纯电动汽车能耗与排放特性研究

许泽玮，郭瑞

（东南大学能源与环境学院，江苏 南京 211189）

纯电动汽车能耗与排放特性研究

许泽玮，郭瑞

（东南大学能源与环境学院，江苏 南京 211189）

电力驱动汽车是新能源汽车技术的重要发展方向，其能耗及排放特性是研究的热点问题。本文基于汽车的运动平衡方程，考虑我国的能源结构及发电厂的排放特性，建立纯电动车和汽油驱动汽车的能耗模型和排放模型，计算并对比分析了纯电动及汽油驱动汽车能耗及排放特性。结果表明，在相同的车体质量、阻力系统等结构特性的条件下，纯电动车的能耗小于汽油车，污染物的种类和数量两者略有差别。

纯电动汽车；汽油车；排放

电能是一种二次能源，需要由化石能源、水的机械能、核能、太阳能等一次能源进行转化而得，因此纯电力驱动汽车的排放特性的研究应包括电能的组成结构、生产过程等特性。

1 汽车能耗及排放模型

1.1 汽车运动功率平衡模型

在汽车匀速行驶时，驱动力和行驶阻力互相平衡，因此，发动机功率和汽车行驶阻力功率也是平衡，即发动机发出的功率Pe始终等于机械传动损失功率PE（1-ηt）与全部运动阻力所消耗的功率。此时，汽车发动机的功率为：

式中第一项为滚动阻力功率项，第二项为空气阻力功率项，第三项为加速阻力功率项。Pe为汽车驱动功率，G为整车重量（m×g），f为滚动阻力系数，v（t）为车瞬时速度，CD为迎风阻力系数，A为迎风面积，δ为旋转质量换算系数，m为整车质量。

将式（1）积分即为机械能耗。

对于汽油机汽车，总能耗Wn为：

式中：ηn为汽油机热效率；qy为汽油热值，kJ/kg；ρ为标况下汽油密度，kg/m³；Vd为怠速工况持能耗，L/h；td为怠速工况持续时间，h；Vz为怠速工况油耗，L/100km；Sz为怠速工况距离，100km。

火电供能量Wh为：

式中：ηh为我国电力企业标准煤发电平均效率；αh为火电厂厂用电率；αa为全国电网输电线路损失率；ηa为电动汽车充放电总效率；Wr为电动汽车制动回收的能量；β为全国煤电比例。当匀速工况时，式中加速阻力项消去；当无制动工况时，式中Wr消去。

清洁能源供能量Wq为：

式中：ηs为清洁能源总效率，αs为水电厂厂用电率。

1.2 汽车排放模型

电动汽车与汽油机驱动的汽车动力来源不同，因此排放特性不同。对于汽油机汽车，油耗体积（L）为V。

式中Mg为排放的污染物质量（kg）。

式中θ为汽油污染物系数（kg/L），即每升汽油完全燃烧产生的某种污染物的质量。

对于电动汽车，生产驱动汽车的电能耗煤质量（kg）

式中mc为单位发电耗煤量。

排放污染物的质量（kg）为Mc：

式中γ为标准煤污染物系数（kg/kg），即电厂燃烧每千克标准煤最终排放至大气的某种污染物量。

1.3 效率模型

设综合效率为汽车每百公里行驶所需的机械能与该过程中消耗的燃料等所含燃烧热即总能耗之比。故综合效率=×100%

汽油机车的综合效率为：

式中ηn为汽油机热效率。

设ηz为纯电动车的综合效率为：

2 计算结果分析

2.1 能耗特性研究

2.1.1 匀速工况下纯电动车与汽油机车能耗

将表1的数据带入式（1）、（2）可得出匀速工况下纯电动车与汽油机车通用的能耗——速度关系曲线。

通过拟合可得传统汽车匀速工况下速度与能耗的关系为：

可看出，两种汽车的能耗与速度基本为平方正比关系。

其中W=15．22kW·h是取NEDC工况平均速度v=33．78km/h时的百公里机械能能耗。

对应传统汽油机车油耗量为5．864L，总能耗Wn=50．72kW·h。

对应纯电动车耗煤量为4．725kg，火电供能Wh=38．42kW·h，清洁能源供能 Wq为 6．396kW·h,纯电动车总能耗WE=44．81kW·h，×100%=88．35%。

因此可得，匀速工况下，两车机械能耗相同，总能耗纯电动汽车小于汽油机车。

2.1.2 NEDC工况下纯电动车与汽油机车能耗

取怠速油耗Vd=2L/h，取汽油机车制动能耗为时速5km/h时的百公里油耗，由式（12）算出为Vz=5．424L/100km,制动距离由NEDC据工况查取。纯电动车制动能回收率为40%。故：汽油车每百公里油耗V=11．926L，纯电动车耗煤 M=6．488kg。

因此可得，NEDC工况下，纯电动车机械能耗及绝对能耗都小于汽油机车。

2.1.3 综合效率

综合效率代表汽车将能量转化为机械能使汽车产生运动的能力，综合效率高代表汽车的能量转化能力越高。

2.2 排放特性研究

由于环保形势及技术的发展，火电厂采用。

2.2.1 NEDC平均速度匀速工况排放

该工况下传统汽车耗油5．864L，纯电动汽车耗煤4．725kg，如表 1。

表1 匀速工况尾气排放

2.2.2 NEDC工况尾气排放

按该工况下传统汽车耗油11．926L、纯电动汽车耗煤6．488kg进行计算。表2为计算结果。

表2 NEDC工况排放（处理前）

2.2.3 数据分析

（1）由表1、表2可知，在加装了汽车尾气三元催化器之前，匀速工况时，纯电动车污染物排放种类少于传统汽油机车，因其几乎不排放一氧化碳；除了二氧化硫，电动车其他污染物排放量均少于汽油车。（2）在加装三元催化器进行尾气处理之后，CO、CXHy、NOx排放量大幅减少，其中NOX排放量由高于纯电动车排放量至低于纯电动车排放量。

3 结语

综上所述，可得出以下结论：（1）能耗方面，在相同质量、风阻系数等条件下，纯电动车在各种工况下均比传统汽车更节能。（2）排放方面，装备于汽油车的三元催化器能大大改善该型汽车的排放特性。加装之前，在污染物种类上，纯电动车少于传统汽油机车；在污染物排放量上纯电动车除了二氧化硫的排放量高于传统汽车，其他污染物排放量均少于传统汽车。在加装之后，CO、CXHY、NOx排放量大幅减少，其中NOX排放量由高于纯电动车排放量至低于纯电动车排放量。（3）综合效率方面，纯电动车综合效率比传统汽油机车综合效率高出10%。

[1]中华人民共和国2009年度发电业务情况通报[G]．2010．

[2]郭胜．纯电动汽车与传统汽车能耗与排放对比分析[D]．合肥：合肥工业大学,2014．

U469.72；U471.23

A

1671-0711（2017）10（上）-0115-02