增程式電動汽車全生命周期節能減排績效評價

馬驪溟，許海波，陳軼嵩，劉佳慧

(長安大學汽車學院，西安 710064)

隨著國家對生態文明建設和能源持續性發展的重視，新能源汽車正在快速發展。國務院辦公廳發布的《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》，明確提出以純電動汽車為新能源汽車的主要發展目標[1]。同時，新能源汽車技術路線也在快速發展，目前已形成多種技術路線并行發展的態勢，而增程式電動汽車作為我國新能源汽車發展技術路線之一，也已經被納入到了純電動汽車的管理范疇。近期國家發改委發布的《汽車產業投資管理規定》也明確提出增程式電動汽車按照純電動汽車進行管理[2]。因此，為了更好地實現我國能源戰略和新能源汽車的可持續發展，對于增程式電動汽車節能減排績效的研究也就很有必要。

近年來，國內外相關學者利用生命周期評價的方法對新能源汽車進行了廣泛的研究。比如，SHARMA等[3]對傳統內燃機汽車、油電混合動力汽車和純電動汽車三類乘用車進行了對比研究，并且評估了電力系統在減少環境排放方面的潛力。HOOFTMAN等[4]分別研究了插電式混合動力汽車和純電動汽車兩者動力系統對環境的影響。EVANGELISTITI等[5]對燃料電池汽車進行了全面的生命周期評估，并與純電動汽車、傳統內燃機汽車進行比較，對燃料電池汽車的關鍵部件進行敏感性分析。LEWIS等[6]創建了傳統內燃機汽車、油電混合動力汽車和插電式混合動力汽車生命周期評價模型，評估了三者節能減排的潛力和輕量化對于生命周期能耗和溫室氣體排放的影響。ONAT等[7]對比分析了不同地區的純電動汽車、插電式混合動力汽車、油電混合動力汽車和傳統內燃機汽車。NOORI等[8]對傳統內燃機汽車、油電混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車和純電動汽車5種車型的動力系統生命周期環境排放和成本進行分析和評估。FARIA等[9]對傳統內燃機汽車、插電式混合動力汽車以及純電動汽車進行了環境和經濟的生命周期評估（LCA），對具有代表性的緊湊型和微型車進行了實際測試。

國內方面，SHI Sainan等[10]對傳統內燃機汽車和純電動汽車整車和燃料分別進行了全生命周期評估，并通過情景分析來評估不同政策的減排潛力。QIAO Qinyu等[11]在分析純電動汽車與傳統內燃機汽車運行使用階段差異的基礎上，研究了純電動汽車生產階段溫室氣體的排放量，并將結果與傳統內燃機汽車進行比較。HAO Han等[12]針對純電動汽車在中國的環境下是否有助于減少溫室氣體排放，分別對傳統內燃機汽車、油電混合動力汽車、純電動汽車生命周期的成本和溫室氣體排放進行研究，并比較它們在減少溫室氣體排放方面的成本效益。HU Zhiyuan等[13]利用生命周期評價（LCA）方法對我國生物乙醇混合燃料汽車進行了評價。PENG Tianduo等[14]提出了一種純電動汽車全生命周期分析模型，考慮了電網結構和車輛能效表現的變化，分析純電動汽車的生命周期能耗和溫室氣體排放。XIONG Siqin等[15]比較了純電動汽車和插電式混合動力汽車的生命周期能耗和溫室氣體排放，此外，對電網結構、車輛行駛里程等影響因子進行了敏感性分析。

綜上所述，在新能源汽車全生命周期評價領域，國內外學者均做了大量的研究。經過總結發現，研究主要集中于純電動汽車和傳統內燃機汽車，其次是油電混合動力汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車，而對于增程式電動汽車的研究較為缺乏。因此，本文將對其進行系統化、全面化的節能減排評價，以期完善我國新能源汽車生命周期評價體系。同時，評價結果可為新能源汽車企業和相關研究機構提供數據支持，還可為增程式電動汽車的發展和推廣提供參考依據。

1 研究對象與數據來源

本文在進行生命周期評價時，根據國內外現有在售的增程式電動車型，結合相關文獻資料的調研和查找，以及綜合考慮車型數據的完善程度和準確度，選取國內市場上的增程式電動汽車作為具體研究對象，車型具體參數見表1。文中相關數據來源于GABI軟件自帶數據庫、現有的期刊和文獻、相關車型的官網數據和實地調研。

表1 車型相關參數

2 系統邊界與部件劃分

本文在進行整車全生命周期節能減排分析時，首先設定整車功能單位為全生命周期內正常行駛15萬km或整車使用壽命為15年。其次，將整車的全生命周期劃分為4個階段：原材料獲取階段、制造裝配階段、運行使用階段和報廢回收階段。最后在對部件進行劃分時，將整車分為10大主要零部件，分別為：發動機、發電機、動力電池、驅動電機、電控裝置、變速器、鉛酸電池、車身、底盤、流體與液體，對于部分質量較小，對結果影響程度不大的零部件本文不予考慮。最終的系統邊界圖如圖1所示。

3 清單分析與模型建立

生命周期清單分析（Life Cycle Inventory Analysis，LCI）是對“搖籃到再生”的整個生命周期中的廢物排放和資源消耗等進行量化的過程[16]，是產品生命周期評價最關鍵的環節之一，數據的準確程度將直接影響最終的評價結果。在進行清單分析的過程中，部分零部件數據較難獲取，對結果有影響的采用近似替代的方法，而部分對結果影響不大的零部件數據本文暫不考慮。各部件上游原材料的消耗及制造裝配的能耗數據見表2，此外，在建模時，分別針對4個階段的能源消耗和環境排放建立模型，如下所示。

圖1 系統邊界圖

表2 主要零部件能耗、質量參數

啟動電池鉛/kg 6.9硫酸/kg 0.79聚丙烯/kg 0.61玻璃纖維/kg 0.21水/kg 1.41電耗/kWh 143.69電動機鋼/kg 23.97鑄鋁/kg 37.13銅/kg 14.76電能/kWh 446.87熱能/MJ 170.85主減速器鋼 /kg 44.77鑄鋁/kg 14.8銅/kg 14.06塑料/kg 0.148有機物/kg 0.222有機物/kg 144.09熱能/MJ 274.08柴油/kg 2.07電控裝置鋼 /kg 4.35鑄鋁/kg 40.89銅/kg 7.13塑料/kg 20.71橡膠/kg 3.22有機物/kg 10.7電能/kWh 124.4流體潤滑油/kg 4.68制動液/kg 0.91冷卻液/kg 10.4雨刷液/kg 2.71添加劑/kg 13.6電能/kWh 2 119

3.1 整車全生命周期階段

式中：ELCA，PLCA分別為整車全生命周期階段的總能源消耗和總環境排放；ERmas，PRmas分別為原材料獲取階段所對應的能源消耗和環境排放；EMfas，PMfas分別為制造裝配階段所對應的能源消耗和環境排放；ERups，PRups分別為運行使用階段所對應的能源消耗和環境排放；ESrps，PSrps分別為報廢回收階段所對應的能源消耗和環境排放。

3.2 原材料獲取階段

式中：k表示對應的零部件種類；Mkj表示第k種部件所需要的第j種原材料數量；Qjr表示第j種單位質量原材料獲取所消耗的第r種能源；Wjr表示第j種單位質量原材料獲取產生的第r類環境排放量。

3.3 制造裝配階段

式中：Mkn表示部件k所需要的第n種零件質量；Qnr表示單位質量第n種零件制造過程所需要的第r種能源；Wnr表示第n種零件制造過程中產生的第r類環境排放量。

3.4 運行使用階段

式中：f表示所需要更換的零部件；Muse表示運行使用過程中所需要更換的零部件質量；Quse表示運行使用過程中更換零部件所需的能源消耗量；Wuse表示運行使用過程中更換零部件所對應的環境排放量。

在NEDC綜合工況下該車續駛里程為800 km，根據官方給出的純電續駛里程為180 km，確定純電行駛里程占比為22.5%。假設全生命周期行駛里程為150 000 km，得純電行駛里程為33 750 km，增程及燃油行駛里程為116 250 km。綜合考慮電池充/放電效率為90%、80%，整車油耗計算時，綜合考慮能源轉換損失和熱量損失，設其燃油利用率為30%，得到總油/電耗見表3。

表3 金屬材料回收步驟及回收率

3.5 報廢回收階段

式中：T表示回收的零部件；Ms表示對應回收部件的質量；Qs1表示回收部件所消耗的能源；Qs2表示回收部件所產生的能源回收量；Ws1表示回收部件所產生的環境排放量；Ws1表示回收部件所產生的環境效益。

在報廢回收過程中，由于車體組成結構復雜，各部件材料回收工藝差異較大，為方便研究，本文主要考慮4種主要金屬材料的回收利用，其余廢棄材料則采用GABI軟件對應工藝進行處理，各金屬回收過程及回收率見表4，回收每千克金屬所消耗的能源見表5。

表4 金屬材料回收步驟及回收率

表5 回收每千克金屬所消耗的能源

4 影響評價與結果解釋

產品生命周期影響評價(Life Cycle Impact Assessment， LCIA)是對清單分析中的環境影響類型進行定量或定性的綜合評價與描述。SETAC、ISO和英國環保局都傾向于把影響評價定為一個三步走模型，分別是：分類與特征化、歸一化、量化[17]。本文根據本土化數據情況與中國國情相結合，選取CML2001方法進行環境影響評價，能源消耗主要考慮礦產資源消耗（ADPe）和化石能源消耗（ADPf），將環境影響劃分為5類，分別是：全球變暖（GWP）、酸化（AP)、水體富營養化（EP）、光化學煙霧（POCP）和臭氧層損耗（ODP）。環境影響評價的計算過程經查閱文獻[18]所得：

式中：IA(ω,r)為ω類環境影響潛值(kg-Eq)；mi,r為ω類環境影響起促成作用的第i類資源、排放或能源（kg or MJ）；fi,w為第i類資源、排放或能源的特征化因子（kg-Eq/kg or kg-Eq/MJ）。

分類與特征化是在清單分析的基礎上，將所得到的數據根據標準劃分到不同的影響類別，并基于GABI軟件及特征化計算方法，得到增程式電動汽車資源環境特征化結果，見表6。

歸一化主要是為了更直觀地顯示增程式電動汽車生命周期各階段對環境造成的影響，并得出對比分析結論，本文參考CML2001評價方法的歸一化基準值進行計算，得出環境影響歸一化結果，相關歸一化基準值以及權重系數[19]見表7，最終得到可統一對比的環境影響綜合值，見表8。

表6 全生命周期各階段特征化結果

表7 歸一化基準值與權重系數

表8 全生命周期環境影響歸一化結果

圖2 全生命周期階段礦產資源消耗

由圖2可知，在全生命周期4個階段中，原材料獲取階段礦產資源消耗最多，數值為0.040 5 kg Sb-Eq，主要是因為車身、底盤、動力電池、發動機等零部件需要大量的鋼、鐵、鋁和銅等礦產資源；制造裝配階段只有少量的礦產資源消耗；運行使用階段由于輪胎、啟動電池等零部件的更換也會產生一定的礦產資源消耗；報廢回收階段值為-0.037 kg Sb-Eq，表明報廢回收階段對于資源的消耗產生了正效益，最后全生命周期階段總的礦產資源消耗為0.173 kg Sb-Eq。

圖3 全生命周期階段化石能源消耗

由圖3可知，在全生命周期4個階段中，運行使用階段化石能源消耗最多，占全生命周期的71.3%，主要是因為增程式電動汽車在運行使用時需要同時消耗汽油和電能，但我國電能的主要來源依舊是煤炭發電，從而造成了化石燃料的間接消耗。原材料獲取階段和制造裝配階段也伴隨著一定的化石能源消耗，主要是因為在生產和制造時需要消耗一定的電能和熱能。在報廢回收階段化石能源的消耗為負值，表明通過對汽車材料的回收以及焚燒處理，部分塑料件產生的電能和熱能能夠降低一定的化石能源消耗。

圖4 全生命周期階分階段、分類別環境影響大小

由表5和圖4綜合分析可知，從全生命周期4個階段來看，對環境的影響由大到小依次為：運行使用階段占比最大(45.61%)，主要是因為增程式電動汽車在此階段消耗了大量的汽油和電能，而汽油燃燒過程中產生的硫化物、氮化物以及溫室氣體等直接排放到空氣中，對環境造成影響，加之我國電能結構以火力發電為主(比例接近73%)，火力發電所燃燒的大量煤炭更加劇了對環境的影響，其次是制造裝配階段(39.92%)和原材料獲取階段(24.15%)、而報廢回收階段占比為-10.08%，對環境影響產生了正效益。從五類環境影響值來看，由大到小的順序依次為：GWP＞AP＞POCP＞EP＞ODP，其中對環境影響最大的是GWP，占比為42.03%，其他依次占比為AP(33.25%)、POCP(20.49%)、EP(3.82%)、ODP(0.41%)。

5 研究總結與改進建議

本文以全生命周期評價理論為基礎，選取增程式電動汽車為具體研究對象，探究增程式電動汽車全生命周期階段的節能減排效果，研究結果表明：（1）在礦產資源ADP（e）消耗方面，原材料獲取階段消耗量最大。（2）在化石能源消耗ADP（f）方面，運行使用階段占比(71.3%)最大；（3）在環境影響方面，運行使用階段環境影響占比(45.61%)最大，在五類環境影響中，全球變暖GWP占比(42.03%)最大。（4）在能源消耗和環境影響兩個方面，報廢回收階段均能產生明顯的正效益。結合以上研究結果提出以下建議：

（1）在原材料生產制造階段，提高我國鋼、鐵、銅等礦產資源生產加工工藝以及生產效率，尋求新材料和新生產工藝以期減少礦產資源的消耗，另一方面也可從汽車設計入手，采用輕量化技術，盡量降低汽車整備質量，從而降低金屬等礦產資源的消耗。

（2）在運行使用階段，提高發動機燃油利用效率，減少汽油等化石能源的消耗，同時研發專門適用于增程式電動汽車的能量管理策略，提高整車能源轉換效率，從而降低能源消耗。同時也可以提升電池的充電和發電效率，延長使用壽命，使電能得到充分利用，降低電能消耗，減少因發電造成的化石燃料消耗。

（3）在報廢回收階段，由于此階段在減少能源消耗和環境影響方面均產生了明顯的正效益，因此，建立完善的電動汽車報廢回收體系、加強金屬部件的回收、改善回收工藝等，對于減少能源消耗和環境影響具有很強的現實意義。

（4）改善我國電網結構，盡量降低煤炭發電比例的同時提高我國煤炭發電的效率，以降低化石燃料的消耗，并加快其他清潔能源發電技術的研究，提高風能、水能、太陽能等清潔能源發電占比和效率。