纯电动乘用车碳排放量关键影响因子相关性分析

么丽欣 刘斌 马乃锋

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

主题词：纯电动汽车 相关性分析 碳排放 环境影响

缩略语

BEV Battery Electric Vehicle

LCA Life Cycle Assessment

1 引言

汽车产业碳中和是一项系统工程，涉及能源、工业及交通信息多个领域，以及研发、生产制造、使用和回收多个环节。为了实现汽车产业碳达峰、碳中和目标，不仅需要自身技术突破，还需要其它相关行业加快低碳技术研发，加速汽车全生命周期、全产业链节能减排，共同推动汽车产业绿色发展。

近一年来，双碳目标已经成为推动新能源汽车快速发展、加快汽车产业低碳转型的重要驱动力。根据中国汽车工业协会统计数据显示，2021年1～9月新能源汽车产量共计216.6万辆，同比增长1.8倍，远高于行业整体增速，其中纯电动汽车产量180.3万辆，插电式混合动力汽车产量36.2万辆。得益于电池结构和电池材料的技术创新，搭载磷酸铁锂电池系统的车型续驶里程持续提升，能够满足消费者日常出行需求，目前磷酸铁锂电池的装机量占比逐渐攀升。

国内外研究成果[1-2]表明，采用全生命周期的视角是研究汽车产品资源消耗和对环境影响的重要方法。汽车产品生命周期总体碳排放量由燃料周期和车辆周期共同构成。经研究测算，虽然纯电动汽车在车辆周期的碳排放量高于传统燃油车，但是由于纯电动汽车能实现运行阶段零排放，使得其生命周期总碳排放量比传统车更低，并且未来减排潜力更大[3]。

本文选取纯电动乘用车市场代表车型，定量分析关键影响因子与碳排放量的关系，对纯电动乘用车的减碳途径提出发展建议。

2 模型和输入

2.1 生命周期模型

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是从整个生命周期的视角分析汽车产品在原材料获取、零部件生产制造、整车生产制造、燃料生产、燃料运输、燃料使用和报废回收各个阶段的资源消耗，以及环境影响的评价方法。考虑输入数据的可获取程度以及对车型总体碳排放量的贡献度，本文对纯电动乘用车的碳排放量计算只考虑传统部件原材料获取、电池原材料获取、整车生产制造、车辆行驶过程电力上游4个阶段[4-5]，其它阶段忽略不计，计算公式如式（1）。

式中，CBEV为BEV总体碳排放量；CM为传统部件原材料获取阶段的碳排放量；CBM为电池原材料获取阶段的碳排放量；CP为整车生产制造阶段的碳排放量；CF为车辆行驶过程电力上游的碳排放量。

传统部件原材料获取阶段的碳排放量（CM），计算公式如式（2）。

式中，n为BEV传统部件材料种类的数量；Wi为传统部件第i种材料质量；Ei为传统部件第i种材料碳排放因子；L为BEV生命周期行驶里程。

电池原材料获取阶段的碳排放量（CBM），计算公式如式（3）。

式中，n为BEV电池材料种类的数量；BWi为电池第i种材料质量；BEi为电池第i种材料碳排放因子；L为BEV生命周期行驶里程。

整车生产制造阶段的碳排放量（CP），计算公式如式（4）[6]。

式中，n为BEV整车生产制造过程消耗化石能源的数量；FCi为第i种化石能源消耗量；FEi为第i种化石能源使用过程碳排放因子；ECp为整车生产制造过程电力消耗量；EP为电力生产过程碳排放因子；L为BEV生命周期行驶里程。

车辆行驶过程电力上游的碳排放量（CF），计算公式如式（5）。

式中，EC为BEV行驶过程单位里程电耗；EP为电力生产过程碳排放因子。

2.2 相关性分析法

相关性分析法是生命周期研究中用来评价产品的输入因子对输出结果影响程度大小的方法，可以细分为单因子相关性分析和多因子相关性分析，单因子相关性分析用于衡量单个输入因子对输出结果的影响大小，多因子相关性分析用于衡量两个或两个以上输入因子对输出结果的影响大小。本文采用单因子相关性分析法来研究不同因子对碳排放量的影响。

2.3 影响因子

根据生命周期模型可以看出，纯电动乘用车的碳排放量由车辆材料质量、车辆材料碳排放因子、生产制造过程的能源消耗量、整车电耗、电力上游碳排放因子、出行特征因素共同决定。经测算，从各个阶段碳排放量在BEV生命周期总碳排放量中所占权重来看，车辆行驶过程电力上游最大，其次是传统部件原材料获取阶段、电池原材料获取阶段，整车生产制造阶段最小。另外，纯电动汽车的质量与电池能量密度呈负相关，电池密度越大，整车质量越小[7]。因此，本文重点分析车辆行驶里程、电网清洁化、能耗水平、电池能量密度、可再生材料利用率这5个影响因子与碳排放量的相关性。

2.4 代表车型

为了区分搭载不同类型动力电池车型的碳排放量与各个影响因子的相关性，同时需要兼顾不同对象车型参数具备可比性的原则，本文选取某公司的A级纯电动轿车不同版本的车型作为研究对象，将续驶里程410 km、搭载磷酸铁锂电池的车型记作BEV①，将续驶里程510 km、搭三元锂电池的车型记作BEV②，将续驶里程602 km、搭三元锂电池的车型记作BEV③，表1为代表车型的部分参数，主要参考2020年第9批和2021年第5批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》[8-9]。假设车辆生命周期行驶里程150 000 km，BEV①、BEV②、BEV③单位里程的碳排放量分别为115.6 g·km-1、127.5g·km-1和133.3 g·km-1。

表1 代表车型主要参数

3 关键影响因子相关性分析

3.1 车辆行驶里程

车辆行驶里程反映了一辆车整个生命周期的使用强度。随着汽车使用强度的增大，纯电动汽车车辆周期的碳排放量被大幅稀释，因此总碳排放量将明显下降。本文以50 000 km为划分区间分别计算3款BEV车型的总碳排放量。从图1可以看到，当生命周期内行驶里程从50 000 km增长到200 000 km，各车型的总碳排放量呈现快速下降趋势，平均每多行驶10 000 km，BEV①单位里程碳排放量下降5.5 g·km-1，BEV②和BEV③单位里程碳排放量下降7～8 g·km-1，可见，随车辆行驶里程提升，搭载三元锂电池的BEV碳排放量降幅大于搭载磷酸铁锂电池的BEV；当生命周期内行驶里程从200 000 km到500 000 km，车型总碳排放量仍保持下降趋势，但是降幅趋缓，这也表明对于出租营运车辆而言，由于行驶里程较长，单位里程总碳排放量大幅低于私人用车，减碳效果十分明显，因此出租领域应大力推广电动化。

图1 车辆行驶里程相关性

3.2 电网清洁化

由于煤炭资源丰富，火力发电是我国主要的发电方式，约占全国总发电量的70%左右[10]。本文采用的电力生产碳排放因子0.6101 kg·（kW·h）-1来自2021年3月生态环境部发布的《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》[11]。车辆行驶过程电力上游，即燃料上游是纯电动汽车全生命周期碳排放的主要构成，按照目前的电力生产水平，燃料上游的碳排放量约占总体的60%左右。因此电网清洁程度对提升纯电动汽车生命周期减排绩效至关重要。经测算，火力发电占比每下降10%，电力生产碳排放因子下降0.1 kg·（kW·h）-1。图2表明了电网清洁化与碳排放量之间的关系，可见二者呈线性相关性，电力生产碳排放因子每降低0.1 kg·（kW·h）-1，车 型 的 总 碳 排 放 量 下 降 大 约13 g·km-1。通过改变我国的电力结构，清洁能源发电（如风电、核电和水电）比例逐渐提升[12]，燃料上游的碳排放量将大幅下降，在整个生命周期的占比也将同步下降，纯电动汽车全生命周期碳排放量将逐渐降低。

图2 电网清洁化相关性

3.3 能耗水平

纯电动汽车的能耗与整车整备质量、电机功率、风阻系数、续驶里程因素有关，能耗水平直接决定了燃料上游的碳排放量。近年来，随着产业规模的逐渐扩大，纯电动汽车技术成熟度提升，能耗水平不断下降。从2016年到2019年，我国纯电动轿车综合工况电耗从15.3 kW·h·100 km-1下降到12.8 kW·h·100 km-1，纯电动SUV综合工况电耗从17.8 kW·h·100 km-1下降到14.9 kW·h·100 km-1[13]。与传统汽车相比，纯电动汽车的减碳效果更优，经测算，一辆电耗为16～18 kW·h·100 km-1的纯电动轿车生命周期碳排放量与一辆油耗为4～5 L·100 km-1的汽油车相当。从图3可以看出，BEV的能耗水平每下降1 kW·h·100 km-1，碳排放量将下降大约6 g·km-1。未来电动汽车的能耗水平仍将进一步降低，预计到2025年，技术领先的典型A级纯电动轿车综合工况电耗将小于11 kW·h·100 km-1[13]。

图3 能耗水平相关性

3.4 电池能量密度

目前，在纯电动乘用车市场上，针对磷酸铁锂电池而言，能量密度为120～140 W·h·kg-1的车型销量占比最大，受微型车销售量增加的影响，能量密度为100 W·h·kg-1的车型销量也提升较快；针对三元锂电池而言，能量密度为160～180 W·h·kg-1的车型销量占比最大，部分车型达到了190～200 W·h·kg-1。随着电池能量密度提升，电池质量将下降，由电池产生的碳排放量降低，同时整车整备质量下降也会带来电耗的下降[14]，进而整个车型的碳排放量逐渐降低。从图4可以看出，当能量密度从80 W·h·kg-1提升到120 W·h·kg-1，BEV①碳排放量下降10%，BEV②和BEV③碳排放量下降15%左右；当能量密度从120 W·h·kg-1提升到160 W·h·kg-1，BEV①碳排放量下降5.5%，BEV②和BEV③碳排放量下降8%～9%；总体来讲，随电池能量密度提升，搭载三元锂电池的BEV减碳效果优于搭载磷酸铁锂电池的BEV。因此，从动力电池的绿色设计入手，提高其能量密度将对纯电动汽车生命周期减排起到一定作用[15]。

图4 电池能量密度相关性

3.5 可再生材料利用率

汽车生产需要消耗大量的钢铁、有色金属、塑料、橡胶、玻璃和纺织品资源，通过报废汽车资源合理再利用，可以有效促进汽车产业节能降耗[16]。目前国内汽车产品可再生材料利用率不高，而且应用范围有限，尚未有权威机构统计该比例具体数值。本文主要考虑底盘、车身上使用的钢铁、铝、铜、塑料传统材料，将现有水平以及假设未来比例提升作为变量，测算车型碳排放量的变化趋势。由图5可以看到，可再生材料利用率每提升5%，碳排放量下降大约1 g·km-1，随着可再生材料利用率的提升，电动汽车的碳排放量随之下降，不过降幅很有限。2021年6月，四部委联合印发《汽车产品生产者责任延伸试点实施方案》[17]提出，到2023年，汽车绿色供应链体系构建完备，汽车可回收利用率达到95%，重点部件的再生原料利用比例不低于5%。未来，随着回收利用技术的进步，车用可再生材料将被广泛应用到汽车上，进而降低生产成本。

图5 可再生材料利用率相关性

4 小结

基于生命周期研究理论，本文选取纯电动乘用车典型车型的不同版本，重点分析车辆行驶里程、电网清洁化、能耗水平、电池能量密度、可再生材料利用率与碳排放量的相关性。根据定量研究结论表明，这5个影响因子变化与车型碳排放量呈现正相关性或负相关性，主要结论如下。

（1）车辆行驶里程变化对车型碳排放量的影响最大，出租车电动化对碳减排有着重要意义；

（2）电网清洁化是控制单车碳排放量和碳排放总量的重要途径，从中长期来看，电力生产碳排放强度有很大的下降空间；

（3）电动车能耗水平直接作用于燃料上游碳排放，未来5年能耗仍有10%的下降空间，之后能耗将进入缓降期；

（4）在满足电池安全性、功率、续驶里程、使用寿命、成本使用需求的前提下，搭载较高能量密度动力电池的电动车减碳效果更佳；

（5）短期来看，可再生材料利用率提升对降低电动车生命周期碳排放的效果微弱。

总之，与传统燃油车相比，目前纯电动汽车已经具备明显的减碳优势，在双碳目标下，发展纯电动汽车将成为交通运输领域节能减排降碳的有利举措。