纯电动汽车与传统汽车能耗与排放对比分析

郭 胜，石 琴，李彦保，郭 宁

Guo Sheng，Shi Qin，Li Yanbao，Guo Ning

（合肥工业大学 交通运输工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言1

随着我国国民经济的持续增长，汽车也越来越多地走进寻常百姓家。截至2011年我国汽车总保有量为7800万辆[1]，预计到2030年将达到2.28亿辆[2]。随着汽车数量的增加，交通运输业的 CO2排放量的增加也是惊人的。根据测算，2004年我国交通运输业的CO2排放量约为2.9亿t，预计到2030年我国CO2的排放量将是2004年的3.8倍，也就是11.08亿t[3]。基于此政府也制定了相应的减排目标，并于2009年11月25日正式对社会宣布，2020年单位GDP CO2排放量要比2005年降低40%～45%，同时以此作为我国经济和社会发展的约束性指标，充分体现了政府在保护环境，促进能源结构调整方面的决心。在这种背景下，人们更加关注纯电动汽车的发展前景。

电动汽车在欧、美、日等发达国家得到了很好的发展，在适合其运行特点的领域开展了示范应用，主要以集团化公共服务用车为主。对于纯电动汽车自身而言，制约电动汽车发展的关键是动力电池，锂离子电池是目前关注和研发的焦点。日本的一些相关企业在政府部门的带领下，将共同制定一些关于车用锂电池的标准，该标准的主要内容是测试方式、充电方法等。同时，一些电力公司认为电动汽车的发展会给他们带来巨大商机，因此也在电动汽车的应用、测试、能源基础设施建设等方面做出了自己的努力[4]，进一步推动了电动汽车的发展。

电动汽车在我国发展以来，得到了政府企业的高度重视，我国在研发方面付出了很大努力，也取得了一系列科研成果，开发出一批整车产品，并在一些城市开展了不同形式的示范运行。同时国家也出台了“十城千辆”、购买电动车补贴等一系列政策措施来推动纯电动汽车的发展。虽然我国在电动汽车示范运行上取得了一些经验，但还是缺乏有效长久推动电动汽车发展的市场化机制，因此，纯电动汽车距离大规模应用还有较长的过程。另外，纯电动汽车在行驶过程中，消耗的是电能，而我国80%的电能是火力发电，所以说纯电动汽车并不是完全意义上“零排放”。所以文中就对比分析了传统汽车与纯电动汽车的能耗、热效率与排放问题。

1 传统燃油汽车与纯电动汽车热效率与能耗对比

1.1 传统汽车与纯电动汽车对比

以国内某汽车厂生产的一款汽油汽车（以下称传统汽车）与该厂生产的纯电动汽车为例进行对比分析，该纯电动汽车是在同款汽油汽车的基础上进行改进生产制造的，两车的相关基本参数见表1。表中可以看出，纯电动汽车的整备质量比传统汽车重了 160 kg，主要是由于纯电动汽车与传统汽车只是在动力系统方面的不同（其它基本没有变化），纯电动汽车的动力系统主要由电动机、控制器和电池构成，而传统汽车则是传统的发动机构成方式。

表1 基本参数

1.2 传统汽车百公里能耗、热效率分析

1.2.1 传统汽车百公里能耗

传统汽车百公里能耗是通过乘用车模拟城市循环工况燃料消耗量台架试验，并按照标准 GB/T 12545.2—2001测得（图1）。试验规定十五工况循环试验，其中有怠速、加速、等速等，全循环累计时间195 s，并采用重量法确定百公里燃料消耗量C。

式中，Sg为标准温度20℃（293 K）下的燃料密度，kg/dm3；D为试验期间的实际行驶距离，km；M 为燃料消耗量测量值，kg。经试验测得该车城市工况百公里油耗 8.0 L。取汽油的密度 0.725 kg/L，汽油热值43124 KJ/kg，可得8.0 L汽油所含热量为250119 KJ。

1.2.2 传统汽车热效率计算

在计算该车热效率时，采用作用在驱动车轮上的力Fq乘以在该力作用下驱动轮所行驶的距离S。由汽车行驶的总阻力[5]

其中Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速阻力。汽车行驶方程式

Fi为汽车驱动力；G为整车质量；f为滚动阻力；α为道路坡度角；CD为空气阻力系数；A为车辆横截迎风面积；ua为行车速度；δ为汽车旋转质量换算系数；m为汽车总质量；为汽车行驶加速度。在试验中道路坡度角为0，即坡度阻力为0，计算过程中不予考虑。取滚动阻力系数 0.02，由于空气阻力较小，未予考虑。

根据 GB/T12545.2—2001的试验要求，计算十五工况循环中每个工况汽车所作有用功。在计算过程中，离合器脱开的情况下，汽车并没有将燃料燃烧产生的热能转化成驱动汽车前进的机械能，所以对这部分热能不计算在汽车有用功之内。计算工况 2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14 下汽车所作有用功为 450.076 KJ，其百公里所作有用功为45007.6 KJ。汽车热效率为17.99%。

1.3 纯电动汽车百公里耗电、热效率分析

来自工业部的信息显示，在 2009年我国6000 kW以上级发电企业每生产1 kWh的电能需要消耗 340 g的标准煤[6]，另外国标GB2589—1981中已经写明每燃烧1 kg标准煤所能释放的热量值为29271 KJ，而从2008年6月1日开始使用的《综合能耗计算通则》来看，电力当量值是3600 KJ/（kWh）。由以上火力发电的国家标准计算出，我国电力企业利用标准煤的平均发电效率为

将我国火力发电效率取为 36%。发电厂内机组的运转和控制设备的工作都要消耗一定的电能，此电能直接来自厂内发电，称为厂用电，通常的厂用电率为5%～10%，而像拥有300 MW机组的发电厂则达到5%，这里取用5%。

发电厂生产的电能首先要经过变压器转化成高压交流电后，才能通过高压电缆传送到企业、工厂和普通家庭中，虽然高压输送可以有效地减少能量损失，但仍然有电缆和变压器的电阻能量损耗。2009年，全国电网输电线路损失率为8%[8]。目前，国内的充电机效率一般在94%[7]。纯电动汽车采用的磷酸铁锂动力电池组，电池由于受到内阻的影响，其放电效率不能达到100%，此外电池的放电效率还受到放电电流大小因素的影响，因此取电池的放电效率为91%[9]。电动机、传动系统效率85%[10]。所以，纯电动汽车效率为22%。

表2 能耗、综合效率对比

通过乘用车模拟城市循环工况燃料消耗量台架试验测得，该纯电动汽车在城市工况下的百公里耗电量为16 kWh。目前，我国电力供应主要有火电、水电、核电、风电。源自国家发展改革委员会的数据表明，我国在 2010年的发电总量达到了4.1413×1012kWh，具体包括：煤炭火力发电3.3253×1012kWh，江河水利发电 6.622×1011kWh，原子核能发电 7.34×1010kWh，风力发电 4.30×1010kWh，由此可计算目前中国火电厂发电量占全国发电量的比例为80%[7]。所以在纯电动汽车城市工况耗电量16 kWh的情况下，火电厂的发电量应为

16×80% ÷94% ÷92% ÷95% =15.6 kWh

所需供电标煤为：15.6×0.34=5.3 kg，

即热量 5.3×29271=155136 KJ

通过对比，该纯电动汽车在百公里耗能、综合效率、比能耗方面均优于传统汽车，在百公里能耗方面传统汽车要高出近 38%，这是由于传统汽车在怠速、低速等工况下，会造成发动机空转或者处在低效率区。比能耗是单位汽车质量行驶单位距离汽车的耗能，可对不同质量的两车进行能耗比较，从数据比较来看，纯电动汽车在比能耗方面优势明显，见表2。

2 传统燃油汽车与纯电动汽车排放分析

2.1 生产纯电动汽车用电带来的排放

国家发展改革委员会的文件信息显示，工业企业每消耗1 t的标准煤，要释放2620 kg的CO2，8.5 kg的SO2，以及7.4 kg的NOx；利用相关的节污减排技术，火电厂每使用1 kg标准煤，产生的CO2为 2.46 kg，SO2为 0.006 kg，NOx为 0.0087 kg[11]。该纯电动汽车百公里耗电量为16 kWh，即该车每行驶100 km消耗标准煤5.3 kg。所以该纯电动汽车排放情况见表3。

表3 纯电动汽车废气排放

2.2 传统汽车排放

以汽油为燃料的汽车燃烧 1L汽油会排放0.295 g SO2[12]，由于该传统汽车模拟城市工况百公里油耗为 8L，所以该车 SO2排放量为 0.0236 g/km，CO2排放量180.3 g/km，其他废气（CO、HC、NOx、）排放量参照文献[11]。

纯电动汽车运转时，所有部件由电池组直接供能，不会像燃油燃烧一样产生尾气，而电动车对环境的污染要追溯到上游发电企业，如火力发电厂排放的废气，这种废气可以等价于电动车的尾气。从图2中的数据可以看出，电动汽车排放尾气中的有害成份种类，比内燃机汽车要少一些，CO和HC几乎没有出现，而这两种气体对大气污染危害最大。对于NOX和SO2，传统汽车的排放低于纯电动汽车，而煤电厂已使用了相关技术，对废气进行了脱硝、脱硫处理，处理后大约85%的SO2、80%～90%的NOX被脱离，废气中的粉尘颗粒采用布袋法处理后，也几乎可以完全清除[13]。

3 结 论

综上所述，在市区工况下，平均车速低，平均行驶周期短，怠速比例高，等速行驶比例小，这样就使车辆加减速频繁，等速和准等速行驶时间短。由于纯电动汽车在怠速等工况下能耗较低，所以在纯电动汽车和内燃机汽车之间进行比较，电动汽车的能源消耗量较低，综合效率也比传统汽车高；纯电动汽车自身不产生尾气的排放，其对环境造成的影响主要集中在上游企业，具体表现在煤电厂发电对大气的污染，但同时煤电厂也相应采取了治理措施，效果明显，并且国家也在逐渐提高核电等电厂的比例，极大减轻了对环境的污染。但是纯电动汽车的发展推广也受到自身的一些限制，如续航里程、充电配套设施等。总的来说，纯电动汽车的发展有利于国家能源的安全，但是距离全面普及还有较长的路要走。

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