基于電動(dòng)汽車創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用的碳減排潛力分析

高 涵，張建寰，趙靜波，于文益，劉劍筠

(1.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門 361102；2.廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心，廣東廣州 510070；3.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州 510045)

近年來(lái)溫室效應(yīng)造成的全球氣候變暖問題愈發(fā)嚴(yán)重，減少碳排放成為迫切需求，世界各國(guó)已將碳減排列為重要發(fā)展議題［1］。交通運(yùn)輸行業(yè)是最主要的溫室氣體排放源之一，過去10 年全球二氧化碳排放總量增加了13%，源自交通工具的碳排放增長(zhǎng)達(dá)25%，2016 年交通工具的二氧化碳排放量占全球總量的24%。在交通運(yùn)輸行業(yè)中有72%的二氧化碳排放來(lái)自道路車輛。

電動(dòng)汽車作為較為理想的出行替代選擇，對(duì)環(huán)境有著積極影響，早在上世紀(jì)各國(guó)就開始了投入研發(fā)。我國(guó)對(duì)汽車排放量越來(lái)越嚴(yán)格的控制以及政策激勵(lì)與企業(yè)投入共同促進(jìn)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，到2019 年我國(guó)新能源汽車保有量達(dá)381 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)46%，占汽車總量的1.46%。2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，計(jì)劃到2025 年，新能源汽車產(chǎn)銷量占比達(dá)20%以上。2019 年12 月工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》（征求意見稿）中將這一目標(biāo)提高到25%。

電動(dòng)汽車在使用過程中無(wú)直接二氧化碳排放，其間接碳排放主要來(lái)自電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于推廣應(yīng)用電動(dòng)汽車而產(chǎn)生的碳減排效果進(jìn)行了研究。王雪然等［2］研究了深圳市純電動(dòng)公交車與柴油公交車相比的CO2減排效果，并對(duì)未來(lái)的CO2減排量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。施曉清等［3］使用了一種改進(jìn)的燃料碳排放模型，分析了電動(dòng)汽車的碳排放及其減排潛力。徐慧智等［4］計(jì)算了在哈爾濱市客運(yùn)交通中純電動(dòng)汽車完全替代汽油和柴油車后的CO2減排量。

本文對(duì)電動(dòng)汽車關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)展開分析，從能量傳遞效率和輕量化兩個(gè)方面來(lái)研究創(chuàng)新技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響，結(jié)合創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式來(lái)分析對(duì)電動(dòng)汽車碳排放的影響，提出有助于電動(dòng)汽車碳減排的建議。

1 電動(dòng)汽車創(chuàng)新技術(shù)分析

電動(dòng)汽車的能量傳遞主要經(jīng)過車外和車內(nèi)兩個(gè)階段（圖1），在車外的階段為從電能的獲取到供給電動(dòng)汽車，在車內(nèi)的階段為從電動(dòng)汽車接收電能到車輪做功。能量在車內(nèi)的傳遞主要經(jīng)過充電機(jī)、動(dòng)力電池、電驅(qū)系統(tǒng)，充電技術(shù)決定著能量補(bǔ)充的快慢，動(dòng)力電池技術(shù)決定著電動(dòng)汽車的續(xù)航，電驅(qū)技術(shù)決定著電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。電動(dòng)汽車的充電、動(dòng)力電池和電機(jī)三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是電動(dòng)汽車技術(shù)的核心部分［5］，不光影響著電動(dòng)汽車性能，還影響著能量轉(zhuǎn)換效率和整車重量，從而對(duì)耗電量造成影響。

圖1 電動(dòng)汽車能量傳遞示意圖

1.1 充電技術(shù)

電動(dòng)汽車的充電方式主要有直流快充和交流慢充兩大類，如表1 所示。

表1 電動(dòng)汽車充電類別

電動(dòng)汽車充電的創(chuàng)新技術(shù)主要有碳化硅等新型功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用、大功率超快充技術(shù)、雙向充電技術(shù)等。碳化硅器件有著高頻、高壓等優(yōu)良特性，減少了開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，提升充電效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻化可以減小無(wú)源器件的尺寸，從而減小充電機(jī)的重量、尺寸，提升功率密度。應(yīng)用大功率超快充技術(shù)可將充電時(shí)間大大縮短至接近燃油車加油時(shí)間，充電最大功率在150kW 以上，特斯拉的第三代快充峰值功率可達(dá)250kW，5 分鐘即可充入行駛120km 里程的電量。大功率快充技術(shù)當(dāng)前主要用于大型充電站，一些主流車企的快充規(guī)劃已經(jīng)鋪開，普及后可極大緩解充電基礎(chǔ)設(shè)施不足的壓力，同時(shí)增加充電樁的使用次數(shù)，大幅提升運(yùn)營(yíng)商的盈利能力。雙向充電技術(shù)以車載充電機(jī)為載體，可將電池的能量由汽車反向傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，也稱V2G 技術(shù)。這樣將電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元參與到能源體系中，可用于電網(wǎng)的削峰填谷和用戶獲得閑時(shí)收益。多家企業(yè)的車載充電機(jī)產(chǎn)品搭載了雙向充電技術(shù)，其潛在經(jīng)濟(jì)效益對(duì)于電動(dòng)汽車的推廣有重要作用，是車載充電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 電池技術(shù)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池當(dāng)前主要采用鋰電池，其關(guān)鍵技術(shù)包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜的材料和電池封裝技術(shù)。以正極材料為依據(jù)將鋰電池劃分為不同的類型，主要有鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池［6］。目前在動(dòng)力電池上應(yīng)用最多的為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池［7］，其中三元鋰電池裝車量不斷增長(zhǎng)，在2016 年占比為23%，2019 年已達(dá)到62%（38.8 GW·h），2019 年磷酸鐵鋰電池裝車量為20.0GW·h，占比為 32%。三元鋰電池以其更高的能量密度在乘用車中占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而磷酸鐵鋰電池由于其較低的成本和高可靠性在大型客車中應(yīng)用更為廣泛。

動(dòng)力電池技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新方向是加強(qiáng)新材料的研究和應(yīng)用，從而提高能量密度和降低成本，其中正極材料的創(chuàng)新是最關(guān)鍵部分。《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》提出了2020 年我國(guó)動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300W·h/kg 的要求，而當(dāng)前整體技術(shù)水平與此目標(biāo)還存在差距。增加三元材料中鎳含量對(duì)能量密度提升作用明顯，三元鋰電池NCM811和NCA 等正極材料的高鎳方向是未來(lái)主流技術(shù)路線。鎳含量的提高會(huì)導(dǎo)致電池穩(wěn)定性變差，可通過離子摻雜的方式研制四元材料來(lái)改善高鎳三元材料的電化學(xué)性能。同時(shí)三元鋰電池正極材料的低鈷化也是一個(gè)主要的研究方向。鈷的成本較高且是一種戰(zhàn)略性資源，減少其用量可有效減小電池成本受其價(jià)格波動(dòng)的影響，有助于推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

傳統(tǒng)的負(fù)極材料石墨有其能量密度理論最大值(372mAh/g)的局限，研制新型負(fù)極材料也是提高電池容量和能量密度的重要手段。寧德時(shí)代新能源公司的高比能快充鋰離子電池技術(shù)以石墨負(fù)極材料為基礎(chǔ)，運(yùn)用孔道優(yōu)化和快離子環(huán)技術(shù)提高鋰離子在石墨負(fù)極的嵌入速度，實(shí)現(xiàn)快充并能提升5%以上的能量密度，同時(shí)具有安全、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。硅是目前已知能用于負(fù)極材料的比容量最高的材料，其理論比容量上限高達(dá)4 200mAh/g。研發(fā)硅碳復(fù)合材料技術(shù)可有效解決硅負(fù)極材料存在的問題，其中硅用于提升能量密度，碳可保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善循環(huán)性能。硅碳復(fù)合材料與高鎳NCM811 或NCA 正極配合應(yīng)用是當(dāng)前使電池單體能量密度達(dá)到300W·h/kg 的主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)方案。

動(dòng)力電池在結(jié)構(gòu)上主要由電芯、模組硬件、電池包硬件構(gòu)成，采用更好的電池封裝技術(shù)整合精簡(jiǎn)電芯、模組硬件可降低成本和提升系統(tǒng)能量密度。當(dāng)前最新的CTP（Cell To Pack）電池包方案，改變了傳統(tǒng)的電芯-模組-電池包成組方式，采用無(wú)模組或簡(jiǎn)化模組方式。相比于傳統(tǒng)電池包，寧德時(shí)代的CTP 技術(shù)可以使空間利用率提升15%～20%，零件數(shù)量減少40%，系統(tǒng)能量密度提升10%～15%，如寧德時(shí)代的方形811 電池ELE8A3 的單體能量密度達(dá)235.78W·h/kg，系統(tǒng)能量密度達(dá)到166W·h/kg。比亞迪的“刀片電池”超級(jí)磷酸鐵鋰電池，將電芯設(shè)計(jì)成扁片長(zhǎng)條形并陣列排布，使電池包的能量密度提升了50%，且安全性更高，壽命更長(zhǎng)。

1.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外典型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度已達(dá)到4.0kW/kg 以上，峰值效率達(dá)到97%。應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)類型主要有交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，如表2 所示。

表2 應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)類型及特點(diǎn)

交流異步電機(jī)僅在特斯拉電動(dòng)汽車中應(yīng)用較多。永磁同步電機(jī)是當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用的主流，但制作永磁體消耗稀土資源，成本較高且易引發(fā)資源短缺。開發(fā)低含量重稀土永磁材料可有效緩解此問題，當(dāng)前主要有兩種創(chuàng)新發(fā)展方向。采用晶格細(xì)化和滲滴技術(shù)，將重稀土滲入磁體，重稀土使用量最高可降低50%。豐田、通用等企業(yè)研究可替代釹鐵硼永磁材料的混合磁體，已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，其優(yōu)良特性使其很適合在電動(dòng)車輛的工況下運(yùn)行，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域潛力很大，目前國(guó)內(nèi)北京中紡銳力公司和山東科匯公司研發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

按驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置的不同可將電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式分為中央電機(jī)、輪邊電機(jī)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。比亞迪的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋輪邊深度集成技術(shù)等輪邊驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)極大節(jié)省了車輛底盤的空間，推動(dòng)了純電動(dòng)全通道低地板城市客車的發(fā)展。輪轂電機(jī)技術(shù)是最直接高效的驅(qū)動(dòng)方式，其將電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)裝置集成安裝在輪轂內(nèi)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)部件，提高傳動(dòng)效率且優(yōu)化整車重量，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操控動(dòng)作。但當(dāng)前存在輪轂重量較大影響操控性能，可靠性難以保證的問題。輪轂電機(jī)的構(gòu)型方案主要有兩種，如表3 所示。開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)均可應(yīng)用于輪轂電機(jī)［8-9］。

表3 輪轂電機(jī)構(gòu)型方案

發(fā)夾式/扁導(dǎo)線定子技術(shù)將電機(jī)定子繞組中的銅線由圓線改為扁線，可將電機(jī)的槽滿率由40%提升到60%以上，提升磁場(chǎng)強(qiáng)度從而獲得較大功率密度。扁導(dǎo)線與定子的有效接觸面積更大，熱傳導(dǎo)性能更好，與圓線電機(jī)相比繞組溫升可降低約10%。但扁導(dǎo)線加工難度較大，良品率較低。國(guó)外的電裝、博世、博格華納和國(guó)內(nèi)精進(jìn)電動(dòng)、匯川技術(shù)等企業(yè)均對(duì)扁導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了開發(fā)，部分產(chǎn)品已量產(chǎn)投入使用，其中精進(jìn)電動(dòng)研制的樣品功率密度達(dá)到4.4kW/kg 以上。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器與減速器深度集成的三合一電驅(qū)動(dòng)總成是現(xiàn)階段乘用車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)都在進(jìn)行此方向研究，2019 年先進(jìn)水平的“三合一”集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)如表4 所示。寶馬2020 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的第五代eDrive 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步集成化和模塊化，在iX3車型上最大輸出功率達(dá)210kW，系統(tǒng)功率密度比第四代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高了約30%。

表4 2019 年國(guó)內(nèi)外先進(jìn)乘用車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)

2 電動(dòng)汽車創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式分析

電動(dòng)汽車創(chuàng)新技術(shù)催生了新的運(yùn)營(yíng)模式，運(yùn)營(yíng)模式的創(chuàng)新提升了收益和服務(wù)效率，有助于電動(dòng)汽車的推廣，進(jìn)一步擴(kuò)大燃油車替代程度和交通行業(yè)電氣化水平。

2.1 換電模式

到2019 年我國(guó)電動(dòng)汽車車樁比僅為3.4 ∶1［10］，為解決電動(dòng)汽車充電難問題，除了充電樁基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，換電運(yùn)營(yíng)模式的重啟也是行之有效的發(fā)展方向，并已得到國(guó)家政策支持。換電的補(bǔ)能時(shí)間約3～5 分鐘，與燃油車加油時(shí)間相當(dāng)，大大提升電動(dòng)車的行駛里程，且對(duì)電池進(jìn)行統(tǒng)一管理和充電，可有效延長(zhǎng)電池使用壽命。國(guó)內(nèi)最大的換電服務(wù)提供商北汽新能源自主研發(fā)了底盤換電系統(tǒng)、電池生命周期管理技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，在B 端商戶市場(chǎng)已成功運(yùn)營(yíng)，累計(jì)投放1.8 萬(wàn)臺(tái)換電車輛，采用換電模式后出租車日均訂單數(shù)量增長(zhǎng)了25%，運(yùn)營(yíng)里程提升了38%。未來(lái)大規(guī)模進(jìn)入C 端消費(fèi)者市場(chǎng)需要面對(duì)便捷性要求更高等問題，要在對(duì)B 端的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上逐個(gè)城市拓展，穩(wěn)步推進(jìn)。

2.2 V2X 模式

電動(dòng)汽車的電池可作為分布式儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車到電網(wǎng)(V2G)、車到建筑物(V2B)，車到車(V2V)等方向電能的傳輸，可結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮車輛儲(chǔ)能體系的作用［11］。在V2G 模式中車輛通過充電設(shè)施形成充電網(wǎng)絡(luò)，用戶可選擇在閑時(shí)出售車內(nèi)的電能來(lái)獲利，或在低價(jià)時(shí)段購(gòu)買電能充電，充分調(diào)動(dòng)用戶的積極性。電動(dòng)汽車還可用作輔助電網(wǎng)運(yùn)行的有效手段，通過控制充電網(wǎng)絡(luò)中電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充放電來(lái)調(diào)峰。在V2B 模式下用電動(dòng)汽車存儲(chǔ)電網(wǎng)的夜間低谷電或用戶家庭光伏發(fā)電，在電動(dòng)汽車有剩余電量時(shí)用于用戶的生活用電，形成多元互補(bǔ)的發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化的調(diào)度，大幅提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 電動(dòng)汽車平均能耗計(jì)算

電動(dòng)汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)阻力是相互平衡的，電機(jī)發(fā)出的功率等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率加上運(yùn)動(dòng)阻力功率。不考慮加速和上坡情況，在水平路面勻速行駛時(shí)，運(yùn)動(dòng)阻力主要包括空氣阻力和滾動(dòng)摩擦阻力，則電機(jī)所發(fā)出的功率為：

其中ua(km/h)為行駛速度，G為汽車重力，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積，ηT為傳動(dòng)效率。在乘用車中應(yīng)用最多的為A級(jí)乘用車，取典型A級(jí)車整車重量1 900kg，f=0.013，CD=0.32，A=1.89m2，ηT=95%。

電動(dòng)汽車廠商給出的續(xù)航里程一般是在60km/h等速巡航條件下測(cè)試的，取平均時(shí)速為60km/h，則行駛100km 電機(jī)做功為：

則汽車每行駛100km 耗電量為：

其中η1～η4分別為充電效率、電池充電效率、放電效率、電驅(qū)系統(tǒng)效率。

在充電環(huán)節(jié)中，應(yīng)用了碳化硅器件的創(chuàng)新技術(shù)對(duì)充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率和功率密度均有提升作用，參考鐵城科技和富特科技等的車載充電機(jī)產(chǎn)品，使用硅器件的車載充電機(jī)滿載工作效率在93%左右，6.6kW 的產(chǎn)品重量在5.5～7kg，由欣銳科技、wolf speed 的碳化硅車載電源產(chǎn)品可知，應(yīng)用碳化硅器件的車載充電機(jī)滿載效率可達(dá)到96%以上，功率密度為硅產(chǎn)品的3倍以上［12-13］。對(duì)于6.6kW的車載充電機(jī)，重量可減少4kg。

在動(dòng)力電池環(huán)節(jié)，鋰電池使用中的充放電損耗很小，充放電效率近似為98%［14］。根據(jù)《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》，取動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度平均值為140W·h/kg。寧德時(shí)代、國(guó)軒高科等多家企業(yè)應(yīng)用高鎳三元、硅碳負(fù)極和創(chuàng)新封裝技術(shù)后達(dá)到了單體比能量300W·h/kg 的國(guó)家要求，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)功率密度可提升至190W·h/kg，則一塊容量為24kW·h 電池重量可減少約45kg。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，取常規(guī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在NEDC工況下整體效率為86%［15-16］，采用開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)平均效率可提升至92%［17］。使用分立部件和硅半導(dǎo)體器件的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均功率密度約為1.1kW/kg。采用“三合一”集成創(chuàng)新技術(shù)后，以寶馬電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度可提升至2.02kW/kg，則對(duì)于輸出功率為150kW 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，重量可減小約62kg。

綜上在各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)后預(yù)計(jì)總體重量可減少111kg，整體轉(zhuǎn)換效率可提升10%。重量的減輕可從源頭上減少汽車做功，效率的提升可從傳輸過程中進(jìn)一步減少電耗。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)前每百公里耗電量為13.14kW·h，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)后每百公里耗電量為11.40kW·h，降低了13.24%。根據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，純電動(dòng)乘用車平均電耗為14.5 kW·h/100 km。由創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的13.24%降耗空間，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)后純電動(dòng)乘用車平均電耗可減至約12.58kW·h/100km。

4 碳減排效果計(jì)算

由國(guó)家能源局發(fā)布的全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，2019 年我國(guó)6 000 千瓦及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為307g/kW·h，全國(guó)輸電線損率為5.9%，即輸電效率為94.1%。2018 和2019 年中國(guó)電力結(jié)構(gòu)如表5所示，2019 年我國(guó)火電發(fā)電量占總量的68.9%。根據(jù)《能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯編》，燃燒一噸標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)產(chǎn)生2.62噸二氧化碳，則標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放系數(shù)取2.62。

表5 2018 和2019 年中國(guó)各類發(fā)電量情況單位：億千瓦時(shí)

考慮電力生產(chǎn)中只有火電會(huì)產(chǎn)生CO2排放，可由火力發(fā)電量占比求出電力生產(chǎn)的平均二氧化碳排放因子(kg CO2eq/kWh)［18］

考慮電力傳輸損耗，電動(dòng)汽車的每千米CO2間接排放量為

其中η0為輸電線損率。計(jì)算得應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)前后純電動(dòng)乘用車的CO2排放量分別為8.54kg/100km和7.41kg/100km。

由工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018 年汽油乘用車平均燃料消耗量為6.6L/100km，根據(jù)汽油含碳量計(jì)算得到汽油乘用車的溫室氣體排放因子為2.272 kg CO2eq/L，則汽油乘用車的CO2排放量為15.00kg/100km。所計(jì)算得CO2排放量對(duì)比如表6 所示。

表6 不同類型乘用車CO2 排放量對(duì)比

我國(guó)城市中每天的平均通勤距離一般在21～28km，截至2018 年中國(guó)華南地區(qū)乘用車年均行駛里程為13 320 km［19］，則應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)后每輛純電動(dòng)乘用車每年可減排CO2150.5kg/年·車。

表7 主要運(yùn)營(yíng)商換電站基本信息

到2020 年6 月我國(guó)換電站保有量為452 座，其中廣東省為58 座，主要運(yùn)營(yíng)商為奧動(dòng)、蔚來(lái)，如表7 所示。按比例取整體平均服務(wù)能力213 輛/天，則廣東省的換電站每天可服務(wù)約12 354 輛車。采用換電模式的電動(dòng)汽車，增加的運(yùn)營(yíng)里程數(shù)替代了燃油車出行，參考北汽新能源的數(shù)據(jù)每輛車運(yùn)營(yíng)里程增加38%約為9.5km/天，則按現(xiàn)有換電站規(guī)模滿負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，廣東省由此帶來(lái)的CO2減排量每年可達(dá)3 251t。

2006—2014 年以來(lái)廣東省乘用車保有量迅猛增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率為18%以上，2015 年以來(lái)增速有所放緩，但年均增長(zhǎng)率仍在13%以上，其中2018 年廣東省乘用車保有量已超過1 800 萬(wàn)，較上年增長(zhǎng)12%。廣東省乘用車保有量在未來(lái)將進(jìn)一步受到全省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面影響，高速增長(zhǎng)趨勢(shì)將受到限制，乘用車保有量會(huì)達(dá)到飽和水平。根據(jù)國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，乘用車保有量的變化會(huì)經(jīng)歷初始投入期、高速增長(zhǎng)期、緩慢增長(zhǎng)期以及飽和波動(dòng)期，符合S 型曲線特征，目前已有許多學(xué)者對(duì)該類特征曲線在機(jī)動(dòng)車保有量預(yù)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究。采用擬合數(shù)據(jù)的S 型曲線Gompertz 模型對(duì)廣東省乘用車保有量進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法有利于相關(guān)政府部門制定交通規(guī)劃、能源規(guī)劃以及大氣污染防治策略。Gompertz 曲線的函數(shù)形式為：

其中，Vi為第i年乘用車千人保有量，V*為乘用車飽和水平的千人保有量，EFi為第i年的人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，α和β是由乘用車保有量與人均GDP決定的參數(shù)，并決定S 型曲線形狀。

基于2007—2018 年乘用車保有量的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)上述公式預(yù)測(cè)得到乘用車千人保有量，結(jié)合對(duì)廣東省在預(yù)測(cè)年的總?cè)丝跀?shù)量即可得到全省乘用車總量。乘用車飽和水平的千人保有量參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合廣東省人口密度等的實(shí)際發(fā)展情況，東京、倫敦等地區(qū)中保有量發(fā)展模式更適合于廣東省機(jī)動(dòng)車發(fā)展現(xiàn)狀，即千人乘用車保有量飽和水平最終達(dá)到300～400 輛/千人。將乘用車飽和水平的千人保有量設(shè)置為400 輛/千人，預(yù)測(cè)結(jié)果如表8 所示。

表8 2020—2025 年廣東省乘用車保有量預(yù)測(cè)

表8 （續(xù)）

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)和中汽協(xié)的銷量數(shù)據(jù)，我國(guó)近年來(lái)純電動(dòng)乘用車銷量在新能源乘用車中的比例較為穩(wěn)定約為78%。

由預(yù)測(cè)得純電動(dòng)乘用車保有量推算到2025 年創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用的碳減排潛力，如表9 所示，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)前后廣東省純電動(dòng)乘用車每年的CO2排放量對(duì)比如圖2 所示。2020 年到2025 廣東省純電動(dòng)乘用車?yán)塾?jì)增量為70.92 萬(wàn)輛，考慮以上新增純電動(dòng)乘用車都應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)，則2025 年全年可減少CO2排放量為106 734t。結(jié)合采用創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式帶來(lái)的碳減排，則應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)可使2025 年廣東省純電動(dòng)乘用車CO2排放量減少109 986t，2020—2025 年累計(jì)減少310 814 萬(wàn)噸CO2。

表9 2020—2025 年廣東省純電動(dòng)乘用車創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用減排效果

圖2 應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)前后廣東省純電動(dòng)乘用車CO2 排放量對(duì)比

5 電動(dòng)汽車碳減排建議

由上述分析可知與燃油車相比，電動(dòng)汽車的碳減排潛力很大，為更好發(fā)揮電動(dòng)汽車的碳減排作用，建議加強(qiáng)以下幾方面工作：

（1）優(yōu)化電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。電動(dòng)汽車的CO2排放主要來(lái)源于電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由式（4）知隨著清潔能源發(fā)電量占比的提高，電動(dòng)汽車的碳排放會(huì)進(jìn)一步降低［20］。

（2）加強(qiáng)動(dòng)力電池和電機(jī)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)的研究推廣。動(dòng)力電池占整車質(zhì)量約1/4，占整車成本40%～50%，在能量密度方面還有較大提升空間，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率也存在較大優(yōu)化空間，需加強(qiáng)這兩個(gè)關(guān)鍵部件的技術(shù)研發(fā)。推動(dòng)電動(dòng)汽車性能提升，同時(shí)達(dá)到更好的節(jié)能減排效果。

（3）加強(qiáng)配套充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施還很不完善，存在充電難問題，且部分地區(qū)建設(shè)的充電樁閑置率很高，資源沒有得到充分利用。應(yīng)完善充電樁的建設(shè)規(guī)劃，科學(xué)布局，同時(shí)加強(qiáng)充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，出臺(tái)符合實(shí)際、具有可操作性的充電設(shè)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（4）優(yōu)化政策扶持方式，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管。確立將財(cái)政補(bǔ)貼面向先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的方向，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車產(chǎn)品進(jìn)入《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》的技術(shù)門檻，提高補(bǔ)貼的扶持效率。

6 結(jié)論

電動(dòng)汽車比燃油車節(jié)能環(huán)保，是汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，其推廣應(yīng)用有重要意義。電動(dòng)汽車創(chuàng)新技術(shù)可從能量傳遞效率提升和減輕車身重量?jī)煞矫娼档碗妱?dòng)汽車能耗水平，在技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式的探索，可從出行方式選擇、經(jīng)濟(jì)效益等方面挖掘電動(dòng)汽車的碳減排潛力。本文對(duì)有助于提升電動(dòng)汽車碳減排潛力的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)以及創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式展開研究，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)后純電動(dòng)乘用車能耗可降低13.24%，其行駛一年的CO2減排量可達(dá)150.5kg，創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式推動(dòng)的運(yùn)營(yíng)里程提升帶來(lái)的CO2減排量每年可達(dá)3 251t。以廣東省純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)為主體預(yù)測(cè)推算了到2025 年的CO2減排量可達(dá)188 366t。