混动技术路线下的轻型车碳排放特性研究

耿培林 李朝阳 陈 静 郑泽其 刘 乐

（1-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300 2-南开大学）

引言

二氧化碳减排成为全球最为关注的议题，大部分国家宣称到2050 年前实现碳中和。2020 年9 月22 日，习近平主席在第七十五届联合国大会上做出承诺，中国将采取更加有力的政策措施，碳排放力争于2030 年前达峰，努力争取2060 年前实现碳中和。CO2是传统内燃机的主要排放物，碳达峰、碳中和的目标愿景，对内燃机行业提出了更为严苛的挑战。对于内燃机而言，短期内应以提高热效率（减碳）为目标，中长期应以燃用零碳或碳中性燃料为目标[1]。

现如今全世界的汽车保有量已突破10 亿辆，其中的大部分为燃油汽车。传统的燃油车存在能量利用率不足、排放污染较为严重等问题。如此大规模的汽车保有量造成的能源消耗及污染物排放是惊人的，因此针对汽车的节能减排研究已成为解决全球能源及环境问题的关键课题之一[2-3]。如何改善汽车能量来源，尽可能使用清洁能源并提升整车能量利用率迫在眉睫，新能源汽车应运而生并成为当今汽车产业发展的重要方向之一[4]。

混合动力汽车不仅结合了燃油汽车能量密度高、配套基础设施完备及电动车清洁高效的优点，而且混合动力汽车无需大幅改动，仅在现有车型上进行改装就可投入生产，易于实现的技术和更为经济的成本更易被普通大众接受，因此发展混合动力汽车成为了新能源领域中较为流行的方案之一[5]。而混合动力汽车通常分为可插电和不可外接充电两种类型，因此本文将选取三个具有代表性的车型：传统汽车，可插电混合动力汽车以及不可插电混合动力汽车，在WLTC 工况下进行碳排放测试研究，综合比较各个分速段不同车型的碳排放量，从而对混合动力汽车的节能减排效果有一个量化的概念。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

试验用到的主要设备如表1 所示。所有车辆排放试验均按GB 18352.6—2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）中Ⅰ型试验的要求进行，测试循环由全球轻型车统一测试循环（WLTC）的低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）四部分组成，持续时间共1 800 s。其中低速段的持续时间589 s，中速段的持续时间433 s，高速段的持续时间455 s，超高速段的持续时间323 s，工况曲线如图1 所示。

图1 WLTC 工况曲线

表1 试验设备

1.2 试验车辆

本文在WLTC 工况下，分别对传统车和混合动力汽车进行的碳排放和燃料消耗量进行测试，其中碳排放为尾气中的二氧化碳排放。传统车分为多用途乘用车（SUV）与轿车，混合动力汽车分为不可插电混合动力SUV 和轿车以及可插电式混合动力SUV 和轿车。所用试验设备如图2 所示。

图2 试验设备连接示意图

2 不同车型的碳排放分析

2021 年2 月份国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布GB 19578—2021《乘用车燃料消耗量限值》，而此标准在同年7 月1 日起实施。2025 年之前，传统能源乘用车、插电式混合动力电动乘用车试验工况将由NEDC 切换为WLTC。而在此前发布的《乘用车燃料消耗量限值》征求意见稿中明确的是，汽油、柴油、两用燃料及双燃料车辆的燃料消耗量应按GB/T 19233、采用全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）进行测定。可外接充电及不可外接充电式混合动力车辆的燃料消耗量应按GB/T 19753、采用全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）进行测定。WLTC 的测试方法分为低速、中速、高速与超高速四个部分，对应持续时间分别为589 s、433 s、455 s、323 s，对应最高车速分别为56.5 km/h、76.6 km/h、97.4 km/h、131.3 km/h，并且将车辆的滚动阻力、挡位、车重等因素都融入到了测试中。其主要目标是让标准测试下的燃油消耗和排放估算与实际公路驾驶条件下的指标更接近。与NEDC 相比，WLTC 更加真实准确地反映了车辆的燃油消耗和排放估算，现在已经被中国、日本和美国等国家所接受。与NEDC 标准相比，WLTC 标准更接近真实路况的行驶条件，该标准实施后，燃油车的油耗和电动车的续航里程，也更接近于实际驾驶油耗与续航里程。在NEDC 切换为WLTC 后，车型的续航里程标定无疑会较现阶段有明显的下降，而在一定程度上，车企虚标里程的问题也将受到打击。

2.1 传统车不同速度段的碳排放分析

本文将SUV 整备质量分为1 500～1 600 kg、1 600～1 700 kg、1 700～1 800 kg 和1 800～1 900 kg 四个区间，对其在WLTC 工况下的CO2排放量测试结果进行分析，如图3 所示。将轿车整备质量分为1 400～1 500 kg、1 500～1 600 kg、1 600～1 700 kg、1 700～1 800 kg 和2 000～2 100 kg 五个区间，对其在WLTC工况下的CO2排放量测试结果进行分析，如图4 所示。

图3 传统SUV 二氧化碳排放量测试

图4 传统轿车二氧化碳排放量测试

从图3 和图4 可以看出，传统SUV 和轿车在低速段碳排放量最多，传统SUV 的低速段碳排放量高于传统轿车，具体分析如下：SUV 车型在四个整备质量段的低速段碳排放分别达到了235 g/km、243 g/km、273 g/km 和249 g/km，轿车在五个整备质量段的低速段碳排放分别达到了152 g/km、187 g/km、210 g/km、201 g/km 和187 g/km，以整备质量为1 700～1 800 kg的SUV 为例，高速段碳排放量比低速段下降达41.19%。

2.2 混合动力汽车不同速度分段的碳排放分析

本文将混合动力SUV 整备质量分为1 700～1 800 kg、1 800～1 900 kg、1 900～2 000 kg 和2 100～2 200 kg 四个区间，对其在WLTC 工况下的CO2排放量测试结果进行分析，如图5 所示。将混合动力轿车整备质量分为1 400～1 500 kg、1 500～1 600 kg、1 600～1 700 kg、1 700～1 800 kg 和2 000～2 100 kg 五个区间，对其在WLTC 工况下的CO2排放量测试结果进行分析，如图6 所示。

图5 混合动力SUV 二氧化碳排放量测试

图6 混合动力轿车二氧化碳排放量测试

从图5 和图6 可以看出，混合动力SUV 和轿车在超高速段碳排放量最多，其中混合动力SUV 在四个速度段的碳排放分别达到了168 g/km、174 g/km、164 g/km 和161 g/km，而混合动力轿车分别达到了137 g/km、136 g/km、135 g/km、161 g/km 和132 g/km，其中，整备质量为1 800～1 900 kg 的混合动力SUV在低速段比同等质量下超高速段下降92.29%。说明，对于新能源汽车中的混合动力汽车，在超高速段动力主要由发动机提供，电机基本不参与动力输出。此外，无论是传统车还是混合动力汽车，在各速度分段碳排放都呈正态分布，因此也说明车辆整备质量并不是CO2排放量的决定性因素。

2.3 相同整备质量下的碳排放综合分析

2.1 与2.2 节展示了传统车与混合动力汽车SUV 与轿车在不同整备质量下的碳排放结果。为了更直观地展现传统汽车与混合动力汽车之间的碳排放差异，本文分别选取相同整备质量区间下的SUV和轿车以及各自的不可插电混动和插电混动的碳排放，并进行比较分析，结果如图7 和图8 所示。

图7 传统与混合动力SUV 二氧化碳排放量测试

图8 传统与混合动力轿车二氧化碳排放量测试

从图7 和图8 可以看出，在任何速度分段，传统车的碳排放量均高于混合动力汽车。其中，在低速段，传统车与混合动力汽车的碳排放量的差异最明显，传统SUV 与传统轿车更是达到274 g/km 和201 g/km 的碳排放量，而不可插电混合动力SUV 和不可插电轿车仅仅只有88 g/km 和63 g/km。低速段，可插电式混合动力汽车在碳排放这一方面表现得也不理想，无论是SUV 还是轿车均高于同等质量的不可插电汽车，可插电式轿车更是达到了99 g/km，不可插电轿车相较于它下降58.06%。

整体来看，对于SUV，插电式混合动力SUV 在中速段和高速段低于不可插电混合动力SUV，其中中速段差异较明显，相比于不可插电混合动力SUV下降26.03%。相反对于轿车，可插电式混合动力轿车仅仅在超高速段的碳排放量达到130 g/km，略低于不可插电混合动力轿车的138 g/km，而在低速段，中速段，高速段分别达到99 g/km、103 g/km、98 g/km，不可插电混合动力轿车则比其下降了58.06%、8.77%、15.32%。综合来看，同种车型的SUV 和轿车，相较于传统车，不可插电混合动力汽车的碳排放量分别降低31.21%以及25.97%，而可插电混合动力汽车的碳排放量可分别降低33.42%，23.41%，混动车在SUV车型上的降碳减排效果更为明显。混合动力汽车将会有效地响应“碳达峰”政策。

3 结论

1）传统车的碳排放主要集中在低速阶段，其碳排放量可以达到混动车的2～3 倍。因此，在城市道路上混合动力汽车明显更能达到绿色减排的效果。

2）在超高速阶段，传统车与混合动力汽车碳排放量相差不大。对于SUV，三者的碳排放量分别是197 g/km、168 g/km、174 g/km，对于轿车，碳排放量差异更小，分别是149 g/km、138 g/km、130 g/km。因此，在城郊的高速道路上，混合动力汽车相比于同车型的传统汽车减排效果并没有很突出。

3）综合来看，混合动力汽车具有很大的降碳效果。对于SUV 车辆，传统、不可插电、可插电等三种技术路线车的碳排放量分别为191 g/km、133 g/km和127 g/km，其中可插电式混合动力汽车碳排放量最小，比传统SUV 和不可插电混合动力SUV 下降33.42%、4.04%。而对于轿车，三种车型碳排放量分别为144 g/km、102 g/km 和110 g/km，其中不可插电混合动力汽车碳排放量最小，比传统轿车和不可插电式混合动力轿车下降8.87%，6.93%。