混合動力汽車動力系統環境影響對比分析

王一品　李柏姝

摘 要：本文主要運用生命周期評價法對目前市面上普遍使用的兩套混合動力汽車動力系統（方案A、方案B）進行生命周期評價對比，從動力系統組裝（包括原材料獲取）、道路運輸以及廢棄三個階段對兩種動力系統進行比對分析，最后在保證使用條件的前提下選取最優。本文所研究的動力系統構成包括電動機、發動機和動力電池三個主要元件。綜合結果顯示方案A為最優選擇。

關鍵詞：混合動力汽車 生命周期 動力系統

Comparative Analysis of Environmental Impact of Hybrid Electric Vehicle Power System

Wang Yipin，Li Baishu

Abstract：This article mainly uses the life cycle assessment method to compare the two sets of hybrid electric vehicle power systems currently used in the market （Scheme A， Option B）， from the power system assembly （including the acquisition of raw materials）， to road transportation and disposal. The two power systems are compared and analyzed in three stages， and finally the best is selected under the premise of ensuring the conditions of use. The composition of the power system studied in this paper includes three main components： electric motor， engine and power battery. The comprehensive results show that option A is the best choice.

Key words：hybrid electric vehicle， life cycle， power system

在混合動力汽車動力系統按照能量傳遞的方式，一般可分為串聯式、并聯式、混聯式和復合式[1]。串聯式混合動力系統首先由發動機帶動發電機并產生電能，之后電能經過功率轉換器后通過電動機驅動車輪，期間所產生的多余電能可以存儲到動力電池中。并聯式混合動力系統擁有兩套獨立的驅動系統，電機與發動機均可以獨立驅動車輪，也可以同時驅動車輪。混聯式混合動力系統相對于串聯式增加了發動機到傳動裝置的機械動力傳遞路線;比并聯式增加了將動能直接轉化為電能的傳輸路線，同時兼具串聯式和并聯式的優點。本文主要以混聯式混合動力系統為主要研究對象，并且主要研究發動機、電動機以及動力電池三個混聯式混合動力系統中的主要動力輸出元件。

1 生命周期建模

本研究選擇兩款目前市面上流行的兩種動力系統搭配方案，命名為方案A與方案B，其中方案A的動力電池為鎳氫電池，電池內部有30個電池模塊，每個模塊質量約為1.4kg，故電池質量約為42kg，發動機為鋁制發動機其質量為140kg，電動機為永磁式電動機質量為26kg。表1—3分別為方案A的動力電池、發動機、電動機的制造清單。

方案B的動力電池為鉛酸電池，質量約為80kg，發動機為鋼制發動機質量為235kg，方案B電動機的材料組成與方案A基本一致，故不再單獨列出。表4—5分別為方案B的動力電池、發動機的制造清單。

原材料運輸以及配件組裝運輸階段運輸里程取2018年全國公路貨物運輸平均里程180km[2]。

模型過程框圖中的Pt表示該線條的長度單位，粗線條的長度表示不同的階段流程對該過程造成的影響的貢獻值。

將制造清單數據導入SimaPro生命周期軟件中可得到方案A與方案B的網狀模式圖如下：

2 結果分析

根據以上的數據代入以及動力系統生命周期網狀圖的分析，可以通過SimaPro軟件得到下列三種關于兩套配置方案生命周期的分析圖像，圖3為生命周期影響對比評價圖，圖4為加權比重對比評價圖，圖5為單一記分對比評價圖。

圖3中，圖像橫坐標代表生命周期評價影響中的各項評價指標，其中包括致癌物質、可吸入有機物、可吸入無機物、大氣影響、放射性物質、臭氧層影響、酸化影響、以及富營養化等十幾項評價指標。縱坐標代表指標的數值大小[3]，由圖像可以看出相較于方案A，方案B在大多數的影響指標中都占據這主要影響地位，除致癌物質與放射性物質外，在其余的指標中方案B的貢獻指數都達到了100%。

圖4橫坐標代表三個評價指標分別代表人類健康、生態系統質量以及自然資源，縱坐標代表在該項指標中的影響程度大小，在人類健康指標中方案A的總體貢獻值為79.2Pt，方案B為96.7Pt，在生態系統質量指標中方案A的總體貢獻值為9.37Pt，方案B為14.6Pt，在自然資源指標中方案A的總體貢獻值為78.1Pt，方案B為113Pt。通過以上的數據可以看出，方案B在三項指標中的影響貢獻均大于方案A，主要原因是動力電池中的鉛對于環境的污染程度。

單一值記分分析就是在記分的基礎上再將加權比重分析結合到其中，圖5中橫坐標從左至右分別代表方案A與方案B，縱坐標代表影響數值大小，圖像中灰色部分代表自然資源，綠色部分代表生態系統質量，黃色部分代表人類健康，通過單一值計分法分析，在人類健康中的影響貢獻值為79.2Pt，與之相對應的方案B的數值為96.7Pt，在生態系統質量中方案A的影響貢獻值為9.37Pt，方案B為14.6Pt，在自然資源中方案A的影響貢獻值為78.1Pt，方案B的為113Pt，通過以上的數據可以看出方案B在三個指標中的影響貢獻均大于方案A，主要原因是方案A所使用的是對環境污染較小的鎳氫動力電池，而方案B所使用的是對環境影響較大的鉛酸動力電池，這也是方案B在對比分析中對環境影響的貢獻值相對較大的重要原因，而且這種影響主要集中在廢棄階段。總體來看方案A的全生命周期對于環境影響的貢獻相對較低，故在保證使用條件的前提下，方案A為最優選擇。

3 結語

結果顯示在具有大致相同的比功率與比能量的前提下，方案A對環境的影響最小，而造成兩套方案環境影響差異的主要原因在于動力電池的選擇。鎳氫動力電池在生命周期的各個階段對于環境的影響相對較小，但是其在制造階段的所需能耗卻高于鉛酸動力電池，主要原因是其主要組成當中含有大量的鎳與稀土等所需能耗較高的原材料[4]，同時其造成的環境影響雖不及鉛酸蓄電池，但是同樣不可忽視其影響。

參考文獻：

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002.（專著）.

[2]國家統計局.中國交通年鑒2018[J].北京：中國交通年鑒，2019.（期刊）.

[3]沈建. 鋸材產品的生命周期評價[D].東北林業大學，2015（04）：30.（碩士論文）.

[4]郝夏艷. 某混合動力汽車動力系統生命周期能耗和排放評價[D].湖南大學，2009（05）：57-58.（碩士論文）.