純電動汽車與傳統汽車能耗與排放對比分析

郭 勝，石 琴，李彥保，郭 寧

Guo Sheng，Shi Qin，Li Yanbao，Guo Ning

（合肥工業大學 交通運輸工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言1

隨著我國國民經濟的持續增長，汽車也越來越多地走進尋常百姓家。截至2011年我國汽車總保有量為7800萬輛[1]，預計到2030年將達到2.28億輛[2]。隨著汽車數量的增加，交通運輸業的 CO2排放量的增加也是驚人的。根據測算，2004年我國交通運輸業的CO2排放量約為2.9億t，預計到2030年我國CO2的排放量將是2004年的3.8倍，也就是11.08億t[3]。基于此政府也制定了相應的減排目標，并于2009年11月25日正式對社會宣布，2020年單位GDP CO2排放量要比2005年降低40%～45%，同時以此作為我國經濟和社會發展的約束性指標，充分體現了政府在保護環境，促進能源結構調整方面的決心。在這種背景下，人們更加關注純電動汽車的發展前景。

電動汽車在歐、美、日等發達國家得到了很好的發展，在適合其運行特點的領域開展了示范應用，主要以集團化公共服務用車為主。對于純電動汽車自身而言，制約電動汽車發展的關鍵是動力電池，鋰離子電池是目前關注和研發的焦點。日本的一些相關企業在政府部門的帶領下，將共同制定一些關于車用鋰電池的標準，該標準的主要內容是測試方式、充電方法等。同時，一些電力公司認為電動汽車的發展會給他們帶來巨大商機，因此也在電動汽車的應用、測試、能源基礎設施建設等方面做出了自己的努力[4]，進一步推動了電動汽車的發展。

電動汽車在我國發展以來，得到了政府企業的高度重視，我國在研發方面付出了很大努力，也取得了一系列科研成果，開發出一批整車產品，并在一些城市開展了不同形式的示范運行。同時國家也出臺了“十城千輛”、購買電動車補貼等一系列政策措施來推動純電動汽車的發展。雖然我國在電動汽車示范運行上取得了一些經驗，但還是缺乏有效長久推動電動汽車發展的市場化機制，因此，純電動汽車距離大規模應用還有較長的過程。另外，純電動汽車在行駛過程中，消耗的是電能，而我國80%的電能是火力發電，所以說純電動汽車并不是完全意義上“零排放”。所以文中就對比分析了傳統汽車與純電動汽車的能耗、熱效率與排放問題。

1 傳統燃油汽車與純電動汽車熱效率與能耗對比

1.1 傳統汽車與純電動汽車對比

以國內某汽車廠生產的一款汽油汽車（以下稱傳統汽車）與該廠生產的純電動汽車為例進行對比分析，該純電動汽車是在同款汽油汽車的基礎上進行改進生產制造的，兩車的相關基本參數見表1。表中可以看出，純電動汽車的整備質量比傳統汽車重了 160 kg，主要是由于純電動汽車與傳統汽車只是在動力系統方面的不同（其它基本沒有變化），純電動汽車的動力系統主要由電動機、控制器和電池構成，而傳統汽車則是傳統的發動機構成方式。

表1 基本參數

1.2 傳統汽車百公里能耗、熱效率分析

1.2.1 傳統汽車百公里能耗

傳統汽車百公里能耗是通過乘用車模擬城市循環工況燃料消耗量臺架試驗，并按照標準 GB/T 12545.2—2001測得（圖1）。試驗規定十五工況循環試驗，其中有怠速、加速、等速等，全循環累計時間195 s，并采用重量法確定百公里燃料消耗量C。

式中，Sg為標準溫度20℃（293 K）下的燃料密度，kg/dm3；D為試驗期間的實際行駛距離，km；M 為燃料消耗量測量值，kg。經試驗測得該車城市工況百公里油耗 8.0 L。取汽油的密度 0.725 kg/L，汽油熱值43124 KJ/kg，可得8.0 L汽油所含熱量為250119 KJ。

1.2.2 傳統汽車熱效率計算

在計算該車熱效率時，采用作用在驅動車輪上的力Fq乘以在該力作用下驅動輪所行駛的距離S。由汽車行駛的總阻力[5]

其中Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。汽車行駛方程式

Fi為汽車驅動力；G為整車質量；f為滾動阻力；α為道路坡度角；CD為空氣阻力系數；A為車輛橫截迎風面積；ua為行車速度；δ為汽車旋轉質量換算系數；m為汽車總質量；為汽車行駛加速度。在試驗中道路坡度角為0，即坡度阻力為0，計算過程中不予考慮。取滾動阻力系數 0.02，由于空氣阻力較小，未予考慮。

根據 GB/T12545.2—2001的試驗要求，計算十五工況循環中每個工況汽車所作有用功。在計算過程中，離合器脫開的情況下，汽車并沒有將燃料燃燒產生的熱能轉化成驅動汽車前進的機械能，所以對這部分熱能不計算在汽車有用功之內。計算工況 2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14 下汽車所作有用功為 450.076 KJ，其百公里所作有用功為45007.6 KJ。汽車熱效率為17.99%。

1.3 純電動汽車百公里耗電、熱效率分析

來自工業部的信息顯示，在 2009年我國6000 kW以上級發電企業每生產1 kWh的電能需要消耗 340 g的標準煤[6]，另外國標GB2589—1981中已經寫明每燃燒1 kg標準煤所能釋放的熱量值為29271 KJ，而從2008年6月1日開始使用的《綜合能耗計算通則》來看，電力當量值是3600 KJ/（kWh）。由以上火力發電的國家標準計算出，我國電力企業利用標準煤的平均發電效率為

將我國火力發電效率取為 36%。發電廠內機組的運轉和控制設備的工作都要消耗一定的電能，此電能直接來自廠內發電，稱為廠用電，通常的廠用電率為5%～10%，而像擁有300 MW機組的發電廠則達到5%，這里取用5%。

發電廠生產的電能首先要經過變壓器轉化成高壓交流電后，才能通過高壓電纜傳送到企業、工廠和普通家庭中，雖然高壓輸送可以有效地減少能量損失，但仍然有電纜和變壓器的電阻能量損耗。2009年，全國電網輸電線路損失率為8%[8]。目前，國內的充電機效率一般在94%[7]。純電動汽車采用的磷酸鐵鋰動力電池組，電池由于受到內阻的影響，其放電效率不能達到100%，此外電池的放電效率還受到放電電流大小因素的影響，因此取電池的放電效率為91%[9]。電動機、傳動系統效率85%[10]。所以，純電動汽車效率為22%。

表2 能耗、綜合效率對比

通過乘用車模擬城市循環工況燃料消耗量臺架試驗測得，該純電動汽車在城市工況下的百公里耗電量為16 kWh。目前，我國電力供應主要有火電、水電、核電、風電。源自國家發展改革委員會的數據表明，我國在 2010年的發電總量達到了4.1413×1012kWh，具體包括：煤炭火力發電3.3253×1012kWh，江河水利發電 6.622×1011kWh，原子核能發電 7.34×1010kWh，風力發電 4.30×1010kWh，由此可計算目前中國火電廠發電量占全國發電量的比例為80%[7]。所以在純電動汽車城市工況耗電量16 kWh的情況下，火電廠的發電量應為

16×80% ÷94% ÷92% ÷95% =15.6 kWh

所需供電標煤為：15.6×0.34=5.3 kg，

即熱量 5.3×29271=155136 KJ

通過對比，該純電動汽車在百公里耗能、綜合效率、比能耗方面均優于傳統汽車，在百公里能耗方面傳統汽車要高出近 38%，這是由于傳統汽車在怠速、低速等工況下，會造成發動機空轉或者處在低效率區。比能耗是單位汽車質量行駛單位距離汽車的耗能，可對不同質量的兩車進行能耗比較，從數據比較來看，純電動汽車在比能耗方面優勢明顯，見表2。

2 傳統燃油汽車與純電動汽車排放分析

2.1 生產純電動汽車用電帶來的排放

國家發展改革委員會的文件信息顯示，工業企業每消耗1 t的標準煤，要釋放2620 kg的CO2，8.5 kg的SO2，以及7.4 kg的NOx；利用相關的節污減排技術，火電廠每使用1 kg標準煤，產生的CO2為 2.46 kg，SO2為 0.006 kg，NOx為 0.0087 kg[11]。該純電動汽車百公里耗電量為16 kWh，即該車每行駛100 km消耗標準煤5.3 kg。所以該純電動汽車排放情況見表3。

表3 純電動汽車廢氣排放

2.2 傳統汽車排放

以汽油為燃料的汽車燃燒 1L汽油會排放0.295 g SO2[12]，由于該傳統汽車模擬城市工況百公里油耗為 8L，所以該車 SO2排放量為 0.0236 g/km，CO2排放量180.3 g/km，其他廢氣（CO、HC、NOx、）排放量參照文獻[11]。

純電動汽車運轉時，所有部件由電池組直接供能，不會像燃油燃燒一樣產生尾氣，而電動車對環境的污染要追溯到上游發電企業，如火力發電廠排放的廢氣，這種廢氣可以等價于電動車的尾氣。從圖2中的數據可以看出，電動汽車排放尾氣中的有害成份種類，比內燃機汽車要少一些，CO和HC幾乎沒有出現，而這兩種氣體對大氣污染危害最大。對于NOX和SO2，傳統汽車的排放低于純電動汽車，而煤電廠已使用了相關技術，對廢氣進行了脫硝、脫硫處理，處理后大約85%的SO2、80%～90%的NOX被脫離，廢氣中的粉塵顆粒采用布袋法處理后，也幾乎可以完全清除[13]。

3 結 論

綜上所述，在市區工況下，平均車速低，平均行駛周期短，怠速比例高，等速行駛比例小，這樣就使車輛加減速頻繁，等速和準等速行駛時間短。由于純電動汽車在怠速等工況下能耗較低，所以在純電動汽車和內燃機汽車之間進行比較，電動汽車的能源消耗量較低，綜合效率也比傳統汽車高；純電動汽車自身不產生尾氣的排放，其對環境造成的影響主要集中在上游企業，具體表現在煤電廠發電對大氣的污染，但同時煤電廠也相應采取了治理措施，效果明顯，并且國家也在逐漸提高核電等電廠的比例，極大減輕了對環境的污染。但是純電動汽車的發展推廣也受到自身的一些限制，如續航里程、充電配套設施等。總的來說，純電動汽車的發展有利于國家能源的安全，但是距離全面普及還有較長的路要走。

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