普銳斯PHEV 與普銳斯HEV 全生命周期評價對比分析*

王海峰 劉書如 陳軼嵩 陳 昊

（1-青海交通職業技術學院 青海 西寧 810003 2-長安大學汽車學院）

引言

隨著傳統汽車石油燃料對外進口依賴度逐年攀升，發展新能源汽車，推動汽車產業轉型升級逐漸成為戰略共識。在此之前，新能源汽車主要以純電動汽車發展為主，但由于續航里程等技術問題使得其發展受到限制，而混合動力汽車憑借“能充電、能燒油”的優點彌補了純電動汽車的劣勢，有效地解決了續航里程問題；相比于純電動汽車，混合動力汽車更適合新能源汽車行業的發展趨勢。

在新能源汽車全生命周期評價中，美國艾塔朱巴聯邦大學機械工程研究所de Souza 等人[1]采用全生命周期評價方法對傳統汽油車、乙醇汽車、汽油和乙醇混合物內燃機汽車、插電式混合動力汽車和電池電動汽車的性能進行了評價。結果表明，以乙醇為燃料的方案對酸化、富營養化和光化學氧化有較高的環境影響。使用汽油對非生物耗竭、化石燃料非生物耗竭潛力和全球變暖潛力的影響更大。電池電動汽車對環境的影響最小。布魯塞爾自由大學Van Mierlo J 等人[2]采用生命周期評價的方法研究插電式混合動力汽車與傳統車輛相比對環境的影響，以及所使用的電池技術的生命周期環境影響，除此之外還特別考慮到電池的耐用性對于插電式混合動力汽車在環境影響方面的差異。瑞典Zackrisson M 等人[3]采用生命周期評價法（LCA）研究并優化插電式混合動力汽車鋰離子電池的設計。研究表明，水作為溶劑代替N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）用于鋰離子電池正負極的鑄造是一種環保的方法。麥克馬斯特大學Requia W J 等人[4]從全生命周期對插電式混合動力汽車在加拿大8 個城市進行了CO2排放評估，研究發現不同的發電概況影響生命周期CO2排放潛在的減排效益，要大幅度減少二氧化碳排放，應推廣混合動力汽車與可再生能源發電方案相結合。Anders 等人[5]和Troy R.等人[6]也做了相似的研究，認為電力生產是外部充電車輛對環境造成影響的主要原因，以煤電驅動為主的地區EV 的SOx排放增加的趨勢。里斯本大學Ribau J P 等人[7]對燃料電池驅動的混合動力電動汽車（FC-HEV）和插電式混合動力電動汽車（FC-PHEV）進行了駕駛條件、投資成本、效率和生命周期影響（LCA）優化的研究。研究表明FC-PHEV 顯示出更高的運行效率，但FC-HEV 顯示出更低的生命周期影響和更低的總體成本。同濟大學梁爐等[8]采用全生命周期評價方法，評價了插電式混合動力汽車全生命周期的能源消耗與氣體排放，并分析了在不同的環境工況下采用不同驅動方式對環境的影響。清華大學周博雅[9]基于理論分析、數據調研、實驗測試等途徑，創立了具有時間特征的中國“車用材料-車用燃料-車輛運行”生命周期評價方法。綜合來看，國內外對新能源汽車的研究涉及到了各個方面[10-13]，但關于插電式混動和普通混動汽車對比研究相對較少，所以本文選取了豐田普銳斯PHEV 和HEV 進行整車全生命周期資源消耗與綜合環境影響對比分析，旨在比較2 種車型在各個階段對環境影響的大小，為混合動力汽車的綠色發展提供建議，建立更加完善的評價體系，也可為企業從設計源頭上減少環境影響。

1 評價目標與系統邊界

1.1 評價目標

本次全生命周期評價研究選用的是豐田普銳斯插電式混合動力汽車（PHEV）和普銳斯混合動力汽車（HEV），通過查閱國內外文獻和檢索相關數據庫等方法，分別搜集2 款混動車型從原材料獲取、零部件制造、整車裝配、運行使用和報廢回收全生命周期能源消耗以及污染排放的數據。2 種車型各部分的質量分布如表1 所示。

表1 PHEV 和HEV 各部分質量kg

在保證模型完整性和準確性的前提下，為了方便建模，對一些過程做如下處理：將原材料獲取階段按照車輛主體部分、啟動電池、動力電池和車載流體劃分為4 部分，各部分分別依據原材料的質量比例進行模型的構建；報廢回收階段根據回收的途徑不同可以分為再制造、再利用、回收（資源回收、能源回收）和填埋4 部分；由于所研究的2 款車型采用了很多相同的零部件（例如鉛酸啟動電池和發動機等），而且在結構上有很高的相似程度，所以在建立模型時很多部分可以采用共用的方案和數據。另外將一些對評價結果影響較小的材料或零件進行替代和省略。

1.2 系統邊界

本次建模以原材料獲取、零部件制造、整車裝配、使用、維修和報廢回收6 個階段作為評價模型的主體框架。化石燃料（原煤、原油、天然氣等一次能源）和礦產資源（鐵礦石、鋁礦石、銅礦石等）作為系統邊界的輸入，以環境排放（CO2、CO、NOx、SOx、PM2.5等）作為系統邊界的輸出。系統邊界如圖1 所示。

圖1 系統邊界

2 全生命周期矩陣模型的建立

2.1 原材料階段差異評價模型

豐田普銳斯插電式混合動力汽車（PHEV）和普銳斯混合動力汽車（HEV）質量矩陣分別為MP、MH：

式中：k 為插電式混合動力汽車（PHEV）包含的零部件種類數；n 為PHEV 消耗的材料種類數，mpij為PHEV 第i 種部件所需要的第j 種原材料質量；m 為混合動力汽車（HEV）包含的零部件種類數；s 為HEV消耗的材料種類數；mhij為HEV 第i 種部件所需要的第j 種原材料質量。普銳斯PHEV 和HEV 整車雖有部分零部件相同但總體零部件和所消耗的材料并不完全相同，在此構建零部件質量差異矩陣MD（插電式混合動力汽車和混合動力汽車分塊矩陣差值）：

式中：mdij是插電式混合動力汽車（PHEV）和混合動力汽車（HEV）質量矩陣之差，PHEV 零部件和材料種類與HEV 相比較多，由此將HEV 擴展為與PHEV相同的質量矩陣，擴展部分填零補充。η1表示零部件加工過程中的材料利用率矩陣；η2表示材料制備過程的利用率矩陣。二者都為對角陣。原材料獲取階段能源消耗、環境排放的矩陣模型ED1、PD1為：

式中：r 表示能源種類數，h 表示排放物種類數（r、h分別代表全生命周期內某一階段最大的資源消耗種類數、排放物種類數，其他階段缺少部分添零填補）。ep1ij表示PHEV 獲取第i 種單位質量的原材料時消耗第j 種能源的量，eh1ij表示HEV 獲取第i 種單位質量的原材料時消耗第j 種能源的量，pp1ij表示PHEV 獲取第i 種單位質量的原材料時產生的第j 種環境排放的量，ph1ij表示HEV 獲取第i 種單位質量的原材料時產生的第j 種環境排放的量，ED1表示PHEV 與HEV 能源消耗量的差異矩陣，PD1表示PHEV 與HEV 排放的差異矩陣。

2.2 生產制造與裝配階段差異評價模型

生產制造階段和裝配階段的能源消耗與環境排放矩陣和原材料獲取階段的矩陣模型計算推導過程相同，在此省略其推導過程，由此生產制造階段與裝配階段的資源消耗和排放矩陣差異模型ED2、PD2，ED3、PD3為：ED2=EPP-EHP，PD2=PPP-PHP；ED3=EPA-EHA，PD3=PPA-PHA。

2.3 運行使用階段評價模型

PHEV 與HEV 在運行使用階段行駛相同里程L，PHEV 在運行使用階段內消耗汽油和電能，a 表示整個階段所消耗汽油所占的比例，b 表示整個階段所消耗電能所占的比例，HEV 在使用階段同樣消耗汽油和電能，c 和d 分別表示整個階段所消耗汽油和電能所占的比例。運行使用階段能耗差異模型ED4為：

式中：EPU表示PHEV運行使用階段總的燃油和電能消耗量，EHU表示HEV 運行使用階段總的燃油和電能消耗量，EG表示汽油上游能源的消耗，EE表示電能上游能源的消耗。

計算運行使用階段的排放，在此假設PHEV 環境排放種類數h1、HEV 環境排放種類數h2，h1≥h2,構建運行使用階段環境排放差異模型PD4為：

2.4 報廢回收階段評價模型

PHEV 和HEV 報廢回收過程參照文獻10，汽車報廢過程首先進行拆解，由拆解所得的零部件經檢測分類進行再使用、再制造、材料回收、焚燒、填埋處理。PHEV 和HEV 拆解過程所產生的能源消耗為EPdis、EHdis，PHEV 和HEV 拆解過程所產生的環境排放為PPdis、PHdis。

PHEV 和HEV 在報廢回收階段的能源消耗ED5、環境排放PD5為：

式中：EPri、EHri（i=1、2、3、4）分別為PHEV 和HEV 整車拆解后所產生再使用、再制造、材料回收、焚燒的能源消耗，PPri、PHri（i=1、2、3、4）分別為PHEV 和HEV 整車拆解后所產生再使用、再制造、材料回收、焚燒的環境排放。

3 影響評價與結果解釋

3.1 獲取清單數據

通過查找相關文獻11 把整車分為車輛主體、鉛酸啟動電池、鋰離子動力電池（HEV 為鎳氫動力電池）和車載流體4 個部分。查找文獻3 得出幾個部分的材料種類和所占比例，表2 為車輛各部分的材料質量比例，表3 為動力電池材料質量比例。

表2 車輛各部分材料組成 %

表3 動力電池材料組成

3.2 特征化分析

借助GaBi 平臺建立普銳斯PHEV 與HEV 整車全生命周期模型，基于CML2001 的生命周期評價方法，將環境影響類型劃分為7 類：礦產資源消耗（ADP elements）、化石能源消耗（ADP fossil）、全球變暖潛勢（GWP）、酸化潛勢（AP）、水體富營養化（EP）、光化學煙霧（POCP）和臭氧層損耗潛值（ODP）[12]，GaBi 平臺整車全生命周期各階段環境影響特征化結果如表4、5 所示。

表4 PHEV 全生命周期環境影響特征化結果

3.2.1 礦產資源消耗差異

PHEV 與HEV 的礦產資源消耗對比如圖2 所示（使用階段PHEV 和HEV 都無礦產資源消耗，此圖中不考慮此部分）。由圖可以看出原材料獲取階段和報廢回收階段是礦產資源消耗（收益）最重要的部分。在原材料獲取階段PHEV 的礦產資源消耗大于HEV，原因是由于PHEV 所使用的鋰離子電池中錳酸鋰的生產過程比較復雜需要消耗大量的鋰礦、錳礦等礦產資源。PHEV 與HEV 在報廢回收階段的礦產消耗均為負值，這是因為對關鍵材料的回收使得礦產資源在這一階段出現了收益。此外PHEV 在回收階段產生的效益要略小于HEV，但是回收得到的鋰（Li）在質量上比鎳（Ni）要大得多，因此鋰的回收對于PHEV 整個生命周期的節能減排有重要意義，應當積極推廣。

表5 HEV 全生命周期環境影響特征化結果

圖2 PHEV 與HEV 的礦產資源消耗差異

3.2.2 化石能源消耗差異

圖3 為PHEV 與HEV 各階段的化石能源消耗差異。由圖看出普銳斯PHEV 在全生命周期各個階段的化石能源消耗均大于HEV。這是因為在全生命周期的各個階段都要消耗大量的電能和熱能，電能和熱能的主要獲取方式就是消耗化石能源，PHEV在各階段參與能耗的質量均大于HEV，因此化石能源的消耗量更大。

圖3 PHEV 與HEV 的化石能源消耗差異

3.3 歸一化評價

3.3.1 普銳斯PHEV 與HEV 環境影響結果

為說明環境影響類型的相對重要性，本文運用CML 評價模型對5 種環境影響類型進行歸一化和量化處理。歸一化基準值來源于GaBi 數據庫，根據文獻13 所提供的歸一化基準值與權重系數，如表6 所示，計算出不同環境影響在各自權重系數下的量化結果。PHEV 與HEV 生命周期各階段綜合環境影響對比如圖4 所示。

表6 歸一化基準值與權重系數

圖4 PHEV 與HEV 各階段綜合環境影響對比

通過對全生命周期各個階段環境影響綜合值對比分析可知，PHEV 與HEV 全生命周期對環境產生的影響由大到小依次為：全球變暖潛勢（GWP）、酸化潛勢（AP）、水體富營養化（EP）、光化學煙霧（POCP）和臭氧層損耗潛值（ODP）。其中GWP 對環境的影響占到了60%左右，遠大于其他類別對環境的影響。從分階段角度來看，使用階段對于環境的綜合影響最大，其次是原材料獲取階段，下面對這2 個階段的環境影響進行簡要分析。在使用階段，GWP 和POCP 是最主要的環境影響。GWP 是因為汽車行駛時燃燒汽油會產生大量的CO2，另外PHEV 充電時消耗的電能在其上游也會有相當一部分的CO2排放。POCP 源于發動機內氮氣和氧氣在火花塞放電時發生化學反應生成的氮氧化物（NOx）和汽油不充分燃燒產生的大量碳氫化合物（HC）。盡管汽車都裝有尾氣處理裝置但是仍有大量的污染物被排放到大氣。因此，真正要做到汽車的節能減排還是需要在汽車的使用階段降低溫室氣體（GHG）和其他污染物的排放。在原材料獲取階段，主要的環境影響類型是GWP，POCP 和AP，造成這些環境影響的主要原因為：鋁合金、鋼等原材料在生產過程中消耗化石能源，由此產生溫室氣體CO2、酸性氣體SOx（主要是SO2）和氮氧化合物NOx。因此采礦、冶金、鋼鐵和能源等基礎產業的技術發展和污染防治對于實現汽車產品的節能減排同樣極其重要。

3.3.2 綜合環境差異影響對比

為了更加直接對比普銳斯PHEV 與HEV 對環境的綜合影響，在此給出普銳斯PHEV 與HEV 綜合環境影響差異圖。

圖5 PHEV 與HEV 綜合環境影響差異

通過圖5 對比分析可以得到：使用階段PHEV的綜合環境影響小于HEV，這表明PHEV 在行駛時溫室氣體和大氣污染物的排放量更少，從節能減排的角度考慮應該選擇插電式混合動力汽車。報廢回收階段PHEV 環境影響綜合值要比HEV 大得多，即PHEV 在報廢回收時產生了更多的污染排放，對于插電式混合動力汽車（主要是鋰離子電池）的回收采用的技術和工藝仍需進一步改進。在原材料獲取階段PHEV 的綜合環境影響也小于HEV，間接表明了鋰離子電池比鎳氫電池更加環保。

4 結論

本文選取了混合動力汽車中最具代表性的插電式和普通混合動力2 款車型Prius PHEV 和Prius HEV 作為研究對象，分別對其全生命周期5 個階段的節能減排情況進行了研究分析和對比，得出如下結論：

1）根據PHEV 與HEV 全生命周期的環境影響結果對比分析可得：無論是PHEV 還是HEV 在全生命周期對環境產生的影響由大到小排序依次為：全球暖化潛勢（GWP）、光化學煙霧（POCP）、酸化潛勢（AP）、水體富營養化（EP）、臭氧層損耗（ODP）。

2）由量化綜合環境影響的對比分析結果可以得出：PHEV 全生命周期的環境綜合影響大于HEV，但是在原材料獲取階段和使用階段PHEV 對環境的綜合影響要小于HEV。綜合來看插電式混合汽車在節能減排上優于普通混合動力汽車，這也從另一側面表明了鋰離子電池比鎳氫電池性能更優也更加環保。

3）根據分析結果，對混合動力汽車發展有如下建議：

a）普銳斯PHEV 在原材料獲取和使用階段的環境綜合影響均小于HEV，從節能減排的角度考慮插電式混合動力汽車更優。

b）用鋰離子電池代替鎳氫電池作為混合動力汽車的動力電池。

c）優化我國的電能結構，增大水電、太陽能等清潔能源的發電比例。

d）推進報廢汽車回收利用產業的發展，提高回收的技術和工藝水平。

e）在其他制造行業推行生命周期理念，建立更廣泛的生態管理體系與評價體系。

f）從設計源頭上考慮生態問題，讓生態設計理念貫穿產品的始終。