純電動乘用車碳排放量關鍵影響因子相關性分析

么麗欣 劉斌 馬乃鋒

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：純電動汽車 相關性分析 碳排放 環境影響

縮略語

BEV Battery Electric Vehicle

LCA Life Cycle Assessment

1 引言

汽車產業碳中和是一項系統工程，涉及能源、工業及交通信息多個領域，以及研發、生產制造、使用和回收多個環節。為了實現汽車產業碳達峰、碳中和目標，不僅需要自身技術突破，還需要其它相關行業加快低碳技術研發，加速汽車全生命周期、全產業鏈節能減排，共同推動汽車產業綠色發展。

近一年來，雙碳目標已經成為推動新能源汽車快速發展、加快汽車產業低碳轉型的重要驅動力。根據中國汽車工業協會統計數據顯示，2021年1～9月新能源汽車產量共計216.6萬輛，同比增長1.8倍，遠高于行業整體增速，其中純電動汽車產量180.3萬輛，插電式混合動力汽車產量36.2萬輛。得益于電池結構和電池材料的技術創新，搭載磷酸鐵鋰電池系統的車型續駛里程持續提升，能夠滿足消費者日常出行需求，目前磷酸鐵鋰電池的裝機量占比逐漸攀升。

國內外研究成果[1-2]表明，采用全生命周期的視角是研究汽車產品資源消耗和對環境影響的重要方法。汽車產品生命周期總體碳排放量由燃料周期和車輛周期共同構成。經研究測算，雖然純電動汽車在車輛周期的碳排放量高于傳統燃油車，但是由于純電動汽車能實現運行階段零排放，使得其生命周期總碳排放量比傳統車更低，并且未來減排潛力更大[3]。

本文選取純電動乘用車市場代表車型，定量分析關鍵影響因子與碳排放量的關系，對純電動乘用車的減碳途徑提出發展建議。

2 模型和輸入

2.1 生命周期模型

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是從整個生命周期的視角分析汽車產品在原材料獲取、零部件生產制造、整車生產制造、燃料生產、燃料運輸、燃料使用和報廢回收各個階段的資源消耗，以及環境影響的評價方法。考慮輸入數據的可獲取程度以及對車型總體碳排放量的貢獻度，本文對純電動乘用車的碳排放量計算只考慮傳統部件原材料獲取、電池原材料獲取、整車生產制造、車輛行駛過程電力上游4個階段[4-5]，其它階段忽略不計，計算公式如式（1）。

式中，CBEV為BEV總體碳排放量；CM為傳統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。

傳統部件原材料獲取階段的碳排放量（CM），計算公式如式（2）。

式中，n為BEV傳統部件材料種類的數量；Wi為傳統部件第i種材料質量；Ei為傳統部件第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），計算公式如式（3）。

式中，n為BEV電池材料種類的數量；BWi為電池第i種材料質量；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。

整車生產制造階段的碳排放量（CP），計算公式如式（4）[6]。

式中，n為BEV整車生產制造過程消耗化石能源的數量；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為整車生產制造過程電力消耗量；EP為電力生產過程碳排放因子；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為電力生產過程碳排放因子。

2.2 相關性分析法

相關性分析法是生命周期研究中用來評價產品的輸入因子對輸出結果影響程度大小的方法，可以細分為單因子相關性分析和多因子相關性分析，單因子相關性分析用于衡量單個輸入因子對輸出結果的影響大小，多因子相關性分析用于衡量兩個或兩個以上輸入因子對輸出結果的影響大小。本文采用單因子相關性分析法來研究不同因子對碳排放量的影響。

2.3 影響因子

根據生命周期模型可以看出，純電動乘用車的碳排放量由車輛材料質量、車輛材料碳排放因子、生產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。經測算，從各個階段碳排放量在BEV生命周期總碳排放量中所占權重來看，車輛行駛過程電力上游最大，其次是傳統部件原材料獲取階段、電池原材料獲取階段，整車生產制造階段最小。另外，純電動汽車的質量與電池能量密度呈負相關，電池密度越大，整車質量越小[7]。因此，本文重點分析車輛行駛里程、電網清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率這5個影響因子與碳排放量的相關性。

2.4 代表車型

為了區分搭載不同類型動力電池車型的碳排放量與各個影響因子的相關性，同時需要兼顧不同對象車型參數具備可比性的原則，本文選取某公司的A級純電動轎車不同版本的車型作為研究對象，將續駛里程410 km、搭載磷酸鐵鋰電池的車型記作BEV①，將續駛里程510 km、搭三元鋰電池的車型記作BEV②，將續駛里程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，主要參考2020年第9批和2021年第5批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》[8-9]。假設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

3 關鍵影響因子相關性分析

3.1 車輛行駛里程

車輛行駛里程反映了一輛車整個生命周期的使用強度。隨著汽車使用強度的增大，純電動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為劃分區間分別計算3款BEV車型的總碳排放量。從圖1可以看到，當生命周期內行駛里程從50 000 km增長到200 000 km，各車型的總碳排放量呈現快速下降趨勢，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；當生命周期內行駛里程從200 000 km到500 000 km，車型總碳排放量仍保持下降趨勢，但是降幅趨緩，這也表明對于出租營運車輛而言，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，因此出租領域應大力推廣電動化。

圖1 車輛行駛里程相關性

3.2 電網清潔化

由于煤炭資源豐富，火力發電是我國主要的發電方式，約占全國總發電量的70%左右[10]。本文采用的電力生產碳排放因子0.6101 kg·（kW·h）-1來自2021年3月生態環境部發布的《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南發電設施》[11]。車輛行駛過程電力上游，即燃料上游是純電動汽車全生命周期碳排放的主要構成，按照目前的電力生產水平，燃料上游的碳排放量約占總體的60%左右。因此電網清潔程度對提升純電動汽車生命周期減排績效至關重要。經測算，火力發電占比每下降10%，電力生產碳排放因子下降0.1 kg·（kW·h）-1。圖2表明了電網清潔化與碳排放量之間的關系，可見二者呈線性相關性，電力生產碳排放因子每降低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構，清潔能源發電（如風電、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，在整個生命周期的占比也將同步下降，純電動汽車全生命周期碳排放量將逐漸降低。

圖2 電網清潔化相關性

3.3 能耗水平

純電動汽車的能耗與整車整備質量、電機功率、風阻系數、續駛里程因素有關，能耗水平直接決定了燃料上游的碳排放量。近年來，隨著產業規模的逐漸擴大，純電動汽車技術成熟度提升，能耗水平不斷下降。從2016年到2019年，我國純電動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]。與傳統汽車相比，純電動汽車的減碳效果更優，經測算，一輛電耗為16～18 kW·h·100 km-1的純電動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。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。未來電動汽車的能耗水平仍將進一步降低，預計到2025年，技術領先的典型A級純電動轎車綜合工況電耗將小于11 kW·h·100 km-1[13]。

圖3 能耗水平相關性

3.4 電池能量密度

目前，在純電動乘用車市場上，針對磷酸鐵鋰電池而言，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，部分車型達到了190～200 W·h·kg-1。隨著電池能量密度提升，電池質量將下降，由電池產生的碳排放量降低，同時整車整備質量下降也會帶來電耗的下降[14]，進而整個車型的碳排放量逐漸降低。從圖4可以看出，當能量密度從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減碳效果優于搭載磷酸鐵鋰電池的BEV。因此，從動力電池的綠色設計入手，提高其能量密度將對純電動汽車生命周期減排起到一定作用[15]。

圖4 電池能量密度相關性

3.5 可再生材料利用率

汽車生產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，通過報廢汽車資源合理再利用，可以有效促進汽車產業節能降耗[16]。目前國內汽車產品可再生材料利用率不高，而且應用范圍有限，尚未有權威機構統計該比例具體數值。本文主要考慮底盤、車身上使用的鋼鐵、鋁、銅、塑料傳統材料，將現有水平以及假設未來比例提升作為變量，測算車型碳排放量的變化趨勢。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，四部委聯合印發《汽車產品生產者責任延伸試點實施方案》[17]提出，到2023年，汽車綠色供應鏈體系構建完備，汽車可回收利用率達到95%，重點部件的再生原料利用比例不低于5%。未來，隨著回收利用技術的進步，車用可再生材料將被廣泛應用到汽車上，進而降低生產成本。

圖5 可再生材料利用率相關性

4 小結

基于生命周期研究理論，本文選取純電動乘用車典型車型的不同版本，重點分析車輛行駛里程、電網清潔化、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性。根據定量研究結論表明，這5個影響因子變化與車型碳排放量呈現正相關性或負相關性，主要結論如下。

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

（2）電網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，電力生產碳排放強度有很大的下降空間；

（3）電動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，之后能耗將進入緩降期；

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

（5）短期來看，可再生材料利用率提升對降低電動車生命周期碳排放的效果微弱。

總之，與傳統燃油車相比，目前純電動汽車已經具備明顯的減碳優勢，在雙碳目標下，發展純電動汽車將成為交通運輸領域節能減排降碳的有利舉措。