基于WTW的电动汽车效率研究

曹晓光，赵青青

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

环境问题的日益严重，使世界各国都在努力的开发研究降低二氧化碳(CO2)排放量的方法，为了有效的减少碳化物排放，各国纷纷重新开始重视电动汽车(Electric Vehicle，简称EV)的发展。当然开发电动汽车还有另一个重要的原因，那就是节油。石油是一次性能源，在交通领域的消耗逐年增长，据国际能源部预计，2020年交通用油将占石油总消耗的62%以上。汽车作为石油的主要使用者，必须转变方式，相对传统内燃机汽车，电动汽车则具有无可比拟的优势。一些大型汽车制造商都生产了自己的电动汽车，其中一些已经面向社会出售。纯电动汽车在行驶过程中零排放，但由于电池开发技术不成熟，续驶里程大约为100英里或者更少，一般用于观光旅行车，垃圾清扫车或者代步车。混合动力汽车则是为了克服电池问题和纯电动汽车续驶里程短的缺点而开发，但由于混合动力汽车有多种动力单元，控制复杂，从长远看不具备经济可行性，因而抑制了生产量，但是混合动力汽车的使用是一个必不可少的过渡阶段。燃料电池电动汽车便成为相对可行的新能源汽车，它不仅零排放更无续驶里程短的担忧，但燃料电池的生产及投入使用相对复杂，是国内外现阶段研究的主要难题之一。

大部分人认为电动汽车零排放，能源效率高。如果只考虑排气管的排放物，内燃机汽车会排放二氧化碳等温室气体及粉尘颗粒，而电动汽车排放物为零。然而，这是不全面的，要准确比较这两种不同类型汽车的排放，就要从全生命周期进行考虑，即把燃料生产过程中产生的排放也计算其中。对于电动汽车来说，这包括由原油生产为电池时所产生的排放。那么相对而言，能源效率高也不能只考虑到内燃机有不完全燃烧带来的能量损耗，而要从全生命周期进行考虑。

1 “原油-车轮”分析

“原油-车轮”(Well To Wheels，简称WTW)效率是指汽车从原油提取到驱动车轮的总效率，包括每个阶段的能量转换，运输，传送效率。能量转换的过程可分为两段：“原油-油箱”(WTT)，“油箱-车轮”(TTW)。运输的燃料是由原产地提取并经过加工而制成，油箱中的燃料是经过能量转换为车轮提供驱动力。WTT包括原料的回收，处理，运输，储存，以及燃料的提取，运输，储存和分配。TTW包括从油箱到车轮的能量转换和传送过程。WTW是用来评估新能源汽车发展可行性一种重要的方法。进行分析时，还会用到物理基本定律，基于输入参数的化学定律，数值计算，技术标准，还要考虑驾驶员习惯[1]。如图1所示为WTW效率计算步骤。

图1 WTW效率计算步骤

从理论来讲，由于汽油机和柴油机排量大，在动力传动时部件有能量损耗，所以传统内燃机汽车(Internal Combustion Engine Vehicle，简称ICEV)的TTW效率比较低。而混合动力汽车的发动机排量小，燃油消耗量就小，TTW效率就高于传统内燃机。而纯电动汽车工作于纯电动模式，因此它的TTW效率是最高的。如果将WTT效率同时考虑时，内燃机汽车和电动汽车的WTW效率则会有所改变。

2 电动汽车与内燃机汽车效率比较

遵循WTW的思路，对电动汽车效率的分析可分为三部分：能量产生阶段，能量传递阶段，能量使用阶段。则电动汽车的WTW效率如图2所示。

图2 电动汽车从原油提炼到驱动车轮的能量处理过程

由图2可知纯电动汽车的总效率为：

式中：P0为电动汽车输出能量；PI为输入总能量；PLi为各阶段损失能量，i=1，2，3，4，5，6，7；η为各阶段效率ηi，i=1，2，3，4，5，6，7。

内燃机汽车的效率分析则包括原油到燃油的精炼过程，炼油厂到加油站的运输过程，内燃机的燃烧过程，燃料到车轮的传递过程。则内燃机汽车的WTW效率如图3所示。

图3 内燃机汽车从原油提炼到驱动车轮的处理过程

由图3可知，内燃机的总效率为ηICEV=η1η2η3η4。根据美国能源部的数据，纯电动汽车和内燃机汽车在能量转换过程中的效率范围见表1。

表1 纯电动汽车和内燃机汽车在能量转换各过程效率

根据表1中数据，取平均值，可计算出电动汽车的WTW效率ηEV=17.68%，内燃机汽车的WTW效率ηICEV=16.89%，电动汽车效率略高于内燃机汽车，相差不大。

为了进一步评估计算结果的准确性，引进国外的GREET模型加以验证。GREET是温室气体(Greenhouse gases)，规定的排放值(Regulated Emissions)，运输中的能量消耗(Energy use in Transportation)的缩写。GREET模型是美国阿贡实验室用来估测汽车的WTW效率和排放影响的[2]，其中包含100多种燃油生产途径和70多种汽车系统，是一个基于电子表格的模型。利用GREET模型测出的两种汽车的WTW效率见表2。

将计算结果与测试数据对比，验证了电动汽车与内燃机汽车的总效率相差不大。

表2 应用GREET模型对乘用车能量消耗和效率的测试结果

3 结束语

WTW研究方法客观的评价了车用燃料全生命周期的效率，由于其评价因素较多，不能准确的体现能量用使用的全过程。从表2中可以看出导致电动汽车与内燃机汽车的总效率基本相同是由于电动汽车的WTT效率较低，即从原料到电池的生产。这是因为我国发电站多采用火力发电，相对于在电网中占主导地位的水电，核电，天然气，或者其它的低碳电力来源，在电能生产环节会消耗大量的能源。如果能大量采用风能，太阳能，核电等，可以进一步提高能量利用效率。

【参 考 文 献】

[1]Bossel U.Well-to-wheel studies，heating values，and the energy conservation principle [A].Proceedings of 2003 Fuel Cell Forum [C].Oberrohrdorf，Switzerland，2003.

[2]Argonne National Laboratory.GREET model-The greenhouse gases，regulated emissions，and energy use in transportation model [EB/OL].http：//www.transportation.anl.gov/modeling_simulation/GREET/index.html.