輕型汽油車與純電動汽車碳排放量比較研究

王志紅，董阿山，張遠軍，丁 玲

（1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室（武漢理工大學），武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢 430070；3.襄陽達安汽車汽車檢測中心有限公司，湖北，襄陽 441004）

隨著全球溫室氣體的治理逐步加嚴，各主要經濟體也制定并執行了碳達峰和碳中和時間表。我國已宣布力爭2030 年前實現碳達峰，力爭2060 年前實現碳中和。2020年，我國碳排放量為98.94億噸，其中交通領域碳排放測算大概為23.18 億噸，約占碳排放總量的23.4%，其中，公路運輸的占比最大，約為82%。機動車作為公路運輸的主體，是碳排放的主要貢獻者。因此，為實現碳達峰、碳中和目標，我國乃至全球都加緊對機動車能源結構進行調整，發展新能源汽車成為大家的共識。然而，新能源汽車在使用環節可以是零排放，但是發電過程產生的碳排放量卻不容小覷。

純電動汽車作為當前新能源汽車的主要發展方向，它的碳排放量主要和兩個因素相關：一個是自身經濟性，即百公里電耗的大小；另一個是電力清潔性，即發電所用一次能源的清潔性。目前，我國電力結構主要以火力發電為主，2020年，火力發電比例為70.19%。隨著我國核電、風電、水電、太陽能等清潔能源的建設及大規模應用，到2030 年，清潔能源比例會大幅提高，但是火力發電依然會有較高的占比。針對純電動汽車是否比傳統燃油汽車更有助于碳減排，國內外專家學者做過很多研究，但是得出的結論有很大不同。嚴軍華等利用生命周期評價方法，對純電動汽車和傳統燃油汽車的制造、使用、報廢回收3 個主要階段進行了CO排放對比分析，結果表明，在生命周期內，純電動汽車CO排放量只占傳統燃油汽車的59.92%。嚴巋等通過發電端排放折算，研究發現純電動汽車使用周期CO排放量較傳統汽車減少37%。黎土煜等、RAHMAN 等、MINGYUE 等經過研究也得出純電動汽車更有利于碳減排的結論。而馮超使用混合生命周期評價方法對乘用車進行了能耗和排放分析，發現在當前能源結構背景下，純電動汽車碳排放量比傳統燃油車高18%。哈寧寧用全生命周期法對某國產SUV 的純電動、混動和燃油動力3 個版本的碳排放量進行計算，發現在燃料周期和車輛周期，純電動版本均有最高的溫室氣體排放。REQUIA 等、RUPP 等、NIMESH等也有相似的結論。

為研究當下傳統燃油車和電動汽車的實際碳排放，本文選取3 輛國Ⅵ輕型汽油車和3 輛輕型純電動汽車，均分別在WLTC、CLTC-P 和實際道路工況下進行能耗試驗，將純電動汽車行駛階段的電耗折算為電力生產端的CO排放量，汽油車也只考慮行駛階段燃油燃燒產生的CO排放量，研究分析了汽油車和純電動汽車在不同測試工況下，車速、加速度、VSP、行程動力學參數.和RPA 對CO排放的影響及兩類車輛CO排放特性的異同點。

1 電耗折算方法

本文使用的電動汽車電耗折算方法采用GB/T 37340—2019《電動汽車能耗折算方法》中的CO排放折算法，此方法通過與傳統燃油車燃料燃燒產生的CO進行換算，將電動汽車消耗的電量轉化為發電階段產生的CO排放量。具體換算方法如下（均為2020年數據）。

當量燃油消耗量FC的計算：

式中：FC為當量燃油消耗量，L/100 km；為車輛的電能消耗量，kWh/100 km；為CO折算因子，L/kWh，按式（2）計算得出。

CO折算因子F的計算：

式中：為火電供電標準煤耗，kg/kWh，取值為0.306；為燃料煤的CO排放因子：單位煤燃燒所產生的CO排放量，kg/kg，取值為2.53；為火力發電比例：火力發電量與發電總量之比，取值為70.19%；為燃料的CO排放因子：單位燃料燃燒所產生的CO排放量，汽油為2.38 kg/L，柴油為2.67 kg/L，本文是與汽油車進行對比，所以取值為2.38 kg/L；為燃料煤與標準煤的折標系數，取值為0.91；為充電效率：輸入動力電池的電能與來自電網的電能之比，取值為100%；為線損率：輸送和分配（變壓）電能過程中，損失的電量占供電量的百分比，取值為5.62%。

將已知參數代入式（2），得到CO折算因子：

將的值代入式（1）中，得到當量燃油消耗量：

結合汽油的CO排放因子以及試驗時純電動汽車的車速，便可以得到純電動汽車的CO排放因子（g/km）以及CO瞬時排放率（g/s）。

2 試驗方案

2.1 試驗車輛

本文選取的試驗車輛為3 輛國Ⅵ輕型汽油車和3 輛輕型純電動汽車，6 輛車的整備質量非常接近，且在各測試工況下車輛的測試質量均保持相等，這樣有利于碳排放對比的公平性。試驗車輛具體的技術參數見表1和表2。

表1 輕型汽油車主要技術參數

表2 后驅輕型純電動汽車主要技術參數

2.2 試驗設備

汽油車轉轂能耗試驗所用的排放檢測設備為HORIBA 公司的全流稀釋定容取樣系統CVS-7400和尾氣分析儀MEXA-7400DTR。排放檢測原理如圖1 所示，通過尾氣分析儀測出取樣袋里稀釋廢氣的CO濃度，再乘以CVS 測得的稀釋廢氣總容積，便計算出CO的總排放量。

圖1 排放檢測原理

汽油車實際道路能耗試驗所用的排放檢測設備為HORIBA 公司的便攜式排放測試系統（PEMS）OBS-ONE-GS12，用到的模塊包括氣體分析單元（GA）、排氣流量計以及包括主控電腦、全球定位系統（GPS）、供電單元（PS）、OBD單元等在內的附件，CO濃度及排量分別由GA 和排氣流量計測出。試驗車輛上PEMS 設備的安裝示意圖如圖2所示。

圖2 PEMS設備安裝示意圖

純電動汽車轉轂能耗試驗和實際道路能耗試驗測量的主要參數是動力電池和啟動電池的電壓及電流，使用的電耗測試設備均為電流鉗、電壓鉗、電壓外接器、功率分析儀，通過電壓和電流可以算出電耗，再通過第一小節方法進行電耗折算，便可得到電力生產端CO的排放量。

2.3 WLTC、CLTC-P及實際道路能耗試驗

WLTC 分為低速段、中速段、高速段和超高速段4 部分，CLTC-P 由低速、中速和高速3 個速度區間組成，兩測試工況均為瞬態循環，工況時長1 800 s，工況曲線如圖3所示，工況參數見表3。

圖3 WLTC、CLTC-P工況曲線

表3 WLTC、CLTC-P工況參數

實際道路工況試驗路段選擇在襄陽市高新區，測試路線如圖4所示，總里程75.0 km，其中市區里程24.2 km、市郊里程24.4 km、高速里程26.4 km，分別占比32.23%、32.53%和35.2%；測試路段累積正海拔增加量為546.3 m/100 km；測試中環境溫度變化范圍為17.9 ℃～19.6 ℃，低于30 ℃；測試路線海拔高度在192.7 m～313.2 m，以上數據均滿足RDE 法規要求。道路坡度在－0.05～0.05 范圍內變動，接近于0，因此可以忽略其對RDE 試驗結果的影響。汽油車的實際道路工況曲線如圖5所示。

圖4 實際道路測試路線

圖5 汽油車實際道路工況曲線

3 試驗數據分析

本文選取的3 輛國Ⅵ輕型汽油車和3 輛輕型純電動汽車均分別在WLTC、CLTC-P 和實際道路工況下進行了能耗試驗，經過同類車輛的對比分析發現，汽油車或純電動汽車在同一測試工況下，碳排放隨車速、加速度、VSP 等參數的變化趨勢是一致的，只是數值上存在細微的差別。為了避免本文的圖過于繁雜，能夠清晰表達變化趨勢，特選取1 號汽油車與1 號純電動汽車作為例子來分析汽油車和純電動汽車的碳排放特性。

3.1 速度對CO2排放的影響

為分析速度對CO排放的影響，將WLTC 測試工況的實際車速分為（0，5），［5，10），［10，15），…，［130，135）共27 組，CLTC-P 測試工況的實際車速分為（0，5），［5，10），［10，15），…，［110，115）共23 組，實際道路工況的車速分為（0，5），［5，10），［10，15），…，［115，120）共24組，對每組的車速和CO排放因子進行平均處理，得到CO排放因子隨車速的變化關系，如圖6～8所示。

圖6 WLTC循環CO2排放因子與車速關系

圖7 CLTC-P循環CO2排放因子與車速關系

圖8 實際道路CO2排放因子與車速關系

由圖6～8 可以清晰地看出，WLTC 循環、CLTC-P循環和實際道路3種測試工況下，汽油車和純電動汽車的CO排放因子與車速的關系呈相同的變化趨勢，均隨車速的升高先快速下降，隨后下降速率減緩，在達到最小值后，隨著車速的繼續升高，CO排放因子又快速上升。整體而言，3 種測試工況下，汽油車CO排放因子隨車速的變化均更加激烈，而純電動汽車相對平緩很多。同時也可以看到，3種測試工況下，兩車均在車速為0～5 km/h的區間內有最大的排放因子，汽油車分別為352.436 g/km、398.212 g/km 和367.537 g/km，純電動汽車分別為251.443 g/km、 319.294 g/km 和330.468 g/km，前者分別是后者的1.4 倍、1.25 倍、1.11 倍；而車速區間為60～90 km/h 時，汽油車的發動機和純電動汽車的電動機都處于最佳的經濟運行狀態，兩車的平均CO排放因子均達到最小值，汽油車分別為104.236 g/km、 129.932 g/km 和114.958 g/km，純電動汽車分別為84.863 g/km、120.073 g/km 和95.711 g/km，前者分別為后者的1.23倍、1.08倍、1.2倍。

結合圖9～11 及以上的分析結果可以得出，單純考慮車速的情況下，純電動汽車在WLTC 循環、CLTC-P 循環和實際道路工況下的CO排放均比汽油車更具有優勢，特別是在低速區間優勢更加明顯，所以，常年工作在低速市區工況的輕型特種作業車，如輕型物流車更適合使用純電動汽車，這對減排能起到積極的作用。

3.2 加速度對CO2排放的影響

為分析加速度對CO排放的影響，WLTC、CLTC-P 和實際道路工況均取（0，30）、［30，60）、［60，90）和［90，+∞）km/h 的車速區間，分別代表低速、中速、中高速和高速，然后在每一個車速區間將加速度分成（-∞，-1］、（-1，-0.6］、（-0.6，-0.3］、（-0.3，-0.1］、（-0.1，0.1］、（0.1，0.3］、（0.3，0.6］、（0.6，1］和（1，+∞）m/s共9個加速度區間，分別計算各個區間內的平均排放因子。圖9～11 給出了3 種測試工況下汽油車與純電動汽車的CO排放因子與加速度的關系曲線。

從圖9～11可以看出，WLTC循環和CLTC-P循環工況下，汽油車和純電動汽車CO排放因子與加速度的關系曲線呈現相同的變化趨勢，而實際道路工況下，汽油車的變化趨勢與前兩種測試工況呈現較大的不同，純電動汽車與前兩種測試工況變化趨勢一致。

圖9 WLTC循環CO2排放因子與加速度關系

圖10 CLTC-P循環CO2排放因子與加速度關系

圖11 實際道路CO2排放因子與加速度關系

在WLTC 循環和CLTC-P 循環下，汽油車在中速、中高速和高速的車速區間，CO排放因子隨加速度的增大波動不大，只在加速區間有略微增長；而實際道路工況下，CO排放因子與加速度呈很強的正相關性，這可能是由于實際道路工況存在較多的激烈駕駛行為造成的。3 種測試工況下，汽油車在低速時，CO排放因子隨加速度的變化最為明顯和激烈，一方面，隨著加速度的增大，CO排放因子在減速區間緩慢上升，在勻速和加速區間急劇上升；另一方面，低速時，CO排放因子普遍很高，特別是在＞1 m/s的急加速區間會達到最大值，3種測試工況低速段的平均CO排放因子分別是340.633 g/km、388.728 g/km 和382.104 g/km，明顯大于低速段純電動汽車的161.063 g/km、188.831g/km 和173.293 g/km，前者分別是后者的2.11 倍、2.06 倍和2.2 倍，這是因為汽油車在低速行駛時，燃油燃燒不充分且發動機處于非常不利的低轉速、低效率工作狀態，所以排放很高。而汽油車在低速急加速時，必須通過增加燃油供給以提供足夠的能量完成急加速過程，此時發動機通常處于富燃狀態，因而CO排放因子會急劇升高。與汽油車不同的是，純電動汽車在3 種測試工況的所有車速區間里，減速狀態下CO排放因子都會保持一個非常低的值且基本沒有波動。產生這個現象的主要原因是純電動汽車比汽油車多了制動能量回收系統，在制動或減速時，車輛的部分機械能會轉換為電能進行回收，用以補償動力電池的電耗，且隨著動力電池荷電量的不斷降低，能量回收的效率會越來越高，因而減速狀態純電動汽車的CO排放因子會一直處于一個穩定的低值。勻速和加速狀態下，隨著加速度的增大，CO排放因子呈現激烈的上升趨勢，在加速度較大時，CO排放因子的值超過了同速度區間下的汽油車的值。

由以上分析可知，汽油車和純電動汽車CO排放因子在加速時最高，勻速次之，減速最小。汽油車在低速尤其在低速急加速狀態下CO排放因子很高；純電動汽車在減速狀態下CO排放因子處于穩定的低值，在急加速狀態下CO排放因子急劇升高。因此，基于減排目的選擇車輛，如果長期運行于車速較低且頻繁啟停的市區工況適合選用純電動汽車，如果長期跑中高速和高速工況則選汽油車更有優勢。

3.3 VSP對CO2排放的影響

VSP 是車輛瞬時功率和機動車質量的比值，為車速、加速度、風阻和坡度等參數的函數，單位為kW/t。VSP 結合了瞬時速度和瞬時加速度，能夠綜合反映車輛的行駛工況，在輕型車排放特征分析上有廣泛的應用。大量研究也證明了瞬時比功率與機動車的排放水平有較強的相關性，所以本小節基于VSP，研究3 種測試工況下的汽油車和純電動汽車的CO排放情況。

式中：為車速，m/s；為加速度，m/s；為道路坡度，由于轉轂能耗試驗道路坡度恒為0，實際道路能耗試驗的道路坡度波動極小且接近于0，可以忽略其對試驗結果的影響，所以此處統一取值為0。得到最終VSP計算公式為：

基于試驗數據算出VSP后對其進行由小到大排列，并如表4 所示按照等間距將其劃分為模塊1-10，對應的VSP 范圍分別為VSP≤－20，－20＜VSP≤－15，…，VSP＞20。再者，通過分析式（6）可知，VSP＜0 時，車輛處于減速狀態；VSP=0 時，車輛處于怠速狀態；VSP＞0 時，車輛處于勻速或加速狀態。

表4 VSP區間劃分

通過計算各個VSP 區間的CO平均瞬時排放率，得到3 種測試工況下汽油車和純電動汽車的CO排放率與VSP的變化關系，如圖12～14所示。

由圖12～14 可以看出，汽油車和純電動汽車在各自的WLTC 循環、CLTC-P 循環和實際道路3 種測試工況下，CO排放率隨VSP 的變化趨勢大致相同。在VSP≤0 時，對于汽油車，CO排放率隨著VSP 值的增大而降低，在－5＜VSP≤0時達到最小值，3種測試工況下的數值分別為0.834 g/s、0.893 g/s和0.612 g/s。而對于純電動汽車，CO排放率隨VSP 值的增加并未呈現嚴格單調遞減的趨勢，但同一VSP 區間CO排放率的值均比汽油車的低，也是在－5＜VSP≤0 時有最小值，分別為0.313 g/s、0.335 g/s 和0.336 g/s，前者分別是后者的2.66 倍、2.67 倍和1.82 倍。在VSP＞0時，兩車的CO排放率均隨著VSP值的增大呈近似線性增長，在VSP＞20 時達到最大值。還可以看出，純電動汽車在VSP≤20 時CO排放率都比汽油車的低，說明此VSP 區間，純電動汽車的CO瞬時排放量更占優勢，但在VSP＞20 時，純電動汽車的CO排放率反超了汽油車，說明在高速急加速狀態，汽油車的CO瞬時排放量更占優勢。

圖12 WLTC循環CO2排放率與VSP關系

圖13 CLTC-P循環CO2排放率與VSP關系

圖14 實際道路CO2排放率與VSP關系

3.4 行程動力學參數對CO2排放的影響

實際道路能耗試驗的排放水平與駕駛的激烈程度有很大關系，根據GBT 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》規定，.[95]（速度和加速度的乘積的第95 百分位，m/s）和RPA（m/s）是表征實際道路駕駛激烈程度的核心參數，但是由于缺乏平順駕駛和激烈駕駛作為對比，各行駛路段下的單個.[95]和RPA 很難體現與CO排放因子的變化關系，所以本小節基于各行駛路段秒采.和RPA 研究汽車行駛動力學特性與CO排放因子的關系。

3.4.1 行程動力學參數校驗

按照每秒瞬時車速大小將實際道路試驗車速劃分為市區（≤60 km/h）、市郊（60＜≤90 km/h）和高速（＞90 km/h）3 個速度集合，各速度集合均需滿足.[95]和RPA 的驗證，實際道路行程方為有效。在進行動力學參數校驗時要求每個速度組中加速度值a≥0.1 m/s的數據集合數量不應小于150 個，實際道路能耗試驗中各路段a≥0.1 m/s數據集合數量見表5。由表可知，實際道路能耗試驗中各路段a≥0.1 m/s的數據個數均大于150 個，通過驗證。

表5 實際道路能耗試驗各路段ai≥0.1m/s2的數據集合數量

實際道路能耗試驗對每個速度組中的.[95]進行驗證的標準為：如果ˉ≤74.6 km/h，并 且(?)[95]>(0.136?ˉ+ 14.44)， 行 程 無效； 如 果ˉ＞74.6 km/h， 并 且(?)[95]>(0.074 2?ˉ+ 18.966)，行程無效。對RPA 進行驗證的 標 準 為：如 果ˉ≤94.05 km/h，并 且RPA<(-0.001 6?ˉ+ 0.175 5)，行程無效；如果ˉ＞94.05 km/h，并且RPA＜0.025，行程無效。通過計算，實際道路能耗試驗各路段的.[95]和RPA 驗證結果如表6 和表7 所示，汽油車和純電動汽車各路段.[95]的實際值均小于括號內的參考值，RPA的實際值均大于括號內的參考值，實際道路能耗試驗汽油車和純電動汽車的.[95]與RPA 均通過驗證。

表6 實際道路能耗試驗各路段v?apos-[95]驗證

表7 實際道路能耗試驗各路段RPA驗證

3.4.2.和RPA對CO排放的影響

基于各行駛路段.[95]與RPA 均通過有效性驗證的條件下，計算出各行駛路段的秒采.和RPA，將.以每2.5 m/s為增量劃分為［0，2.5），［2.5，5），［5，7.5），…，［20，+∞）共9 個區間，RPA 以每0.1 m/s為間隔劃分為（0.1，0.2］，（0.2，0.3］，（0.3，0.4］，…，（1，+∞）共10 個區間，并計算每個區間平均CO排放因子。圖15 和圖16 分別給出了汽油車、純電動汽車在各行駛路段下的.和RPA與CO排放因子的關系。

圖15 各路段v.apos與CO2排放因子的關系

圖16 各路段RPA與CO2排放因子的關系

由圖可知，在各行駛路段，汽油車和純電動汽車CO排放因子總體上均隨.和RPA 的增大呈先上升后趨于穩定的趨勢，具有很強的正相關性。同時也可以看出，汽油車在各行駛路段的CO排放因子均比純電動汽車高，在市區路段尤為明顯，達到2 倍之多。這是因為市區路段車速低、車輛頻繁啟停、激烈駕駛行為多，汽油車的發動機一直工作于惡劣的燃燒環境，導致CO排放居高不下，而純電動汽車有再生制動能量回收作為緩沖，CO排放會維持較穩定的低值。

4 結論

（1）在WLTC、CLTC-P 和實際道路3種測試工況下，汽油車和純電動汽車的CO排放因子均隨車速的升高先下降后上升，且前者的變化相對后者更加激烈。同時，單純考慮車速的情況下，純電動汽車在3 種測試工況下的CO排放均比汽油車更具有優勢，特別是在低速區間優勢更加明顯。

（2）3 種測試工況下，汽油車在≥30 km/h 的車速區間，CO排放因子隨加速度的增大波動較小；在0～30 km/h 的低速區間，CO排放因子均有很高的值，在＞1 m/s的低速急加速區間達到最大值，整個低速段的平均CO排放因子達到純電動汽車的2.06～2.2 倍；純電動汽車在減速區間，CO排放因子維持穩定的低值；勻速及加速區間，隨加速度增大呈激烈上升趨勢。

（3）汽油車CO排放率在3 種測試工況下均隨VSP 的增大先下降后上升。而純電動汽車在VSP≤0時，CO排放率隨VSP 值的增加并未呈現嚴格單調遞減的趨勢；在VSP＞0 時，隨VSP 值的增大呈近似線性增長，且在VSP＞20 的高速急加速區間CO排放率反超了汽油車，此時汽油車的CO瞬時排放量更占優勢。

（4）動力學參數.及RPA 與汽油車和純電動汽車在各行駛路段下的平均CO排放因子呈強正相關性，且市區路段純電動汽車平均CO排放因子只有汽油車的50%左右，具有明顯的排放優勢。