純電動(dòng)乘用車碳排放量關(guān)鍵影響因子相關(guān)性分析

么麗欣 劉斌 馬乃鋒

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：純電動(dòng)汽車 相關(guān)性分析 碳排放 環(huán)境影響

縮略語

BEV Battery Electric Vehicle

LCA Life Cycle Assessment

1 引言

汽車產(chǎn)業(yè)碳中和是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及能源、工業(yè)及交通信息多個(gè)領(lǐng)域，以及研發(fā)、生產(chǎn)制造、使用和回收多個(gè)環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，不僅需要自身技術(shù)突破，還需要其它相關(guān)行業(yè)加快低碳技術(shù)研發(fā)，加速汽車全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能減排，共同推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

近一年來，雙碳目標(biāo)已經(jīng)成為推動(dòng)新能源汽車快速發(fā)展、加快汽車產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年1～9月新能源汽車產(chǎn)量共計(jì)216.6萬輛，同比增長1.8倍，遠(yuǎn)高于行業(yè)整體增速，其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)量180.3萬輛，插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)量36.2萬輛。得益于電池結(jié)構(gòu)和電池材料的技術(shù)創(chuàng)新，搭載磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的車型續(xù)駛里程持續(xù)提升，能夠滿足消費(fèi)者日常出行需求，目前磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量占比逐漸攀升。

國內(nèi)外研究成果[1-2]表明，采用全生命周期的視角是研究汽車產(chǎn)品資源消耗和對(duì)環(huán)境影響的重要方法。汽車產(chǎn)品生命周期總體碳排放量由燃料周期和車輛周期共同構(gòu)成。經(jīng)研究測(cè)算，雖然純電動(dòng)汽車在車輛周期的碳排放量高于傳統(tǒng)燃油車，但是由于純電動(dòng)汽車能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行階段零排放，使得其生命周期總碳排放量比傳統(tǒng)車更低，并且未來減排潛力更大[3]。

本文選取純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)代表車型，定量分析關(guān)鍵影響因子與碳排放量的關(guān)系，對(duì)純電動(dòng)乘用車的減碳途徑提出發(fā)展建議。

2 模型和輸入

2.1 生命周期模型

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是從整個(gè)生命周期的視角分析汽車產(chǎn)品在原材料獲取、零部件生產(chǎn)制造、整車生產(chǎn)制造、燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸、燃料使用和報(bào)廢回收各個(gè)階段的資源消耗，以及環(huán)境影響的評(píng)價(jià)方法。考慮輸入數(shù)據(jù)的可獲取程度以及對(duì)車型總體碳排放量的貢獻(xiàn)度，本文對(duì)純電動(dòng)乘用車的碳排放量計(jì)算只考慮傳統(tǒng)部件原材料獲取、電池原材料獲取、整車生產(chǎn)制造、車輛行駛過程電力上游4個(gè)階段[4-5]，其它階段忽略不計(jì)，計(jì)算公式如式（1）。

式中，CBEV為BEV總體碳排放量；CM為傳統(tǒng)部件原材料獲取階段的碳排放量；CBM為電池原材料獲取階段的碳排放量；CP為整車生產(chǎn)制造階段的碳排放量；CF為車輛行駛過程電力上游的碳排放量。

傳統(tǒng)部件原材料獲取階段的碳排放量（CM），計(jì)算公式如式（2）。

式中，n為BEV傳統(tǒng)部件材料種類的數(shù)量；Wi為傳統(tǒng)部件第i種材料質(zhì)量；Ei為傳統(tǒng)部件第i種材料碳排放因子；L為BEV生命周期行駛里程。

電池原材料獲取階段的碳排放量（CBM），計(jì)算公式如式（3）。

式中，n為BEV電池材料種類的數(shù)量；BWi為電池第i種材料質(zhì)量；BEi為電池第i種材料碳排放因子；L為BEV生命周期行駛里程。

整車生產(chǎn)制造階段的碳排放量（CP），計(jì)算公式如式（4）[6]。

式中，n為BEV整車生產(chǎn)制造過程消耗化石能源的數(shù)量；FCi為第i種化石能源消耗量；FEi為第i種化石能源使用過程碳排放因子；ECp為整車生產(chǎn)制造過程電力消耗量；EP為電力生產(chǎn)過程碳排放因子；L為BEV生命周期行駛里程。

車輛行駛過程電力上游的碳排放量（CF），計(jì)算公式如式（5）。

式中，EC為BEV行駛過程單位里程電耗；EP為電力生產(chǎn)過程碳排放因子。

2.2 相關(guān)性分析法

相關(guān)性分析法是生命周期研究中用來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的輸入因子對(duì)輸出結(jié)果影響程度大小的方法，可以細(xì)分為單因子相關(guān)性分析和多因子相關(guān)性分析，單因子相關(guān)性分析用于衡量單個(gè)輸入因子對(duì)輸出結(jié)果的影響大小，多因子相關(guān)性分析用于衡量?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上輸入因子對(duì)輸出結(jié)果的影響大小。本文采用單因子相關(guān)性分析法來研究不同因子對(duì)碳排放量的影響。

2.3 影響因子

根據(jù)生命周期模型可以看出，純電動(dòng)乘用車的碳排放量由車輛材料質(zhì)量、車輛材料碳排放因子、生產(chǎn)制造過程的能源消耗量、整車電耗、電力上游碳排放因子、出行特征因素共同決定。經(jīng)測(cè)算，從各個(gè)階段碳排放量在BEV生命周期總碳排放量中所占權(quán)重來看，車輛行駛過程電力上游最大，其次是傳統(tǒng)部件原材料獲取階段、電池原材料獲取階段，整車生產(chǎn)制造階段最小。另外，純電動(dòng)汽車的質(zhì)量與電池能量密度呈負(fù)相關(guān)，電池密度越大，整車質(zhì)量越小[7]。因此，本文重點(diǎn)分析車輛行駛里程、電網(wǎng)清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率這5個(gè)影響因子與碳排放量的相關(guān)性。

2.4 代表車型

為了區(qū)分搭載不同類型動(dòng)力電池車型的碳排放量與各個(gè)影響因子的相關(guān)性，同時(shí)需要兼顧不同對(duì)象車型參數(shù)具備可比性的原則，本文選取某公司的A級(jí)純電動(dòng)轎車不同版本的車型作為研究對(duì)象，將續(xù)駛里程410 km、搭載磷酸鐵鋰電池的車型記作BEV①，將續(xù)駛里程510 km、搭三元鋰電池的車型記作BEV②，將續(xù)駛里程602 km、搭三元鋰電池的車型記作BEV③，表1為代表車型的部分參數(shù)，主要參考2020年第9批和2021年第5批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》[8-9]。假設(shè)車輛生命周期行駛里程150 000 km，BEV①、BEV②、BEV③單位里程的碳排放量分別為115.6 g·km-1、127.5g·km-1和133.3 g·km-1。

表1 代表車型主要參數(shù)

3 關(guān)鍵影響因子相關(guān)性分析

3.1 車輛行駛里程

車輛行駛里程反映了一輛車整個(gè)生命周期的使用強(qiáng)度。隨著汽車使用強(qiáng)度的增大，純電動(dòng)汽車車輛周期的碳排放量被大幅稀釋，因此總碳排放量將明顯下降。本文以50 000 km為劃分區(qū)間分別計(jì)算3款BEV車型的總碳排放量。從圖1可以看到，當(dāng)生命周期內(nèi)行駛里程從50 000 km增長到200 000 km，各車型的總碳排放量呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，平均每多行駛10 000 km，BEV①單位里程碳排放量下降5.5 g·km-1，BEV②和BEV③單位里程碳排放量下降7～8 g·km-1，可見，隨車輛行駛里程提升，搭載三元鋰電池的BEV碳排放量降幅大于搭載磷酸鐵鋰電池的BEV；當(dāng)生命周期內(nèi)行駛里程從200 000 km到500 000 km，車型總碳排放量仍保持下降趨勢(shì)，但是降幅趨緩，這也表明對(duì)于出租營運(yùn)車輛而言，由于行駛里程較長，單位里程總碳排放量大幅低于私人用車，減碳效果十分明顯，因此出租領(lǐng)域應(yīng)大力推廣電動(dòng)化。

圖1 車輛行駛里程相關(guān)性

3.2 電網(wǎng)清潔化

由于煤炭資源豐富，火力發(fā)電是我國主要的發(fā)電方式，約占全國總發(fā)電量的70%左右[10]。本文采用的電力生產(chǎn)碳排放因子0.6101 kg·（kW·h）-1來自2021年3月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》[11]。車輛行駛過程電力上游，即燃料上游是純電動(dòng)汽車全生命周期碳排放的主要構(gòu)成，按照目前的電力生產(chǎn)水平，燃料上游的碳排放量約占總體的60%左右。因此電網(wǎng)清潔程度對(duì)提升純電動(dòng)汽車生命周期減排績(jī)效至關(guān)重要。經(jīng)測(cè)算，火力發(fā)電占比每下降10%，電力生產(chǎn)碳排放因子下降0.1 kg·（kW·h）-1。圖2表明了電網(wǎng)清潔化與碳排放量之間的關(guān)系，可見二者呈線性相關(guān)性，電力生產(chǎn)碳排放因子每降低0.1 kg·（kW·h）-1，車 型 的 總 碳 排 放 量 下 降 大 約13 g·km-1。通過改變我國的電力結(jié)構(gòu)，清潔能源發(fā)電（如風(fēng)電、核電和水電）比例逐漸提升[12]，燃料上游的碳排放量將大幅下降，在整個(gè)生命周期的占比也將同步下降，純電動(dòng)汽車全生命周期碳排放量將逐漸降低。

圖2 電網(wǎng)清潔化相關(guān)性

3.3 能耗水平

純電動(dòng)汽車的能耗與整車整備質(zhì)量、電機(jī)功率、風(fēng)阻系數(shù)、續(xù)駛里程因素有關(guān)，能耗水平直接決定了燃料上游的碳排放量。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，純電動(dòng)汽車技術(shù)成熟度提升，能耗水平不斷下降。從2016年到2019年，我國純電動(dòng)轎車綜合工況電耗從15.3 kW·h·100 km-1下降到12.8 kW·h·100 km-1，純電動(dòng)SUV綜合工況電耗從17.8 kW·h·100 km-1下降到14.9 kW·h·100 km-1[13]。與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車的減碳效果更優(yōu)，經(jīng)測(cè)算，一輛電耗為16～18 kW·h·100 km-1的純電動(dòng)轎車生命周期碳排放量與一輛油耗為4～5 L·100 km-1的汽油車相當(dāng)。從圖3可以看出，BEV的能耗水平每下降1 kW·h·100 km-1，碳排放量將下降大約6 g·km-1。未來電動(dòng)汽車的能耗水平仍將進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)到2025年，技術(shù)領(lǐng)先的典型A級(jí)純電動(dòng)轎車綜合工況電耗將小于11 kW·h·100 km-1[13]。

圖3 能耗水平相關(guān)性

3.4 電池能量密度

目前，在純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)上，針對(duì)磷酸鐵鋰電池而言，能量密度為120～140 W·h·kg-1的車型銷量占比最大，受微型車銷售量增加的影響，能量密度為100 W·h·kg-1的車型銷量也提升較快；針對(duì)三元鋰電池而言，能量密度為160～180 W·h·kg-1的車型銷量占比最大，部分車型達(dá)到了190～200 W·h·kg-1。隨著電池能量密度提升，電池質(zhì)量將下降，由電池產(chǎn)生的碳排放量降低，同時(shí)整車整備質(zhì)量下降也會(huì)帶來電耗的下降[14]，進(jìn)而整個(gè)車型的碳排放量逐漸降低。從圖4可以看出，當(dāng)能量密度從80 W·h·kg-1提升到120 W·h·kg-1，BEV①碳排放量下降10%，BEV②和BEV③碳排放量下降15%左右；當(dāng)能量密度從120 W·h·kg-1提升到160 W·h·kg-1，BEV①碳排放量下降5.5%，BEV②和BEV③碳排放量下降8%～9%；總體來講，隨電池能量密度提升，搭載三元鋰電池的BEV減碳效果優(yōu)于搭載磷酸鐵鋰電池的BEV。因此，從動(dòng)力電池的綠色設(shè)計(jì)入手，提高其能量密度將對(duì)純電動(dòng)汽車生命周期減排起到一定作用[15]。

圖4 電池能量密度相關(guān)性

3.5 可再生材料利用率

汽車生產(chǎn)需要消耗大量的鋼鐵、有色金屬、塑料、橡膠、玻璃和紡織品資源，通過報(bào)廢汽車資源合理再利用，可以有效促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗[16]。目前國內(nèi)汽車產(chǎn)品可再生材料利用率不高，而且應(yīng)用范圍有限，尚未有權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)該比例具體數(shù)值。本文主要考慮底盤、車身上使用的鋼鐵、鋁、銅、塑料傳統(tǒng)材料，將現(xiàn)有水平以及假設(shè)未來比例提升作為變量，測(cè)算車型碳排放量的變化趨勢(shì)。由圖5可以看到，可再生材料利用率每提升5%，碳排放量下降大約1 g·km-1，隨著可再生材料利用率的提升，電動(dòng)汽車的碳排放量隨之下降，不過降幅很有限。2021年6月，四部委聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸試點(diǎn)實(shí)施方案》[17]提出，到2023年，汽車綠色供應(yīng)鏈體系構(gòu)建完備，汽車可回收利用率達(dá)到95%，重點(diǎn)部件的再生原料利用比例不低于5%。未來，隨著回收利用技術(shù)的進(jìn)步，車用可再生材料將被廣泛應(yīng)用到汽車上，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

圖5 可再生材料利用率相關(guān)性

4 小結(jié)

基于生命周期研究理論，本文選取純電動(dòng)乘用車典型車型的不同版本，重點(diǎn)分析車輛行駛里程、電網(wǎng)清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率與碳排放量的相關(guān)性。根據(jù)定量研究結(jié)論表明，這5個(gè)影響因子變化與車型碳排放量呈現(xiàn)正相關(guān)性或負(fù)相關(guān)性，主要結(jié)論如下。

（1）車輛行駛里程變化對(duì)車型碳排放量的影響最大，出租車電動(dòng)化對(duì)碳減排有著重要意義；

（2）電網(wǎng)清潔化是控制單車碳排放量和碳排放總量的重要途徑，從中長期來看，電力生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度有很大的下降空間；

（3）電動(dòng)車能耗水平直接作用于燃料上游碳排放，未來5年能耗仍有10%的下降空間，之后能耗將進(jìn)入緩降期；

（4）在滿足電池安全性、功率、續(xù)駛里程、使用壽命、成本使用需求的前提下，搭載較高能量密度動(dòng)力電池的電動(dòng)車減碳效果更佳；

（5）短期來看，可再生材料利用率提升對(duì)降低電動(dòng)車生命周期碳排放的效果微弱。

總之，與傳統(tǒng)燃油車相比，目前純電動(dòng)汽車已經(jīng)具備明顯的減碳優(yōu)勢(shì)，在雙碳目標(biāo)下，發(fā)展純電動(dòng)汽車將成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能減排降碳的有利舉措。