电动汽车非尾气颗粒物的排放研究综述

＊卢康 张道德 潘伟 赵旭 王继忠,

（1.安庆市环境监测中心站 安徽 246004 2.安徽建筑大学 材料与化学工程学院 安徽 230009 3.广电计量检测（合肥）有限公司 安徽 230088）

大气颗粒物（PM）是影响环境空气质量最为重要污染物之一，也是我国乃至全球环境空气质量的重要指标。PM不仅影响能见度等社会问题，而且对人体健康造成严重负面影响，尤其细颗粒物（PM2.5）可透过肺部进入心血管系统，造成中风、心脏病、肺癌和慢性阻塞性肺病等呼吸道疾病。前期研究表明，我国省会城市因大气污染造成的死亡率接近0.09%，即每10万人群近90人因大气污染造成死亡[1]。由此可见，PM污染对于环境空气质量影响至关重要。

交通排放是都市区域环境空气中PM的重要来源[2]。机动车排放PM主要通过尾气排放和非尾气排放，尾气排放PM主要来自于化石燃料的不完全燃烧。非尾气排放过程包括轮胎磨损、刹车损耗、路面磨损和道路颗粒物的再悬浮等[3]。但是机动车尾气或非尾气排放的颗粒物对健康影响仍缺乏精准理解。

PM通常划分为PM10和PM2.5，分别表示在大气中空气动力学直径小于10μm和2.5μm。机动车尾气排放PM主要为PM2.5，含有各种碳氢化合物，这些污染物易于导致呼吸道疾病和增加致癌风险[4]。机动车非尾气排放PM主要以PM10为主，其化学组分因来源不同而不同，主要含有重金属包括锌、铜、铁和铅等物质[5]。先前的毒性研究揭示显示机动车非尾气排放PM对人体健康有明显负面影响，如肺部炎症和DNA损伤[6]。同时，流行病学研究亦发现了PM10对死亡率的影响。

由于机动车尾气和非尾气排放的污染物化学组成成分存在差异性，因此这些污染物进入到环境空气中通过化学反应生成的二次气溶胶明显不同。机动车尾气排放的挥发性有机污染物在光照下易于生成二次有机气溶胶，而机动车非尾气排放主要为无机物质，易于形成二次无机气溶胶，但是当前难以模拟机动车尾气或非尾气排放的污染物如何形成二次有机或无机气溶胶。大量研究亦表明：机动车尾气排放对环境空气中二次气溶胶的贡献难以精确定量，而且亦难以区分一次气溶胶和二次气溶胶。有机二次气溶胶明显影响环境空气中PM水平，因此有必要对它们在环境空气中的重要性进行更为准确定量。由于机动车非尾气排放PM主要为再悬浮颗粒物，均为二次颗粒物排放。

通过激励电动汽车（Electric Vehicles，EV）使用是当前提升环境空气质量的一个重要策略，也是解决环境空气污染，实现低排放或零排放的一个重要措施。但是，当通过模型模拟电动汽车行驶对环境空气污染影响时发现，由于非尾气排放并未减少PM。

因此本文主要通过对比EV或内燃机汽车（Internal Combustion Engine Vehicles，ICEV）的车重差异性，讨论它们对非尾气排放PM影响，进一步比较EV和ICEV行驶中PM排放总量。

1.车重与排放

(1)车重影响假设

众所周知，路面磨损和轮胎磨损主要来自于轮胎螺纹与路面摩擦，其摩擦力是轮胎和路面之间摩擦系数函数，即路面法向力的函数，法向力与车重成正比。因此增加车重时将增加摩擦力，轮胎与路面之间的磨损速率增加。刹车磨损是由刹车片与车轮之间的摩擦造成，减小机动车推动力的能量与车速和车重成正比。因此，当车重增加时，需要更多摩擦力以降低车速，导致更大的刹车磨损。颗粒物再悬浮由机动车尾流造成，因此与机动车大小、车重和空气动力学有关。另外，车重大的机动车可以将粗颗粒物碾压至细颗粒物，更易于悬浮，同时，越重的机动车越大，尾流越大，其造成的颗粒物再悬浮越多。

(2)车重对非尾气排放的影响

直接开展非尾气PM排放与车重之间关系的研究极少，少数研究定性地论述了车重可能对非尾气PM排放的影响，如Barlow等认为车重是轮胎磨损的一个影响因子，并进一步提出车重增加时会导致非尾气排放的增加。Garg等亦提及了惯性重量是刹车损耗速率的一个因子。尽管缺乏直接数据支撑，但大量源清单排放研究均建议车重增加会导致PM排放增加。Simons根据车重将EV非尾气PM10的排放因子进行等级划分，并计算了单位车重轮胎磨损、刹车损耗和路面磨损的排放因子。例如，当比较中型车辆（1600kg）与小型车辆（1200kg）时，轮胎磨损、刹车损耗和路面磨损的排放因子约增加50%。相较于小型车辆，大型车辆（2000kg）排放PM10的速率约是其2倍。

欧洲环境署（The European Environmental Agency， EEA）发布了大气排放清单手册，提供了不同类型机动车的排放速率，显示：相较于客车（9座），轻型汽车（总重3500kg）因轮胎磨损和刹车损耗造成的总悬浮颗粒物、 PM10和PM2.5的排放因子较客车高57%，而路面磨损造成排放水平相当。美国环保署（USEPA）提供的排放清单中亦包含了机动车轮胎和刹车磨损造成的排放因子。载货卡车（＜3855kg）因刹车磨损造成的PM10和PM2.5排放因子约高于客车（＜2720kg）的67%，但前者因轮胎磨损造成的PM排放因子仅高于后者2%。荷兰污染物排放和转移登记处亦通过大量研究提供了机动车排放清单和排放因子，而一辆面包车或箱式货车总重量约2000kg，因此面包车或箱式货车轮胎磨损造成PM10和PM2.5排放较常规汽车高40%。同时荷兰污染物排放和转移登记处也计算了不同车型每个轮胎的排放因子，报告指出，汽车每个轮胎磨损速率较摩托车高10%，箱式货车较汽车高20%，卡车较汽车高130%。

尽管对车重定义存在一定差异性，但多个关于测定非尾气排放因子的研究均显示：轻型汽车排放PM较小汽车多。例如，轻型汽车的轮胎磨损较小汽车高75%，小汽车因刹车损耗造成的PM2.5排放是摩托车的2倍。同时，Grge等研究了小轿车、大型轿车和大型皮卡车刹车损耗导致排放差异性，结果发现大型轿车因刹车损耗导致的PM、PM10和PM2.5排放较小轿车高55%，而大型皮卡车排放PM约为小轿车2倍。

但不同类型机动车对颗粒物再悬浮影响研究极为稀少，Gillies等人研究发现：在未铺路面上，颗粒物再悬浮总量与车速和车重呈现明显线性关系。美国EPA方法AP42中估算了机动车造成颗粒物再悬浮因子，建议再悬浮与车重呈现线性关系。同时研究表明，小轿车行驶中造成的PM10再悬浮速率是摩托车的10倍，轻型汽车较小轿车高3倍。

(3)EV与ICEV车重比较

比较EV与ICEV车重并非简单，EV车重往往通过使用铝代替钢减轻，以提高车辆的续航里程。如果ICEV采用该技术，其车重差异将比现在更大。此外，EV有许多局限性，如大众e-Golf最高时速140km，续航133km，不能承载任何拖车负载。但传统大众高尔夫的最高时速取决于发动机尺寸，介于179km/h至203km/h之间，续航里程超过1000km，可承载高1100kg的拖车负载。因此直接比较EV与ICEV车重比较困难，尤其仅有少数类型车辆可获得公开数据。如福特福克斯EV较相同款式福特福克斯燃油型汽车重219kg。本田飞渡EV较相同款式燃油型汽车重335kg。起亚秀尔EV较同款燃油型汽车重311kg。Bauer等通过动力传动系统技术模拟了EV和ICEV车重，结果发现中型ICEV汽车在2012年平均重量为1567kg，而EV车重为1944kg，至2030年，ICEV和EV车重预测为1383kg和1613kg。因此，EV较常规ICEV重280kg以上或重24%。

(4)车重对EV排放影响

因现有研究缺乏对EV车重与非尾气排放定量关系，一些学者利用已有研究结果做出合理估算。例如，Simons估算了EV车重增加280kg将导致PM10每车每公里增加1.1mg（mg/vkm）轮胎磨损、1.1mg/vkm刹车磨损和1.4mg/vkm道路磨损。轮胎、制动器和道路磨损导致的PM2.5排放量增加分别为0.8mg/vkm、 0.5mg/vkm和0.7mg/vkm。然而，由于EV的再生刹车，刹车磨损往往较低，但很少文献研究过实际排放量的减少。对于颗粒物再悬浮排放量，Gillies等人（2005）的研究结果认为EV车重与颗粒物再悬浮量之间呈现线性关系，因此EV车辆的使用，可导致颗粒物再悬浮排放量增加24%。

2.废气和非废气排放因子

众所周知，机动车通过尾气和非尾气途径排放PM。为了正确看待排放量的增加，必须确定其平均PM10和PM2.5排放量。

(1)尾气排放

尾气排放PM的主要来源，尤其柴油车。随着汽车尾气PM排放标准越来越严，所有新的柴油机动车均配备了柴油微粒过滤器（DPF）。伯格曼等人（2009）发现DPF对PM排放削减非常有效，可将PM的排放量降低99.3%。当前欧洲排放标准EURO 6规定，新柴油和汽油汽车的排放量必须低于5mg/vkm才能投放市场。

许多研究开展了机动车尾气排放PM量。较早研究获得的排放因子较最近结果高，表明了废气排放标准不断提高，测量精度更高。欧洲国家编制了大量机动车尾气排放清单。这些排放清单汇总了大量测试和研究数据，以提供可用于估计对国家空气污染的贡献的排放因子。此外，随着新研究的出现，排放清单每两年修订一次。这些排放清单之一是EMEP/EEA排放清单指南：欧盟国家使用本指南来确定其机动车排放量，并每年向EEA报告。最新的排放清单指南按燃料类型、发动机排量和技术提供不同车辆的排放因子。汽油和柴油型机动车PM排放因子通常非常低，远低于EURO 6限值。同时美国EPA亦汇总了机动车排放清单，其模型预测了尾气平均排放的PM10和PM2.5量远低于EURO 6限值。Cai等（2013）使用了EPA的机动车排放模型（MOVES）来估算机动车尾气PM排放量 （按车型年）。结果发现，使用较新车型，尾气排放量减少。老款汽油车的排放量略高于EURO 6规定限值，而较新车型的平均排放因子要低得多。根据计算模型，所有配备DPF的柴油车型的排放量均低于EURO 6限值。

如果汇总这些排放清单中PM的排放因子，汽油车的PM10排放因子约为3.1mg/vkm，柴油车的PM10排放因子为2.4mg/vkm。汽油和柴油汽车的PM2.5排放因子分别为3.0mg/vkm和2.3mg/vkm。

(2)非废气排放

由于废气排放研究少且难度大，研究方法有待进一步提升，目前最常用的方法包括：

①估算：排放因子可以根据轮胎使用和刹车使用的国家统计数据、每个轮胎和刹车的平均重量损失以及需要更换轮胎/刹车前的平均距离来估算。一些制造商还提供有关轮胎和制动器磨损率的信息，可用于估算排放因子。②实验室测量：实验室测量通常使用圆形道路模拟器和加重车轮，带或不带制动器来测试轮胎、制动器和道路磨损。或可以在风洞中的轨道上进行测试，以更接近地模拟现实。使用道路模拟器的研究示例使用再悬浮室来研究道路灰尘的成分。③路边和隧道测量：通过测量道路附近或隧道入口和出口处的PM水平，将其与PM的背景水平进行比较，并通过分析将差异分配到尾气或非尾气排放中，并计算各自排放因子中PM的化学成分。④移动车载测量：移动车载测量是通过将采样设备直接连接到移动车辆或移动车辆后面的拖车来完成确定再悬浮排放因子。但不同研究结果大相径庭，主要取决于测量方法、位置和测试车辆的类型。因此，EEA的排放清单、美国EPA排放清单、Dutch PRTR清单和UK NAEI清单汇总这些研究结果，得出了轮胎磨损、刹车磨损和道路磨损的最具代表性的排放因子，而颗粒物再悬浮仅包含于英国排放清单中。汇总这些排放清单，轮胎磨损、刹车磨损、路面磨损和颗粒物再悬浮的PM10平均排放因子为6.1mg/vkm、9.3mg/vkm、7.5mg/vkm和40mg/vkm。而轮胎磨损、刹车磨损、道路磨损和颗粒物再悬浮的PM2.5排放速率分别为2.9mg/vkm、2.2mg/vkm、3.1mg/vkm和12mg/vkm。

3.比较EV和ICEV排放

关于车重对排放的影响以及尾气和非尾气平均排放，可以将EV的PM排放总量与汽油和柴油汽车的总排放量进行比较。通过比较发现电动汽车排放的PM10与现代汽油和柴油汽车的排放量相同。当比较PM2.5排放量时，可以发现电动汽车带来的排放量减少可以忽略不计。与普通汽油型ICEV相比，EV排放的PM2.5减少3%。与普通柴油ICEV相比，EV排放的PM2.5减少1%。根据这些研究发现，EV对PM的排放并未有限削减。同时目前交通源排放的PM10约90%来自于非尾气排放，而非尾气排放的PM2.5约占总交通源的85%。随着越来越严格的排放限制，其比例在未来可能会继续增加。

多项研究亦对非尾气排放的重要性得出了相同的结论，Reexeis和Hausberger（2009）预测，非尾气排放PM占交通源PM排放总量的百分比将从2000年50%增加到2020年80%-90%。Jörß和Handke（2007）模拟了德国PM2.5的非尾气排放，发现2000年非尾气排放占交通源PM2.5排放的25%，预计到2020年将贡献70%。

随着对EV续航里程更长需求增加，需要更大电池，并且需要更多的结构重量来容纳这些电池，因此，未来EV和ICEV的非尾气排放量可能会继续增加。仅通过限制汽车尾气排放来减少PM污染的策略将不再有效，需要制定非尾气PM排放的新政策和措施。

4.对政策的影响

未来政策有多种选择可以减少非尾气排放。（1）所有新车（ICEV和EV）需要遵守非尾气排放最大限值。然而，迄今为止，由于测量方法的差异，非尾气排放的测量产生了不同的结论。因此，为了引入非尾气限值，需要引入标准化的测量方法。（2）通过鼓励减轻车辆重量创新技术改进现有EV车重。欧洲绿色汽车倡议轻量化车身设计、改进轮胎设计和再生制动等。通过新技术的引入，在增加续航里程的前提下，减轻车重，以进一步减少其非尾气排放。（3）政府应鼓励消费者和汽车制造商转向更轻量化的机动车，以扭转所有细分市场汽车重量增加的趋势。

5.结论

交通是大气PM的主要来源之一，尤其是在城市地区。EV已被认为是解决空气污染的重要途径。因此，许多国家都在鼓励EV替代ICEV。但发现当前EV比同等ICEV车型重约24%；多数研究证明，车重与非废气排放PM之间存在正相关关系。 EV排放的PM10量与普通传统汽车相同，PM2.5排放量略低于ICEV，平均排放量比ICEV少1%-3%；非尾气排放占交通源PM10排放量的90%以上和PM2.5排放量的85%，未来随着汽车重量的增加，这一比例可能还会增加。因此，通过以上分析发现，EV对交通源PM的排放削减并不会产生较大影响，但目前的政策仅侧重于减少尾气中PM排放。此外，建议将轻量化车身和再生制动等电动汽车技术应用于EV和ICEV，并为消费者和汽车制造商改用较轻的车辆提供奖励。