新能源汽車生命周期內(nèi)減碳關(guān)鍵技術(shù)的研究

王福振 馬什鵬 張鑫新 黃學(xué)江 馬永娟

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

主題詞：碳中和 純電動(dòng)汽車 燃料電池汽車 混合動(dòng)力電池汽車

縮略語

EV Electric Vehicle

SOC State of Charge

FCV Fuel Cell Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

RL Reinforcement Learning

PFCEV Plug-in Fuel Cell Electric Vehicle

ECMS Equivalent Consumption Minimization Strategy

1 引言

碳中和（Carbon Neutrality)目前在學(xué)術(shù)界主要表現(xiàn)為“氣候?qū)用妗迸c“碳排放”2 種觀點(diǎn)。第1 種觀點(diǎn)，聚焦于氣候?qū)用?即全球溫室氣體凈排放量使全球的升溫限制在1.5 ℃內(nèi)，進(jìn)入大氣中的溫室氣體排放和吸收達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[1]；第2種觀點(diǎn)，聚焦碳排放，是指國家、企業(yè)或個(gè)人某個(gè)具體時(shí)間內(nèi)因生產(chǎn)制造而產(chǎn)生的溫室氣體，用植樹等方式吸收，達(dá)到相對“零排放”[2]。

據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)回顧2021》，2020年我國交通運(yùn)輸占全國CO2排放的比例是10.4%，其中以燃油車為代表的公路運(yùn)輸在交通運(yùn)輸中所占比例達(dá)80%以上。為實(shí)現(xiàn)2050年道路交通的碳中和目標(biāo)，各種新能源汽車和節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

新能源汽車是指采用非常規(guī)燃料作為動(dòng)力源的汽車，主要包括目前主要為純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。本文將對不同車型整個(gè)生命周期的減碳措施進(jìn)行分析。

2 新能源汽車減碳技術(shù)

2.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車（Electric Vehicle,EV）從動(dòng)力電池中獲取能量，通過電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將能量分配給車輪，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。雖然整個(gè)行駛過程并沒有直接的溫室氣體排放，但從EV 全生命周期看，CO2排放主要集中在上游發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著EV 行駛時(shí)間越長，碳排放量相對于傳統(tǒng)燃油車愈發(fā)降低。為使EV 更加節(jié)能減排，目前主要從3 方面進(jìn)行研究：動(dòng)力電池能量密度、能量管理策略和再生制動(dòng)能量回收。

當(dāng)前純電動(dòng)汽車使用電池類型主要為鎳鈷錳三元鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池能量密度一般為120～140 W·h/kg，三元鋰電池能量密度一般為160～180 W·h/kg。電池能量密度越高，攜帶相同能量的電池質(zhì)量會(huì)降低，由電池產(chǎn)生的碳排放也會(huì)降低。當(dāng)能量密度從120 W·h/kg 提升到160 W·h/kg，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池分別能降低碳排放5.5%和8%[3]。隨著對安全性和成本的思考，比亞迪推出了改進(jìn)版磷酸鐵鋰電池，用扁平化的電芯形狀，不僅提高了空間利用率，還較大程度提升了能量密度。國軒高科通過對正極材料和PACK工藝進(jìn)行優(yōu)化，宣稱可實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池單體能量密度突破200 W·h/kg。與此同時(shí)，寧德時(shí)代推出的新一代鈉離子電池，能量密度達(dá)到160 W·h/kg，有很大發(fā)展空間。不僅如此，提高電池的回收率，可有效降低電池生產(chǎn)帶來的碳排放。Dunn 等[4]通過對不同材料電池的生命周期進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電池有關(guān)的溫室氣體釋放主要集中在電池生產(chǎn)和電池兩極的制造中，通過對廢舊電池的回收，可以降低電池生產(chǎn)過程中50%的能源消耗。

在綜合考慮汽車的動(dòng)力性、安全性和舒適性等的前提下，為減少充電次數(shù)，同時(shí)又增加車輛的續(xù)駛里程，所以要對汽車工作能量進(jìn)行分配，使整車對能源的利用效率達(dá)到最高。周美蘭[5]對復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)分別制定了邏輯門限和模糊控制策略，結(jié)果與只有單一電池的純電動(dòng)汽車相比總體節(jié)能6.17%和34.57%。Zhang等[6]將電池與電容器構(gòu)成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，加上實(shí)時(shí)預(yù)測能量管理策略，不僅降低了電池電壓和電池溫度，總體節(jié)能多達(dá)43.03%。在公路運(yùn)輸中，商用車的碳排放比例占全部車輛碳排放的65%。為了減少碳排放，商用車也逐漸被限制而轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車。丁鈺航[7]對具有雙電機(jī)的純電動(dòng)商用車提出一種基于瞬時(shí)優(yōu)化的能量管理策略，先通過對比同一工況不同分配方案間的能量損失，確定最優(yōu)的電機(jī)功率分配。仿真結(jié)果顯示，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)工作相比經(jīng)濟(jì)性能提升6.1%。

為使EV 更加節(jié)能減排，故需對制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能進(jìn)行收集，轉(zhuǎn)化為電能對電池進(jìn)行充電，提高車輛的能源利用率。王永鼎[8]充分考慮電機(jī)和SOC 的狀態(tài)，提出一種基于ECE 法規(guī)、I曲線和f曲線的制動(dòng)力分配策略，與系統(tǒng)自帶的策略比較，回收能力有所提高。李爭爭[9]為平衡節(jié)能與安全性，通過模糊控制提出一種基于前后軸制動(dòng)力動(dòng)態(tài)變化的分配策略，相對于傳統(tǒng)的ECE 策略，能量回收能力更強(qiáng)，而且改善汽車的穩(wěn)定性。Itani 等[10]針對電動(dòng)前驅(qū)車，提出一種基于滑?？刂频幕坡士刂撇呗裕c基于ECE 的策略相比，保證前輪最大制動(dòng)效能的同時(shí)又有強(qiáng)力的能量回收能力。

純電動(dòng)汽車具有行駛階段零排放、生命周期低排放的特征。加大對電機(jī)、電池和電控系統(tǒng)核心技術(shù)的研發(fā)，加快純電動(dòng)汽車推廣普及，將有效推動(dòng)汽車領(lǐng)域的低碳化，為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

2.2 燃料電池汽車

燃料電池是一種將燃料（含氫）與氧化劑之間反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能變?yōu)殡娔艿碾姵?，不僅能做到無排放、無噪聲，相對其它能源而言，其作為電能的補(bǔ)充，可以滿足幾乎所有能源特性，又兼具強(qiáng)大減排能力[11]。從燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle,FCV）的全生命周期來看，降低碳排放的措施主要集中在3個(gè)方面：制氫過程、電催化劑和系統(tǒng)控制策略。

目前，在我國氫氣的獲取主要還是利用化石能源制氫，用煤炭、石油和天然氣原料經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)分離雜質(zhì)，最后提純得到氫氣，這種制氫路線成熟高效、成本較低，但不能擺脫對化石能源的依賴，且會(huì)有較多的碳排放[12]。為了提升對環(huán)境的保護(hù)和降低碳排放，新的制氫方式如電解水制氫和可再生能源制氫將成為主要制氫方式[13]。

氫燃料電池是氫能向電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵載體，電堆是燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場地，也是燃料電池最核心部分，其性能直接決定整個(gè)電池系統(tǒng)的性能上限。電催化劑是降低反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)速率的關(guān)鍵物質(zhì)。為保證氫能的充分利用，減少對氫能的浪費(fèi)，提升催化劑的效率成為重中之重。目前常用的電催化劑是依舊是Pt/C，為了解決其Pt 顆粒的溶解、團(tuán)聚現(xiàn)象以及成本問題，研究人員又研制出Pt與過渡金屬合金催化劑、Pt 單原子層催化劑和Pt 核殼催化劑，利用Pt 顆粒在納米級(jí)形狀上的變化調(diào)整來減少用量、提高反應(yīng)率[14]。為進(jìn)一步減少Pt 的使用，非貴金屬催化劑如利用聚合反應(yīng)合成了氮摻雜碳凝膠催化劑[15]、過渡金屬原子簇合物也有飛速進(jìn)展。

FCV 主流技術(shù)仍為燃料電池和電池的混合模式，正常行駛下燃料電池為驅(qū)動(dòng)車輪提供能量并在怠速時(shí)為電池充電，需要高功率時(shí)，2種能量源共同提供動(dòng)力。為充分利用氫燃料、合理分配不同能量源的能量輸送，提出各種能量反應(yīng)策略。

林歆悠[16]提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的能量管理策略，使插電式燃料電池電動(dòng)汽車（Plug-in Fuel Cell Electric Vehicle,PFCEV）氫氣與電池電量消耗間的平衡，在相同工況下與基于規(guī)則的策略相比，整車能耗降低20.8%。Yuan 等[17]為了解決實(shí)時(shí)預(yù)測這個(gè)難點(diǎn)，提出一種分層式的管理策略，上層用K 近鄰算法預(yù)測未來平均車速，下層用強(qiáng)化學(xué)習(xí)輸出控制策略以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化，不僅能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測，與基于規(guī)則的策略相比，氫氣消耗可降低6.14%。Sun 等[18]提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的能量管理策略，合理分配燃料電池、蓄電池和電容3 種能量源的功率，與等效燃油消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS）相比，在各種典型工況下均有更好的優(yōu)化能力。

近些年來，氫能和燃料電池技術(shù)正逐漸被納入我國國家能源發(fā)展規(guī)劃。通過提高對氫能相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)支持力度，對氫氣的制取及氫燃料電池進(jìn)行專項(xiàng)研究，加快氫能供給體系建設(shè)，努力實(shí)現(xiàn)更低碳環(huán)保、安全高效的能源目標(biāo)。

2.3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）指同時(shí)具備發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池2 個(gè)能量源的汽車，是向純電動(dòng)汽車發(fā)展的過渡形式。汽車行駛過程中在滿足需求功率的前提下，通過各種能量管理策略調(diào)節(jié)不同動(dòng)力源的輸出功率，實(shí)現(xiàn)降低油耗、減少污染的目的，也是目前發(fā)展速度最快、市場滲透率最高的一類車型。有效提升HEV的節(jié)能水平，主要體現(xiàn)在機(jī)電耦合技術(shù)、能量管理策略和制動(dòng)能量回收3個(gè)方面。

關(guān)于整車方面，為充分發(fā)揮電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，各種動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)電耦合技術(shù)層出不窮。機(jī)電耦合系統(tǒng)是指將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)2種系統(tǒng)的動(dòng)力混合起來，在根據(jù)不同工況分配動(dòng)力的部件。比亞迪秦推出一款四驅(qū)混聯(lián)系統(tǒng)，綜合油耗降低至1.6 L/100 km，上汽榮威550的雙電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)，油耗僅2.3 L/100 km[19]。商用車方面，直驅(qū)混連、基于AMT的串并聯(lián)、雙電機(jī)混合模式協(xié)同發(fā)展，最高節(jié)油率可達(dá)40%[20]。

為了調(diào)節(jié)HEV不同能量源的能量供應(yīng)，使得汽車在行駛過程中有高效的能量利用。鄭春花[21]對并聯(lián)式HEV 采用一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning,RL）的能量管理策略，策略中使用狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，簡化計(jì)算此時(shí)刻和下一時(shí)刻工況的需求功率，采用經(jīng)典的Q 學(xué)習(xí)算法獲得優(yōu)化控制策略后，同基于規(guī)則的管理策略一起針對Janpan1015、NEDC、UDDS 3 種工況進(jìn)行驗(yàn)證，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了7.67%、10.22%、14.4%。劉輝[22]通過自定義變化的電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配因子，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線，得到任何荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）開始，電池電量從消耗變成維持時(shí)分配因子的全局優(yōu)化模型，然后用退火算法的優(yōu)化，獲得可實(shí)時(shí)分配的功率分配因子線，將其在應(yīng)用到插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）。以WLTC 和NEDC 工況為作比較，初始SOC 為25%時(shí)，優(yōu)化后整車燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了4.1%和10.6%。王欽普[23]針對PHEV 頻繁起停的問題，基于粒子群算法優(yōu)化,提出一種等效燃油消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS），測到不同初始SOC 與等效因子的關(guān)系，最后再次引入啟動(dòng)車速限制優(yōu)化后的ECMS。在隨后進(jìn)行的仿真驗(yàn)證中，與基于規(guī)則的能量管理策略相比，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了8.5%。

針對HEV 的能量回收，馬什鵬[24]以滿足安全為前提，以動(dòng)能回收效率最大為目標(biāo)，提出一種基于Q學(xué)習(xí)的控制策略，使制動(dòng)能量回收效率有所提升。Xu 等[25]針對雙電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)協(xié)同控制2 種制動(dòng)模式，提出一種基于規(guī)則的模式切換方法，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對其進(jìn)行優(yōu)化，使得2 種模式制動(dòng)能力提升的同時(shí)，又提高了能量回收率。Sun[26]以前后軸為固定比例的再生制動(dòng)力控制策略為基礎(chǔ)，結(jié)合PID 算法，提出了PID 模糊控制算法，增強(qiáng)控制精度的同時(shí)，又大大提高了能量回收效率。

2.4 熱管理與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)

除上述常見的降低汽車碳排放的幾個(gè)方面外，王叢飛[27]對新能源汽車熱管理技術(shù)和制冷劑2 方面提出了減排想法。為了減少如動(dòng)態(tài)規(guī)劃、ECMS的運(yùn)算量，楊超[28]在智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了基于煙花算法的能量管理策略，與基于規(guī)則的控制策略進(jìn)行比較，燃油經(jīng)濟(jì)性提升了8.8%。

隨著時(shí)代不斷變革發(fā)展，“汽車+”深度融合技術(shù)得到飛速發(fā)展。為了解決某些具體的問題，喬仁杰[29]采用禁忌搜索和Floyd 算法相結(jié)合，在結(jié)合衛(wèi)星地圖的情況下對某集團(tuán)物流路線進(jìn)行規(guī)劃，大大減少車輛多余行駛里程，降低碳排放。

3 結(jié)論

由上述分析可以得知，新能源汽車的節(jié)能減排技術(shù)體現(xiàn)在多種車型、多個(gè)方面。本文重點(diǎn)從純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、混合動(dòng)力電池汽車等方向進(jìn)行討論，主要結(jié)論如下。

（1）EV 的碳排放主要集中在生產(chǎn)階段，尤其是電池的生產(chǎn)制造，在努力提高其能量密度的同時(shí)，還要注意對電池的回收處理和二次利用。在行駛階段，要通過合理利用能量管理策略和對制動(dòng)能量的回收，提升能量利用率。

（2）從FCV 的全生命周期來看，要加快電解水制氫和可再生能源制氫的大規(guī)模應(yīng)用，降低制氫過程的碳排放。提高電催化劑的催化效率，提升燃料利用率和反應(yīng)速率。通過能量管理策略減少氫燃料的消耗和提升電能的儲(chǔ)存、利用能力。

（3）HEV 要充分發(fā)揮2 個(gè)能量源的優(yōu)勢，提升汽車機(jī)電耦合和動(dòng)力系統(tǒng)方面的節(jié)能技術(shù)，減少使各系統(tǒng)傳遞間的能量損耗。充分利用能量管理策略和動(dòng)能回收，提升汽車行駛里程，促進(jìn)節(jié)能減排。