純電動汽車能耗與排放特性研究

許澤瑋，郭瑞

（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 211189）

純電動汽車能耗與排放特性研究

許澤瑋，郭瑞

（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 211189）

電力驅動汽車是新能源汽車技術的重要發(fā)展方向，其能耗及排放特性是研究的熱點問題。本文基于汽車的運動平衡方程，考慮我國的能源結構及發(fā)電廠的排放特性，建立純電動車和汽油驅動汽車的能耗模型和排放模型，計算并對比分析了純電動及汽油驅動汽車能耗及排放特性。結果表明，在相同的車體質量、阻力系統(tǒng)等結構特性的條件下，純電動車的能耗小于汽油車，污染物的種類和數(shù)量兩者略有差別。

純電動汽車；汽油車；排放

電能是一種二次能源，需要由化石能源、水的機械能、核能、太陽能等一次能源進行轉化而得，因此純電力驅動汽車的排放特性的研究應包括電能的組成結構、生產(chǎn)過程等特性。

1 汽車能耗及排放模型

1.1 汽車運動功率平衡模型

在汽車勻速行駛時，驅動力和行駛阻力互相平衡，因此，發(fā)動機功率和汽車行駛阻力功率也是平衡，即發(fā)動機發(fā)出的功率Pe始終等于機械傳動損失功率PE（1-ηt）與全部運動阻力所消耗的功率。此時，汽車發(fā)動機的功率為：

式中第一項為滾動阻力功率項，第二項為空氣阻力功率項，第三項為加速阻力功率項。Pe為汽車驅動功率，G為整車重量（m×g），f為滾動阻力系數(shù)，v（t）為車瞬時速度，CD為迎風阻力系數(shù)，A為迎風面積，δ為旋轉質量換算系數(shù)，m為整車質量。

將式（1）積分即為機械能耗。

對于汽油機汽車，總能耗Wn為：

式中：ηn為汽油機熱效率；qy為汽油熱值，kJ/kg；ρ為標況下汽油密度，kg/m3；Vd為怠速工況持能耗，L/h；td為怠速工況持續(xù)時間，h；Vz為怠速工況油耗，L/100km；Sz為怠速工況距離，100km。

火電供能量Wh為：

式中：ηh為我國電力企業(yè)標準煤發(fā)電平均效率；αh為火電廠廠用電率；αa為全國電網(wǎng)輸電線路損失率；ηa為電動汽車充放電總效率；Wr為電動汽車制動回收的能量；β為全國煤電比例。當勻速工況時，式中加速阻力項消去；當無制動工況時，式中Wr消去。

清潔能源供能量Wq為：

式中：ηs為清潔能源總效率，αs為水電廠廠用電率。

1.2 汽車排放模型

電動汽車與汽油機驅動的汽車動力來源不同，因此排放特性不同。對于汽油機汽車，油耗體積（L）為V。

式中Mg為排放的污染物質量（kg）。

式中θ為汽油污染物系數(shù)（kg/L），即每升汽油完全燃燒產(chǎn)生的某種污染物的質量。

對于電動汽車，生產(chǎn)驅動汽車的電能耗煤質量（kg）

式中mc為單位發(fā)電耗煤量。

排放污染物的質量（kg）為Mc：

式中γ為標準煤污染物系數(shù)（kg/kg），即電廠燃燒每千克標準煤最終排放至大氣的某種污染物量。

1.3 效率模型

設綜合效率為汽車每百公里行駛所需的機械能與該過程中消耗的燃料等所含燃燒熱即總能耗之比。故綜合效率=×100%

汽油機車的綜合效率為：

式中ηn為汽油機熱效率。

設ηz為純電動車的綜合效率為：

2 計算結果分析

2.1 能耗特性研究

2.1.1 勻速工況下純電動車與汽油機車能耗

將表1的數(shù)據(jù)帶入式（1）、（2）可得出勻速工況下純電動車與汽油機車通用的能耗——速度關系曲線。

通過擬合可得傳統(tǒng)汽車勻速工況下速度與能耗的關系為：

可看出，兩種汽車的能耗與速度基本為平方正比關系。

其中W=15．22kW·h是取NEDC工況平均速度v=33．78km/h時的百公里機械能能耗。

對應傳統(tǒng)汽油機車油耗量為5．864L，總能耗Wn=50．72kW·h。

對應純電動車耗煤量為4．725kg，火電供能Wh=38．42kW·h，清潔能源供能 Wq為 6．396kW·h,純電動車總能耗WE=44．81kW·h，×100%=88．35%。

因此可得，勻速工況下，兩車機械能耗相同，總能耗純電動汽車小于汽油機車。

2.1.2 NEDC工況下純電動車與汽油機車能耗

取怠速油耗Vd=2L/h，取汽油機車制動能耗為時速5km/h時的百公里油耗，由式（12）算出為Vz=5．424L/100km,制動距離由NEDC據(jù)工況查取。純電動車制動能回收率為40%。故：汽油車每百公里油耗V=11．926L，純電動車耗煤 M=6．488kg。

因此可得，NEDC工況下，純電動車機械能耗及絕對能耗都小于汽油機車。

2.1.3 綜合效率

綜合效率代表汽車將能量轉化為機械能使汽車產(chǎn)生運動的能力，綜合效率高代表汽車的能量轉化能力越高。

2.2 排放特性研究

由于環(huán)保形勢及技術的發(fā)展，火電廠采用。

2.2.1 NEDC平均速度勻速工況排放

該工況下傳統(tǒng)汽車耗油5．864L，純電動汽車耗煤4．725kg，如表 1。

表1 勻速工況尾氣排放

2.2.2 NEDC工況尾氣排放

按該工況下傳統(tǒng)汽車耗油11．926L、純電動汽車耗煤6．488kg進行計算。表2為計算結果。

表2 NEDC工況排放（處理前）

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

（1）由表1、表2可知，在加裝了汽車尾氣三元催化器之前，勻速工況時，純電動車污染物排放種類少于傳統(tǒng)汽油機車，因其幾乎不排放一氧化碳；除了二氧化硫，電動車其他污染物排放量均少于汽油車。（2）在加裝三元催化器進行尾氣處理之后，CO、CXHy、NOx排放量大幅減少，其中NOX排放量由高于純電動車排放量至低于純電動車排放量。

3 結語

綜上所述，可得出以下結論：（1）能耗方面，在相同質量、風阻系數(shù)等條件下，純電動車在各種工況下均比傳統(tǒng)汽車更節(jié)能。（2）排放方面，裝備于汽油車的三元催化器能大大改善該型汽車的排放特性。加裝之前，在污染物種類上，純電動車少于傳統(tǒng)汽油機車；在污染物排放量上純電動車除了二氧化硫的排放量高于傳統(tǒng)汽車，其他污染物排放量均少于傳統(tǒng)汽車。在加裝之后，CO、CXHY、NOx排放量大幅減少，其中NOX排放量由高于純電動車排放量至低于純電動車排放量。（3）綜合效率方面，純電動車綜合效率比傳統(tǒng)汽油機車綜合效率高出10%。

[1]中華人民共和國2009年度發(fā)電業(yè)務情況通報[G]．2010．

[2]郭勝．純電動汽車與傳統(tǒng)汽車能耗與排放對比分析[D]．合肥：合肥工業(yè)大學,2014．

U469.72；U471.23

A

1671-0711（2017）10（上）-0115-02