增程式电动轿车全生命周期节能减排效果分析

方海峰，陈轶嵩，许海波

（1.天津大学，天津 300192；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；3.长安大学，陕西 西安 710064）

前言

汽车产业高速发展给人们带来高质量生活的同时，也带来了一系列严重的资源环境问题，我国汽车产业的发展面临极大的挑战。在资源、能源与环境的多重压力下，汽车产品节能减排要求日趋严格，为了减轻传统内燃机汽车化石能源的消耗以及降低对环境的影响，我国不断加快调整新能源汽车产业的发展规划，以发展纯电动汽车为现阶段目标，而且由国务院颁布的《中国制造2025》战略规划将节能减排与新能源汽车作为十大重点发展领域。增程式电动汽车作为过渡到纯电动汽车的过渡车型，目前关于增程式电动汽车节能减排评价的研究较少，因此需要分析增程式电动汽车究竟对资源、能源、环境产生怎样的影响，也就必须通过科学的全生命周期评价才能具备全局性、系统性的认知。

国际标准化组织（ISO）对全生命周期评价定义是：“对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”[9]。汽车全生命周期评价是对于一种汽车产品进行“从摇篮到再生”的环境排放和能源消耗评价的方法。也就是说，汽车产品全生命周期评价包含了一个汽车零部件或者整车从最初的设计、材料的制造，直至再制造和最终废物处置。在这样的一个生命周期里面涉及到的能量回收和环境排放，去收集和计算能源消耗以及环境总释放情况，然后根据收集的排放和能源消耗评价这些能源消耗和环境排放对环境与能源的总体影响，以及尽可能的找到减少此类影响的方法。

表1 评价车型基本参数

现阶段，全生命周期评价在汽车领域的应用较为成熟，不论是传统内燃机汽车，还是新能源汽车全生命周期的节能减排效果分析，各国相关领域专家已经作了深入的研究分析[1-6]。然而专门针对于增程式电动汽车的全生命周期节能减排的研究较少，对增程式电动汽车的节能减排效果缺乏系统性，全局性的认知。范军锋等[7]基于全生命周期理论对目前几种典型新能源汽车的使用成本与环境影响及能源转换效率进行了评估，结果表明，电池汽车温室气体排放量最少，能源效率最高的汽车分别是氢和甲醇燃料电池汽车、混合动力汽车和氢燃料汽车。杨茹等[8]运用生命周期评价方法，以一款非插电式混合动力汽车为研究对象，从制造、使用、报废3 个阶段进行了全生命周期评价，结果表明，与传统燃油汽车相比较，可节省资源28.9%、减少污染35.16%。此外，对资源消耗以及环境影响中的关键因子进行了敏感性分析，敏感性分析结果表明，再生材料的使用对降低混合动力汽车制造过程资源消耗与环境影响有积极作用。

综上所述，目前全生命周期评价方法在汽车上的应用已经越来越广泛，尤其是在新能源汽车领域，随着《节能与新能源汽车技术路线图》的发布，我国对于汽车的节能减排效果更加重视。因此，本文在Gabi 软件基础上，针对目前市场上典型的增程式电动汽车车型做一个全面系统性的评价，从而对增程式电动汽车的节能减排效果有一个全面的认识。

图1 系统边界

2 目标与范围

2.1 评价对象

本次评价的目的在于运用全生命周期评价的方法，对增程式电动汽车进行整个生命周期科学性的评价，本次以市场上的雪佛兰Volt 增程式电动汽车为研究对象，计算其全生命周期的节能减排效果，以期对于增程式电动汽车节能减排效果有一个全面的认识。该车详细的规格参数如表1 所示，该车的功能单位选取为在中国道路行驶150,000 km。

2.2 系统边界

系统边界限定为四个生命周期阶段：原材料获取阶段、零部件制造装配阶段、整车运行使用阶段、报废回收阶段。所研究的能源消耗为：原油、原煤和天然气。对于排放物，仅研究CO2, CO, NOx, SOx, NMVOC, CH4, PM10、PM2.5。系统边界如图1 所示。

3 清单分析与模型构建

图2 原材料获取阶段Gabi 模型图

图3 整车制造装配阶段Gabi 模型图

本次在模型构建时采用的是德国斯图加特聚合物测试与科学研究所和PE 公司共同研发的生命周期评价专门评价软件—Gabi。根据系统边界，清单分析从原材料获取阶段、零部件制造装配阶段、整车运行使用阶段、报废回收阶段四个阶段进行，各自建立方案模型，最后将四个阶段模型进行连接，从而得到整车全生命周期的评价模型。各个阶段具体模型如图2-5 所示，整个阶段模型如图6 所示。

图4 整车运行使用阶段GaBi 模型图

图5 整车报废回收阶段GaBi 模型图

图6 整车全生命周期评价GaBi 模型

4 评价结果与解释

4.1 评价结果

基于CML2001 生命周期评价方法，将能源消耗分为两类：矿产资源消耗潜值（ADP elements）、化石能源消耗潜值(ADP fossil），将环境影响类型划分为5 类：全球变暖潜值（GWP）、酸化潜值（AP）、水体富营养化潜值（EP）、光化学烟雾潜值（POCP）和臭氧层损耗潜值（ODP）。本文的特征化分析运用GaBi 软件完成，此外，为了对比分析各个环境影响，运用CML2001 方法对上述5 中环境影响类型做归一化和量化处理，归一化基准值来自于Gabi 软件库，权重值来自于参考文献[10]，具体数值如表2-3 所示。

表2 归一化基准值和权重系数

表3 五种环境影响类型归一化结果

4.2 结果解释

（1）能源消耗分析

图7 生命周期各阶段矿产资源消耗

图8 生命周期各阶段化石能源消耗

由图可知，矿产资源消耗最多的是在原材料获取阶段，主要是因为各种车用原材料的获取需要大量的矿产资源作为物质前提；化石能源消耗最多的是在运行使用阶段，这主要是因为汽车在整个使用阶段消耗了大量的汽油和电能，此外回收阶段产生了明显的正效益，因此，报废回收对汽车的节能减排意义重大。

（2）环境排放影响分析

图9 生命周期各阶段的综合环境影响

由图可知，增程式电动汽车四个阶段的五种环境影响类型由大到小的顺序依次为：全球变暖潜值 GWP（占比56.5%）、酸化潜值AP（占比26.4%）、光化学烟雾潜值POCP（占比15.6%）、水体富营养化潜值EP（1.45%）、臭氧层耗竭潜值ODP（0.05%）。环境影响主要集中在使用阶段，其次是原材料获取阶段。在使用阶段，全球变暖潜值（GWP）、酸化（AP）和光化学烟雾潜值（POCP）是主要的环境影响，全球变暖潜值（GWP）主要是因为在使用阶段产生了大量的CO2，而CO2主要来自汽车燃料燃烧，因此，减少汽油燃烧和电力生产过程的温室气体排放是十分必要的。

5 结论

通过对增程式电动轿车全生命周期节能减排效果进行评价，得出以下结论：

（1）增程式电动轿车在运行使用阶段的环境影响最大。一方面是由于增程器的使用，汽油燃烧产生的CO2 直接排放到空气中，对温室效应产生了直接影响，其次是因为我国电能结构不清洁，未来我国电能结构调整后，能耗和碳排放将进一步降低。但在节能效果方面优势明显，主要是由于增程式电动轿车搭载小型发动机，且发动机可以一直工作在最优转速范围内，燃油利用率高，在电池SOC 较高时，还可采用纯电行驶，进一步达到了节能的效果。

（2）增程式电动轿车在原材料获取阶段的矿产资源消耗最大。主要是其搭载的增程器组（发动机+发电机）、动力电池以及各大主要总成部件，需要大量的金属矿产资源作为基础，此外矿产资源的开采碳排放强度较高。因此，对汽车进行轻量化设计至关重要。

（3）增程式电动轿车在报废回收阶段的矿产资源的消耗、化石能源的消耗以及环境排放方面均产生了一定正效益，对减少碳排放有利，因此，报废回收对汽车减少碳排放至关重要。