电动汽车与传统燃油汽车在环境效益与能耗领域的比较分析

两百多年来，全世界的汽车工业从无到有，经历了长足发展。汽车离人们的生活越来越近，在创造巨 大经济价值的同时，汽车行驶排放的温室气体是全球气候变暖的主要致因，伴随而来的能源枯竭和环境污 染却让国家不堪重负。随着汽车总量的增加，减少交通运输过程中的温室气体排放，是中国在全球气候变暖的严峻形势下所 要面对的重要环境问题。中国的石油资源相对匮乏，早在1993年中国已成为石油净进口国，并且随着我国 汽车保有量的不断攀升，汽车已逐渐成为石油消耗的第一大户。随着人口的进一步增加与资源的不断消耗， 中国面临的能源与环境问题十分严峻。电动汽车作为新型清洁能源汽车的出现，将降低中国对石油产品的 依赖，大幅减少温室气体排放并有效降低城市污染，是中国建设资源节约型、环境友好型社会的重要技术 途径。以下将对电动汽车和传统汽车在环境影响和能源消耗等方面进行详细对比分析。 电动汽车与传统燃油汽车在环境效益与能耗领域的比较分析（1）能源消耗评价在燃料采集加工运输阶段，将功能单位统一设定为在加油（气、氢）机、充电口，低热值为1MJ（兆焦耳） 的燃料。车行驶lkm的全生命周期能耗=客车1公里燃料耗量x（单位燃料燃烧的能耗+生产单位燃料所导致的 能耗）。为了比较电动汽车与传统汽车的节能效应，通过车辆行驶每百公里所消耗的能量和汽车能源转化效 率两个方面进行比较。如图1所示，以车辆行驶每公里所消耗热能计算，电动汽车能量消耗比传统车辆减少 50%，节能效应明显。450 40t-I；!丄阪閃 门电fl3Ma图2为全生命周期汽油车与电动车能源转化效率比较情况，从能源转化效率进行比较看，电动汽车经过发电、输电以及充电到车轮驱动等复杂的过程后在能源转化效率方面仍然表现出明显优势。甘壶H十赋环表1为燃油出租车与电动出租车的能耗成本比较，如不考虑电动汽车的电池使用寿命，每年的能耗费用 将是非常显著，每公里减少能耗成本为4.25元。每辆出租车每年直接减少燃油1万升，可节约能耗运行成本 42500元。表1煤油汽车与电动汽车的能柱成本比较项目燃油出相车电瑞出租车日堅昱程爺星）274274-牟號里曜盟里）ItMJUW3UWJCJU耗i升琳里）hidU单位甩耗1厘/处開）00J5車佼摆捉悟格0. 5祀履年油耗f升）U年电軽（廈）015000毎能疑愛圮:万元彳50000以上分析表明电动汽车替代普通汽车不仅直接减少燃油的使用，降低国家对能源的依赖，提高中国能 源安全，而且与传统车辆进行比较具有明显的节能效应，降低对一次能源的使用。（3）全生命周期污染物排放评价公交车是城市中最重要的交通工具，选取不同类型的公交车对其环境污 染的影响进行比较。机动车行驶lkm的全生命周期某种污染物排放=1公里燃料耗量x（单位燃料燃烧的该种 污染物排放量+生产单位燃料所导致的该种污染物排放量）。比较环境指标有一氧化碳（CO）、碳氢化合物 （HC）、氮氧化物（NOX）、微粒（PM）和噪声。车辆行驶lkm,电动汽车几乎没有排放HC和PM,只有少许 NOX 和 CO。表2为燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声（dB）,从表中统计数据可以看出电动汽车对降低城市噪 声污染方面有显著优势。叢2囲油汽牢和更动汽军在不同车捷下的噪丙9已1燃讷汽车车内车蚌车郭匀捷苗袪0筒66勻逵50796960抑逢3515726&加速50767271电动车和汽油车的百公里费用对比分析研究汽车的发展方向与低碳经济是一致的,低碳经济旨在降低人类对环境的破坏以及对不可再生资源的合 理应用,而汽车一直以节能、环保和安全作为发展主导方向。故在未来的日子里,作为减少温室气体排放 和减轻对原油进口依赖的解决方案之一,新能源汽车将成为各国汽车工业发展的大势所趋。以下将根据电 动车和燃油机车的百公里费用数据进行分析,对比得出二者之间的优缺点在哪里。可能大多数人都不太清楚。 为了使这种比较具有公平性、合理性,特选择外形和重量完全相同的电动 车和汽油车。（比如奥迪A4车型，车重1.6吨）可以从网上查到，汽油发动机的效率大约是30，电动机的效率大约是 90。（根据专业测试，当汽车以100 km/h的车速匀速行驶时，主要会受到空气阻力、汽车内部部件之间的 摩擦力以及轮胎的滚动阻力这三种阻力的影响。三者分别占到全部阻力的60、15和25。）假如车以100km/h 的车速匀速行驶，汽油车的百公里油耗是10升，下面求电动车的百公里电耗。汽油的燃烧值：4.66 107焦耳，即每公斤汽油蕴含的能量是46600000焦耳。 90号汽油的比重：0.722公 斤/升 10升汽油的化学能是：0.722 10 46600000焦耳 336452000焦耳 10升汽油的化学能只有30转化为机械 能（336452000 0.3 100935600焦耳），用来克服汽车内部阻力和外部阻力做功。电动车和汽油车所做的功是一样的，同样是100935600焦耳。要输出这么多的功，电动机需要消耗的电 量是：100935600焦耳 / 0.9 112150667焦耳 31.15千瓦时 每度电蕴含的能量： 1千瓦时1000瓦 3600秒 3600000焦耳 由上可知，电动车在上述条件下的能源消耗是112150667焦耳，汽油车的能源消耗是336452000 焦耳，是电动车的 3 倍。假如分析到此为止，那么，明显是电动车要节省能源。不过，情况并非如此简单。因为汽油或者电能 都不是凭空来的，也需要耗费相当的能源。比如，原油的勘探，开采，运输，炼化，成品油的运输，都需 要消耗能源。同样，电力的生产也是如此，煤炭的开采，运输，热力发电，输变电，充电，也都需要消耗 相当的电能。相比之下，电力生产的效率要低的多。热电厂的发电效率大约是30 ，输变电的效率能是多少 呢?充电效率大约是70 (综合考虑，电动车每充20度电，至少需要消耗100千瓦时的能量)如果考虑到所有这 些因素，也许电动车的能耗更高吧? 经计算，按前文条件：汽油车的百公里能耗大于336兆焦耳 电动车的 百公里能耗大于560兆焦耳 等同热量的石油比煤炭价格要贵得多。而且，石油的工业用途比媒体也高得多。 所以，从节省能源和资源成本上来比较，电动车的优势是汽油车无法比拟的。如果蓄电池的储能比达到 0.5千瓦时/千克 以上，价格在 500元/千克 以下，配置200公斤蓄电池，车 的自重将变化不大。假定两车的基本情况相同，城市交通平均时速50千米/小时，行驶里程20万公里，下面 简单计算一下，在现时的电价和油价情况下，两种车的费用。 1、三滤，汽油机，变速箱，启动机和铅酸 电池的保养，至少500元/万公里 ，从保养上来说，汽油车至少多花费10000元。 2、电动车传动系统简单， 环节少，内阻小，传动效率高，考虑到这个情况，平均时速为50公里的百公里电耗应小于20千瓦，而汽油 车在这种城市交通状况下的油耗应大于10升。【背景信息】：(油价、电价基于2010年9月平均价格进行计算)私家车、出租车、公交车油耗量对比出租车300-400公里/天，油耗约30-40升私家车40-50公里/天，油耗约3-4升公交车220-280公里/天，油耗约90120升即：一辆出租车约等于10辆私家车；一辆公交车约等于30辆私家车补贴一辆电动出租车=减少10辆私家车的油耗和污染=补贴10辆私家电动轿车的效果补贴一辆电动公交车=减少30辆私家车的油耗和污染=补贴30辆私家电动车的效果【纯电动大巴K9作为城市公交车的优势】稳：一级踏步全通道低地板，中门入口设轮椅引板，残疾人、老人、儿童上下车更方便；三乘客门， 内部宽敞舒适劲：铁动力电池驱动，续航里程长，城市工况下续驶里程达250公里；中充6小时充满，快充3小时充满， 方便快捷；节：节约能源，使用成本低；【纯电动大巴K9数据信息】百公里费用=百公里耗电量(120KWh)*电价(0.6/ KWh)=72元 年使用成本=日行驶里程（250Km） * （353天）*百公里费用（72元）=6.4万元 【普通燃油大巴数据信息】百公里费用=百公里耗油量（40L） *柴油价（6.25元/L） =250元年使用成本=日行驶里程（250Km） *（353天）* （百公里费用250元）=22.1万元 对比发现： 纯电动大巴代替燃油大巴：每年可节约使用费用15.7万元；使用8年，使用费用总节省125.6万元.将一辆燃油大巴替换成电动大巴，每年可减少二氧化碳排放 17.8吨；全国共有出租车约50万辆，若全 部使用电动大巴，每年可减少二氧化碳排放890万吨。【纯电动汽车e6作为城市出租车的优势】1、充满电续驶里程达到300Km,40分钟充满电，可利用交接班时间或休息时间充电，满足每天双班运 行要求2、提速快，0-50Km/h加速时间再6妙内，最高车速可达140Km/h以上。【纯电动e6数据信息】百公里费用=百公里耗电量（25KWh）*电价（0.6/ KWh） =15元年使用成本=1日行驶里程（400Km） *（353天）* （百公里费用15元）=2.1万元 【燃油出租数据信息】：百公里费用=百公里耗油量（10L） *汽油价（6.5元/L） =65元年使用成本=1日行驶里程（400Km） *（353天）* （百公里费用65元）=9.2万元 对比发现：纯电动出租车代替燃油出租车：每年可节约使用费用9.2-2.1=7.1万元； 5年生命周期总节省35.5万元 将一辆燃油出租车替换成电动出租车，每年可减少二氧化碳排放19.7吨；全国共有出租车约120万辆，若全部使用纯电动出租车，每年可减少二氧化碳排放2364万吨。下图是电池车和汽油车的内部性能用途分析。从分析中可以看出，电动车在未来比汽油车有更大的发展空间 ， 而汽油 车在现今能源的补充快捷性和便利性方面占有一定的优势。电动军佞班汽油车性能对比行驶呼速较低+ 般芭处km”性能稳定安全；行驶时遊较髙，经济时邃盂Mkm.甦求浮驶人员技术熟细对比零持放无污染电环境的污染较严重員娯也位當产成木川1 1邃泊牟较几卩1聚国彖对新能 源汽车有政策性补贴，所以购军成本低*而且使用成本也非常低!初期购置成本略高，且保养复杂、竇事,梗用成本高藏成致命碱陷；便用成本维护兼职蜒护保莽即可简单快捷,只碍定期充电并检査忝加电解液尊.维护成本低；需专业人凤唯护+定期更換数 种不冋名日的润渭油、滤清岳 及易帝件,发动机需定期修 理，錐护惺养成本高：税龙不需要购买任何税费，可抿据需要自行决定是否购买f呆险*必须购买养路费、管尊锻、车船税、各类探险等税费，每年更需年检费用；能源耗费每行驶百公里消耙电最拘雌右t费用在血元咲卜；每行驶百公里消耗汽油13公升以上，费用在帥元左右；姣燃池乍囂.词可通过楼爼电池还换.加叱一爼屯池解决:忖.能较妹；电动汽车优点电动汽车相对传统汽车优点很多，主要有以下几个方面：1. 环境污染小 这是电动汽车最突出的优点。电动汽车使用过程中不会产生废气，与传统汽车相比根本 不存在大气污染的问题。有人说电动汽车使用的二次能源电能在火力发电厂产生时污染 了大气，它只是把污染从城市转移到了郊区。事实上，电动汽车并不是简单地将空气污染改 变了地方，相对传统汽车，它确实做到了减小了污染。因为电力来源是多样化的，许多能源 像水能、风能、太阳能、潮汐能、核能都可以高效地转化为电能，即使电动汽车的电能全部 来自于火力发电厂，其整体的能量利用效率也高于城市常规燃油汽车，也就是说使用电动汽 车还是减小了绝大部分空气污染。此外，如果避开用电高峰夜间充电，那还可以进一步减少 能源的浪费。2. 噪音低 这是电动汽车最直观的特点。现在大城市中汽车噪声已经成为一种比较严重的污染，减 少噪声污染也是对今后汽车工业的考验。汽车发动机噪音是行驶过程中主要噪声来源，与燃 油车相比，电动汽车在这方面有绝对的优势。它在行驶运行中基本是宁静的，特别适合在需 要降低噪声污染的城市道路行驶。3. 高效率这是电动汽车能源利用方面最显著的特点。在城市中，道路上车辆行驶较多，而且经常 遇到红绿灯，车辆必须不断的停车和启动。对于传统燃油汽车而言，这不仅意味着消耗大量 能源，而且也意味着更多汽车尾气排出。而使用电动汽车，减速停车时，可以将车辆的动能 通过磁电效应，“再生”地转化为电能并贮存在蓄电池或其他储能器中。这样在停车时，就 不必让电机空转，可以大大提高能源的使用效率，减少空气污染。4. 结构简单，使用维修方便，经久耐用 这是电动汽车运行成本方面的最大亮点。与传统燃油汽车相比，电动汽车容易操纵、结 构简单，运转传动部件相较对少，无需更换机油、油泵、消声装置等，也无需添加冷却水。 维修保养工作量少。如果有好的蓄电池，它的使用寿命也比燃油车长。5. 适用范围广，不受所处环境影响 这是电动汽车另一优势所在。在特殊场合，比如不通风、冬天低温场所，或者高海拔缺 氧的地方，内燃机车要么不能工作，要么效率降低，而电动车则完全不受影响。 电动汽车发展的几个关键问题1.电池问题动力电池这个关键技术是纯电动汽车发展的瓶颈所在。它是纯电动汽车的主要能量载体 和动力来源，也是电动车辆的整车成本的主要组成部分。它直接制约着电动汽车的制造成本、 续驶里程和使用寿命等主要问题，间接影响到纯电动汽车的市场化。如果电池问题能够解决， 与传统汽车相比，电动汽车将有绝对的优势。动力电池在经历了铅酸电池、镍氢电池、钠 硫电池等多种类型的发展和探索，目前纯电动汽车最具潜力的电池主要集中在一下电池上： 阀控铅酸动力电池、镍氢动力电池和锂离子(锂聚合物)电池。从长远发展来看，由于铅酸蓄电池过于笨重，且衰减快，所以不具有使用前景；镍氢电 池虽然在一些领域应用还比较广泛，但其有记忆性、比容量也一般，还有单体电压低，导致 其改进起来比较困难；而锂离子动力蓄电池具有更高的能量密度，从目前看有较好的前景。 尽管如此，与内燃机相比锂离子电池能量密度还是很低，这使得的续驶里程依然是一个难题。 目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100k m350km，这是在较理想的 行驶环境下才能得到实现的，而绝大多数电动汽车一般行驶环境下续驶里程只有50k m 100km。为了增加电动汽车的续驶里程，在汽车制动时，通常采用为蓄电池充电的形式， 来吸收回收的能量。但是蓄电池充放电循环次数有限，大功率充放电必将使蓄电池循环寿命 大大缩短。为解决这个新问题，有人采用了超级电容器。但似乎目前超电容器也存在问题，主要是 是能量密度低，它比铅酸蓄电池小一个数量级，所以需要更高能量密度的超级电容，现在正 在研发过程中。当然，还有太阳能电池、核能电池等等，也为电动汽车的电池技术问题的解决提供了新 解决方案，就目前来看都不是很成熟，有待于进一步开发。2.电机及传动技术电机以及传动技术是电动汽车关键技术之一。纯电动汽车一般在车辆空间和使用环境上 要求较严格，所以对驱动电机驱动系统提出更高的要求：体积/质量密度高，效率高，调速 范围宽，制动能量回馈，适应性好，可靠性高。目前电动汽车电动机主要要一下四类：直流 电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)。 如表二。近几年来，电动汽车用电机逐渐由直流向交流发展，直流电动机基本上已经被交流 电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。3控制技术方面目前，较主流的电动汽车整车控制系统都采用CAN总线通信连接，这样不仅大大提高 了控制的效率和稳定性，而且能实现数字控制。电动汽车驱动电机、电池等执行动力部分的 状态信号被发送到CAN总线，最终传输到显示终端提供给驾驶人员，以便实现整车控制。新的电子控制系统在传统汽车上应用不多，但它对纯电动汽车的工作有着重要影响。与 国外相比，目前来看我国还有一定的差距，但是随着电机驱动系统的发展以及各种新技术新 材料的应用，国内外在这方面的差距将越来越小。4.其他方面 除了以上三个方面的问题外，纯电动汽车还在汽车轻量化、车体外形设计、电动车标准、 充电站基础设施建设、以及电动车成本以及销售方面存在其他多多少少的问题。轻量化以及 新型车体设计对提高车的动力性能和续驶里程都有重要意义；电动车标准如能尽快完善，能 更好的推动行业健康有序发展；充电站等基础设施建设的大力建设还需政策支持，如能像加 油站一样普及，那电动汽车的运行成本将大大降低，有利于更多电动汽车驶入寻常百姓家 纯电动汽车经济性比较与分析1. 纯电动汽车与燃油汽车的经济性比较1.1. 经济性指标的建立 目前关于纯电动汽车经济性的指标很多，但只限制在电动汽车领域进行计算比较，不能直接与传统燃油汽车经济性进行分析比较，因此需要建立一个指标使两者的经济性具有可比性。传统燃油汽车消耗的是汽油或柴油，纯电动汽车消耗的是电能，笔者采用“能源费率”作为统一的指标 进行比较。所谓能源费率是指车辆行驶单位里程消耗能量所费的货币量，其单位为100km。在进行对比试 验时，选择相同车型的纯电动汽车和燃油汽车，在相同的工况下使它们行驶同样的距离（ 口00km），然后将 两种汽车的能量消耗折算成货币费用。1.2. 经济性指标的比较选取我司生产的纯电动汽车某某D1型全电汽车和某某公司的燃油汽车某某型作比较。某某D1型是在 某某型上改装的电动汽车，它采用铅酸蓄电池和永磁同步电机等高新技术，性能较为先进，节能元器件应 用较多，其驾驶性能与同等的RAV4燃油汽车相似。选择在2011年运转循环工况（图1）所示下比较它们的全 寿命成本。（图1）2011年运转循环工况(BS)抽样开始，引擎发动;(ES) 抽样结束在计算车辆全寿命成本时考虑了车辆购置成本、运行成本、车辆维修保养成本和电池成本(燃油汽车无 此项)因素，即：全寿命成本=车辆购置成本+运行成本+维修保养成本+电池成本某某D1型市场价5万元，某某型为5万元;某某D1型100km耗电20kWh，电价按现在的居民用电价 0.5kWh计算;某某型100km耗油7L，油价按现在的93#汽油价7.5元/L计算;二者的全寿命行驶里程按50万 km计算;某某型的年均维修保养费按3千元计算。某某D1型不需要发动机、离合器和变速箱等一系列机械 传动设备，车辆的故障率降低，维修保养费可降低70%以上，那么某某D1型的年均维修保养费按9百元计 算;某某D1型使用的电池组的价格和寿命分别为5000元，5万km(一次续驶里程100km，充放电500次)J，在 全寿命行驶里程50万 km 内需要更换10次;根据汽车报废标准(国经贸经1997456号)规定，车辆使用年限 为l0年。二者全寿命成本比较结果如(表1)所示。(表1)RAV4EV与RAV4的全寿命经济性比较比较项目全电动某某D1型燃油某某型整车价格(1)/元5万元5万元百公里费用=能源费率(2 元/100km10元50元全寿命行驶里程50万公里50万公里全寿命运行成本(4)=(2)x(3) /100km/元5万元50万元车辆年维修保养成本(5)/元/年900元3000元全车寿命(6)10年10年全寿命养护成本(7)=(5)x(6)/元9000元3万元电池组寿命(8)5万公里0电池组价格(9)/元/组6000元0 电池组更换次数(10)10次0 电池成本(11)=(9)(10)/元6万元0 整车全寿命成本(12)=(1)+(4)+(7)+(11)/元16.9万元58万元 根据(表1)可以看出，由于某某D1型运行过程中没有燃油消耗，其能源费率仅为某某型的20%，其运行 过程中的经济性较传统燃油汽车有明显的优势。但在某某D1型的全寿命成本构成中整车价格和电池成本占 了相当大的比重，两者占总成本的65%。但综合考虑，还是某某D1型全电汽车要合算的多。(注：某某D1型全电汽车的百公里耗电不到10元，而且蓄电池在更会时，把旧电池返给厂家，还会得 到很多优惠，更尽一步的将低全电汽车的使用成本。 )2. 敏感性分析2.1.电动某某D1型敏感性分析 汽车燃油经济性的参数灵敏度是指某参数的变化对全寿命成本的影响程度，即参数变化率引起的汽车 全寿命成本的变化率。显然，参数灵敏度是一个无量纲的量。笔者选取电价、油价、电池价格和寿命及整车价格这几项参数对全寿命成本进行单因素敏感性分析， 这几项参数也是影响二者经济性的主要因素。设定因素的变化范围为(-10%10%)，求出各变动情况下全寿命成本的变化率，并计算出各因素的敏 感性系数卩=厶AN F。其中， A为不确定因素F发生 F变化率(即20%)时，评价指标A的相应变化率()。各因素变化对全寿命成本变化率的影响如(表2)所示。(表2)各因素变化对某某D1型全寿命成本变化率的影响/确頭素麗花率-10-50+ 5十10p油价一电价-0,68 -0.3400.340.686.76电池价格-3,51-1.7601.763.5135.14电池寿命2f702t700-2r7Q-2.70-22整车价格-5.41-2.7002.705.4154.052.2. 燃料某某型敏感性分析 同样，利用某某型各成本影响因素对全寿命成本进行敏感性分析，其影响如（表3）所示 （表3） 各因素变化对某某型全寿命咸本变化率的影响不确克因素变化率-10-50+ 5+ 10戸袖价4-15-2.0702.074,1541.46电价LH.电池价格电池寿命整车价格一玉90-L950B.953.9039.022.3. 对比分析 综合上述两种对比车型的单因素敏感性分析，得出如（表4）所示的各因素敏感性分析综合表 （表4） 各因素敏感性分析综合表车型柚价电价电池电池整车油价电价价格寿命价格纯电动RAV4 EV 燃油RAV46.7635.14-27.0354,0541.4639.02通过横向比较可知，纯电动某某D1型的敏感性因素的大小依次是整车价格、电池价格、电池寿命和电 价;燃油某某型的敏感性因素的大小依次是油价和整车价格。通过纵向比较可知，最大的敏感性因素是纯电 动汽车的整车价格，第二是燃料汽车的油价，第三是燃油汽车的整车价格，第四、第五分别是纯电动汽车 的电池价格和电池寿命，最小的是纯电动汽车的电价。结论综上所述，电动汽车与传统汽车相比较具有明显的环境效益。电动汽车节能效果最好， 能量消耗比传统车辆减少50%。无论从能源转化效率还是通过计算每公里消耗能源进行比 较，电动汽车在减少一次能源消耗方面显示其优越性。广泛应用电动汽车不仅可以产生直接 的能源效益，而且可以改善和优化能源结构，电动汽车替代燃油汽车将改变交通领域过分依 赖有限石油资源的现状，实现交通领域能源利用的多元化和洁净化，尤其是推动煤炭资源的 高效利用，提高我国能源的安全性。电动汽车的价格比内燃机汽车高，决定了电动汽车的初期投入大、费用支出多，但是电 动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的延长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于 内燃机汽车使用成本。