，評(píng)估了三者節(jié)能減排的潛力和輕量化對(duì)于生命周期能耗和溫室氣體排放的影響。ONAT等[7]對(duì)比分析了不同地區(qū)的純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、油電混合動(dòng)力汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。NOORI等[8]對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、油電混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、增程式電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車5種車型的動(dòng)力系統(tǒng)生命周期環(huán)境排放和成本進(jìn)行分析和評(píng)估。FARIA等[9]對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車以及純電動(dòng)汽車進(jìn)行了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的生命周期評(píng)估（LCA），對(duì)具有代表性的緊湊型和微型車進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

國內(nèi)方面，SHI Sainan等[10]對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車整車和燃料分別進(jìn)行了全生命周期評(píng)估，并通過情景分析來評(píng)估不同政策的減排潛力。QIAO Qinyu等[11]在分析純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車運(yùn)行使用階段差異的基礎(chǔ)上，研究了純電動(dòng)汽車生產(chǎn)階段溫室氣體的排放量，并將結(jié)果與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行比較。HAO Han等[12]針對(duì)純電動(dòng)汽車在中國的環(huán)境下是否有助于減少溫室氣體排放，分別對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、油電混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車生命周期的成本和溫室氣體排放進(jìn)行研究，并比較它們?cè)跍p少溫室氣體排放方面的成本效益。HU Zhiyuan等[13]利用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法對(duì)我國生物乙醇混合燃料汽車進(jìn)行了評(píng)價(jià)。PENG Tianduo等[14]提出了一種純電動(dòng)汽車全生命周期分析模型，考慮了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和車輛能效表現(xiàn)的變化，分析純電動(dòng)汽車的生命周期能耗和溫室氣體排放。XIONG Siqin等[15]比較了純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的生命周期能耗和溫室氣體排放，此外，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車輛行駛里程等影響因子進(jìn)行了敏感性分析。

綜上所述，在新能源汽車全生命周期評(píng)價(jià)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者均做了大量的研究。經(jīng)過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，研究主要集中于純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，其次是油電混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車，而對(duì)于增程式電動(dòng)汽車的研究較為缺乏。因此，本文將對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)化、全面化的節(jié)能減排評(píng)價(jià)，以期完善我國新能源汽車生命周期評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果可為新能源汽車企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持，還可為增程式電動(dòng)汽車的發(fā)展和推廣提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來源

本文在進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有在售的增程式電動(dòng)車型，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料的調(diào)研和查找，以及綜合考慮車型數(shù)據(jù)的完善程度和準(zhǔn)確度，選取國內(nèi)市場(chǎng)上的增程式電動(dòng)汽車作為具體研究對(duì)象，車型具體參數(shù)見表1。文中相關(guān)數(shù)據(jù)來源于GABI軟件自帶數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)有的期刊和文獻(xiàn)、相關(guān)車型的官網(wǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)研。

表1 車型相關(guān)參數(shù)

2 系統(tǒng)邊界與部件劃分

本文在進(jìn)行整車全生命周期節(jié)能減排分析時(shí)，首先設(shè)定整車功能單位為全生命周期內(nèi)正常行駛15萬km或整車使用壽命為15年。其次，將整車的全生命周期劃分為4個(gè)階段：原材料獲取階段、制造裝配階段、運(yùn)行使用階段和報(bào)廢回收階段。最后在對(duì)部件進(jìn)行劃分時(shí)，將整車分為10大主要零部件，分別為：發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控裝置、變速器、鉛酸電池、車身、底盤、流體與液體，對(duì)于部分質(zhì)量較小，對(duì)結(jié)果影響程度不大的零部件本文不予考慮。最終的系統(tǒng)邊界圖如圖1所示。

3 清單分析與模型建立

生命周期清單分析（Life Cycle Inventory Analysis，LCI）是對(duì)“搖籃到再生”的整個(gè)生命周期中的廢物排放和資源消耗等進(jìn)行量化的過程[16]，是產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度將直接影響最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。在進(jìn)行清單分析的過程中，部分零部件數(shù)據(jù)較難獲取，對(duì)結(jié)果有影響的采用近似替代的方法，而部分對(duì)結(jié)果影響不大的零部件數(shù)據(jù)本文暫不考慮。各部件上游原材料的消耗及制造裝配的能耗數(shù)據(jù)見表2，此外，在建模時(shí)，分別針對(duì)4個(gè)階段的能源消耗和環(huán)境排放建立模型，如下所示。

圖1 系統(tǒng)邊界圖

表2 主要零部件能耗、質(zhì)量參數(shù)

啟動(dòng)電池鉛/kg 6.9硫酸/kg 0.79聚丙烯/kg 0.61玻璃纖維/kg 0.21水/kg 1.41電耗/kWh 143.69電動(dòng)機(jī)鋼/kg 23.97鑄鋁/kg 37.13銅/kg 14.76電能/kWh 446.87熱能/MJ 170.85主減速器鋼 /kg 44.77鑄鋁/kg 14.8銅/kg 14.06塑料/kg 0.148有機(jī)物/kg 0.222有機(jī)物/kg 144.09熱能/MJ 274.08柴油/kg 2.07電控裝置鋼 /kg 4.35鑄鋁/kg 40.89銅/kg 7.13塑料/kg 20.71橡膠/kg 3.22有機(jī)物/kg 10.7電能/kWh 124.4流體潤滑油/kg 4.68制動(dòng)液/kg 0.91冷卻液/kg 10.4雨刷液/kg 2.71添加劑/kg 13.6電能/kWh 2 119

3.1 整車全生命周期階段

式中：ELCA，PLCA分別為整車全生命周期階段的總能源消耗和總環(huán)境排放；ERmas，PRmas分別為原材料獲取階段所對(duì)應(yīng)的能源消耗和環(huán)境排放；EMfas，PMfas分別為制造裝配階段所對(duì)應(yīng)的能源消耗和環(huán)境排放；ERups，PRups分別為運(yùn)行使用階段所對(duì)應(yīng)的能源消耗和環(huán)境排放；ESrps，PSrps分別為報(bào)廢回收階段所對(duì)應(yīng)的能源消耗和環(huán)境排放。

3.2 原材料獲取階段

式中：k表示對(duì)應(yīng)的零部件種類；Mkj表示第k種部件所需要的第j種原材料數(shù)量；Qjr表示第j種單位質(zhì)量原材料獲取所消耗的第r種能源；Wjr表示第j種單位質(zhì)量原材料獲取產(chǎn)生的第r類環(huán)境排放量。

3.3 制造裝配階段

式中：Mkn表示部件k所需要的第n種零件質(zhì)量；Qnr表示單位質(zhì)量第n種零件制造過程所需要的第r種能源；Wnr表示第n種零件制造過程中產(chǎn)生的第r類環(huán)境排放量。

3.4 運(yùn)行使用階段

式中：f表示所需要更換的零部件；Muse表示運(yùn)行使用過程中所需要更換的零部件質(zhì)量；Quse表示運(yùn)行使用過程中更換零部件所需的能源消耗量；Wuse表示運(yùn)行使用過程中更換零部件所對(duì)應(yīng)的環(huán)境排放量。

在NEDC綜合工況下該車?yán)m(xù)駛里程為800 km，根據(jù)官方給出的純電續(xù)駛里程為180 km，確定純電行駛里程占比為22.5%。假設(shè)全生命周期行駛里程為150 000 km，得純電行駛里程為33 750 km，增程及燃油行駛里程為116 250 km。綜合考慮電池充/放電效率為90%、80%，整車油耗計(jì)算時(shí)，綜合考慮能源轉(zhuǎn)換損失和熱量損失，設(shè)其燃油利用率為30%，得到總油/電耗見表3。

表3 金屬材料回收步驟及回收率

3.5 報(bào)廢回收階段

式中：T表示回收的零部件；Ms表示對(duì)應(yīng)回收部件的質(zhì)量；Qs1表示回收部件所消耗的能源；Qs2表示回收部件所產(chǎn)生的能源回收量；Ws1表示回收部件所產(chǎn)生的環(huán)境排放量；Ws1表示回收部件所產(chǎn)生的環(huán)境效益。

在報(bào)廢回收過程中，由于車體組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部件材料回收工藝差異較大，為方便研究，本文主要考慮4種主要金屬材料的回收利用，其余廢棄材料則采用GABI軟件對(duì)應(yīng)工藝進(jìn)行處理，各金屬回收過程及回收率見表4，回收每千克金屬所消耗的能源見表5。

表4 金屬材料回收步驟及回收率

表5 回收每千克金屬所消耗的能源

4 影響評(píng)價(jià)與結(jié)果解釋

產(chǎn)品生命周期影響評(píng)價(jià)(Life Cycle Impact Assessment， LCIA)是對(duì)清單分析中的環(huán)境影響類型進(jìn)行定量或定性的綜合評(píng)價(jià)與描述。SETAC、ISO和英國環(huán)保局都傾向于把影響評(píng)價(jià)定為一個(gè)三步走模型，分別是：分類與特征化、歸一化、量化[17]。本文根據(jù)本土化數(shù)據(jù)情況與中國國情相結(jié)合，選取CML2001方法進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，能源消耗主要考慮礦產(chǎn)資源消耗（ADPe）和化石能源消耗（ADPf），將環(huán)境影響劃分為5類，分別是：全球變暖（GWP）、酸化（AP)、水體富營養(yǎng)化（EP）、光化學(xué)煙霧（POCP）和臭氧層損耗（ODP）。環(huán)境影響評(píng)價(jià)的計(jì)算過程經(jīng)查閱文獻(xiàn)[18]所得：

式中：IA(ω,r)為ω類環(huán)境影響潛值(kg-Eq)；mi,r為ω類環(huán)境影響起促成作用的第i類資源、排放或能源（kg or MJ）；fi,w為第i類資源、排放或能源的特征化因子（kg-Eq/kg or kg-Eq/MJ）。

分類與特征化是在清單分析的基礎(chǔ)上，將所得到的數(shù)據(jù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)劃分到不同的影響類別，并基于GABI軟件及特征化計(jì)算方法，得到增程式電動(dòng)汽車資源環(huán)境特征化結(jié)果，見表6。

歸一化主要是為了更直觀地顯示增程式電動(dòng)汽車生命周期各階段對(duì)環(huán)境造成的影響，并得出對(duì)比分析結(jié)論，本文參考CML2001評(píng)價(jià)方法的歸一化基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，得出環(huán)境影響歸一化結(jié)果，相關(guān)歸一化基準(zhǔn)值以及權(quán)重系數(shù)[19]見表7，最終得到可統(tǒng)一對(duì)比的環(huán)境影響綜合值，見表8。

表6 全生命周期各階段特征化結(jié)果

表7 歸一化基準(zhǔn)值與權(quán)重系數(shù)

表8 全生命周期環(huán)境影響歸一化結(jié)果

圖2 全生命周期階段礦產(chǎn)資源消耗

由圖2可知，在全生命周期4個(gè)階段中，原材料獲取階段礦產(chǎn)資源消耗最多，數(shù)值為0.040 5 kg Sb-Eq，主要是因?yàn)檐嚿怼⒌妆P、動(dòng)力電池、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件需要大量的鋼、鐵、鋁和銅等礦產(chǎn)資源；制造裝配階段只有少量的礦產(chǎn)資源消耗；運(yùn)行使用階段由于輪胎、啟動(dòng)電池等零部件的更換也會(huì)產(chǎn)生一定的礦產(chǎn)資源消耗；報(bào)廢回收階段值為-0.037 kg Sb-Eq，表明報(bào)廢回收階段對(duì)于資源的消耗產(chǎn)生了正效益，最后全生命周期階段總的礦產(chǎn)資源消耗為0.173 kg Sb-Eq。

圖3 全生命周期階段化石能源消耗

由圖3可知，在全生命周期4個(gè)階段中，運(yùn)行使用階段化石能源消耗最多，占全生命周期的71.3%，主要是因?yàn)樵龀淌诫妱?dòng)汽車在運(yùn)行使用時(shí)需要同時(shí)消耗汽油和電能，但我國電能的主要來源依舊是煤炭發(fā)電，從而造成了化石燃料的間接消耗。原材料獲取階段和制造裝配階段也伴隨著一定的化石能源消耗，主要是因?yàn)樵谏a(chǎn)和制造時(shí)需要消耗一定的電能和熱能。在報(bào)廢回收階段化石能源的消耗為負(fù)值，表明通過對(duì)汽車材料的回收以及焚燒處理，部分塑料件產(chǎn)生的電能和熱能能夠降低一定的化石能源消耗。

圖4 全生命周期階分階段、分類別環(huán)境影響大小

由表5和圖4綜合分析可知，從全生命周期4個(gè)階段來看，對(duì)環(huán)境的影響由大到小依次為：運(yùn)行使用階段占比最大(45.61%)，主要是因?yàn)樵龀淌诫妱?dòng)汽車在此階段消耗了大量的汽油和電能，而汽油燃燒過程中產(chǎn)生的硫化物、氮化物以及溫室氣體等直接排放到空氣中，對(duì)環(huán)境造成影響，加之我國電能結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主(比例接近73%)，火力發(fā)電所燃燒的大量煤炭更加劇了對(duì)環(huán)境的影響，其次是制造裝配階段(39.92%)和原材料獲取階段(24.15%)、而報(bào)廢回收階段占比為-10.08%，對(duì)環(huán)境影響產(chǎn)生了正效益。從五類環(huán)境影響值來看，由大到小的順序依次為：GWP＞AP＞POCP＞EP＞ODP，其中對(duì)環(huán)境影響最大的是GWP，占比為42.03%，其他依次占比為AP(33.25%)、POCP(20.49%)、EP(3.82%)、ODP(0.41%)。

5 研究總結(jié)與改進(jìn)建議

本文以全生命周期評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，選取增程式電動(dòng)汽車為具體研究對(duì)象，探究增程式電動(dòng)汽車全生命周期階段的節(jié)能減排效果，研究結(jié)果表明：（1）在礦產(chǎn)資源ADP（e）消耗方面，原材料獲取階段消耗量最大。（2）在化石能源消耗ADP（f）方面，運(yùn)行使用階段占比(71.3%)最大；（3）在環(huán)境影響方面，運(yùn)行使用階段環(huán)境影響占比(45.61%)最大，在五類環(huán)境影響中，全球變暖GWP占比(42.03%)最大。（4）在能源消耗和環(huán)境影響兩個(gè)方面，報(bào)廢回收階段均能產(chǎn)生明顯的正效益。結(jié)合以上研究結(jié)果提出以下建議：

（1）在原材料生產(chǎn)制造階段，提高我國鋼、鐵、銅等礦產(chǎn)資源生產(chǎn)加工工藝以及生產(chǎn)效率，尋求新材料和新生產(chǎn)工藝以期減少礦產(chǎn)資源的消耗，另一方面也可從汽車設(shè)計(jì)入手，采用輕量化技術(shù)，盡量降低汽車整備質(zhì)量，從而降低金屬等礦產(chǎn)資源的消耗。

（2）在運(yùn)行使用階段，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油利用效率，減少汽油等化石能源的消耗，同時(shí)研發(fā)專門適用于增程式電動(dòng)汽車的能量管理策略，提高整車能源轉(zhuǎn)換效率，從而降低能源消耗。同時(shí)也可以提升電池的充電和發(fā)電效率，延長使用壽命，使電能得到充分利用，降低電能消耗，減少因發(fā)電造成的化石燃料消耗。

（3）在報(bào)廢回收階段，由于此階段在減少能源消耗和環(huán)境影響方面均產(chǎn)生了明顯的正效益，因此，建立完善的電動(dòng)汽車報(bào)廢回收體系、加強(qiáng)金屬部件的回收、改善回收工藝等，對(duì)于減少能源消耗和環(huán)境影響具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

（4）改善我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，盡量降低煤炭發(fā)電比例的同時(shí)提高我國煤炭發(fā)電的效率，以降低化石燃料的消耗，并加快其他清潔能源發(fā)電技術(shù)的研究，提高風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源發(fā)電占比和效率。