朱 昊， 余卓平

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092)

在市場的強(qiáng)烈拉動(dòng)和各級政府的大力推動(dòng)下，我國新能源客車產(chǎn)銷量增長迅猛，2017年新能源公交車的銷量超過7.6萬輛[1].作為新能源公交車未來重要的發(fā)展方向之一，燃料電池公交車已在世界上越來越多的城市中進(jìn)行了示范運(yùn)營和推廣.

燃料電池公交車的電源系統(tǒng)，目前主流的設(shè)計(jì)方案是采用燃料電池系統(tǒng)與動(dòng)力電池組配置在一起組成“電-電”混合配置方案.若將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率與車載電源系統(tǒng)峰值總功率的比值定義為電源分配系數(shù)，用β表示.當(dāng)β=0時(shí)，即燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率為零，表示車輛為純電動(dòng)公交車；當(dāng)β=1時(shí)，表示車輛為純?nèi)剂想姵毓卉嚕划?dāng)0<β<1時(shí)，表示車輛為“電-電”混合的燃料電池公交車.但是β值該如何選取目前還沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案.國內(nèi)外不少學(xué)者對燃料電池汽車的電源配置進(jìn)行了分析研究.文獻(xiàn)[2-3]依據(jù)已有的性能指標(biāo)，對燃料電池汽車進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)匹配.文獻(xiàn)[4]考慮了燃料經(jīng)濟(jì)性和使用成本對電源配置的影響，對燃料電池汽車的電源分別進(jìn)行了匹配.文獻(xiàn)[5-8]基于行駛工況的功率需求和能量需求對燃料電池汽車的電源配置進(jìn)行了分析. 可見，目前國內(nèi)外已有的相關(guān)研究僅考慮了車輛行駛過程中的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，沒有考慮車用燃料生產(chǎn)、車輛及零部件生產(chǎn)、維護(hù)等階段過程中的能耗和排放問題.這些階段過程中的能耗與排放也會(huì)直接影響到燃料電池公交車的節(jié)能減排效果，因此需要從全生命周期角度對燃料電池公交車電源配置方案進(jìn)行深入分析和優(yōu)化.

本文基于生命周期評價(jià)方法(life cycle assessment, LCA)，計(jì)算分析燃料電池公交車生命周期內(nèi)各個(gè)階段的能耗和排放，并采用遺傳算法計(jì)算求解在能耗最低和排放最少目標(biāo)下的燃料電池公交車最優(yōu)電源配置方案.

1 燃料電池公交車LCA模型建立

汽車的生命周期評價(jià)涵蓋2個(gè)部分，一是燃料周期，也被稱為油井到車輪周期(well to wheel, WTW)，包括了車用燃料生產(chǎn)階段和車輛行駛階段；二是車輛周期，包括了關(guān)鍵零部件及車身主體的生產(chǎn)裝配、運(yùn)輸分配、維護(hù)保養(yǎng)和回收報(bào)廢等階段.2個(gè)周期內(nèi)的能耗與排放共同構(gòu)成了汽車生命周期內(nèi)的總能耗和對環(huán)境的綜合影響量.

在分析燃料電池公交車生命周期各階段時(shí)，只考慮與研究對象直接相關(guān)的環(huán)境影響，而間接相關(guān)的環(huán)境影響(例如工廠建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機(jī)器設(shè)備制造等)則不在本文的研究范圍內(nèi).燃料電池公交車生命周期系統(tǒng)邊界如圖1所示.

圖1 燃料電池公交車生命周期系統(tǒng)邊界

研究過程以車輛在道路上行駛1 km作為評價(jià)的功能單位，以車輛行駛1 km的能源消耗(MJ·km-1)、溫室氣體排放和常規(guī)氣體污染物排放(g·km-1)這三方面作為研究燃料電池公交車生命周期內(nèi)的能耗和對環(huán)境影響的評價(jià)指標(biāo).

1.1 燃料周期

燃料周期又可細(xì)分為2個(gè)階段，一是車用燃料生產(chǎn)階段，即油井到油泵(well to pump, WTP)階段，包括了一次能源生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)、車用燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和加注；二是車輛行駛階段，即油泵到車輪(pump to wheel, PTW)階段，該階段主要表現(xiàn)為車輛行駛過程中的能量轉(zhuǎn)換.

1.1.1WTP階段

燃料電池公交車所涉及的車用燃料主要為電能和氫氣.在計(jì)算電能生產(chǎn)的生命周期能耗和排放時(shí)，以2015年國家電力結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn).當(dāng)年全國發(fā)電量為58 145.7億千瓦時(shí)，其中火電占73.68%、水電占19.44%、核電占2.94%、風(fēng)電占3.19%.輸配電損失率為5.14%[9].在計(jì)算氫氣生產(chǎn)的生命周期能耗和排放時(shí)，采用的制氫方式為利用工業(yè)副產(chǎn)物富氫氣體通過變壓吸附工藝來獲得氫氣[10]，制氫效率為70%[11].工廠生產(chǎn)出的氫氣通過長管拖車運(yùn)送到加氫站，模型中運(yùn)輸距離按100 km計(jì)算，壓縮機(jī)的壓縮效率為92.5%[12].其他一次能源(煤炭、石油、天然氣)的開采、加工、運(yùn)輸和車用燃料(汽油、柴油)的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葦?shù)據(jù)均來源于國家統(tǒng)計(jì)局、國家交通運(yùn)輸部發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[13].

1.1.2PTW階段

燃料電池公交車在行駛過程中排放的溫室氣體和常規(guī)氣體污染物為零，而行駛過程中電能與氫氣的消耗量則需要根據(jù)電源配置仿真計(jì)算得到.

1.2 車輛周期

車輛周期包含車身主體生產(chǎn)、車載電池的生產(chǎn)、車用流體生產(chǎn)、車輛裝配、車輛維護(hù)和車輛報(bào)廢6個(gè)階段.

1.2.1車身主體生產(chǎn)

在評價(jià)車身主體生產(chǎn)過程中的能耗和排放時(shí)，考慮的原材料包括鋼、鐵、鋁、銅、鎂、塑料、橡膠、玻璃和油漆等.各主要原材料生產(chǎn)過程中的能耗和排放數(shù)據(jù)來自于GREET軟件數(shù)據(jù)庫，但考慮到我國在鋼鐵和鋁的生產(chǎn)工藝上與美國有較大差距，能耗比美國高60%[14]，所以在GREET軟件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行了計(jì)算調(diào)整.

1.2.2車載電池生產(chǎn)

在評價(jià)中涉及的車載電池包括啟動(dòng)電池(12 V鉛酸電池)、動(dòng)力電池(鋰離子電池)和燃料電池.3種電池的主要原材料及其生產(chǎn)過程中的能耗和排放數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[15-16]和GREET軟件數(shù)據(jù)庫.假設(shè)3種電池裝配時(shí)的能耗強(qiáng)度相同，均為2.67 MJ·kg-1，且工藝燃料均為電能[17].

1.2.3車用流體生產(chǎn)

在評價(jià)車用流體生產(chǎn)過程中的能耗和排放時(shí)，主要考慮了制動(dòng)液、變速箱液、冷卻液、雨刷液和車用添加劑.各類車用流體的生產(chǎn)過程能耗和排放數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[18]和GREET軟件數(shù)據(jù)庫.

1.2.4車輛裝配

針對城市公交車輛在整車廠內(nèi)裝配過程中產(chǎn)生的能耗和排放，主要考慮車身油漆生產(chǎn)、油漆噴涂、車身焊接、零部件裝配、物料輸配和車間供暖照明等過程.相關(guān)數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[19]和GREET軟件數(shù)據(jù)庫.

1.2.5車輛維護(hù)

按照《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》[20]，假設(shè)燃料電池公交車的行駛壽命為40萬km.根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車維護(hù)、檢測、診斷技術(shù)規(guī)范》[21]，假設(shè)每1.5萬km更換一次變速箱液和雨刷液，每5萬km更換一次制動(dòng)液、冷卻液和輪胎.同時(shí)，考慮到我國目前純電動(dòng)公交車的實(shí)際運(yùn)營情況，結(jié)合文獻(xiàn)[22]，假設(shè)在燃料電池公交車的行駛壽命內(nèi)燃料電池需更換1次、動(dòng)力電池需更換2次、啟動(dòng)電池需更換3次.

1.2.6車輛報(bào)廢

車輛報(bào)廢包括車身拆解和車載電池報(bào)廢2個(gè)過程.車身拆解的單位能耗為0.55 MJ·kg-1[22].假設(shè)3種電池的報(bào)廢單位能耗相同，均為31 MJ·kg-1[23].

在以上對燃料電池公交車各階段的分析基礎(chǔ)上，建立全生命周期能耗與排放的評價(jià)模型，如公式(1)～(4)所示：

Etotal=Efc(h)+Efc(e)+Evc

(1)

Efc(h)=Ewtp(h)+Eptw(h)

(2)

Efc(e)=Ewtp(e)+Eptw(e)

(3)

(4)

式中：Etotal為燃料電池公交車全生命周期能耗與排放；Efc(h)和Efc(e)分別為氫氣和電能在燃料周期的能耗與排放；Evc為燃料電池公交車在車輛周期的能耗與排放；Ewtp(h)和Ewtp(e)分別為氫氣和電能在WTP階段的能耗與排放；Eptw(h)和Eptw(e)分別為氫氣和電能在PTW階段的能耗與排放；Evi為第i個(gè)車輛周期各階段的能耗與排放，其中下標(biāo)1為車身主體生產(chǎn)、2為車載電池生產(chǎn)、3為車用流體生產(chǎn)、4為車輛裝配、5為車輛維護(hù)、6為車輛報(bào)廢.

2 不同電源配置下的燃料電池公交車LCA分析

以整車整備質(zhì)量為10 800 kg的12 m城市公交車為例，選取了3種不同的電源配置方案來分析燃料電池公交車生命周期能耗與排放.分析中以中國典型城市公交循環(huán)工況作為燃料電池公交車的目標(biāo)運(yùn)行工況，該工況的最大驅(qū)動(dòng)功率需求為157.6 kW，平均驅(qū)動(dòng)功率需求為30.4 kW.假設(shè)有20%[24]的制動(dòng)能量被成功回收，車輛每日行駛250 km，則總能量需求為230 kWh.選取的3種電源配置方案分別為：方案1，燃料電池系統(tǒng)功率為零，即純電動(dòng)公交車(β=0)方案；方案2，小功率燃料電池系統(tǒng)搭配中等容量動(dòng)力電池組(β≈0.33)方案；方案3，大功率燃料電池系統(tǒng)搭配小容量動(dòng)力電池組(β≈1.00)方案.3種方案的電源配置情況見表1.

表1 燃料電池公交車3種電源配置方案

假設(shè)不同電源配置的燃料電池公交車除了電源系統(tǒng)外，其他例如車身質(zhì)量、電機(jī)質(zhì)量和車用流體質(zhì)量等均相同.動(dòng)力電池的比能量為115 Wh·kg-1[25]，燃料電池系統(tǒng)的比功率為400 W·kg-1[25],因此整車整備質(zhì)量的計(jì)算如式(5)所示.

(5)

式中：mv為整車整備質(zhì)量，kg；mb為除電源系統(tǒng)外的整車質(zhì)量，kg；Ebat為動(dòng)力電池組的能量，kWh；Pfc為燃料電池系統(tǒng)額定功率，kW.

3種電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗和排放的計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示.

圖2 3種電源配置方案的生命周期能耗

Fig.2Lifecycleenergyconsumptionforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從圖2和圖3中可以發(fā)現(xiàn)，采用方案2的燃料電池公交車，其生命周期能耗和生命周期溫室氣體排放量在3種電源配置方案中都是最低，分別為17.45 MJ·km-1和1 465.61 g·km-1.方案1的生命周期能耗和溫室氣體排放量在3種電源配置方案中最高，分別達(dá)到21.44 MJ·km-1和1 915.81 g·km-1.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，燃料周期的能耗在全生命周期的能耗中比重占到80%以上.

圖3 3種電源配置方案的生命周期溫室氣體排放

Fig.3Lifecyclegreenhousegasemissionsforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從圖4可見，方案2在常規(guī)氣體污染物排放量上略微高于方案3的電源配置方案，主要是因?yàn)榉桨?在行駛過程中電能消耗較高，基于中國電力結(jié)構(gòu)中火電比重大，因此在硫化物的排放量上較大.

圖4 3種電源配置方案的生命周期常規(guī)氣體污染物排放

Fig.4Lifecycleconventionalgaspollutantemissionsforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從3種電源配置方案的生命周期能耗和排放結(jié)果的變化趨勢上可以看出，在0<β<1的范圍內(nèi)，存在最優(yōu)電源配置方案，且該方案的生命周期能耗最低、排放最少.

3 燃料電池公交車電源配置優(yōu)化

采用遺傳算法，以燃料電池公交車全生命周期內(nèi)能耗最低和排放最少為優(yōu)化目標(biāo)，來計(jì)算求解燃料電池公交車的最優(yōu)電源配置方案.

在Matlab/Simulink軟件中建立遺傳算法優(yōu)化模型.設(shè)定的遺傳算法約束條件有3個(gè)，分別是①燃料電池系統(tǒng)額定功率選取范圍為10 kW～150 kW；②動(dòng)力電池組的能量選取范圍為10 kWh～200 kWh；③燃料電池系統(tǒng)功率與動(dòng)力電池組功率之和滿足工況最大功率需求.

設(shè)定了2個(gè)車輛行駛場景，分別是車輛空載且空調(diào)關(guān)閉、車輛滿載且空調(diào)開啟，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見表2.

由表2可以發(fā)現(xiàn)，在2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)下得到的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果非常接近，主要是因?yàn)殡娔芎蜌錃馍a(chǎn)路徑較為單一，且能耗和排放本身就具有一定的關(guān)聯(lián)性.因此，最終選取燃料電池系統(tǒng)功率71 kW搭配43 kWh的動(dòng)力電池組作為燃料電池公交車的最優(yōu)電源配置方案，在最優(yōu)配置方案下β=0.62.

表2 燃料電池公交車電源配置優(yōu)化結(jié)果

通過燃料電池公交車LCA模型計(jì)算，最優(yōu)電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗為16.11 MJ·km-1，比方案1降低了24.86%，比方案3降低了12.11%；生命周期溫室氣體排放量為1 422.33 g·km-1，比方案1降低了25.76%，比方案3降低了6.51%.

4 結(jié)論

基于生命周期能耗與排放，對不同電源配置的燃料電池公交車進(jìn)行評價(jià)分析，并通過遺傳算法優(yōu)化得到最優(yōu)電源配置方案，結(jié)論如下：

(1)燃料周期在全生命周期中的比重超過80%，電能和氫氣的生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程中的能耗和排放對燃料電池公交車電源配置的選取有較大影響.

(2)根據(jù)工況功率需求得到的燃料電池公交車電源配置方案并不是最優(yōu)，通過生命周期分析發(fā)現(xiàn)在0<β<1內(nèi)存在最優(yōu)電源配置方案.

(3)利用遺傳算法得到在中國典型城市公交循環(huán)工況下的最優(yōu)電源配置方案為，燃料電池系統(tǒng)71 kW搭配43 kWh的動(dòng)力電池組，此時(shí)β=0.62.

(4)最優(yōu)電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗和排放比純電動(dòng)公交車分別降低了24.86%和25.76%，比大功率燃料電池系統(tǒng)方案的燃料電池公交車分別降低了12.11%和6.51%.