我国纯电动汽车发展现状及其环境效益研究

2017-11-23 10:00:59 来源:中债资信　点击量：评论 (0)

摘要：2017年年中以来，媒体陆续披露欧盟多个国家已经设置了传统能源汽车退出的时间表，我国工信部在2017年9月初亦指出，已经启动我国传统能源车退出时间表的相关研究工作，新能源汽车越来越受到各方的关注。我国

这里需要说明的是，燃煤火电机组的主要污染物为二氧化硫、氮氧化物和烟尘，而机动车尾气的主要污染物为一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机物、二氧化硫、颗粒物等，大气污染物的主要结构并不完全一致。本研究选取主要污染物指标作为示例，说明两者大致的污染排放水平。后续可通过更深入的研究，详细分析对比两者的污染排放差异。

测算结果示意图如图1所示。按照行驶10万千米的里程测算，按前述技术统计值测算，纯电动汽车需要消耗电能14,600kWh。对应两种大气污染物排放标准下，电力来源结构的三种不同情景下，氮氧化物（NOx）和颗粒物或烟尘（PM）排放方面，纯电动乘用车均显著低于燃油车辆，燃油车的排放水平基本在纯电动乘用车的2.3倍及更多；而二氧化硫（SO2）排放方面，汽油车则显著低于纯电动汽车，即便火电达到超低排放水平（100%电力来源清景），汽油车的二氧化硫贡献仍低出约35%；若仅有50%的电力来源于仅达到国标的火电机组时，二氧化硫的间接排放水平仍高于国Ⅵ标准的汽油车9.5%；仅有50%的电力来源于达到超低排放标准的火电机组时，则此时二氧化硫的间接排放水平则可低于国Ⅵ标准的汽油车23.4%。而柴油车的二氧化硫排放仍显著高于汽油车以及纯电动汽车的间接排放，为4.6倍及更多。

不同情景下的能源结构显示，进一步提高我国清洁能源生产结构的占比，有利于进一步减少纯电动汽车的间接排放，特别可以显著减少二氧化硫的间接排放。

测算结果也一定程度反映出，火电厂采用高标准的污染集中治理，其效率远高于单个燃油机动车的污染控制，纯电动汽车对于氮氧化物和颗粒物的控制均显著较优；但受限于燃料本身属性的差异，比如煤中的硫分远高于燃油，因而纯电动汽车的二氧化硫间接排放仍高于汽油车。此外，传统燃油车最重要的污染组分如挥发性有机物（VOC）和一氧化碳（CO），由于火电厂几乎没有排放，因此本研究未作对比分析，但此类组分仍对城市灰霾和臭氧等二次污染产生很大的贡献，因而减少机动车尾气的排放仍然是治理城市大气污染的重要环节。

另外一个方面，从温室气体排放的角度测算，火电机组分别按照2016年全国供电煤耗312g/kWh和最新国家标准《常规燃煤发电机组单位产品能源消耗限额GB21258-2017》中现役1,000MW机组一级指标273g/kWh进行测算。测算结果如图2所示，纯电动汽车的二氧化碳间接排放，亦显著低于燃油车辆的直接排放，这与火电厂能源利用效率高于普通车辆的燃油发动机有关，而柴油车比汽油车更高的热效率也反映在柴油车更低的二氧化碳排放水平上。

（三）全生命周期的环境影响

纯电动汽车在使用环节没有直接的大气污染物排放，也没有直接碳排放，因此其运营和使用环节是环保友好的。然而从全生命周期的角度评价，生产环节中，除了跟普通汽车一样对于金属、非金属等材料的需求外，纯电动汽车特别需要相当比例的动力电池，而电池在生产环节存在较大的污染；后续报废及处理处置环节，除了常规可回收的资源和材料之外，需要重点关注废弃的动力电池的妥善处理处置和无害化。

1、动力电池

从动力电池的应用角度，由于其直接关乎纯电动汽车的续驶能力、能耗水平、充电便利使用程度，因此是纯电动汽车的核心部件。汽车业内常见传统的镍氢、镍镉、铅酸等电池，因为存在较大的记忆效应、自放电等问题，在动力电池领域的应用渐渐变少。现阶段主流的动力电池基本为锂离子动力电池，可从正极材料加以区分，目前成功商用的正极材料主要有锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂以及三元材料，其中三元材料又分为镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂两种，此外还有钛酸锂电池。不同电池在安全性、能量密度、单体标称电压、寿命、成本价格、抗低温衰减能力、电池一致性等方面表现各有优劣，对于不同类型车辆的适用性亦有差异。比如客车等商用车，就可适装能量密度稍低的电池；但对于乘用车而言，市场对于稳定安全的高能量密度电池的需求则越来越显著。

纯电动汽车对动力电池的要求理论上包括：能量密度与功率密度较髙，可大电流充放电，还要求具有良好的安全性、耐高温低温、循环寿命长而且成本较低，但到目前尚没有任意一种电池能够满足上述所有要求。

一般地，锂离子动力电池生产环节工艺主要包括：制浆工艺、涂布工艺、装配工艺、化成工艺。从搅拌制浆至检验入库，其中经历了连续涂布、连续辊压、连续分条制片、连续卷绕、焊集流体、滚槽焊底、注液封口、化成分容等工艺环节。电池浆料中除了直接参加电化学反应的正极浆料和负极浆料还包括黏结剂、导电剂和溶剂等，其中黏结剂一般为聚偏氟乙烯（PVDF），导电剂为炭黑SuperP，溶剂为有机挥发性溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）或水；NMP存在微毒性。同时锂离子生产线多采用自动化程度较高的设备，主要包括：涂布机、对辊机、全自动加投料系统、真空系统机组、溶剂回收系统、化成分容设备等十多个耗能设备，生产过程中功耗亦很大；而包括挥发性有机溶剂等产生的废气、制浆溶剂等产生的废水、物料环节产生的废弃物，需要予以关注。

动力电池报废环节，亦需要妥善处置。如果动力电池尚具有可用的能量存储能力，可以将电池按照一定标准回收再利用，或者将大宗的退役电池组成储能能源站，用于风电光伏等清洁能源发电设备的电网调峰或分布式能源；例如2015年，博世、宝马和瓦滕福公司利用宝马纯电动汽车的退役电池，建造2MWh光伏电站储能系统。如果动力电池需报废拆解，例如三元电池中的镍、钴、锰、锂等的含量，基本都高于对应金属矿藏的普通矿品位，若能合理回收利用资源，可以节约资源以及节约开采过程的物耗和能耗。由于现阶段不同厂商的动力电池形制各异，报废拆解过程尚存在部分限制因素，回收再利用的经济性总体不理想，但伴随动力电池产品的规范化和标准化，预期未来规模化的回收再利用工作将能有更多市场空间，同时亦符合资源节约与循环利用的理念。

2、电机和电控

驱动电机是纯电动车辆的核心部件之一，其工作特性对汽车的动力性能至关重要。主流电机包括：直流电机、交流感应电机、永磁电机、开关磁阻电机（又称SR电机）。

直流电机技术相对成熟，且控制系统简单，但因为安装有电刷和机械换向器等机械结构，会磨损严重需要定期更换；交流电机结构比较简单，使用和维修方便，能适应各种复杂环境，但工作时绕组线圈电流比较大，温度较高，铜损严重，工作效率和功率密度较低；永磁电机依靠永磁体转子工作，减少了励磁所带来的损耗，散热比较容易，结构相对简单，维修方便，控制系统相对复杂、成本比较高；开关磁阻电机为定、转子硅钢片叠压而成的双凸极结构，它具有结构紧凑、效率高、可靠性好、适于大批量生产、成本低，但是一种新型电机，技术还不够成熟。目前纯电动汽车中釆用的多是永磁同步电机和交流异步电机等交流电驱动系统。电机的扭矩、转速、效率特性、恒功率范围等指标作为驱动电机特性的重要评价方面。

纯电动汽车的电控系统，即包括整车控制器（VCU）及其控制系统、电机控制器（MCU）、电池管理系统（BMS），对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

VCU也称动力总成控制系统，其根据钥匙开关、挡位、加速踏板行程信号、制动踏板行程信号以及车速信号识别车辆行驶模式，基于设定的控制策略对整车动力系统进行控制，以满足对车辆动力性、经济性及驾驶舒适性的要求。MCU通过接收VCU控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶，同时具有电机系统故障诊断保护和存储功能。BMS则针对具体需求对动力电池取长补短，实时监测动力电池关键数据，估计电池工作状态，控制电池组充放电过程，提高电池能量利用效率，延长动力电池循环寿命，保证动力电池使用安全。

电控系统的核心部件基本由硬件电路、底层软件和应用层软件组成。从生产过程中看，三电系统物质层面或物料使用层面消耗的资源并不多，而软件层面的技术开发则是产品的重要环节；从报废环节看，三电系统中的电路板等各种电子元器件的妥善处理处置则值得关注，尤其是电子器件通常含有重金属/贵金属（如汞、铬、铜、金、银）和塑料或树脂等有机组分，因而此报废环节需要注意回收可资源化的材料，同时关注有毒有害物质的妥善处理处置。

四、后续研究展望

纯电动汽车是目前最受关注的新能源汽车之一，使用阶段的大气污染物零排放是其最具有吸引力的特征。后续如何全面分析其间接排放、综合评估其产品优劣、评价各地鼓励政策的实际效果、对比其他类型新能源汽车环境效益的异同，均可作为可探讨的问题开展研究。

（一）纯电动汽车运营期间以电力为唯一输入能源，但是电力的生产结构却很复杂。我国现阶段仍以煤电为主的电力结构，决定了纯电动汽车的使用环节仍有间接污染物排放和碳排放。评价不同地区的纯电动汽车间接排放，则需要评价各地的电力生产结构和电网的电力分配结构；而不同类型的纯电动汽车的完全使用成本和全生命周期评价，也可作为后续的问题进一步研究。

（二）纯电动汽车的环境效益体现在运行和使用环节。现阶段《目录》将新能源汽车的生产纳入绿色债券支持项目范畴，本研究并未直接评估生产过程，而是从产品的实际运行角度，评估纯电动汽车产品环境效益的综合表现。如何评估产品生产环节的技术水平高低，可对生产线本身的技术工艺进行评估分析，也可通过汽车产品性能评估生产技术水平。此外，纯电动汽车作为重要的耐用消费产品，包括设计语言、外形美感、人机交互、舒适程度、互联网应用等方面的考察，也是衡量产品优劣的重要方面。因而后续考虑可以研究如何全面综合评估纯电动汽车产品生产。

（三）现阶段出台限购政策的城市所设定的各地鼓励推广的新能源汽车的类型细节并不一致，例如北京限定为纯电动汽车，而其他城市基本都包括了各类型的新能源汽车，但具体是摇号配置还是可以直接申请，不同城市亦有差异。政策导向的不同，将导致不同城市新能源汽车市场发展以及新能源汽车应用的环境效益也将可能存在差异。后续可以关注各城市的新能源汽车市场发展变化。

（四）此外，部分使用电力的混合动力汽车以及使用氢能等形式的燃料电池汽车的环境效益评价，需要根据其技术特性作后续的探讨分析。

参考资料

[1]于广.电动汽车动力电池管理系统研究与设计[D].山东大学,2016.

[2]田建伟,李鹏程,林翎,谷长栋.锂离子动力电池低能耗低污染生产集成控制技术研究[J].标准科学,2015,(06):34-38.

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