纯电动汽车与混合动力汽车全生命周期节能减排对比研究

刘大鹏，陈轶嵩

（1.陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710043；2.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

近年来，汽车数量高速增长对我国资源、能源以及环境造成了越来越大的影响。为保证汽车产品可持续发展，促进我国生态文明建设，国家已密集出台多项政策，以引导相关企业开展绿色制造、鼓励消费者进行绿色消费。但以混合动力汽车和纯电动汽车为主的节能与新能源汽车对资源、能源、环境带来怎样的影响尚缺乏全面科学的认知，唯有通过全生命周期评价才可以得到全面的、系统的认知。

国内外学者均对此展开了一定研究，如Hackney[4]，Van Mierlo[5]，Aatterson[6]以及 Wang[7]等针对各种燃料汽车建立了生命周期能耗、排放与成本的清单比较模型，重点研究燃料生产链和整车使用过程各种替代燃料汽车的全生命周期环境损害评级体系之间的差异。Haller[8]估算了一个超过180台车的车队从传统汽车升级到替代能源汽车的十年内的环境收益与经济代价，还包括了一定量基础设施投入。Kliucininkas[9]针对立陶宛考纳斯城市公交车与有轨电车使用各种替代能源的情境，计算出了各自的全生命周期加权环境损害值。在电动汽车研究领域，Stefano[10]，Oscar[11]等针对电动车的生命周期使用效率、燃料消耗、温室气体排放、成本等计算方法进行了深入研究。近年来对于关注度很高的电动汽车国内学者也开展了诸多研究，如清华大学开发了生命周期评价分析模型Tinghua-CA3EM，以煤电为情景进行模拟，对新能源汽车与传统汽车的设计、制造、使用整个能耗和排放进行比较，深入分析了百公里电动汽车行驶的 LCA能耗和 GWP情况[12,13]。同济大学黄志甲[14]建立了汽车燃料的生命周期评价模型，并对氢燃料生命周期和汽油燃料生命周期进行了清单计算和结果比较，得出制氢方案是影响燃料电池车的燃料生命周期环境性能的关键。重庆大学任玉珑[26]从经济、能源、环境三个视角出发，通过评价电动汽车对 3E体系的影响，以多目标优化方法为基础，以追求综合效益最大化为目标和边界，提出了3E视角下的电动汽车发展对策措施与政策建议。邢文等[27]引用了大量实际运行参数，并运用SPSS等统计学方法对电动汽车与传统汽车对生态环境的不同影响程度进行了分析比较和情景模拟。

综上所述，我国汽车领域的生命周期评价应用起步较晚，但是近年来汽车相关生命周期评价研究逐渐增多，但是研究体系的完整性与合理性较发达国家尚有一定的差距，尤其缺乏针对新能源汽车的车辆循环（包括车辆制造、配送、维护和报废处理等）的节能问题的完整评价体系。

1 评价模型构建

建立能源消耗差异评价模型，旨在描述HEV（混合动力汽车）与BEV（纯电动汽车）的生命周期能源消耗差异情况，该模型从生命周期的角度出发，全面研究HEV和BEV从资源获取、材料制备到零部件加工、制造、整车装配再到使用、回收利用阶段的能源消耗差异情况。基于相关文献，本文进一步提出了一种最终的能源消耗计算方法。

最终HEV与BEV的能耗差异可用公式（1）来表示。

式(1)中q表示该款BEV中的零部件种类数，y表示该款BEV零部件加工过程中消耗的能源种类数。

因此，etwcij则表示该BEV第i种零部件加工过程中消耗的第j种能源量；式中etwdij表示HEV和BEV消耗的第j种能源的差异量，，当 i＞q 或 j＞y 时，ecij=0。

为了评估不可再生资源（主要包括矿产资源：铜、铁、铝等；化石能源：原煤、原油、天然气等）对环境的影响，本文引用GaBi软件中的特征化因子，具体数值如表1所示。

表1 不可再生资源特征化因子Table 1 Characterization factor of non-renewable resource

由上表可知：化石资源消耗的单位是MJ。

为了将矿产资源消耗和化石能源消耗这两种不同类型的单位能够统一，从而能够较清楚地对比相关矿产、能源的稀缺程度，本文将化石能源消耗的单位转化为统一单位：kg锑当量。本文引用莱顿大学环境科学研究中心提出的 CML修正方法将化石能源单位转化为kg锑当量，具体公式(2)如下：

式(2)中，ADPi,eng表示化石能源i的特征化因子，单位为kg锑当量/kgce；Dri,eng表示化石能源i的年开采量；ε表示化石能源i的折标准煤系数；Ri,eng表示化石能源i的储量；Drref表示参考资源（锑）当年的开采量，单位为kg·yr-1；Rref表示参考资源（锑）的储量，单位为kg。

在计算各种污染物对应的特征化值时只需将相应污染物的质量乘上相应的特征化系数，然后，再对结果进行求和即可。具体如公式(3)所示。

式中，Tk表示第k种影响评价指标的特征化值；Mi表示第i种污染物的质量；Ci表示第i种污染物对应的特征化因子。

2 评价系统开发

评价系统以汽车产品为研究对象，将前面的模型嵌入到后台计算引擎中，通过MATLAB软件强大的计算能力，和VS环境友善的操作界面，开发一款操作简便，人机交互友好，计算结果准确的HEV与BEV汽车全生命周期评价软件。

根据评价模型，将能源生产和原材料生产的基本数据以及从相关文献中获得的BEV和HEV的清单数据一一对应地分配到评价系统中。评价结果中包含了除回收利用阶段以外的原材料生产阶段、制造阶段和使用阶段的能耗和排放值。

3 评价案例

3.1 清单数据获取

此次研究从相关文献中选取了一家典型的中国企业作为实施评价计算的案例。根据此次评价中的数据需求，我们深入到研发中心、生产和装配车间以及测试中心去收集清单数据，比如，BOM 表、制造阶段的能耗等。并且获取了电动机、电动机控制装置、磷酸铁裡电池、变速器、减速器、发动机以及镍氢电池组的材料清单。

3.2 计算结果

为了验证和改进评价系统。首先，我们通过交互界面将清单数据输入到系统中，比如，BOM（材料清单）表、总成制造阶段能耗和排放表、使用阶段能耗和排放表、报废与回收利用表以及物流表等。然后，我们使用 MATLAB工作环境中的背景计算引擎对来自 SQL中的基本数据进行分析计算。计算结果如表2-4所示。

表2 HEV和BEV的全生命周期各阶段能耗Table 2 Energy consumption of HEV and BEV (MJ)

（1）原材料生产阶段

根据公式（1）和（3），我们可以得出图1和图2中的能耗和排放量。由图2可知，BEV在各种污染物排放及生产能耗上均高于HEV，特别是一氧化碳的排放超出了60%。

图1 原材料生产阶段能耗差异Fig. 1 Energy consumption differences of Raw material production phase

图2 原材料生产阶段排放差异Fig. 2 Emission differences of Raw material production phase

分析可得，造成这种结果主要是由于 BEV在原材料数量、重量上均高于HEV，再加上高能耗的电池加工过程，所以产生以上数据是合情合理的。

（2）制造阶段

根据公式（1）和（3），我们可以得出图3和图4中的能耗和排放量。从图中可以看出，电动汽车在制造阶段的能耗与排放与原材料生产阶段的能耗与排放呈相关性趋势，即BEV高于HEV，究其原因大致是因为BEV的组装难度、制造程序的复杂程度要高于HEV不少，再加上BEV属于新生事物，加工熟练度不能与 HEV的制造相比，所以纯电动汽车在制造阶段的生命周期评价仍高于混合动力汽车。

图3 制造阶段能耗差异Fig. 3 Energy consumption differences of manufacturing phase

图4 制造阶段排放差异Fig. 4 Emission differences of manufacturing phase

（3）使用阶段

根据公式（1）和（3），我们可以得出图5和图6中的能耗和排放量。由图6可知，在使用阶段，BEV比HEV的污染物排放还要高，这是由于中国发电水平的限制，具体地讲，火电是我国主要的电力来源，而低下的发电效率深

深的限制了BEV的排放水平，同比直接燃烧汽油转化为动能的HEV，其效率因为由电能转动能而再次降低，以至于在排放上还是要高于HEV。在能源消耗上，两者体现出了明显的能源结构差异，HEV主要是对原油资源的使用，BEV主要是对原煤资源的使用，这与我国的电力结构仍密不可分。

图5 使用阶段能耗差异Fig. 5 Energy consumption differences of use phase

图6 使用阶段排放差异Fig. 6 Emission differences of use phase

4 结论

①由于当前我国的电力组成，我国产生的电是“不清洁的”，这使混合动力汽车比纯电动汽车更节能环保。如果我国电能结构中像核电这种可再生能源的比例升高，纯电动汽车的对相关环境的影响将大幅地降低。

②通过对 HEV与 BEV的各个阶段能耗与排放对比发现，纯电动汽车在使用阶段的能耗和排放比混合动力汽车更低，但是在原材料生产阶段和制造阶段，结果是相反的。这与纯电动汽车装配制造过程中高工作强度所引起的能源消耗增加密不可分，同时电池作为BEV的核心部件，与内燃机相比，其制造水平的不成熟也导致了更高的能耗和排放。