混合动力汽车动力系统环境影响对比分析

王一品　李柏姝

摘 要：本文主要运用生命周期评价法对目前市面上普遍使用的两套混合动力汽车动力系统（方案A、方案B）进行生命周期评价对比，从动力系统组装（包括原材料获取）、道路运输以及废弃三个阶段对两种动力系统进行比对分析，最后在保证使用条件的前提下选取最优。本文所研究的动力系统构成包括电动机、发动机和动力电池三个主要元件。综合结果显示方案A为最优选择。

关键词：混合动力汽车 生命周期 动力系统

Comparative Analysis of Environmental Impact of Hybrid Electric Vehicle Power System

Wang Yipin，Li Baishu

Abstract：This article mainly uses the life cycle assessment method to compare the two sets of hybrid electric vehicle power systems currently used in the market （Scheme A， Option B）， from the power system assembly （including the acquisition of raw materials）， to road transportation and disposal. The two power systems are compared and analyzed in three stages， and finally the best is selected under the premise of ensuring the conditions of use. The composition of the power system studied in this paper includes three main components： electric motor， engine and power battery. The comprehensive results show that option A is the best choice.

Key words：hybrid electric vehicle， life cycle， power system

在混合动力汽车动力系统按照能量传递的方式，一般可分为串联式、并联式、混联式和复合式[1]。串联式混合动力系统首先由发动机带动发电机并产生电能，之后电能经过功率转换器后通过电动机驱动车轮，期间所产生的多余电能可以存储到动力电池中。并联式混合动力系统拥有两套独立的驱动系统，电机与发动机均可以独立驱动车轮，也可以同时驱动车轮。混联式混合动力系统相对于串联式增加了发动机到传动装置的机械动力传递路线;比并联式增加了将动能直接转化为电能的传输路线，同时兼具串联式和并联式的优点。本文主要以混联式混合动力系统为主要研究对象，并且主要研究发动机、电动机以及动力电池三个混联式混合动力系统中的主要动力输出元件。

1 生命周期建模

本研究选择两款目前市面上流行的两种动力系统搭配方案，命名为方案A与方案B，其中方案A的动力电池为镍氢电池，电池内部有30个电池模块，每个模块质量约为1.4kg，故电池质量约为42kg，发动机为铝制发动机其质量为140kg，电动机为永磁式电动机质量为26kg。表1—3分别为方案A的动力电池、发动机、电动机的制造清单。

方案B的动力电池为铅酸电池，质量约为80kg，发动机为钢制发动机质量为235kg，方案B电动机的材料组成与方案A基本一致，故不再单独列出。表4—5分别为方案B的动力电池、发动机的制造清单。

原材料运输以及配件组装运输阶段运输里程取2018年全国公路货物运输平均里程180km[2]。

模型过程框图中的Pt表示该线条的长度单位，粗线条的长度表示不同的阶段流程对该过程造成的影响的贡献值。

将制造清单数据导入SimaPro生命周期软件中可得到方案A与方案B的网状模式图如下：

2 结果分析

根据以上的数据代入以及动力系统生命周期网状图的分析，可以通过SimaPro软件得到下列三种关于两套配置方案生命周期的分析图像，图3为生命周期影响对比评价图，图4为加权比重对比评价图，图5为单一记分对比评价图。

图3中，图像横坐标代表生命周期评价影响中的各项评价指标，其中包括致癌物质、可吸入有机物、可吸入无机物、大气影响、放射性物质、臭氧层影响、酸化影响、以及富营养化等十几项评价指标。纵坐标代表指标的数值大小[3]，由图像可以看出相较于方案A，方案B在大多数的影响指标中都占据这主要影响地位，除致癌物质与放射性物质外，在其余的指标中方案B的贡献指数都达到了100%。

图4横坐标代表三个评价指标分别代表人类健康、生态系统质量以及自然资源，纵坐标代表在该项指标中的影响程度大小，在人类健康指标中方案A的总体贡献值为79.2Pt，方案B为96.7Pt，在生态系统质量指标中方案A的总体贡献值为9.37Pt，方案B为14.6Pt，在自然资源指标中方案A的总体贡献值为78.1Pt，方案B为113Pt。通过以上的数据可以看出，方案B在三项指标中的影响贡献均大于方案A，主要原因是动力电池中的铅对于环境的污染程度。

单一值记分分析就是在记分的基础上再将加权比重分析结合到其中，图5中横坐标从左至右分别代表方案A与方案B，纵坐标代表影响数值大小，图像中灰色部分代表自然资源，绿色部分代表生态系统质量，黄色部分代表人类健康，通过单一值计分法分析，在人类健康中的影响贡献值为79.2Pt，与之相对应的方案B的数值为96.7Pt，在生态系统质量中方案A的影响贡献值为9.37Pt，方案B为14.6Pt，在自然资源中方案A的影响贡献值为78.1Pt，方案B的为113Pt，通过以上的数据可以看出方案B在三个指标中的影响贡献均大于方案A，主要原因是方案A所使用的是对环境污染较小的镍氢动力电池，而方案B所使用的是对环境影响较大的铅酸动力电池，这也是方案B在对比分析中对环境影响的貢献值相对较大的重要原因，而且这种影响主要集中在废弃阶段。总体来看方案A的全生命周期对于环境影响的贡献相对较低，故在保证使用条件的前提下，方案A为最优选择。

3 结语

结果显示在具有大致相同的比功率与比能量的前提下，方案A对环境的影响最小，而造成两套方案环境影响差异的主要原因在于动力电池的选择。镍氢动力电池在生命周期的各个阶段对于环境的影响相对较小，但是其在制造阶段的所需能耗却高于铅酸动力电池，主要原因是其主要组成当中含有大量的镍与稀土等所需能耗较高的原材料[4]，同时其造成的环境影响虽不及铅酸蓄电池，但是同样不可忽视其影响。

参考文献：

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.（专著）.

[2]国家统计局.中国交通年鉴2018[J].北京：中国交通年鉴，2019.（期刊）.

[3]沈建. 锯材产品的生命周期评价[D].东北林业大学，2015（04）：30.（硕士论文）.

[4]郝夏艳. 某混合动力汽车动力系统生命周期能耗和排放评价[D].湖南大学，2009（05）：57-58.（硕士论文）.