轻型汽油车与纯电动汽车碳排放量比较研究

王志红，董阿山，张远军，丁 玲

（1.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室（武汉理工大学），武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070；3.襄阳达安汽车汽车检测中心有限公司，湖北，襄阳 441004）

随着全球温室气体的治理逐步加严，各主要经济体也制定并执行了碳达峰和碳中和时间表。我国已宣布力争2030 年前实现碳达峰，力争2060 年前实现碳中和。2020年，我国碳排放量为98.94亿吨，其中交通领域碳排放测算大概为23.18 亿吨，约占碳排放总量的23.4%，其中，公路运输的占比最大，约为82%。机动车作为公路运输的主体，是碳排放的主要贡献者。因此，为实现碳达峰、碳中和目标，我国乃至全球都加紧对机动车能源结构进行调整，发展新能源汽车成为大家的共识。然而，新能源汽车在使用环节可以是零排放，但是发电过程产生的碳排放量却不容小觑。

纯电动汽车作为当前新能源汽车的主要发展方向，它的碳排放量主要和两个因素相关：一个是自身经济性，即百公里电耗的大小；另一个是电力清洁性，即发电所用一次能源的清洁性。目前，我国电力结构主要以火力发电为主，2020年，火力发电比例为70.19%。随着我国核电、风电、水电、太阳能等清洁能源的建设及大规模应用，到2030 年，清洁能源比例会大幅提高，但是火力发电依然会有较高的占比。针对纯电动汽车是否比传统燃油汽车更有助于碳减排，国内外专家学者做过很多研究，但是得出的结论有很大不同。严军华等利用生命周期评价方法，对纯电动汽车和传统燃油汽车的制造、使用、报废回收3 个主要阶段进行了CO排放对比分析，结果表明，在生命周期内，纯电动汽车CO排放量只占传统燃油汽车的59.92%。严岿等通过发电端排放折算，研究发现纯电动汽车使用周期CO排放量较传统汽车减少37%。黎土煜等、RAHMAN 等、MINGYUE 等经过研究也得出纯电动汽车更有利于碳减排的结论。而冯超使用混合生命周期评价方法对乘用车进行了能耗和排放分析，发现在当前能源结构背景下，纯电动汽车碳排放量比传统燃油车高18%。哈宁宁用全生命周期法对某国产SUV 的纯电动、混动和燃油动力3 个版本的碳排放量进行计算，发现在燃料周期和车辆周期，纯电动版本均有最高的温室气体排放。REQUIA 等、RUPP 等、NIMESH等也有相似的结论。

为研究当下传统燃油车和电动汽车的实际碳排放，本文选取3 辆国Ⅵ轻型汽油车和3 辆轻型纯电动汽车，均分别在WLTC、CLTC-P 和实际道路工况下进行能耗试验，将纯电动汽车行驶阶段的电耗折算为电力生产端的CO排放量，汽油车也只考虑行驶阶段燃油燃烧产生的CO排放量，研究分析了汽油车和纯电动汽车在不同测试工况下，车速、加速度、VSP、行程动力学参数.和RPA 对CO排放的影响及两类车辆CO排放特性的异同点。

1 电耗折算方法

本文使用的电动汽车电耗折算方法采用GB/T 37340—2019《电动汽车能耗折算方法》中的CO排放折算法，此方法通过与传统燃油车燃料燃烧产生的CO进行换算，将电动汽车消耗的电量转化为发电阶段产生的CO排放量。具体换算方法如下（均为2020年数据）。

当量燃油消耗量FC的计算：

式中：FC为当量燃油消耗量，L/100 km；为车辆的电能消耗量，kWh/100 km；为CO折算因子，L/kWh，按式（2）计算得出。

CO折算因子F的计算：

式中：为火电供电标准煤耗，kg/kWh，取值为0.306；为燃料煤的CO排放因子：单位煤燃烧所产生的CO排放量，kg/kg，取值为2.53；为火力发电比例：火力发电量与发电总量之比，取值为70.19%；为燃料的CO排放因子：单位燃料燃烧所产生的CO排放量，汽油为2.38 kg/L，柴油为2.67 kg/L，本文是与汽油车进行对比，所以取值为2.38 kg/L；为燃料煤与标准煤的折标系数，取值为0.91；为充电效率：输入动力电池的电能与来自电网的电能之比，取值为100%；为线损率：输送和分配（变压）电能过程中，损失的电量占供电量的百分比，取值为5.62%。

将已知参数代入式（2），得到CO折算因子：

将的值代入式（1）中，得到当量燃油消耗量：

结合汽油的CO排放因子以及试验时纯电动汽车的车速，便可以得到纯电动汽车的CO排放因子（g/km）以及CO瞬时排放率（g/s）。

2 试验方案

2.1 试验车辆

本文选取的试验车辆为3 辆国Ⅵ轻型汽油车和3 辆轻型纯电动汽车，6 辆车的整备质量非常接近，且在各测试工况下车辆的测试质量均保持相等，这样有利于碳排放对比的公平性。试验车辆具体的技术参数见表1和表2。

表1 轻型汽油车主要技术参数

表2 后驱轻型纯电动汽车主要技术参数

2.2 试验设备

汽油车转毂能耗试验所用的排放检测设备为HORIBA 公司的全流稀释定容取样系统CVS-7400和尾气分析仪MEXA-7400DTR。排放检测原理如图1 所示，通过尾气分析仪测出取样袋里稀释废气的CO浓度，再乘以CVS 测得的稀释废气总容积，便计算出CO的总排放量。

图1 排放检测原理

汽油车实际道路能耗试验所用的排放检测设备为HORIBA 公司的便携式排放测试系统（PEMS）OBS-ONE-GS12，用到的模块包括气体分析单元（GA）、排气流量计以及包括主控电脑、全球定位系统（GPS）、供电单元（PS）、OBD单元等在内的附件，CO浓度及排量分别由GA 和排气流量计测出。试验车辆上PEMS 设备的安装示意图如图2所示。

图2 PEMS设备安装示意图

纯电动汽车转毂能耗试验和实际道路能耗试验测量的主要参数是动力电池和启动电池的电压及电流，使用的电耗测试设备均为电流钳、电压钳、电压外接器、功率分析仪，通过电压和电流可以算出电耗，再通过第一小节方法进行电耗折算，便可得到电力生产端CO的排放量。

2.3 WLTC、CLTC-P及实际道路能耗试验

WLTC 分为低速段、中速段、高速段和超高速段4 部分，CLTC-P 由低速、中速和高速3 个速度区间组成，两测试工况均为瞬态循环，工况时长1 800 s，工况曲线如图3所示，工况参数见表3。

图3 WLTC、CLTC-P工况曲线

表3 WLTC、CLTC-P工况参数

实际道路工况试验路段选择在襄阳市高新区，测试路线如图4所示，总里程75.0 km，其中市区里程24.2 km、市郊里程24.4 km、高速里程26.4 km，分别占比32.23%、32.53%和35.2%；测试路段累积正海拔增加量为546.3 m/100 km；测试中环境温度变化范围为17.9 ℃～19.6 ℃，低于30 ℃；测试路线海拔高度在192.7 m～313.2 m，以上数据均满足RDE 法规要求。道路坡度在－0.05～0.05 范围内变动，接近于0，因此可以忽略其对RDE 试验结果的影响。汽油车的实际道路工况曲线如图5所示。

图4 实际道路测试路线

图5 汽油车实际道路工况曲线

3 试验数据分析

本文选取的3 辆国Ⅵ轻型汽油车和3 辆轻型纯电动汽车均分别在WLTC、CLTC-P 和实际道路工况下进行了能耗试验，经过同类车辆的对比分析发现，汽油车或纯电动汽车在同一测试工况下，碳排放随车速、加速度、VSP 等参数的变化趋势是一致的，只是数值上存在细微的差别。为了避免本文的图过于繁杂，能够清晰表达变化趋势，特选取1 号汽油车与1 号纯电动汽车作为例子来分析汽油车和纯电动汽车的碳排放特性。

3.1 速度对CO2排放的影响

为分析速度对CO排放的影响，将WLTC 测试工况的实际车速分为（0，5），［5，10），［10，15），…，［130，135）共27 组，CLTC-P 测试工况的实际车速分为（0，5），［5，10），［10，15），…，［110，115）共23 组，实际道路工况的车速分为（0，5），［5，10），［10，15），…，［115，120）共24组，对每组的车速和CO排放因子进行平均处理，得到CO排放因子随车速的变化关系，如图6～8所示。

图6 WLTC循环CO2排放因子与车速关系

图7 CLTC-P循环CO2排放因子与车速关系

图8 实际道路CO2排放因子与车速关系

由图6～8 可以清晰地看出，WLTC 循环、CLTC-P循环和实际道路3种测试工况下，汽油车和纯电动汽车的CO排放因子与车速的关系呈相同的变化趋势，均随车速的升高先快速下降，随后下降速率减缓，在达到最小值后，随着车速的继续升高，CO排放因子又快速上升。整体而言，3 种测试工况下，汽油车CO排放因子随车速的变化均更加激烈，而纯电动汽车相对平缓很多。同时也可以看到，3种测试工况下，两车均在车速为0～5 km/h的区间内有最大的排放因子，汽油车分别为352.436 g/km、398.212 g/km 和367.537 g/km，纯电动汽车分别为251.443 g/km、 319.294 g/km 和330.468 g/km，前者分别是后者的1.4 倍、1.25 倍、1.11 倍；而车速区间为60～90 km/h 时，汽油车的发动机和纯电动汽车的电动机都处于最佳的经济运行状态，两车的平均CO排放因子均达到最小值，汽油车分别为104.236 g/km、 129.932 g/km 和114.958 g/km，纯电动汽车分别为84.863 g/km、120.073 g/km 和95.711 g/km，前者分别为后者的1.23倍、1.08倍、1.2倍。

结合图9～11 及以上的分析结果可以得出，单纯考虑车速的情况下，纯电动汽车在WLTC 循环、CLTC-P 循环和实际道路工况下的CO排放均比汽油车更具有优势，特别是在低速区间优势更加明显，所以，常年工作在低速市区工况的轻型特种作业车，如轻型物流车更适合使用纯电动汽车，这对减排能起到积极的作用。

3.2 加速度对CO2排放的影响

为分析加速度对CO排放的影响，WLTC、CLTC-P 和实际道路工况均取（0，30）、［30，60）、［60，90）和［90，+∞）km/h 的车速区间，分别代表低速、中速、中高速和高速，然后在每一个车速区间将加速度分成（-∞，-1］、（-1，-0.6］、（-0.6，-0.3］、（-0.3，-0.1］、（-0.1，0.1］、（0.1，0.3］、（0.3，0.6］、（0.6，1］和（1，+∞）m/s共9个加速度区间，分别计算各个区间内的平均排放因子。图9～11 给出了3 种测试工况下汽油车与纯电动汽车的CO排放因子与加速度的关系曲线。

从图9～11可以看出，WLTC循环和CLTC-P循环工况下，汽油车和纯电动汽车CO排放因子与加速度的关系曲线呈现相同的变化趋势，而实际道路工况下，汽油车的变化趋势与前两种测试工况呈现较大的不同，纯电动汽车与前两种测试工况变化趋势一致。

图9 WLTC循环CO2排放因子与加速度关系

图10 CLTC-P循环CO2排放因子与加速度关系

图11 实际道路CO2排放因子与加速度关系

在WLTC 循环和CLTC-P 循环下，汽油车在中速、中高速和高速的车速区间，CO排放因子随加速度的增大波动不大，只在加速区间有略微增长；而实际道路工况下，CO排放因子与加速度呈很强的正相关性，这可能是由于实际道路工况存在较多的激烈驾驶行为造成的。3 种测试工况下，汽油车在低速时，CO排放因子随加速度的变化最为明显和激烈，一方面，随着加速度的增大，CO排放因子在减速区间缓慢上升，在匀速和加速区间急剧上升；另一方面，低速时，CO排放因子普遍很高，特别是在＞1 m/s的急加速区间会达到最大值，3种测试工况低速段的平均CO排放因子分别是340.633 g/km、388.728 g/km 和382.104 g/km，明显大于低速段纯电动汽车的161.063 g/km、188.831g/km 和173.293 g/km，前者分别是后者的2.11 倍、2.06 倍和2.2 倍，这是因为汽油车在低速行驶时，燃油燃烧不充分且发动机处于非常不利的低转速、低效率工作状态，所以排放很高。而汽油车在低速急加速时，必须通过增加燃油供给以提供足够的能量完成急加速过程，此时发动机通常处于富燃状态，因而CO排放因子会急剧升高。与汽油车不同的是，纯电动汽车在3 种测试工况的所有车速区间里，减速状态下CO排放因子都会保持一个非常低的值且基本没有波动。产生这个现象的主要原因是纯电动汽车比汽油车多了制动能量回收系统，在制动或减速时，车辆的部分机械能会转换为电能进行回收，用以补偿动力电池的电耗，且随着动力电池荷电量的不断降低，能量回收的效率会越来越高，因而减速状态纯电动汽车的CO排放因子会一直处于一个稳定的低值。匀速和加速状态下，随着加速度的增大，CO排放因子呈现激烈的上升趋势，在加速度较大时，CO排放因子的值超过了同速度区间下的汽油车的值。

由以上分析可知，汽油车和纯电动汽车CO排放因子在加速时最高，匀速次之，减速最小。汽油车在低速尤其在低速急加速状态下CO排放因子很高；纯电动汽车在减速状态下CO排放因子处于稳定的低值，在急加速状态下CO排放因子急剧升高。因此，基于减排目的选择车辆，如果长期运行于车速较低且频繁启停的市区工况适合选用纯电动汽车，如果长期跑中高速和高速工况则选汽油车更有优势。

3.3 VSP对CO2排放的影响

VSP 是车辆瞬时功率和机动车质量的比值，为车速、加速度、风阻和坡度等参数的函数，单位为kW/t。VSP 结合了瞬时速度和瞬时加速度，能够综合反映车辆的行驶工况，在轻型车排放特征分析上有广泛的应用。大量研究也证明了瞬时比功率与机动车的排放水平有较强的相关性，所以本小节基于VSP，研究3 种测试工况下的汽油车和纯电动汽车的CO排放情况。

式中：为车速，m/s；为加速度，m/s；为道路坡度，由于转毂能耗试验道路坡度恒为0，实际道路能耗试验的道路坡度波动极小且接近于0，可以忽略其对试验结果的影响，所以此处统一取值为0。得到最终VSP计算公式为：

基于试验数据算出VSP后对其进行由小到大排列，并如表4 所示按照等间距将其划分为模块1-10，对应的VSP 范围分别为VSP≤－20，－20＜VSP≤－15，…，VSP＞20。再者，通过分析式（6）可知，VSP＜0 时，车辆处于减速状态；VSP=0 时，车辆处于怠速状态；VSP＞0 时，车辆处于匀速或加速状态。

表4 VSP区间划分

通过计算各个VSP 区间的CO平均瞬时排放率，得到3 种测试工况下汽油车和纯电动汽车的CO排放率与VSP的变化关系，如图12～14所示。

由图12～14 可以看出，汽油车和纯电动汽车在各自的WLTC 循环、CLTC-P 循环和实际道路3 种测试工况下，CO排放率随VSP 的变化趋势大致相同。在VSP≤0 时，对于汽油车，CO排放率随着VSP 值的增大而降低，在－5＜VSP≤0时达到最小值，3种测试工况下的数值分别为0.834 g/s、0.893 g/s和0.612 g/s。而对于纯电动汽车，CO排放率随VSP 值的增加并未呈现严格单调递减的趋势，但同一VSP 区间CO排放率的值均比汽油车的低，也是在－5＜VSP≤0 时有最小值，分别为0.313 g/s、0.335 g/s 和0.336 g/s，前者分别是后者的2.66 倍、2.67 倍和1.82 倍。在VSP＞0时，两车的CO排放率均随着VSP值的增大呈近似线性增长，在VSP＞20 时达到最大值。还可以看出，纯电动汽车在VSP≤20 时CO排放率都比汽油车的低，说明此VSP 区间，纯电动汽车的CO瞬时排放量更占优势，但在VSP＞20 时，纯电动汽车的CO排放率反超了汽油车，说明在高速急加速状态，汽油车的CO瞬时排放量更占优势。

图12 WLTC循环CO2排放率与VSP关系

图13 CLTC-P循环CO2排放率与VSP关系

图14 实际道路CO2排放率与VSP关系

3.4 行程动力学参数对CO2排放的影响

实际道路能耗试验的排放水平与驾驶的激烈程度有很大关系，根据GBT 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》规定，.[95]（速度和加速度的乘积的第95 百分位，m/s）和RPA（m/s）是表征实际道路驾驶激烈程度的核心参数，但是由于缺乏平顺驾驶和激烈驾驶作为对比，各行驶路段下的单个.[95]和RPA 很难体现与CO排放因子的变化关系，所以本小节基于各行驶路段秒采.和RPA 研究汽车行驶动力学特性与CO排放因子的关系。

3.4.1 行程动力学参数校验

按照每秒瞬时车速大小将实际道路试验车速划分为市区（≤60 km/h）、市郊（60＜≤90 km/h）和高速（＞90 km/h）3 个速度集合，各速度集合均需满足.[95]和RPA 的验证，实际道路行程方为有效。在进行动力学参数校验时要求每个速度组中加速度值a≥0.1 m/s的数据集合数量不应小于150 个，实际道路能耗试验中各路段a≥0.1 m/s数据集合数量见表5。由表可知，实际道路能耗试验中各路段a≥0.1 m/s的数据个数均大于150 个，通过验证。

表5 实际道路能耗试验各路段ai≥0.1m/s2的数据集合数量

实际道路能耗试验对每个速度组中的.[95]进行验证的标准为：如果ˉ≤74.6 km/h，并 且(∙)[95]>(0.136∙ˉ+ 14.44)， 行 程 无效； 如 果ˉ＞74.6 km/h， 并 且(∙)[95]>(0.074 2∙ˉ+ 18.966)，行程无效。对RPA 进行验证的 标 准 为：如 果ˉ≤94.05 km/h，并 且RPA<(-0.001 6∙ˉ+ 0.175 5)，行程无效；如果ˉ＞94.05 km/h，并且RPA＜0.025，行程无效。通过计算，实际道路能耗试验各路段的.[95]和RPA 验证结果如表6 和表7 所示，汽油车和纯电动汽车各路段.[95]的实际值均小于括号内的参考值，RPA的实际值均大于括号内的参考值，实际道路能耗试验汽油车和纯电动汽车的.[95]与RPA 均通过验证。

表6 实际道路能耗试验各路段v∙apos-[95]验证

表7 实际道路能耗试验各路段RPA验证

3.4.2.和RPA对CO排放的影响

基于各行驶路段.[95]与RPA 均通过有效性验证的条件下，计算出各行驶路段的秒采.和RPA，将.以每2.5 m/s为增量划分为［0，2.5），［2.5，5），［5，7.5），…，［20，+∞）共9 个区间，RPA 以每0.1 m/s为间隔划分为（0.1，0.2］，（0.2，0.3］，（0.3，0.4］，…，（1，+∞）共10 个区间，并计算每个区间平均CO排放因子。图15 和图16 分别给出了汽油车、纯电动汽车在各行驶路段下的.和RPA与CO排放因子的关系。

图15 各路段v.apos与CO2排放因子的关系

图16 各路段RPA与CO2排放因子的关系

由图可知，在各行驶路段，汽油车和纯电动汽车CO排放因子总体上均随.和RPA 的增大呈先上升后趋于稳定的趋势，具有很强的正相关性。同时也可以看出，汽油车在各行驶路段的CO排放因子均比纯电动汽车高，在市区路段尤为明显，达到2 倍之多。这是因为市区路段车速低、车辆频繁启停、激烈驾驶行为多，汽油车的发动机一直工作于恶劣的燃烧环境，导致CO排放居高不下，而纯电动汽车有再生制动能量回收作为缓冲，CO排放会维持较稳定的低值。

4 结论

（1）在WLTC、CLTC-P 和实际道路3种测试工况下，汽油车和纯电动汽车的CO排放因子均随车速的升高先下降后上升，且前者的变化相对后者更加激烈。同时，单纯考虑车速的情况下，纯电动汽车在3 种测试工况下的CO排放均比汽油车更具有优势，特别是在低速区间优势更加明显。

（2）3 种测试工况下，汽油车在≥30 km/h 的车速区间，CO排放因子随加速度的增大波动较小；在0～30 km/h 的低速区间，CO排放因子均有很高的值，在＞1 m/s的低速急加速区间达到最大值，整个低速段的平均CO排放因子达到纯电动汽车的2.06～2.2 倍；纯电动汽车在减速区间，CO排放因子维持稳定的低值；匀速及加速区间，随加速度增大呈激烈上升趋势。

（3）汽油车CO排放率在3 种测试工况下均随VSP 的增大先下降后上升。而纯电动汽车在VSP≤0时，CO排放率随VSP 值的增加并未呈现严格单调递减的趋势；在VSP＞0 时，随VSP 值的增大呈近似线性增长，且在VSP＞20 的高速急加速区间CO排放率反超了汽油车，此时汽油车的CO瞬时排放量更占优势。

（4）动力学参数.及RPA 与汽油车和纯电动汽车在各行驶路段下的平均CO排放因子呈强正相关性，且市区路段纯电动汽车平均CO排放因子只有汽油车的50%左右，具有明显的排放优势。