我國純電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及其環(huán)境效益研究

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

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

這里需要說明的是，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，說明兩者大致的污染排放水平。后續(xù)可通過更深入的研究，詳細(xì)分析對(duì)比兩者的污染排放差異。

測算結(jié)果示意圖如圖1所示。按照行駛10萬千米的里程測算，按前述技術(shù)統(tǒng)計(jì)值測算，純電動(dòng)汽車需要消耗電能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)乘用車均顯著低于燃油車輛，燃油車的排放水平基本在純電動(dòng)乘用車的2.3倍及更多；而二氧化硫（SO2）排放方面，汽油車則顯著低于純電動(dòng)汽車，即便火電達(dá)到超低排放水平（100%電力來源清景），汽油車的二氧化硫貢獻(xiàn)仍低出約35%；若僅有50%的電力來源于僅達(dá)到國標(biāo)的火電機(jī)組時(shí)，二氧化硫的間接排放水平仍高于國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油車9.5%；僅有50%的電力來源于達(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Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油車23.4%。而柴油車的二氧化硫排放仍顯著高于汽油車以及純電動(dòng)汽車的間接排放，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)汽車的間接排放，特別可以顯著減少二氧化硫的間接排放。

測算結(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)車的污染控制，純電動(dòng)汽車對(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)汽車的二氧化硫間接排放仍高于汽油車。此外，傳統(tǒng)燃油車最重要的污染組分如揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）和一氧化碳（CO），由于火電廠幾乎沒有排放，因此本研究未作對(duì)比分析，但此類組分仍對(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算，火電機(jī)組分別按照2016年全國供電煤耗312g/kWh和最新國家標(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)行測算。測算結(jié)果如圖2所示，純電動(dòng)汽車的二氧化碳間接排放，亦顯著低于燃油車輛的直接排放，這與火電廠能源利用效率高于普通車輛的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，而柴油車比汽油車更高的熱效率也反映在柴油車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)汽車在使用環(huán)節(jié)沒有直接的大氣污染物排放，也沒有直接碳排放，因此其運(yùn)營和使用環(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，除了跟普通汽車一樣對(duì)于金屬、非金屬等材料的需求外，純電動(dòng)汽車特別需要相當(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)汽車的核心部件。汽車業(yè)內(nèi)常見傳統(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)于不同類型車輛的適用性亦有差異。比如客車等商用車，就可適裝能量密度稍低的電池；但對(duì)于乘用車而言，市場對(duì)于穩(wěn)定安全的高能量密度電池的需求則越來越顯著。

純電動(dòng)汽車對(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)壽命長而且成本較低，但到目前尚沒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，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)約開采過程的物耗和能耗。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)期未來規(guī)模化的回收再利用工作將能有更多市場空間，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)車輛的核心部件之一，其工作特性對(duì)汽車的動(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)、開關(guān)磁阻電機(jī)（又稱SR電機(jī)）。

直流電機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，且控制系統(tǒng)簡單，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)磁所帶來的損耗，散熱比較容易，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，維修方便，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、成本比較高；開關(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)汽車的電控系統(tǒng)，即包括整車控制器（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也稱動(dòng)力總成控制系統(tǒng)，其根據(jù)鑰匙開關(guān)、擋位、加速踏板行程信號(hào)、制動(dòng)踏板行程信號(hào)以及車速信號(hào)識(shí)別車輛行駛模式，基于設(shè)定的控制策略對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制，以滿足對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及駕駛舒適性的要求。MCU通過接收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)力電池取長補(bǔ)短，實(shí)時(shí)監(jiān)測動(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程，提高電池能量利用效率，延長動(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)汽車是目前最受關(guān)注的新能源汽車之一，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)比其他類型新能源汽車環(huán)境效益的異同，均可作為可探討的問題開展研究。

（一）純電動(dòng)汽車運(yùn)營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)；而不同類型的純電動(dòng)汽車的完全使用成本和全生命周期評(píng)價(jià)，也可作為后續(xù)的問題進(jìn)一步研究。

（二）純電動(dòng)汽車的環(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，也可通過汽車產(chǎn)品性能評(píng)估生產(chǎn)技術(shù)水平。此外，純電動(dòng)汽車作為重要的耐用消費(fèi)產(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)語言、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)汽車產(chǎn)品生產(chǎn)。

（三）現(xiàn)階段出臺(tái)限購政策的城市所設(shè)定的各地鼓勵(lì)推廣的新能源汽車的類型細(xì)節(jié)并不一致，例如北京限定為純電動(dòng)汽車，而其他城市基本都包括了各類型的新能源汽車，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市場發(fā)展以及新能源汽車應(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市場發(fā)展變化。

（四）此外，部分使用電力的混合動(dòng)力汽車以及使用氫能等形式的燃料電池汽車的環(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。

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