匹配不同動力電池的純電動汽車全生命周期節能減碳評價研究

陳軼嵩，郝卓，蘭利波，付佩，陳昊

（長安大學，西安 710064）

在能源安全、環境保護與科技變革的推動下，中國純電動汽車的技術與市場均取得了巨大的進展。同時，隨著可持續發展戰略的深化與“碳達峰、碳中和”目標地提出，對純電動汽車全生命周期綠色可控與節能減碳重視程度更甚。作為純電動汽車的唯一動力來源，動力電池未來必將持續生產、使用以及大量報廢，而動力電池在其全生命周期內具有大量能源輸入與環境排放輸出，對純電動汽車的節能減碳成效影響巨大。

近年來，在純電動汽車節能減排評價領域，國內外許多學者針對動力電池的能耗與環境影響評價等方面展開了系列研究。Ambrose 等、ELLINGSEN等、DAI Qiang等、PETERSAC 等借助全生命周期評估（Life Cycle Assessment，LCA）模型對純電動汽車車用鋰離子電池（Lithium Ion Battery，LIB）進行 資 源 消 耗 和 環 境 影 響 分 析；SUN Xin 等、ACCARDO 等基于中國本土鋰電池供應商的數據清單，借助LCA 方法評估并量化了鎳鈷錳三元鋰離子電池（Nickel Cobalt Manganese，NCM）對純電動乘用車和純電動商用車生命周期環境影響；AHMADI等、CHEN Mengyuan 等分析了磷酸鐵鋰電池（Lithium Iron Phosphate，LiFePO，LFP）的制造、使用、回收及再利用等全生命周期各階段的環境影響，其回收及再利用的清單數據為估測所得；針對LFP環境影響評價的研究，賈志杰等、LOAKIMIDIS等、ZHU Lingyun 等、劉書如研究了廢舊LFP電池的綠色回收技術、二次應用場景等，以最大限度降低廢舊LFP 電池對環境的潛在影響；RICHA等、李響等對純電動汽車錳酸鋰電池（Lithium Manganate，LiMnO，LMO）的生產制造、運行使用以及報廢回收3 個階段的環境影響進行評價與分析。殷仁述等對純電動汽車車用鈦酸鋰電池（Lithium Titanate，LiTiO，LTO）進行生命周期評價分析，得到LTO 電池對資源、能源及環境的影響。針對純電動汽車不同類型的動力電池的能耗與環境影響，部分學者也采用LCA 方法對LIB 和鉛酸電池、LMO 和LFP、LFP 和NCM進行對比分析，以確定更加綠色環保的動力電池類型，但尚未深入探討4 款動力電池對比情況及相關預測分析，且研究結果無法表征中國背景下匹配不同動力電池的純電動汽車從搖籃到再生的全生命周期對資源、能源及環境的影響。

從國內外現有文獻來看，目前關于純電動汽車車用動力電池節能減排研究的評價對象多為單一類型的動力電池、兩款傳統電池對比分析、新型動力電池與傳統電池對比分析以及電池裝車對比分析，而針對市面上所常見的4 款動力電池生命周期對比分析研究較少。因此，本文基于以往文獻研究及其不足，從全生命周期角度對4 款動力電池進行生命周期評價研究，并將4 款動力電池作為變量匹配到同一款BEV 中進行生命周期評價研究與敏感性分析。研究結果可為動力電池企業與整車企業在生產制造及產品發展提供數據支撐，同時為汽車產業發展與技術進步提供參考依據。

1 評價方法

1.1 評價對象與數據來源

本文以當前市場中銷量較高、技術相對成熟的比亞迪·秦系列純電動汽車為研究對象，以該車相關參數為數據基礎，分別搭載4 款動力電池（LFP、NCM、LMO、LTO），并組件成為4 款匹配不同動力電池的純電動汽車，分別對4款BEV 進行全生命周期ADF（f）和GWP 定量評價計算，結合中國實景數據、技術路線、文獻參考等因素對純電動汽車2030年ADF（f）和GWP情況進行預測分析。4款動力電池與整車各階段所需的實景數據主要來源于動力電池公司官網及國內外參考文獻，上游背景數據主要來源于GaBi 軟件數據庫。對于某些零部件的制造過程由于數據缺失進行相似處理，用相同類型的數據進行替代。

1.2 系統邊界與功能單位

生命周期評價是指對一個產品的整個生命周期中所有輸入、輸出和潛在環境影響進行匯編和評價的過程。汽車LCA 分析需要按照ISO14040 進行，首先需要明確研究目的、系統邊界和功能單位。本文旨在探索2021 年及2030 年我國動力電池及純電動汽車生命周期內能源和環境排放的影響，因此將純電動汽車全生命周期分為原材料獲取、制造裝配、運行使用、報廢回收4 個階段。動力電池及純電動汽車的能源消耗與環境排放僅考慮ADF（f）與GWP，系統邊界如圖1所示。

圖1 BEV全生命周期評價系統邊界

功能單位是指經過量化的產品功能或績效特征，本文考慮車輛實際使用過程中的平均行駛里程數，選取該車型在中國道路上平均行駛里程15 萬km作為功能單位。

1.3 影響評價指標

影響評價是指在選定的影響指標和評價模型的基礎上，將清單分析結果轉化為潛在環境影響的過程。本文針對純電動汽車及動力電池的相關特性，選取化石能源消耗量ADP（f）與GWP（以COeq計）這兩項指標用于衡量動力系統的化石能源消耗與溫室氣體環境排放影響，其單位分別為MJ與kg。

2.1 原材料獲取階段

本文主要將純電動汽車劃分為車身、底盤、動力電池、電機、電控裝置、流體幾部分。將動力電池分為正極、負極、電解液、隔膜、殼體、冷卻液、電池管理系統（BMS）等部分。動力電池各部件上游原材料消耗數據見表1，除動力電池的純電動汽車各部件上游原材料的消耗數據見表2。

表1 4種不同動力電池的原材料消耗數據 單位：kg

表2 純電動汽車的原材料消耗數據［23］ 單位：%

2.2 制造裝配階段

車輛制造裝配過程中主要產生部分電能與熱能消耗，各部件與整車再制造裝配階段的電能與熱能消耗見表3～4。

表3 整車部件制造裝配過程能耗［25］ 單位：MJ/kg

2.3 運行使用階段

純電動汽車使用階段的能源消耗與環境排放主要來源于電能的消耗，考慮比亞迪·秦BEV 生命周期行駛里程為150 000 km，基于百公里公稱電耗12.3 kWh/100 km 計算可知，整車運行使用階段的電能消耗約為69 916 MJ。

2.4 報廢回收階段

車輛報廢回收階段主要包括零部件再制造、再利用、材料回收、焚燒填埋等過程。

當前純電動汽車回收過程尚未完善，此處采用金屬材料回收來簡化和代替回收過程，其中各金屬材料回收率與回收單位材料能源消耗見表5。

表5 回收單位金屬時各能源消耗及金屬回收率［26］

2.5 面向2030年情景清單

本文主要通過考慮動力電池的能量密度、電池制造過程的能耗、正負極活性材料的碳排放、電力結構的變化以及未來車輛輕量化等因素的影響，對2030 年動力電池及BEV 化石能源消耗與GWP 進行預測分析，其中動力電池能量密度、電池制造過程的能耗、正負極活性材料的碳排放參數預測見表6，電力結構的變化見表7。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》提出，到2030 年純電動乘用車輕量化系數將降低20%，此處將BEV 整車整備質量降低20%。

表4 整車裝配階段能耗［13］ 單位：MJ/kg

表6 2030年動力電池相關參數變化預測值［27-29］

表7 2030年動力電池相關參數變化預測值［30］

3 模型構建

本文模型搭建以目的為導向，基于ADF（f）與溫室氣體排放的評價指標，將動力電池與純電動汽車生命周期評價模型分為ADF（f）評價模型和溫室氣體排放評價模型兩部分。

3.1 ADP（f）評價模型

為深入分析不同動力電池生產階段及匹配不同動力電池純電動汽車生命周期的ADF（f）與溫室氣體排放結果，本文將生命周期ADF（f）分為材料周期與能源周期兩部分。

3.1.1 材料周期

材料周期主要包含材料加工與制造裝配兩部分。

車用材料加工階段的ADF（f）為：

式中，m為第個部件所包含的第種材料；為動力系統零部件數量；為材料種類；為生產單位第種能源所需要的第種初級能源輸入量；為初級能源的種類。

制造裝配過程的ADF（f）為：

式中，為能源生產過程中第個組件所需的第種能源量；表示制造裝配過程中第個組件制造裝配過程所需的第種能源量；為動力系統零部件數量；為能源種類數。

則材料周期總ADF（f）為：

3.1.2 能源周期

能源周期的ADF（f）主要來源于車輛運行階段的電能消耗。設為BEV行駛總里程數，km，為汽車百公里公稱電耗，kWh/100 km，為電能傳輸效率，則BEV能源周期的ADP（f）為：

全生命周期ADP（f）矩陣為：

3.2 GWP評價模型

生命周期全球變暖評價模型同樣包含材料周期和燃料周期。

3.2.1 材料周期

構建材料加工階段的溫室氣體排放矩陣：

式中，為生產單位第種車用材料所排放的第種溫室氣體排放當量；為溫室氣體排放當量類型。

構建制造裝配階段的溫室氣體排放矩陣：

式中，為生產單位第種能源所排放的第種污染物排放當量；為污染物排放當量的種類數。

3.2.2 燃料周期

構建能源生產的溫室氣體排放強度矩陣：

式中，為生產單位第種能源所排放的第種污染物排放當量；為污染物排放當量的種類數。

則生命周期溫室氣體排放總值為：

4 影響評價與結果解釋

4.1 動力電池生產階段對比分析

基于前文搭建的數學模型，利用GaBi 軟件中相關基礎數據庫與前文所述基礎材料清單與2030年情景清單，可獲得LFP、NCM、LMO、LTO4 款不同類型動力電池在生命周期生產制造階段ADP（f）與GWP 結果。不同動力電池生產制造階段2021年與2030年各部件ADP（f）與GWP如圖2所示。

圖2 動力電池生產制造階段ADP（f）與GWP

由圖2可知，動力電池生產階段ADP（f）與GWP排放值由大到小分別為LTO、LFP、LMO、NCM，LTO、LMO、NCM、LFP，即LTO 電池生產中ADP（f）消耗與GWP 的排放最高，分別為101 000 MJ、21 700 kg CO-eq，NCM 電池ADP（f）消耗最低，為28 400 MJ，LFP 電 池GWP 排放最低，為5 440 kg CO-eq。主要是由于該動力電池質量相對較高，為其他電池的2～3 倍，其金屬材料含量較高，所以其在電池制造裝配與殼體生產制造部分的ADP（f）最大；由圖可知，4 款動力電池在正極生產制造時具有較高的溫室氣體排放值，主要是因為動力電池正負極活性材料（LFP、NCM、LMO、LTO、石墨等）在生產過程中具有較高的碳排放因子。

在正負極活性材料碳排放因子降低、電力結構優化、動力電池輕量化等條件影響下，制造裝配部分ADP（f）大幅下降（輕量化、電力結構），正極材料生產制造部分GWP 大幅下降（電力結構、活性材料碳排放銀子下降）。2030 年，4 款動力電池生產制造ADP（f）分別下降46.7%、53.2%、52.3%、58.8%，GWP分別下降43.6%、45.4%、47.1%、55.1%。

4.2 整車生命周期對比分析

基于前文搭建的數學模型，利用GaBi 軟件中相關基礎數據庫與前文所述基礎材料清單與2030年情景清單，可獲得匹配分別LFP、NCM、LMO、LTO 四款不同類型動力電池的純電動汽車全生命周期ADP（f）與GWP 結 果。不 同BEV 全 生 命 周期2021年與2030年ADP（f）與GWP如圖3所示。

由圖3 可知，整車生命周期能源消耗與溫室氣體排放LTO＞LMO＞LTO＞NCM。受我國電力結構影響，匹配各動力電池在運行使用階段環境排放與能源消耗占比最高（60%～70%），報廢回收階段產生約10%～20%的正效益。其中，匹配LTO 電池的純電動汽車在電池生產時產生較高ADP（f）與GWP，遠超其他部件生產時的能耗與排放，而在匹配LFP、NCM、LMO 等動力電池的純電動汽車中，動力電池生產與整車其他部件生產的能耗與排放相近，可見動力電池生產能源消耗與碳排放具有較大占比，約占整車生產階段的50%。

圖3 匹配4款不同動力電池的整車生命周期ADP（f）與GWP

在正負極活性材料碳排放降低、電力結構優化、動力電池輕量化等條件影響下，2030年，LFP、NCM、LMO、LTO 四款動力電池生產制造ADP（f）分別下降39.8%、40.7%、40.8%、43.9%，GWP 分 別 下 降45.5%、46.1%、46.1%、49.0%。

4.3 敏感性分析

4.3.1 電力結構

我國目前電力結構清潔能源發電比例較少，仍以火力發電為主，會產生一定的環境污染，不利于我國“雙碳”目標下的減碳進程。

本文以我國電力結構為敏感性因子，設定用風力發電和太陽能發電來補充煤電比例降低所帶來的缺口，提出3 種改進的電力結構。在這3 種改進的電力結構中，煤電的下降比例依次為10%，20%和30%，具體見表8。通過調節清潔能源發電和降低火力發電比例，以研究分析不同情景下匹配不同動力電池的純電動汽車ADP（f）與GWP，具體情境下匹配4 款動力電池的BEV 各組成部分ADP（f）與GWP如圖4所示。

表8 當前及改進后的電力結構

由圖4 可知，通過降低煤電比例，增強風電、太陽能等清潔能源發電比例，匹配4 種動力電池的純電動汽車全生命周期能耗與排放逐步降低。主要是由于我國火力發電模式中所消耗的能源為煤炭等化石能源，電量需求越高，ADP（f）則越高，同時煤炭等化石能源燃燒將會排放大量污染物。隨著火力發電比例降低10%、20%、30%，匹配不同動力電池的整車ADP（f）將隨之降低18%～20%、27%～30%、48%～57%；溫室氣體排放將隨之降低12%～20%、20%～30%、27%～41%。其中匹配NCM 電池的純電動汽車ADP（f）下降最高，匹配LFP 電池的純電動汽車GWP 排放下降最多，匹配LTO 電池的純電動汽車ADP（f）與GWP下降相對較低。

圖4 不同電力結構下匹配4款不同動力電池的整車生命周期ADP（f）與GWP

4.3.2 充電效率

動力電池在使用過程中受電池充電效率影響，將會對整車運行使用階段的電量損耗具有較大影響。本文針對動力電池充電效率進行敏感性分析，量化分析隨著充電效率提升90%、95%、98%，不同情景下匹配不同動力電池的純電動汽車ADP（f）與溫室氣體排放變化，具體情境下不同BEV 各組成部件ADP（f）與GWP如圖5所示。

由圖5 可知，通過充電效率的提升，純電動汽車全生命周期的ADP（f）與GWP 均有一定程度降低。當動力電池充電效率提升至98%時，動力電池ADP（f）將降低6%～7%，GWP 將降低4%～6%。其中，匹配NCM 電池的純電動汽車ADP（f）降幅最大，匹配LMO 電池的純電動汽車GWP 降幅最大，而匹配LTO 電池的純電動汽車對充電效率的敏感性相對較低。

圖5 不同充電效率下匹配4款不同動力電池的整車生命周期ADP（f）與GWP

5 結論

以生命周期評價體系與理論方法為基礎，搭建純電動汽車全生命周期數學模型，進而運用GaBi工具對匹配不同類型動力電池的純電動汽車在2021與2030 年的ADP（f）與溫室氣體排放結果進行對比研究并選取電力結構與充電效率為敏感性因子進行敏感性分析，以測算其對BEV 生命周期能耗與排放的影響程度。最終數據分析結果表明：

（1）動力電池生產制造過程中，由于其電池質量本身較高，所以LTO 電池具有最高的ADP（f）與GWP，而具有高碳排放因子的正負極材料為動力電池生產階段帶來了大量的溫室氣體排放，所以具有較高的GWP，電池制造裝配階段的電能損耗則為電池生命周期帶來大量的ADP（f）。

（2）匹配不同動力電池純電動汽車生命周期化石能源消耗LTO>LMO>LFP>NCM，全球變暖潛值LTO>LMO>NCM>LFP，各BEV 運行使用階段環境排放與能源消耗占比最高（60%～70%），報廢回收階段產生約10%～20%的正效益，其中動力電池生產制造在整車生產制造中擁有較高的環境排放與能耗（40%～70%）。

（3）至2030 年，隨著我國電力結構調整、材料輕量化、正負極活性材料碳排放因子的降低，匹配不同電池純電動汽車ADP（f）將降低40%～44%，GWP 將下降45%～49%，且通過敏感性分析可知，我國電力結構的優化與充電效率的提高均能有效改善BEV 生命周期內能耗與排放，且電力結構的優化改善效果更為明顯。

（4）未來將聚焦動力電池上游鋰離子來源與下游動力電池梯次利用與報廢回收等場景，全面鏈接純電動汽車全生命周期，并對其進行相關能耗與排放研究。