王福振 馬什鵬 張鑫新 黃學江 馬永娟

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

主題詞：碳中和 純電動汽車 燃料電池汽車 混合動力電池汽車

縮略語

EV Electric Vehicle

SOC State of Charge

FCV Fuel Cell Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

RL Reinforcement Learning

PFCEV Plug-in Fuel Cell Electric Vehicle

ECMS Equivalent Consumption Minimization Strategy

1 引言

碳中和（Carbon Neutrality)目前在學術界主要表現(xiàn)為“氣候層面”與“碳排放”2 種觀點。第1 種觀點，聚焦于氣候層面,即全球溫室氣體凈排放量使全球的升溫限制在1.5 ℃內(nèi)，進入大氣中的溫室氣體排放和吸收達到穩(wěn)定狀態(tài)[1]；第2種觀點，聚焦碳排放，是指國家、企業(yè)或個人某個具體時間內(nèi)因生產(chǎn)制造而產(chǎn)生的溫室氣體，用植樹等方式吸收，達到相對“零排放”[2]。

據(jù)《世界能源統(tǒng)計回顧2021》，2020年我國交通運輸占全國CO2排放的比例是10.4%，其中以燃油車為代表的公路運輸在交通運輸中所占比例達80%以上。為實現(xiàn)2050年道路交通的碳中和目標，各種新能源汽車和節(jié)能減排關鍵技術應運而生。

新能源汽車是指采用非常規(guī)燃料作為動力源的汽車，主要包括目前主要為純電動汽車、燃料電池汽車、混合動力電動汽車。本文將對不同車型整個生命周期的減碳措施進行分析。

2 新能源汽車減碳技術

2.1 純電動汽車

純電動汽車（Electric Vehicle,EV）從動力電池中獲取能量，通過電力驅動系統(tǒng)將能量分配給車輪，從而驅動汽車行駛。雖然整個行駛過程并沒有直接的溫室氣體排放，但從EV 全生命周期看，CO2排放主要集中在上游發(fā)電環(huán)節(jié)，隨著EV 行駛時間越長，碳排放量相對于傳統(tǒng)燃油車愈發(fā)降低。為使EV 更加節(jié)能減排，目前主要從3 方面進行研究：動力電池能量密度、能量管理策略和再生制動能量回收。

當前純電動汽車使用電池類型主要為鎳鈷錳三元鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池能量密度一般為120～140 W·h/kg，三元鋰電池能量密度一般為160～180 W·h/kg。電池能量密度越高，攜帶相同能量的電池質量會降低，由電池產(chǎn)生的碳排放也會降低。當能量密度從120 W·h/kg 提升到160 W·h/kg，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池分別能降低碳排放5.5%和8%[3]。隨著對安全性和成本的思考，比亞迪推出了改進版磷酸鐵鋰電池，用扁平化的電芯形狀，不僅提高了空間利用率，還較大程度提升了能量密度。國軒高科通過對正極材料和PACK工藝進行優(yōu)化，宣稱可實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池單體能量密度突破200 W·h/kg。與此同時，寧德時代推出的新一代鈉離子電池，能量密度達到160 W·h/kg，有很大發(fā)展空間。不僅如此，提高電池的回收率，可有效降低電池生產(chǎn)帶來的碳排放。Dunn 等[4]通過對不同材料電池的生命周期進行分析，發(fā)現(xiàn)電池有關的溫室氣體釋放主要集中在電池生產(chǎn)和電池兩極的制造中，通過對廢舊電池的回收，可以降低電池生產(chǎn)過程中50%的能源消耗。

在綜合考慮汽車的動力性、安全性和舒適性等的前提下，為減少充電次數(shù)，同時又增加車輛的續(xù)駛里程，所以要對汽車工作能量進行分配，使整車對能源的利用效率達到最高。周美蘭[5]對復合儲能系統(tǒng)分別制定了邏輯門限和模糊控制策略，結果與只有單一電池的純電動汽車相比總體節(jié)能6.17%和34.57%。Zhang等[6]將電池與電容器構成復合儲能系統(tǒng)，加上實時預測能量管理策略，不僅降低了電池電壓和電池溫度，總體節(jié)能多達43.03%。在公路運輸中，商用車的碳排放比例占全部車輛碳排放的65%。為了減少碳排放，商用車也逐漸被限制而轉向純電動汽車。丁鈺航[7]對具有雙電機的純電動商用車提出一種基于瞬時優(yōu)化的能量管理策略，先通過對比同一工況不同分配方案間的能量損失，確定最優(yōu)的電機功率分配。仿真結果顯示，與驅動電機單獨工作相比經(jīng)濟性能提升6.1%。

為使EV 更加節(jié)能減排，故需對制動時的動能進行收集，轉化為電能對電池進行充電，提高車輛的能源利用率。王永鼎[8]充分考慮電機和SOC 的狀態(tài)，提出一種基于ECE 法規(guī)、I曲線和f曲線的制動力分配策略，與系統(tǒng)自帶的策略比較，回收能力有所提高。李爭爭[9]為平衡節(jié)能與安全性，通過模糊控制提出一種基于前后軸制動力動態(tài)變化的分配策略，相對于傳統(tǒng)的ECE 策略，能量回收能力更強，而且改善汽車的穩(wěn)定性。Itani 等[10]針對電動前驅車，提出一種基于滑模控制的滑移率控制策略，與基于ECE 的策略相比，保證前輪最大制動效能的同時又有強力的能量回收能力。

純電動汽車具有行駛階段零排放、生命周期低排放的特征。加大對電機、電池和電控系統(tǒng)核心技術的研發(fā)，加快純電動汽車推廣普及，將有效推動汽車領域的低碳化，為實現(xiàn)碳中和的目標做出貢獻。

2.2 燃料電池汽車

燃料電池是一種將燃料（含氫）與氧化劑之間反應產(chǎn)生的化學能變?yōu)殡娔艿碾姵?，不僅能做到無排放、無噪聲，相對其它能源而言，其作為電能的補充，可以滿足幾乎所有能源特性，又兼具強大減排能力[11]。從燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle,FCV）的全生命周期來看，降低碳排放的措施主要集中在3個方面：制氫過程、電催化劑和系統(tǒng)控制策略。

目前，在我國氫氣的獲取主要還是利用化石能源制氫，用煤炭、石油和天然氣原料經(jīng)過一系列化學反應分離雜質，最后提純得到氫氣，這種制氫路線成熟高效、成本較低，但不能擺脫對化石能源的依賴，且會有較多的碳排放[12]。為了提升對環(huán)境的保護和降低碳排放，新的制氫方式如電解水制氫和可再生能源制氫將成為主要制氫方式[13]。

氫燃料電池是氫能向電能轉換的關鍵載體，電堆是燃料發(fā)生化學反應的場地，也是燃料電池最核心部分，其性能直接決定整個電池系統(tǒng)的性能上限。電催化劑是降低反應活化能、提高反應速率的關鍵物質。為保證氫能的充分利用，減少對氫能的浪費，提升催化劑的效率成為重中之重。目前常用的電催化劑是依舊是Pt/C，為了解決其Pt 顆粒的溶解、團聚現(xiàn)象以及成本問題，研究人員又研制出Pt與過渡金屬合金催化劑、Pt 單原子層催化劑和Pt 核殼催化劑，利用Pt 顆粒在納米級形狀上的變化調(diào)整來減少用量、提高反應率[14]。為進一步減少Pt 的使用，非貴金屬催化劑如利用聚合反應合成了氮摻雜碳凝膠催化劑[15]、過渡金屬原子簇合物也有飛速進展。

FCV 主流技術仍為燃料電池和電池的混合模式，正常行駛下燃料電池為驅動車輪提供能量并在怠速時為電池充電，需要高功率時，2種能量源共同提供動力。為充分利用氫燃料、合理分配不同能量源的能量輸送，提出各種能量反應策略。

林歆悠[16]提出一種基于強化學習的能量管理策略，使插電式燃料電池電動汽車（Plug-in Fuel Cell Electric Vehicle,PFCEV）氫氣與電池電量消耗間的平衡，在相同工況下與基于規(guī)則的策略相比，整車能耗降低20.8%。Yuan 等[17]為了解決實時預測這個難點，提出一種分層式的管理策略，上層用K 近鄰算法預測未來平均車速，下層用強化學習輸出控制策略以實現(xiàn)全局優(yōu)化，不僅能夠實時預測，與基于規(guī)則的策略相比，氫氣消耗可降低6.14%。Sun 等[18]提出一種基于強化學習的能量管理策略，合理分配燃料電池、蓄電池和電容3 種能量源的功率，與等效燃油消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS）相比，在各種典型工況下均有更好的優(yōu)化能力。

近些年來，氫能和燃料電池技術正逐漸被納入我國國家能源發(fā)展規(guī)劃。通過提高對氫能相關技術產(chǎn)業(yè)支持力度，對氫氣的制取及氫燃料電池進行專項研究，加快氫能供給體系建設，努力實現(xiàn)更低碳環(huán)保、安全高效的能源目標。

2.3 混合動力電動汽車

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）指同時具備發(fā)動機和動力電池2 個能量源的汽車，是向純電動汽車發(fā)展的過渡形式。汽車行駛過程中在滿足需求功率的前提下，通過各種能量管理策略調(diào)節(jié)不同動力源的輸出功率，實現(xiàn)降低油耗、減少污染的目的，也是目前發(fā)展速度最快、市場滲透率最高的一類車型。有效提升HEV的節(jié)能水平，主要體現(xiàn)在機電耦合技術、能量管理策略和制動能量回收3個方面。

關于整車方面，為充分發(fā)揮電機與發(fā)動機各自的優(yōu)點，各種動力系統(tǒng)、機電耦合技術層出不窮。機電耦合系統(tǒng)是指將發(fā)動機和電機2種系統(tǒng)的動力混合起來，在根據(jù)不同工況分配動力的部件。比亞迪秦推出一款四驅混聯(lián)系統(tǒng)，綜合油耗降低至1.6 L/100 km，上汽榮威550的雙電機混動系統(tǒng)，油耗僅2.3 L/100 km[19]。商用車方面，直驅混連、基于AMT的串并聯(lián)、雙電機混合模式協(xié)同發(fā)展，最高節(jié)油率可達40%[20]。

為了調(diào)節(jié)HEV不同能量源的能量供應，使得汽車在行駛過程中有高效的能量利用。鄭春花[21]對并聯(lián)式HEV 采用一種基于強化學習（Reinforcement Learning,RL）的能量管理策略，策略中使用狀態(tài)轉移概率矩陣，簡化計算此時刻和下一時刻工況的需求功率，采用經(jīng)典的Q 學習算法獲得優(yōu)化控制策略后，同基于規(guī)則的管理策略一起針對Janpan1015、NEDC、UDDS 3 種工況進行驗證，燃油經(jīng)濟性分別提高了7.67%、10.22%、14.4%。劉輝[22]通過自定義變化的電機和發(fā)動機功率分配因子，調(diào)整發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，得到任何荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）開始，電池電量從消耗變成維持時分配因子的全局優(yōu)化模型，然后用退火算法的優(yōu)化，獲得可實時分配的功率分配因子線，將其在應用到插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）。以WLTC 和NEDC 工況為作比較，初始SOC 為25%時，優(yōu)化后整車燃油經(jīng)濟性分別提高了4.1%和10.6%。王欽普[23]針對PHEV 頻繁起停的問題，基于粒子群算法優(yōu)化,提出一種等效燃油消耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS），測到不同初始SOC 與等效因子的關系，最后再次引入啟動車速限制優(yōu)化后的ECMS。在隨后進行的仿真驗證中，與基于規(guī)則的能量管理策略相比，燃油經(jīng)濟性提高了8.5%。

針對HEV 的能量回收，馬什鵬[24]以滿足安全為前提，以動能回收效率最大為目標，提出一種基于Q學習的控制策略，使制動能量回收效率有所提升。Xu 等[25]針對雙電機或發(fā)動機-電機協(xié)同控制2 種制動模式，提出一種基于規(guī)則的模式切換方法，并用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對其進行優(yōu)化，使得2 種模式制動能力提升的同時，又提高了能量回收率。Sun[26]以前后軸為固定比例的再生制動力控制策略為基礎，結合PID 算法，提出了PID 模糊控制算法，增強控制精度的同時，又大大提高了能量回收效率。

2.4 熱管理與智能網(wǎng)聯(lián)技術

除上述常見的降低汽車碳排放的幾個方面外，王叢飛[27]對新能源汽車熱管理技術和制冷劑2 方面提出了減排想法。為了減少如動態(tài)規(guī)劃、ECMS的運算量，楊超[28]在智能網(wǎng)聯(lián)技術的基礎上提出了基于煙花算法的能量管理策略，與基于規(guī)則的控制策略進行比較，燃油經(jīng)濟性提升了8.8%。

隨著時代不斷變革發(fā)展，“汽車+”深度融合技術得到飛速發(fā)展。為了解決某些具體的問題，喬仁杰[29]采用禁忌搜索和Floyd 算法相結合，在結合衛(wèi)星地圖的情況下對某集團物流路線進行規(guī)劃，大大減少車輛多余行駛里程，降低碳排放。

3 結論

由上述分析可以得知，新能源汽車的節(jié)能減排技術體現(xiàn)在多種車型、多個方面。本文重點從純電動汽車、燃料電池汽車、混合動力電池汽車等方向進行討論，主要結論如下。

（1）EV 的碳排放主要集中在生產(chǎn)階段，尤其是電池的生產(chǎn)制造，在努力提高其能量密度的同時，還要注意對電池的回收處理和二次利用。在行駛階段，要通過合理利用能量管理策略和對制動能量的回收，提升能量利用率。

（2）從FCV 的全生命周期來看，要加快電解水制氫和可再生能源制氫的大規(guī)模應用，降低制氫過程的碳排放。提高電催化劑的催化效率，提升燃料利用率和反應速率。通過能量管理策略減少氫燃料的消耗和提升電能的儲存、利用能力。

（3）HEV 要充分發(fā)揮2 個能量源的優(yōu)勢，提升汽車機電耦合和動力系統(tǒng)方面的節(jié)能技術，減少使各系統(tǒng)傳遞間的能量損耗。充分利用能量管理策略和動能回收，提升汽車行駛里程，促進節(jié)能減排。