我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及其環(huán)境效益研究

2017-11-23 10:00:59 來(lái)源:中債資信　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘要：2017年年中以來(lái)，媒體陸續(xù)披露歐盟多個(gè)國(guó)家已經(jīng)設(shè)置了傳統(tǒng)能源汽車(chē)退出的時(shí)間表，我國(guó)工信部在2017年9月初亦指出，已經(jīng)啟動(dòng)我國(guó)傳統(tǒng)能源車(chē)退出時(shí)間表的相關(guān)研究工作，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到各方的關(guān)注。我國(guó)

這里需要說(shuō)明的是，燃煤火電機(jī)組的主要污染物為二氧化硫、氮氧化物和煙塵，而機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的主要污染物為一氧化碳、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物、二氧化硫、顆粒物等，大氣污染物的主要結(jié)構(gòu)并不完全一致。本研究選取主要污染物指標(biāo)作為示例，說(shuō)明兩者大致的污染排放水平。后續(xù)可通過(guò)更深入的研究，詳細(xì)分析對(duì)比兩者的污染排放差異。

測(cè)算結(jié)果示意圖如圖1所示。按照行駛10萬(wàn)千米的里程測(cè)算，按前述技術(shù)統(tǒng)計(jì)值測(cè)算，純電動(dòng)汽車(chē)需要消耗電能14,600kWh。對(duì)應(yīng)兩種大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)下，電力來(lái)源結(jié)構(gòu)的三種不同情景下，氮氧化物（NOx）和顆粒物或煙塵（PM）排放方面，純電動(dòng)乘用車(chē)均顯著低于燃油車(chē)輛，燃油車(chē)的排放水平基本在純電動(dòng)乘用車(chē)的2.3倍及更多；而二氧化硫（SO2）排放方面，汽油車(chē)則顯著低于純電動(dòng)汽車(chē)，即便火電達(dá)到超低排放水平（100%電力來(lái)源清景），汽油車(chē)的二氧化硫貢獻(xiàn)仍低出約35%；若僅有50%的電力來(lái)源于僅達(dá)到國(guó)標(biāo)的火電機(jī)組時(shí)，二氧化硫的間接排放水平仍高于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油車(chē)9.5%；僅有50%的電力來(lái)源于達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)的火電機(jī)組時(shí)，則此時(shí)二氧化硫的間接排放水平則可低于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油車(chē)23.4%。而柴油車(chē)的二氧化硫排放仍顯著高于汽油車(chē)以及純電動(dòng)汽車(chē)的間接排放，為4.6倍及更多。

不同情景下的能源結(jié)構(gòu)顯示，進(jìn)一步提高我國(guó)清潔能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的占比，有利于進(jìn)一步減少純電動(dòng)汽車(chē)的間接排放，特別可以顯著減少二氧化硫的間接排放。

測(cè)算結(jié)果也一定程度反映出，火電廠采用高標(biāo)準(zhǔn)的污染集中治理，其效率遠(yuǎn)高于單個(gè)燃油機(jī)動(dòng)車(chē)的污染控制，純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于氮氧化物和顆粒物的控制均顯著較優(yōu)；但受限于燃料本身屬性的差異，比如煤中的硫分遠(yuǎn)高于燃油，因而純電動(dòng)汽車(chē)的二氧化硫間接排放仍高于汽油車(chē)。此外，傳統(tǒng)燃油車(chē)最重要的污染組分如揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）和一氧化碳（CO），由于火電廠幾乎沒(méi)有排放，因此本研究未作對(duì)比分析，但此類(lèi)組分仍對(duì)城市灰霾和臭氧等二次污染產(chǎn)生很大的貢獻(xiàn)，因而減少機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放仍然是治理城市大氣污染的重要環(huán)節(jié)。

另外一個(gè)方面，從溫室氣體排放的角度測(cè)算，火電機(jī)組分別按照2016年全國(guó)供電煤耗312g/kWh和最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組單位產(chǎn)品能源消耗限額GB21258-2017》中現(xiàn)役1,000MW機(jī)組一級(jí)指標(biāo)273g/kWh進(jìn)行測(cè)算。測(cè)算結(jié)果如圖2所示，純電動(dòng)汽車(chē)的二氧化碳間接排放，亦顯著低于燃油車(chē)輛的直接排放，這與火電廠能源利用效率高于普通車(chē)輛的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，而柴油車(chē)比汽油車(chē)更高的熱效率也反映在柴油車(chē)更低的二氧化碳排放水平上。

（三）全生命周期的環(huán)境影響

純電動(dòng)汽車(chē)在使用環(huán)節(jié)沒(méi)有直接的大氣污染物排放，也沒(méi)有直接碳排放，因此其運(yùn)營(yíng)和使用環(huán)節(jié)是環(huán)保友好的。然而從全生命周期的角度評(píng)價(jià)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，除了跟普通汽車(chē)一樣對(duì)于金屬、非金屬等材料的需求外，純電動(dòng)汽車(chē)特別需要相當(dāng)比例的動(dòng)力電池，而電池在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在較大的污染；后續(xù)報(bào)廢及處理處置環(huán)節(jié)，除了常規(guī)可回收的資源和材料之外，需要重點(diǎn)關(guān)注廢棄的動(dòng)力電池的妥善處理處置和無(wú)害化。

1、動(dòng)力電池

從動(dòng)力電池的應(yīng)用角度，由于其直接關(guān)乎純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛能力、能耗水平、充電便利使用程度，因此是純電動(dòng)汽車(chē)的核心部件。汽車(chē)業(yè)內(nèi)常見(jiàn)傳統(tǒng)的鎳氫、鎳鎘、鉛酸等電池，因?yàn)榇嬖谳^大的記憶效應(yīng)、自放電等問(wèn)題，在動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用漸漸變少。現(xiàn)階段主流的動(dòng)力電池基本為鋰離子動(dòng)力電池，可從正極材料加以區(qū)分，目前成功商用的正極材料主要有錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰以及三元材料，其中三元材料又分為鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰兩種，此外還有鈦酸鋰電池。不同電池在安全性、能量密度、單體標(biāo)稱(chēng)電壓、壽命、成本價(jià)格、抗低溫衰減能力、電池一致性等方面表現(xiàn)各有優(yōu)劣，對(duì)于不同類(lèi)型車(chē)輛的適用性亦有差異。比如客車(chē)等商用車(chē)，就可適裝能量密度稍低的電池；但對(duì)于乘用車(chē)而言，市場(chǎng)對(duì)于穩(wěn)定安全的高能量密度電池的需求則越來(lái)越顯著。

純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的要求理論上包括：能量密度與功率密度較髙，可大電流充放電，還要求具有良好的安全性、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長(zhǎng)而且成本較低，但到目前尚沒(méi)有任意一種電池能夠滿足上述所有要求。

一般地，鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝主要包括：制漿工藝、涂布工藝、裝配工藝、化成工藝。從攪拌制漿至檢驗(yàn)入庫(kù)，其中經(jīng)歷了連續(xù)涂布、連續(xù)輥壓、連續(xù)分條制片、連續(xù)卷繞、焊集流體、滾槽焊底、注液封口、化成分容等工藝環(huán)節(jié)。電池漿料中除了直接參加電化學(xué)反應(yīng)的正極漿料和負(fù)極漿料還包括黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑和溶劑等，其中黏結(jié)劑一般為聚偏氟乙烯（PVDF），導(dǎo)電劑為炭黑SuperP，溶劑為有機(jī)揮發(fā)性溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）或水；NMP存在微毒性。同時(shí)鋰離子生產(chǎn)線多采用自動(dòng)化程度較高的設(shè)備，主要包括：涂布機(jī)、對(duì)輥機(jī)、全自動(dòng)加投料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)機(jī)組、溶劑回收系統(tǒng)、化成分容設(shè)備等十多個(gè)耗能設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程中功耗亦很大；而包括揮發(fā)性有機(jī)溶劑等產(chǎn)生的廢氣、制漿溶劑等產(chǎn)生的廢水、物料環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄物，需要予以關(guān)注。

動(dòng)力電池報(bào)廢環(huán)節(jié)，亦需要妥善處置。如果動(dòng)力電池尚具有可用的能量存儲(chǔ)能力，可以將電池按照一定標(biāo)準(zhǔn)回收再利用，或者將大宗的退役電池組成儲(chǔ)能能源站，用于風(fēng)電光伏等清潔能源發(fā)電設(shè)備的電網(wǎng)調(diào)峰或分布式能源；例如2015年，博世、寶馬和瓦滕福公司利用寶馬純電動(dòng)汽車(chē)的退役電池，建造2MWh光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)。如果動(dòng)力電池需報(bào)廢拆解，例如三元電池中的鎳、鈷、錳、鋰等的含量，基本都高于對(duì)應(yīng)金屬礦藏的普通礦品位，若能合理回收利用資源，可以節(jié)約資源以及節(jié)約開(kāi)采過(guò)程的物耗和能耗。由于現(xiàn)階段不同廠商的動(dòng)力電池形制各異，報(bào)廢拆解過(guò)程尚存在部分限制因素，回收再利用的經(jīng)濟(jì)性總體不理想，但伴隨動(dòng)力電池產(chǎn)品的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)期未來(lái)規(guī)模化的回收再利用工作將能有更多市場(chǎng)空間，同時(shí)亦符合資源節(jié)約與循環(huán)利用的理念。

2、電機(jī)和電控

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)車(chē)輛的核心部件之一，其工作特性對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性能至關(guān)重要。主流電機(jī)包括：直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（又稱(chēng)SR電機(jī)）。

直流電機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，且控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但因?yàn)榘惭b有電刷和機(jī)械換向器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，會(huì)磨損嚴(yán)重需要定期更換；交流電機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用和維修方便，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，但工作時(shí)繞組線圈電流比較大，溫度較高，銅損嚴(yán)重，工作效率和功率密度較低；永磁電機(jī)依靠永磁體轉(zhuǎn)子工作，減少了勵(lì)磁所帶來(lái)的損耗，散熱比較容易，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修方便，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、成本比較高；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為定、轉(zhuǎn)子硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性好、適于大批量生產(chǎn)、成本低，但是一種新型電機(jī)，技術(shù)還不夠成熟。目前純電動(dòng)汽車(chē)中釆用的多是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)等交流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、效率特性、恒功率范圍等指標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性的重要評(píng)價(jià)方面。

純電動(dòng)汽車(chē)的電控系統(tǒng)，即包括整車(chē)控制器（VCU）及其控制系統(tǒng)、電機(jī)控制器（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS），對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。

VCU也稱(chēng)動(dòng)力總成控制系統(tǒng)，其根據(jù)鑰匙開(kāi)關(guān)、擋位、加速踏板行程信號(hào)、制動(dòng)踏板行程信號(hào)以及車(chē)速信號(hào)識(shí)別車(chē)輛行駛模式，基于設(shè)定的控制策略對(duì)整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制，以滿足對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及駕駛舒適性的要求。MCU通過(guò)接收VCU控制指令，控制電動(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，同時(shí)具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲(chǔ)功能。BMS則針對(duì)具體需求對(duì)動(dòng)力電池取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池關(guān)鍵數(shù)據(jù)，估計(jì)電池工作狀態(tài)，控制電池組充放電過(guò)程，提高電池能量利用效率，延長(zhǎng)動(dòng)力電池循環(huán)壽命，保證動(dòng)力電池使用安全。

電控系統(tǒng)的核心部件基本由硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件組成。從生產(chǎn)過(guò)程中看，三電系統(tǒng)物質(zhì)層面或物料使用層面消耗的資源并不多，而軟件層面的技術(shù)開(kāi)發(fā)則是產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)；從報(bào)廢環(huán)節(jié)看，三電系統(tǒng)中的電路板等各種電子元器件的妥善處理處置則值得關(guān)注，尤其是電子器件通常含有重金屬/貴金屬（如汞、鉻、銅、金、銀）和塑料或樹(shù)脂等有機(jī)組分，因而此報(bào)廢環(huán)節(jié)需要注意回收可資源化的材料，同時(shí)關(guān)注有毒有害物質(zhì)的妥善處理處置。

四、后續(xù)研究展望

純電動(dòng)汽車(chē)是目前最受關(guān)注的新能源汽車(chē)之一，使用階段的大氣污染物零排放是其最具有吸引力的特征。后續(xù)如何全面分析其間接排放、綜合評(píng)估其產(chǎn)品優(yōu)劣、評(píng)價(jià)各地鼓勵(lì)政策的實(shí)際效果、對(duì)比其他類(lèi)型新能源汽車(chē)環(huán)境效益的異同，均可作為可探討的問(wèn)題開(kāi)展研究。

（一）純電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)期間以電力為唯一輸入能源，但是電力的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)卻很復(fù)雜。我國(guó)現(xiàn)階段仍以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)，決定了純電動(dòng)汽車(chē)的使用環(huán)節(jié)仍有間接污染物排放和碳排放。評(píng)價(jià)不同地區(qū)的純電動(dòng)汽車(chē)間接排放，則需要評(píng)價(jià)各地的電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的電力分配結(jié)構(gòu)；而不同類(lèi)型的純電動(dòng)汽車(chē)的完全使用成本和全生命周期評(píng)價(jià)，也可作為后續(xù)的問(wèn)題進(jìn)一步研究。

（二）純電動(dòng)汽車(chē)的環(huán)境效益體現(xiàn)在運(yùn)行和使用環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段《目錄》將新能源汽車(chē)的生產(chǎn)納入綠色債券支持項(xiàng)目范疇，本研究并未直接評(píng)估生產(chǎn)過(guò)程，而是從產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行角度，評(píng)估純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品環(huán)境效益的綜合表現(xiàn)。如何評(píng)估產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)水平高低，可對(duì)生產(chǎn)線本身的技術(shù)工藝進(jìn)行評(píng)估分析，也可通過(guò)汽車(chē)產(chǎn)品性能評(píng)估生產(chǎn)技術(shù)水平。此外，純電動(dòng)汽車(chē)作為重要的耐用消費(fèi)產(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)語(yǔ)言、外形美感、人機(jī)交互、舒適程度、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面的考察，也是衡量產(chǎn)品優(yōu)劣的重要方面。因而后續(xù)考慮可以研究如何全面綜合評(píng)估純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品生產(chǎn)。

（三）現(xiàn)階段出臺(tái)限購(gòu)政策的城市所設(shè)定的各地鼓勵(lì)推廣的新能源汽車(chē)的類(lèi)型細(xì)節(jié)并不一致，例如北京限定為純電動(dòng)汽車(chē)，而其他城市基本都包括了各類(lèi)型的新能源汽車(chē)，但具體是搖號(hào)配置還是可以直接申請(qǐng)，不同城市亦有差異。政策導(dǎo)向的不同，將導(dǎo)致不同城市新能源汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展以及新能源汽車(chē)應(yīng)用的環(huán)境效益也將可能存在差異。后續(xù)可以關(guān)注各城市的新能源汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展變化。

（四）此外，部分使用電力的混合動(dòng)力汽車(chē)以及使用氫能等形式的燃料電池汽車(chē)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)，需要根據(jù)其技術(shù)特性作后續(xù)的探討分析。

參考資料

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