普锐斯PHEV 与普锐斯HEV 全生命周期评价对比分析*

王海峰 刘书如 陈轶嵩 陈 昊

（1-青海交通职业技术学院 青海 西宁 810003 2-长安大学汽车学院）

引言

随着传统汽车石油燃料对外进口依赖度逐年攀升，发展新能源汽车，推动汽车产业转型升级逐渐成为战略共识。在此之前，新能源汽车主要以纯电动汽车发展为主，但由于续航里程等技术问题使得其发展受到限制，而混合动力汽车凭借“能充电、能烧油”的优点弥补了纯电动汽车的劣势，有效地解决了续航里程问题；相比于纯电动汽车，混合动力汽车更适合新能源汽车行业的发展趋势。

在新能源汽车全生命周期评价中，美国艾塔朱巴联邦大学机械工程研究所de Souza 等人[1]采用全生命周期评价方法对传统汽油车、乙醇汽车、汽油和乙醇混合物内燃机汽车、插电式混合动力汽车和电池电动汽车的性能进行了评价。结果表明，以乙醇为燃料的方案对酸化、富营养化和光化学氧化有较高的环境影响。使用汽油对非生物耗竭、化石燃料非生物耗竭潜力和全球变暖潜力的影响更大。电池电动汽车对环境的影响最小。布鲁塞尔自由大学Van Mierlo J 等人[2]采用生命周期评价的方法研究插电式混合动力汽车与传统车辆相比对环境的影响，以及所使用的电池技术的生命周期环境影响，除此之外还特别考虑到电池的耐用性对于插电式混合动力汽车在环境影响方面的差异。瑞典Zackrisson M 等人[3]采用生命周期评价法（LCA）研究并优化插电式混合动力汽车锂离子电池的设计。研究表明，水作为溶剂代替N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）用于锂离子电池正负极的铸造是一种环保的方法。麦克马斯特大学Requia W J 等人[4]从全生命周期对插电式混合动力汽车在加拿大8 个城市进行了CO2排放评估，研究发现不同的发电概况影响生命周期CO2排放潜在的减排效益，要大幅度减少二氧化碳排放，应推广混合动力汽车与可再生能源发电方案相结合。Anders 等人[5]和Troy R.等人[6]也做了相似的研究，认为电力生产是外部充电车辆对环境造成影响的主要原因，以煤电驱动为主的地区EV 的SOx排放增加的趋势。里斯本大学Ribau J P 等人[7]对燃料电池驱动的混合动力电动汽车（FC-HEV）和插电式混合动力电动汽车（FC-PHEV）进行了驾驶条件、投资成本、效率和生命周期影响（LCA）优化的研究。研究表明FC-PHEV 显示出更高的运行效率，但FC-HEV 显示出更低的生命周期影响和更低的总体成本。同济大学梁炉等[8]采用全生命周期评价方法，评价了插电式混合动力汽车全生命周期的能源消耗与气体排放，并分析了在不同的环境工况下采用不同驱动方式对环境的影响。清华大学周博雅[9]基于理论分析、数据调研、实验测试等途径，创立了具有时间特征的中国“车用材料-车用燃料-车辆运行”生命周期评价方法。综合来看，国内外对新能源汽车的研究涉及到了各个方面[10-13]，但关于插电式混动和普通混动汽车对比研究相对较少，所以本文选取了丰田普锐斯PHEV 和HEV 进行整车全生命周期资源消耗与综合环境影响对比分析，旨在比较2 种车型在各个阶段对环境影响的大小，为混合动力汽车的绿色发展提供建议，建立更加完善的评价体系，也可为企业从设计源头上减少环境影响。

1 评价目标与系统边界

1.1 评价目标

本次全生命周期评价研究选用的是丰田普锐斯插电式混合动力汽车（PHEV）和普锐斯混合动力汽车（HEV），通过查阅国内外文献和检索相关数据库等方法，分别搜集2 款混动车型从原材料获取、零部件制造、整车装配、运行使用和报废回收全生命周期能源消耗以及污染排放的数据。2 种车型各部分的质量分布如表1 所示。

表1 PHEV 和HEV 各部分质量kg

在保证模型完整性和准确性的前提下，为了方便建模，对一些过程做如下处理：将原材料获取阶段按照车辆主体部分、启动电池、动力电池和车载流体划分为4 部分，各部分分别依据原材料的质量比例进行模型的构建；报废回收阶段根据回收的途径不同可以分为再制造、再利用、回收（资源回收、能源回收）和填埋4 部分；由于所研究的2 款车型采用了很多相同的零部件（例如铅酸启动电池和发动机等），而且在结构上有很高的相似程度，所以在建立模型时很多部分可以采用共用的方案和数据。另外将一些对评价结果影响较小的材料或零件进行替代和省略。

1.2 系统边界

本次建模以原材料获取、零部件制造、整车装配、使用、维修和报废回收6 个阶段作为评价模型的主体框架。化石燃料（原煤、原油、天然气等一次能源）和矿产资源（铁矿石、铝矿石、铜矿石等）作为系统边界的输入，以环境排放（CO2、CO、NOx、SOx、PM2.5等）作为系统边界的输出。系统边界如图1 所示。

图1 系统边界

2 全生命周期矩阵模型的建立

2.1 原材料阶段差异评价模型

丰田普锐斯插电式混合动力汽车（PHEV）和普锐斯混合动力汽车（HEV）质量矩阵分别为MP、MH：

式中：k 为插电式混合动力汽车（PHEV）包含的零部件种类数；n 为PHEV 消耗的材料种类数，mpij为PHEV 第i 种部件所需要的第j 种原材料质量；m 为混合动力汽车（HEV）包含的零部件种类数；s 为HEV消耗的材料种类数；mhij为HEV 第i 种部件所需要的第j 种原材料质量。普锐斯PHEV 和HEV 整车虽有部分零部件相同但总体零部件和所消耗的材料并不完全相同，在此构建零部件质量差异矩阵MD（插电式混合动力汽车和混合动力汽车分块矩阵差值）：

式中：mdij是插电式混合动力汽车（PHEV）和混合动力汽车（HEV）质量矩阵之差，PHEV 零部件和材料种类与HEV 相比较多，由此将HEV 扩展为与PHEV相同的质量矩阵，扩展部分填零补充。η1表示零部件加工过程中的材料利用率矩阵；η2表示材料制备过程的利用率矩阵。二者都为对角阵。原材料获取阶段能源消耗、环境排放的矩阵模型ED1、PD1为：

式中：r 表示能源种类数，h 表示排放物种类数（r、h分别代表全生命周期内某一阶段最大的资源消耗种类数、排放物种类数，其他阶段缺少部分添零填补）。ep1ij表示PHEV 获取第i 种单位质量的原材料时消耗第j 种能源的量，eh1ij表示HEV 获取第i 种单位质量的原材料时消耗第j 种能源的量，pp1ij表示PHEV 获取第i 种单位质量的原材料时产生的第j 种环境排放的量，ph1ij表示HEV 获取第i 种单位质量的原材料时产生的第j 种环境排放的量，ED1表示PHEV 与HEV 能源消耗量的差异矩阵，PD1表示PHEV 与HEV 排放的差异矩阵。

2.2 生产制造与装配阶段差异评价模型

生产制造阶段和装配阶段的能源消耗与环境排放矩阵和原材料获取阶段的矩阵模型计算推导过程相同，在此省略其推导过程，由此生产制造阶段与装配阶段的资源消耗和排放矩阵差异模型ED2、PD2，ED3、PD3为：ED2=EPP-EHP，PD2=PPP-PHP；ED3=EPA-EHA，PD3=PPA-PHA。

2.3 运行使用阶段评价模型

PHEV 与HEV 在运行使用阶段行驶相同里程L，PHEV 在运行使用阶段内消耗汽油和电能，a 表示整个阶段所消耗汽油所占的比例，b 表示整个阶段所消耗电能所占的比例，HEV 在使用阶段同样消耗汽油和电能，c 和d 分别表示整个阶段所消耗汽油和电能所占的比例。运行使用阶段能耗差异模型ED4为：

式中：EPU表示PHEV运行使用阶段总的燃油和电能消耗量，EHU表示HEV 运行使用阶段总的燃油和电能消耗量，EG表示汽油上游能源的消耗，EE表示电能上游能源的消耗。

计算运行使用阶段的排放，在此假设PHEV 环境排放种类数h1、HEV 环境排放种类数h2，h1≥h2,构建运行使用阶段环境排放差异模型PD4为：

2.4 报废回收阶段评价模型

PHEV 和HEV 报废回收过程参照文献10，汽车报废过程首先进行拆解，由拆解所得的零部件经检测分类进行再使用、再制造、材料回收、焚烧、填埋处理。PHEV 和HEV 拆解过程所产生的能源消耗为EPdis、EHdis，PHEV 和HEV 拆解过程所产生的环境排放为PPdis、PHdis。

PHEV 和HEV 在报废回收阶段的能源消耗ED5、环境排放PD5为：

式中：EPri、EHri（i=1、2、3、4）分别为PHEV 和HEV 整车拆解后所产生再使用、再制造、材料回收、焚烧的能源消耗，PPri、PHri（i=1、2、3、4）分别为PHEV 和HEV 整车拆解后所产生再使用、再制造、材料回收、焚烧的环境排放。

3 影响评价与结果解释

3.1 获取清单数据

通过查找相关文献11 把整车分为车辆主体、铅酸启动电池、锂离子动力电池（HEV 为镍氢动力电池）和车载流体4 个部分。查找文献3 得出几个部分的材料种类和所占比例，表2 为车辆各部分的材料质量比例，表3 为动力电池材料质量比例。

表2 车辆各部分材料组成 %

表3 动力电池材料组成

3.2 特征化分析

借助GaBi 平台建立普锐斯PHEV 与HEV 整车全生命周期模型，基于CML2001 的生命周期评价方法，将环境影响类型划分为7 类：矿产资源消耗（ADP elements）、化石能源消耗（ADP fossil）、全球变暖潜势（GWP）、酸化潜势（AP）、水体富营养化（EP）、光化学烟雾（POCP）和臭氧层损耗潜值（ODP）[12]，GaBi 平台整车全生命周期各阶段环境影响特征化结果如表4、5 所示。

表4 PHEV 全生命周期环境影响特征化结果

3.2.1 矿产资源消耗差异

PHEV 与HEV 的矿产资源消耗对比如图2 所示（使用阶段PHEV 和HEV 都无矿产资源消耗，此图中不考虑此部分）。由图可以看出原材料获取阶段和报废回收阶段是矿产资源消耗（收益）最重要的部分。在原材料获取阶段PHEV 的矿产资源消耗大于HEV，原因是由于PHEV 所使用的锂离子电池中锰酸锂的生产过程比较复杂需要消耗大量的锂矿、锰矿等矿产资源。PHEV 与HEV 在报废回收阶段的矿产消耗均为负值，这是因为对关键材料的回收使得矿产资源在这一阶段出现了收益。此外PHEV 在回收阶段产生的效益要略小于HEV，但是回收得到的锂（Li）在质量上比镍（Ni）要大得多，因此锂的回收对于PHEV 整个生命周期的节能减排有重要意义，应当积极推广。

表5 HEV 全生命周期环境影响特征化结果

图2 PHEV 与HEV 的矿产资源消耗差异

3.2.2 化石能源消耗差异

图3 为PHEV 与HEV 各阶段的化石能源消耗差异。由图看出普锐斯PHEV 在全生命周期各个阶段的化石能源消耗均大于HEV。这是因为在全生命周期的各个阶段都要消耗大量的电能和热能，电能和热能的主要获取方式就是消耗化石能源，PHEV在各阶段参与能耗的质量均大于HEV，因此化石能源的消耗量更大。

图3 PHEV 与HEV 的化石能源消耗差异

3.3 归一化评价

3.3.1 普锐斯PHEV 与HEV 环境影响结果

为说明环境影响类型的相对重要性，本文运用CML 评价模型对5 种环境影响类型进行归一化和量化处理。归一化基准值来源于GaBi 数据库，根据文献13 所提供的归一化基准值与权重系数，如表6 所示，计算出不同环境影响在各自权重系数下的量化结果。PHEV 与HEV 生命周期各阶段综合环境影响对比如图4 所示。

表6 归一化基准值与权重系数

图4 PHEV 与HEV 各阶段综合环境影响对比

通过对全生命周期各个阶段环境影响综合值对比分析可知，PHEV 与HEV 全生命周期对环境产生的影响由大到小依次为：全球变暖潜势（GWP）、酸化潜势（AP）、水体富营养化（EP）、光化学烟雾（POCP）和臭氧层损耗潜值（ODP）。其中GWP 对环境的影响占到了60%左右，远大于其他类别对环境的影响。从分阶段角度来看，使用阶段对于环境的综合影响最大，其次是原材料获取阶段，下面对这2 个阶段的环境影响进行简要分析。在使用阶段，GWP 和POCP 是最主要的环境影响。GWP 是因为汽车行驶时燃烧汽油会产生大量的CO2，另外PHEV 充电时消耗的电能在其上游也会有相当一部分的CO2排放。POCP 源于发动机内氮气和氧气在火花塞放电时发生化学反应生成的氮氧化物（NOx）和汽油不充分燃烧产生的大量碳氢化合物（HC）。尽管汽车都装有尾气处理装置但是仍有大量的污染物被排放到大气。因此，真正要做到汽车的节能减排还是需要在汽车的使用阶段降低温室气体（GHG）和其他污染物的排放。在原材料获取阶段，主要的环境影响类型是GWP，POCP 和AP，造成这些环境影响的主要原因为：铝合金、钢等原材料在生产过程中消耗化石能源，由此产生温室气体CO2、酸性气体SOx（主要是SO2）和氮氧化合物NOx。因此采矿、冶金、钢铁和能源等基础产业的技术发展和污染防治对于实现汽车产品的节能减排同样极其重要。

3.3.2 综合环境差异影响对比

为了更加直接对比普锐斯PHEV 与HEV 对环境的综合影响，在此给出普锐斯PHEV 与HEV 综合环境影响差异图。

图5 PHEV 与HEV 综合环境影响差异

通过图5 对比分析可以得到：使用阶段PHEV的综合环境影响小于HEV，这表明PHEV 在行驶时温室气体和大气污染物的排放量更少，从节能减排的角度考虑应该选择插电式混合动力汽车。报废回收阶段PHEV 环境影响综合值要比HEV 大得多，即PHEV 在报废回收时产生了更多的污染排放，对于插电式混合动力汽车（主要是锂离子电池）的回收采用的技术和工艺仍需进一步改进。在原材料获取阶段PHEV 的综合环境影响也小于HEV，间接表明了锂离子电池比镍氢电池更加环保。

4 结论

本文选取了混合动力汽车中最具代表性的插电式和普通混合动力2 款车型Prius PHEV 和Prius HEV 作为研究对象，分别对其全生命周期5 个阶段的节能减排情况进行了研究分析和对比，得出如下结论：

1）根据PHEV 与HEV 全生命周期的环境影响结果对比分析可得：无论是PHEV 还是HEV 在全生命周期对环境产生的影响由大到小排序依次为：全球暖化潜势（GWP）、光化学烟雾（POCP）、酸化潜势（AP）、水体富营养化（EP）、臭氧层损耗（ODP）。

2）由量化综合环境影响的对比分析结果可以得出：PHEV 全生命周期的环境综合影响大于HEV，但是在原材料获取阶段和使用阶段PHEV 对环境的综合影响要小于HEV。综合来看插电式混合汽车在节能减排上优于普通混合动力汽车，这也从另一侧面表明了锂离子电池比镍氢电池性能更优也更加环保。

3）根据分析结果，对混合动力汽车发展有如下建议：

a）普锐斯PHEV 在原材料获取和使用阶段的环境综合影响均小于HEV，从节能减排的角度考虑插电式混合动力汽车更优。

b）用锂离子电池代替镍氢电池作为混合动力汽车的动力电池。

c）优化我国的电能结构，增大水电、太阳能等清洁能源的发电比例。

d）推进报废汽车回收利用产业的发展，提高回收的技术和工艺水平。

e）在其他制造行业推行生命周期理念，建立更广泛的生态管理体系与评价体系。

f）从设计源头上考虑生态问题，让生态设计理念贯穿产品的始终。