混合動力汽車動力系統(tǒng)環(huán)境影響對比分析

王一品　李柏姝

摘 要：本文主要運用生命周期評價法對目前市面上普遍使用的兩套混合動力汽車動力系統(tǒng)（方案A、方案B）進(jìn)行生命周期評價對比，從動力系統(tǒng)組裝（包括原材料獲取）、道路運輸以及廢棄三個階段對兩種動力系統(tǒng)進(jìn)行比對分析，最后在保證使用條件的前提下選取最優(yōu)。本文所研究的動力系統(tǒng)構(gòu)成包括電動機、發(fā)動機和動力電池三個主要元件。綜合結(jié)果顯示方案A為最優(yōu)選擇。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 生命周期 動力系統(tǒng)

Comparative Analysis of Environmental Impact of Hybrid Electric Vehicle Power System

Wang Yipin，Li Baishu

Abstract：This article mainly uses the life cycle assessment method to compare the two sets of hybrid electric vehicle power systems currently used in the market （Scheme A， Option B）， from the power system assembly （including the acquisition of raw materials）， to road transportation and disposal. The two power systems are compared and analyzed in three stages， and finally the best is selected under the premise of ensuring the conditions of use. The composition of the power system studied in this paper includes three main components： electric motor， engine and power battery. The comprehensive results show that option A is the best choice.

Key words：hybrid electric vehicle， life cycle， power system

在混合動力汽車動力系統(tǒng)按照能量傳遞的方式，一般可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式[1]。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)首先由發(fā)動機帶動發(fā)電機并產(chǎn)生電能，之后電能經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換器后通過電動機驅(qū)動車輪，期間所產(chǎn)生的多余電能可以存儲到動力電池中。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)擁有兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，電機與發(fā)動機均可以獨立驅(qū)動車輪，也可以同時驅(qū)動車輪。混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相對于串聯(lián)式增加了發(fā)動機到傳動裝置的機械動力傳遞路線;比并聯(lián)式增加了將動能直接轉(zhuǎn)化為電能的傳輸路線，同時兼具串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點。本文主要以混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為主要研究對象，并且主要研究發(fā)動機、電動機以及動力電池三個混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中的主要動力輸出元件。

1 生命周期建模

本研究選擇兩款目前市面上流行的兩種動力系統(tǒng)搭配方案，命名為方案A與方案B，其中方案A的動力電池為鎳氫電池，電池內(nèi)部有30個電池模塊，每個模塊質(zhì)量約為1.4kg，故電池質(zhì)量約為42kg，發(fā)動機為鋁制發(fā)動機其質(zhì)量為140kg，電動機為永磁式電動機質(zhì)量為26kg。表1—3分別為方案A的動力電池、發(fā)動機、電動機的制造清單。

方案B的動力電池為鉛酸電池，質(zhì)量約為80kg，發(fā)動機為鋼制發(fā)動機質(zhì)量為235kg，方案B電動機的材料組成與方案A基本一致，故不再單獨列出。表4—5分別為方案B的動力電池、發(fā)動機的制造清單。

原材料運輸以及配件組裝運輸階段運輸里程取2018年全國公路貨物運輸平均里程180km[2]。

模型過程框圖中的Pt表示該線條的長度單位，粗線條的長度表示不同的階段流程對該過程造成的影響的貢獻(xiàn)值。

將制造清單數(shù)據(jù)導(dǎo)入SimaPro生命周期軟件中可得到方案A與方案B的網(wǎng)狀模式圖如下：

2 結(jié)果分析

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)代入以及動力系統(tǒng)生命周期網(wǎng)狀圖的分析，可以通過SimaPro軟件得到下列三種關(guān)于兩套配置方案生命周期的分析圖像，圖3為生命周期影響對比評價圖，圖4為加權(quán)比重對比評價圖，圖5為單一記分對比評價圖。

圖3中，圖像橫坐標(biāo)代表生命周期評價影響中的各項評價指標(biāo)，其中包括致癌物質(zhì)、可吸入有機物、可吸入無機物、大氣影響、放射性物質(zhì)、臭氧層影響、酸化影響、以及富營養(yǎng)化等十幾項評價指標(biāo)。縱坐標(biāo)代表指標(biāo)的數(shù)值大小[3]，由圖像可以看出相較于方案A，方案B在大多數(shù)的影響指標(biāo)中都占據(jù)這主要影響地位，除致癌物質(zhì)與放射性物質(zhì)外，在其余的指標(biāo)中方案B的貢獻(xiàn)指數(shù)都達(dá)到了100%。

圖4橫坐標(biāo)代表三個評價指標(biāo)分別代表人類健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量以及自然資源，縱坐標(biāo)代表在該項指標(biāo)中的影響程度大小，在人類健康指標(biāo)中方案A的總體貢獻(xiàn)值為79.2Pt，方案B為96.7Pt，在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)中方案A的總體貢獻(xiàn)值為9.37Pt，方案B為14.6Pt，在自然資源指標(biāo)中方案A的總體貢獻(xiàn)值為78.1Pt，方案B為113Pt。通過以上的數(shù)據(jù)可以看出，方案B在三項指標(biāo)中的影響貢獻(xiàn)均大于方案A，主要原因是動力電池中的鉛對于環(huán)境的污染程度。

單一值記分分析就是在記分的基礎(chǔ)上再將加權(quán)比重分析結(jié)合到其中，圖5中橫坐標(biāo)從左至右分別代表方案A與方案B，縱坐標(biāo)代表影響數(shù)值大小，圖像中灰色部分代表自然資源，綠色部分代表生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，黃色部分代表人類健康，通過單一值計分法分析，在人類健康中的影響貢獻(xiàn)值為79.2Pt，與之相對應(yīng)的方案B的數(shù)值為96.7Pt，在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量中方案A的影響貢獻(xiàn)值為9.37Pt，方案B為14.6Pt，在自然資源中方案A的影響貢獻(xiàn)值為78.1Pt，方案B的為113Pt，通過以上的數(shù)據(jù)可以看出方案B在三個指標(biāo)中的影響貢獻(xiàn)均大于方案A，主要原因是方案A所使用的是對環(huán)境污染較小的鎳氫動力電池，而方案B所使用的是對環(huán)境影響較大的鉛酸動力電池，這也是方案B在對比分析中對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)值相對較大的重要原因，而且這種影響主要集中在廢棄階段。總體來看方案A的全生命周期對于環(huán)境影響的貢獻(xiàn)相對較低，故在保證使用條件的前提下，方案A為最優(yōu)選擇。

3 結(jié)語

結(jié)果顯示在具有大致相同的比功率與比能量的前提下，方案A對環(huán)境的影響最小，而造成兩套方案環(huán)境影響差異的主要原因在于動力電池的選擇。鎳氫動力電池在生命周期的各個階段對于環(huán)境的影響相對較小，但是其在制造階段的所需能耗卻高于鉛酸動力電池，主要原因是其主要組成當(dāng)中含有大量的鎳與稀土等所需能耗較高的原材料[4]，同時其造成的環(huán)境影響雖不及鉛酸蓄電池，但是同樣不可忽視其影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.（專著）.

[2]國家統(tǒng)計局.中國交通年鑒2018[J].北京：中國交通年鑒，2019.（期刊）.

[3]沈建. 鋸材產(chǎn)品的生命周期評價[D].東北林業(yè)大學(xué)，2015（04）：30.（碩士論文）.

[4]郝夏艷. 某混合動力汽車動力系統(tǒng)生命周期能耗和排放評價[D].湖南大學(xué)，2009（05）：57-58.（碩士論文）.