劉大鵬，陳軼嵩

（1.陜西汽車集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

近年來，汽車數(shù)量高速增長對我國資源、能源以及環(huán)境造成了越來越大的影響。為保證汽車產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展，促進我國生態(tài)文明建設(shè)，國家已密集出臺多項政策，以引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)開展綠色制造、鼓勵消費者進行綠色消費。但以混合動力汽車和純電動汽車為主的節(jié)能與新能源汽車對資源、能源、環(huán)境帶來怎樣的影響尚缺乏全面科學(xué)的認(rèn)知，唯有通過全生命周期評價才可以得到全面的、系統(tǒng)的認(rèn)知。

國內(nèi)外學(xué)者均對此展開了一定研究，如Hackney[4]，Van Mierlo[5]，Aatterson[6]以及 Wang[7]等針對各種燃料汽車建立了生命周期能耗、排放與成本的清單比較模型，重點研究燃料生產(chǎn)鏈和整車使用過程各種替代燃料汽車的全生命周期環(huán)境損害評級體系之間的差異。Haller[8]估算了一個超過180臺車的車隊從傳統(tǒng)汽車升級到替代能源汽車的十年內(nèi)的環(huán)境收益與經(jīng)濟代價，還包括了一定量基礎(chǔ)設(shè)施投入。Kliucininkas[9]針對立陶宛考納斯城市公交車與有軌電車使用各種替代能源的情境，計算出了各自的全生命周期加權(quán)環(huán)境損害值。在電動汽車研究領(lǐng)域，Stefano[10]，Oscar[11]等針對電動車的生命周期使用效率、燃料消耗、溫室氣體排放、成本等計算方法進行了深入研究。近年來對于關(guān)注度很高的電動汽車國內(nèi)學(xué)者也開展了諸多研究，如清華大學(xué)開發(fā)了生命周期評價分析模型Tinghua-CA3EM，以煤電為情景進行模擬，對新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的設(shè)計、制造、使用整個能耗和排放進行比較，深入分析了百公里電動汽車行駛的 LCA能耗和 GWP情況[12,13]。同濟大學(xué)黃志甲[14]建立了汽車燃料的生命周期評價模型，并對氫燃料生命周期和汽油燃料生命周期進行了清單計算和結(jié)果比較，得出制氫方案是影響燃料電池車的燃料生命周期環(huán)境性能的關(guān)鍵。重慶大學(xué)任玉瓏[26]從經(jīng)濟、能源、環(huán)境三個視角出發(fā)，通過評價電動汽車對 3E體系的影響，以多目標(biāo)優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，以追求綜合效益最大化為目標(biāo)和邊界，提出了3E視角下的電動汽車發(fā)展對策措施與政策建議。邢文等[27]引用了大量實際運行參數(shù)，并運用SPSS等統(tǒng)計學(xué)方法對電動汽車與傳統(tǒng)汽車對生態(tài)環(huán)境的不同影響程度進行了分析比較和情景模擬。

綜上所述，我國汽車領(lǐng)域的生命周期評價應(yīng)用起步較晚，但是近年來汽車相關(guān)生命周期評價研究逐漸增多，但是研究體系的完整性與合理性較發(fā)達(dá)國家尚有一定的差距，尤其缺乏針對新能源汽車的車輛循環(huán)（包括車輛制造、配送、維護和報廢處理等）的節(jié)能問題的完整評價體系。

1 評價模型構(gòu)建

建立能源消耗差異評價模型，旨在描述HEV（混合動力汽車）與BEV（純電動汽車）的生命周期能源消耗差異情況，該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究HEV和BEV從資源獲取、材料制備到零部件加工、制造、整車裝配再到使用、回收利用階段的能源消耗差異情況?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)，本文進一步提出了一種最終的能源消耗計算方法。

最終HEV與BEV的能耗差異可用公式（1）來表示。

式(1)中q表示該款BEV中的零部件種類數(shù)，y表示該款BEV零部件加工過程中消耗的能源種類數(shù)。

因此，etwcij則表示該BEV第i種零部件加工過程中消耗的第j種能源量；式中etwdij表示HEV和BEV消耗的第j種能源的差異量，，當(dāng) i＞q 或 j＞y 時，ecij=0。

為了評估不可再生資源（主要包括礦產(chǎn)資源：銅、鐵、鋁等；化石能源：原煤、原油、天然氣等）對環(huán)境的影響，本文引用GaBi軟件中的特征化因子，具體數(shù)值如表1所示。

表1 不可再生資源特征化因子Table 1 Characterization factor of non-renewable resource

由上表可知：化石資源消耗的單位是MJ。

為了將礦產(chǎn)資源消耗和化石能源消耗這兩種不同類型的單位能夠統(tǒng)一，從而能夠較清楚地對比相關(guān)礦產(chǎn)、能源的稀缺程度，本文將化石能源消耗的單位轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一單位：kg銻當(dāng)量。本文引用萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心提出的 CML修正方法將化石能源單位轉(zhuǎn)化為kg銻當(dāng)量，具體公式(2)如下：

式(2)中，ADPi,eng表示化石能源i的特征化因子，單位為kg銻當(dāng)量/kgce；Dri,eng表示化石能源i的年開采量；ε表示化石能源i的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；Ri,eng表示化石能源i的儲量；Drref表示參考資源（銻）當(dāng)年的開采量，單位為kg·yr-1；Rref表示參考資源（銻）的儲量，單位為kg。

在計算各種污染物對應(yīng)的特征化值時只需將相應(yīng)污染物的質(zhì)量乘上相應(yīng)的特征化系數(shù)，然后，再對結(jié)果進行求和即可。具體如公式(3)所示。

式中，Tk表示第k種影響評價指標(biāo)的特征化值；Mi表示第i種污染物的質(zhì)量；Ci表示第i種污染物對應(yīng)的特征化因子。

2 評價系統(tǒng)開發(fā)

評價系統(tǒng)以汽車產(chǎn)品為研究對象，將前面的模型嵌入到后臺計算引擎中，通過MATLAB軟件強大的計算能力，和VS環(huán)境友善的操作界面，開發(fā)一款操作簡便，人機交互友好，計算結(jié)果準(zhǔn)確的HEV與BEV汽車全生命周期評價軟件。

根據(jù)評價模型，將能源生產(chǎn)和原材料生產(chǎn)的基本數(shù)據(jù)以及從相關(guān)文獻(xiàn)中獲得的BEV和HEV的清單數(shù)據(jù)一一對應(yīng)地分配到評價系統(tǒng)中。評價結(jié)果中包含了除回收利用階段以外的原材料生產(chǎn)階段、制造階段和使用階段的能耗和排放值。

3 評價案例

3.1 清單數(shù)據(jù)獲取

此次研究從相關(guān)文獻(xiàn)中選取了一家典型的中國企業(yè)作為實施評價計算的案例。根據(jù)此次評價中的數(shù)據(jù)需求，我們深入到研發(fā)中心、生產(chǎn)和裝配車間以及測試中心去收集清單數(shù)據(jù)，比如，BOM 表、制造階段的能耗等。并且獲取了電動機、電動機控制裝置、磷酸鐵裡電池、變速器、減速器、發(fā)動機以及鎳氫電池組的材料清單。

3.2 計算結(jié)果

為了驗證和改進評價系統(tǒng)。首先，我們通過交互界面將清單數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，比如，BOM（材料清單）表、總成制造階段能耗和排放表、使用階段能耗和排放表、報廢與回收利用表以及物流表等。然后，我們使用 MATLAB工作環(huán)境中的背景計算引擎對來自 SQL中的基本數(shù)據(jù)進行分析計算。計算結(jié)果如表2-4所示。

表2 HEV和BEV的全生命周期各階段能耗Table 2 Energy consumption of HEV and BEV (MJ)

（1）原材料生產(chǎn)階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖1和圖2中的能耗和排放量。由圖2可知，BEV在各種污染物排放及生產(chǎn)能耗上均高于HEV，特別是一氧化碳的排放超出了60%。

圖1 原材料生產(chǎn)階段能耗差異Fig. 1 Energy consumption differences of Raw material production phase

圖2 原材料生產(chǎn)階段排放差異Fig. 2 Emission differences of Raw material production phase

分析可得，造成這種結(jié)果主要是由于 BEV在原材料數(shù)量、重量上均高于HEV，再加上高能耗的電池加工過程，所以產(chǎn)生以上數(shù)據(jù)是合情合理的。

（2）制造階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖3和圖4中的能耗和排放量。從圖中可以看出，電動汽車在制造階段的能耗與排放與原材料生產(chǎn)階段的能耗與排放呈相關(guān)性趨勢，即BEV高于HEV，究其原因大致是因為BEV的組裝難度、制造程序的復(fù)雜程度要高于HEV不少，再加上BEV屬于新生事物，加工熟練度不能與 HEV的制造相比，所以純電動汽車在制造階段的生命周期評價仍高于混合動力汽車。

圖3 制造階段能耗差異Fig. 3 Energy consumption differences of manufacturing phase

圖4 制造階段排放差異Fig. 4 Emission differences of manufacturing phase

（3）使用階段

根據(jù)公式（1）和（3），我們可以得出圖5和圖6中的能耗和排放量。由圖6可知，在使用階段，BEV比HEV的污染物排放還要高，這是由于中國發(fā)電水平的限制，具體地講，火電是我國主要的電力來源，而低下的發(fā)電效率深

深的限制了BEV的排放水平，同比直接燃燒汽油轉(zhuǎn)化為動能的HEV，其效率因為由電能轉(zhuǎn)動能而再次降低，以至于在排放上還是要高于HEV。在能源消耗上，兩者體現(xiàn)出了明顯的能源結(jié)構(gòu)差異，HEV主要是對原油資源的使用，BEV主要是對原煤資源的使用，這與我國的電力結(jié)構(gòu)仍密不可分。

圖5 使用階段能耗差異Fig. 5 Energy consumption differences of use phase

圖6 使用階段排放差異Fig. 6 Emission differences of use phase

4 結(jié)論

①由于當(dāng)前我國的電力組成，我國產(chǎn)生的電是“不清潔的”，這使混合動力汽車比純電動汽車更節(jié)能環(huán)保。如果我國電能結(jié)構(gòu)中像核電這種可再生能源的比例升高，純電動汽車的對相關(guān)環(huán)境的影響將大幅地降低。

②通過對 HEV與 BEV的各個階段能耗與排放對比發(fā)現(xiàn)，純電動汽車在使用階段的能耗和排放比混合動力汽車更低，但是在原材料生產(chǎn)階段和制造階段，結(jié)果是相反的。這與純電動汽車裝配制造過程中高工作強度所引起的能源消耗增加密不可分，同時電池作為BEV的核心部件，與內(nèi)燃機相比，其制造水平的不成熟也導(dǎo)致了更高的能耗和排放。