曹曉光，趙青青

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，使世界各國都在努力的開發(fā)研究降低二氧化碳(CO2)排放量的方法，為了有效的減少碳化物排放，各國紛紛重新開始重視電動汽車(Electric Vehicle，簡稱EV)的發(fā)展。當(dāng)然開發(fā)電動汽車還有另一個重要的原因，那就是節(jié)油。石油是一次性能源，在交通領(lǐng)域的消耗逐年增長，據(jù)國際能源部預(yù)計，2020年交通用油將占石油總消耗的62%以上。汽車作為石油的主要使用者，必須轉(zhuǎn)變方式，相對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，電動汽車則具有無可比擬的優(yōu)勢。一些大型汽車制造商都生產(chǎn)了自己的電動汽車，其中一些已經(jīng)面向社會出售。純電動汽車在行駛過程中零排放，但由于電池開發(fā)技術(shù)不成熟，續(xù)駛里程大約為100英里或者更少，一般用于觀光旅行車，垃圾清掃車或者代步車?；旌蟿恿ζ噭t是為了克服電池問題和純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點而開發(fā)，但由于混合動力汽車有多種動力單元，控制復(fù)雜，從長遠(yuǎn)看不具備經(jīng)濟可行性，因而抑制了生產(chǎn)量，但是混合動力汽車的使用是一個必不可少的過渡階段。燃料電池電動汽車便成為相對可行的新能源汽車，它不僅零排放更無續(xù)駛里程短的擔(dān)憂，但燃料電池的生產(chǎn)及投入使用相對復(fù)雜，是國內(nèi)外現(xiàn)階段研究的主要難題之一。

大部分人認(rèn)為電動汽車零排放，能源效率高。如果只考慮排氣管的排放物，內(nèi)燃機汽車會排放二氧化碳等溫室氣體及粉塵顆粒，而電動汽車排放物為零。然而，這是不全面的，要準(zhǔn)確比較這兩種不同類型汽車的排放，就要從全生命周期進行考慮，即把燃料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的排放也計算其中。對于電動汽車來說，這包括由原油生產(chǎn)為電池時所產(chǎn)生的排放。那么相對而言，能源效率高也不能只考慮到內(nèi)燃機有不完全燃燒帶來的能量損耗，而要從全生命周期進行考慮。

1 “原油-車輪”分析

“原油-車輪”(Well To Wheels，簡稱WTW)效率是指汽車從原油提取到驅(qū)動車輪的總效率，包括每個階段的能量轉(zhuǎn)換，運輸，傳送效率。能量轉(zhuǎn)換的過程可分為兩段：“原油-油箱”(WTT)，“油箱-車輪”(TTW)。運輸?shù)娜剂鲜怯稍a(chǎn)地提取并經(jīng)過加工而制成，油箱中的燃料是經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換為車輪提供驅(qū)動力。WTT包括原料的回收，處理，運輸，儲存，以及燃料的提取，運輸，儲存和分配。TTW包括從油箱到車輪的能量轉(zhuǎn)換和傳送過程。WTW是用來評估新能源汽車發(fā)展可行性一種重要的方法。進行分析時，還會用到物理基本定律，基于輸入?yún)?shù)的化學(xué)定律，數(shù)值計算，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮駕駛員習(xí)慣[1]。如圖1所示為WTW效率計算步驟。

圖1 WTW效率計算步驟

從理論來講，由于汽油機和柴油機排量大，在動力傳動時部件有能量損耗，所以傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車(Internal Combustion Engine Vehicle，簡稱ICEV)的TTW效率比較低。而混合動力汽車的發(fā)動機排量小，燃油消耗量就小，TTW效率就高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機。而純電動汽車工作于純電動模式，因此它的TTW效率是最高的。如果將WTT效率同時考慮時，內(nèi)燃機汽車和電動汽車的WTW效率則會有所改變。

2 電動汽車與內(nèi)燃機汽車效率比較

遵循WTW的思路，對電動汽車效率的分析可分為三部分：能量產(chǎn)生階段，能量傳遞階段，能量使用階段。則電動汽車的WTW效率如圖2所示。

圖2 電動汽車從原油提煉到驅(qū)動車輪的能量處理過程

由圖2可知純電動汽車的總效率為：

式中：P0為電動汽車輸出能量；PI為輸入總能量；PLi為各階段損失能量，i=1，2，3，4，5，6，7；η為各階段效率ηi，i=1，2，3，4，5，6，7。

內(nèi)燃機汽車的效率分析則包括原油到燃油的精煉過程，煉油廠到加油站的運輸過程，內(nèi)燃機的燃燒過程，燃料到車輪的傳遞過程。則內(nèi)燃機汽車的WTW效率如圖3所示。

圖3 內(nèi)燃機汽車從原油提煉到驅(qū)動車輪的處理過程

由圖3可知，內(nèi)燃機的總效率為ηICEV=η1η2η3η4。根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，純電動汽車和內(nèi)燃機汽車在能量轉(zhuǎn)換過程中的效率范圍見表1。

表1 純電動汽車和內(nèi)燃機汽車在能量轉(zhuǎn)換各過程效率

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，取平均值，可計算出電動汽車的WTW效率ηEV=17.68%，內(nèi)燃機汽車的WTW效率ηICEV=16.89%，電動汽車效率略高于內(nèi)燃機汽車，相差不大。

為了進一步評估計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，引進國外的GREET模型加以驗證。GREET是溫室氣體(Greenhouse gases)，規(guī)定的排放值(Regulated Emissions)，運輸中的能量消耗(Energy use in Transportation)的縮寫。GREET模型是美國阿貢實驗室用來估測汽車的WTW效率和排放影響的[2]，其中包含100多種燃油生產(chǎn)途徑和70多種汽車系統(tǒng)，是一個基于電子表格的模型。利用GREET模型測出的兩種汽車的WTW效率見表2。

將計算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)對比，驗證了電動汽車與內(nèi)燃機汽車的總效率相差不大。

表2 應(yīng)用GREET模型對乘用車能量消耗和效率的測試結(jié)果

3 結(jié)束語

WTW研究方法客觀的評價了車用燃料全生命周期的效率，由于其評價因素較多，不能準(zhǔn)確的體現(xiàn)能量用使用的全過程。從表2中可以看出導(dǎo)致電動汽車與內(nèi)燃機汽車的總效率基本相同是由于電動汽車的WTT效率較低，即從原料到電池的生產(chǎn)。這是因為我國發(fā)電站多采用火力發(fā)電，相對于在電網(wǎng)中占主導(dǎo)地位的水電，核電，天然氣，或者其它的低碳電力來源，在電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)會消耗大量的能源。如果能大量采用風(fēng)能，太陽能，核電等，可以進一步提高能量利用效率。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]Bossel U.Well-to-wheel studies，heating values，and the energy conservation principle [A].Proceedings of 2003 Fuel Cell Forum [C].Oberrohrdorf，Switzerland，2003.

[2]Argonne National Laboratory.GREET model-The greenhouse gases，regulated emissions，and energy use in transportation model [EB/OL].http：//www.transportation.anl.gov/modeling_simulation/GREET/index.html.