Whole Life Cycle of an Extended Range Electric Vehicle
MA Liming ，XU Haibo ，CHEN Yisong ，LIU Jiahui
(School of Automobile ，Chang ’an University ，Xi ’an 710064，China )
Abstract :This paper adopted the life cycle assessment (LCA ) method and GABI software, established
a full LCA model and studied the energy saving and emission reduction performancefor an extended-range electric vehiclein the domestic market. According to the structural characteristics of the extended range electric vehicle, the whole vehicle was divided into 10 main components including engine and power battery. And then the energy saving and emission reduction performance was studied for four stages, i.e. the raw material acquisition stage, the manufacturing and assembly stage, the operation and use stage and the scrap recovery stage.The research results show that the raw material acquisition stage has the highest consumption of mineral resources, the operation and use stage has the highest consumption of fossil energy , and the significant benefits are generated in the scrap recovery stage. Finally suggestions are proposed on energy saving and emission reduction for extended range electric vehicles, including increasing the energy conversion efficiency , optimizing the power structure and improving the scrap recovery system.
保时捷卡雷拉gtKeywords :life cycle evaluation; extended range electric vehicle; GABI software; energy saving and emission reduction
收稿日期：2020-03-28 改稿日期：2020-04-22
基金项目：长安大学研究生科研创新实践项目(300103703027)
参考文献引用格式：
马骊溟，许海波，陈轶嵩，等. 增程式电动汽车全生命周期节能减排绩效评价 [J ]. 汽车工程学报，2021，11(2)：107-114. MA Liming ，XU Haibo ，CHEN Yisong ，et al. Evaluation of Energy Saving and Emission Reduction Over the Whole Life Cycle of an Extended Range Electric Vehicles [J ]. Chinese Journal of Automotive Engineering ，2021，11(2)：107-114. (in Chinese )
108 汽车工程学报 第11卷
随着国家对生态文明建设和能源持续性发展的重视，新能源汽车正在快速发展。国务院办公厅发布的《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》，明确提出以纯电动汽车为新能源汽车的主要发展目标[1]。同时，新能源汽车技术路线也在快速发展，目前已形成多种技术路线并行发展的态势，而增程式电动汽车作为我国新能源汽车发展技术路线之一，也已经被纳入到了纯电动汽车的管理范畴。近期国家发改委发布的《汽车产业投资管理规定》也明确提出增程式电动汽车按照纯电动汽车进行管理[2]。因此，为了更好地实现我国能源战略和新能源汽车的可持续发展，对于增程式电动汽车节能减排绩效的研究也就很有必要。
近年来，国内外相关学者利用生命周期评价的方法对新能源汽车进行了广泛的研究。比如，SHARMA等[3]对传统内燃机汽车、油电混合动力汽车和纯电动汽车三类乘用车进行了对比研究，并且评估了电力系统在减少环境排放方面的潜力。HOOFTMAN等[4]分别研究了插电式混合动力汽车和纯电动汽车两者动力系统对环境的影响。EV ANGELISTITI等[5]对燃料电池汽车进行了全面的生命周期评估，并与纯电动汽车、传统内燃机汽车进行比较，对燃料电池汽车的关键部件进行敏感性分析。LEWIS等[6]创建了传统内燃机汽车、油电混合动力汽车和插电式混合动力汽车生命周期评价模型，评估了三者节能减排的潜力和轻量化对于生命周期能耗和温室气体排放的影响。ONAT等[7]对比分析了不同地区的纯电动汽车、插电式混合动力汽车、油电混合动力汽车和传统内燃机汽车。NOORI等[8]对传统内燃机
汽车、油电混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车和纯电动汽车5种车型的动力系统生命周期环境排放和成本进行分析和评估。FARIA等[9]对传统内燃机汽车、插电式混合动力汽车以及纯电动汽车进行了环境和经济的生命周期评估（LCA），对具有代表性的紧凑型和微型车进行了实际测试。
国内方面，SHI Sainan等[10]对传统内燃机汽车和纯电动汽车整车和燃料分别进行了全生命周期评估，并通过情景分析来评估不同政策的减排潜力。QIAO Qinyu等[11]在分析纯电动汽车与传统内燃机汽车运行使用阶段差异的基础上，研究了纯电动汽车生产阶段温室气体的排放量，并将结果与传统内燃机汽车进行比较。HAO Han等[12]针对纯电动汽车在中国的环境下是否有助于减少温室气体排放，分别对传统内燃机汽车、油电混合动力汽车、纯电动汽车生命周期的成本和温室气体排放进行研究，并比较它们在减少温室气体排放方面的成本效益。HU Zhiyuan等[13]利用生命周期评价（LCA）方法对我国生物乙醇混合燃料汽车进行了评价。PENG Tianduo等[14]提出了一种纯电动汽车全生命周期分析模型，考虑了电网结构和车辆能效表现的变化，分析纯电动汽车的生命周期能耗和温室气体排放。XIONG Siqin等[15]比较了纯电动汽车和插电式混合动力汽车的生命周期能耗和温室气体排放，此外，对电网结构、车辆行驶里程等影响因子进行了敏感性分析。
综上所述，在新能源汽车全生命周期评价领域，国内外学者均做了大量的研究。经过总结发现，研究主要集中于纯电动汽车和传统内燃机汽车，其次是油电混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电
池汽车，而对于增程式电动汽车的研究较为缺乏。因此，本文将对其进行系统化、全面化的节能减排评价，以期完善我国新能源汽车生命周期评价体系。同时，评价结果可为新能源汽车企业和相关研究机构提供数据支持，还可为增程式电动汽车的发展和推广提供参考依据。
1研究对象与数据来源
本文在进行生命周期评价时，根据国内外现有在售的增程式电动车型，结合相关文献资料的调研和查，以及综合考虑车型数据的完善程度和准确度，选取国内市场上的增程式电动汽车作为具体研究对象，车型具体参数见表1。文中相关数据来源于GABI软件自带数据库、现有的期刊和文献、相关车型的数据和实地调研。
第2期 109
马骊溟 等：增程式电动汽车全生命周期节能减排绩效评价 生命周期划分为4个阶段：原材料获取阶段、制造装配阶段、运行使用阶段和报废回收阶段。最后在对部件进行划分时，将整车分为10大主要零部件，分别为：发动机、发电机、动力电池、驱动电机、电控装置、变速器、铅酸电池、车身、底盘、流体与液体，对于部分质量较小，对结果影响程度不大的零部件本文不予考虑。最终的系统边界图如图1所示。
d13 清单分析与模型建立
生命周期清单分析（Life Cycle Inventory Analysis ，LCI ）是对“摇篮到再生”的整个生命周期中的废物排放和资源消耗等进行量化的过程[16]，是产品生命周期评价最关键的环节之一，数据的准确程度将直接影响最终的评价结果。在进行清单分析的过程中，部分零部件数据较难获取，对结果有影响的采用近似替代的方法，而部分对结果影响不大的零部件数据本文暂不考虑。各部件上游原材料的消耗及制造装配的能耗数据见表2，此外，在建模时，分别针对4个阶段的能源消耗和环境排放建立模型，
如下所示。
表1 车型相关参数
哈弗柴油版
图1 系统边界图
2 系统边界与部件划分
本文在进行整车全生命周期节能减排分析时，首先设定整车功能单位为全生命周期内正常行驶15万km 或整车使用寿命为15年。其次，将整车的全
110 汽车工程学报 第11卷
表2 主要零部件能耗、
质量参数
3.1 整车全生命周期阶段
E E E E E LCA Rmas Mfas Rups Srps 。P P P P P LCA Rmas Mfas Rups Srps 。
式中：E LCA ，P LCA 分别为整车全生命周期阶段的总能源消耗和总环境排放；E Rmas ，P Rmas 分别为原材料获取阶段所对应的能源消耗和环境排放；E Mfas ，P Mfas 分别为制造装配阶段所对应的能源消耗和环境排放；E Rups ，P Rups 分别为运行使用阶段所对应的能源消耗和环境排放；E Srps ，P Srps 分别为报废回收阶段所对应的能源消耗和环境排放。3.2 原材料获取阶段
E M Q kj jr k Rmas u ¦110
。
（1）（2）
（3）
第2期 111马自达
马骊溟 等：增程式电动汽车全生命周期节能减排绩效评价 P M W kj jr k Rmas u ¦110
。
式中：k 表示对应的零部件种类；M kj 表示第k 种部件所需要的第j 种原材料数量；Q jr 表示第j 种单位质量原材料获取所消耗的第r 种能源；W jr 表示第j 种单位质量原材料获取产生的第r 类环境排放量。3.3 制造装配阶段
E M Q kn nr k Mfas u ¦110
。P M W kn nr k Mfas u ¦110。
式中：M kn 表示部件k 所需要的第n 种零件质量；Q nr 表示单位质量第n 种零件制造过程所需要的第r 种能源；W nr 表示第n 种零件制造过程中产生的第r 类环境排放量。3.4 运行使用阶段
E M Q f Rups use use u ¦。P M W f Rups use use u ¦。
式中：f 表示所需要更换的零部件；M use 表示运行使用过程中所需要更换的零部件质量；Q use 表示运行使用过程中更换零部件所需的能源消耗量；W use 表示运行使用过程中更换零部件所对应的环境排放量。
在NEDC 综合工况下该车续驶里程为800 km ，根据官方给出的纯电续驶里程为180 km ，确定纯电行驶里程占比为22.5%。假设全生命周期行驶里程为150 000 km ，得纯电行驶里程为33 750 km ，增程及燃油行驶里程为116 250 km 。综合考虑电池充/放电效率为90%、80%，整车油耗计算时，综合考虑能源转换损失和热量损失，设其燃油利用率为30%，得到总油/电耗见表3。
的质量；Q s 1表示回收部件所消耗的能源；Q s 2表示回收部件所产生的能源回收量；W s 1表示回收部件所产生的环境排放量；W s 1表示回收部件所产生的环境效益。
在报废回收过程中，由于车体组成结构复杂，各部件材料回收工艺差异较大，为方便研究，本文主要考虑4种主要金属材料的回收利用，其余废弃材料则采用GABI 软件对应工艺进行处理，各金属回收过10万左右的吉普车
程及回收率见表4，回收每千克金属所消耗的能源见表5。
表3
金属材料回收步骤及回收率
3.5 报废回收阶段
milltekE M Q M Q Srps u u ¦s s s s T 12。
P M W M W T Srps u u ¦s s s s 12。
式中：T 表示回收的零部件；M s
表示对应回收部件
表4 金属材料回收步骤及回收率
表5 回收每千克金属所消耗的能源
4 影响评价与结果解释
产品生命周期影响评价(Life Cycle Impact Assess-ment ， LCIA )是对清单分析中的环境影响类型进行定量或定性的综合评价与描述。SETAC 、ISO 和英国环保局都倾向于把影响评价定为一个三步走模型，分别是：分类与特征化、归一化、量化 [17]。本文根据本土化数据情况与中国国情相结合，选取CML2001方法进行环境影响评价，能源消耗主要考虑矿产资源消耗（ADPe ）和化石能源消耗（ADPf ），将环境影响划分为5类，分别是：全球变暖（GWP ）、酸化（AP )、水体富营养化（EP ）、光化学烟雾（POCP ）和臭氧层损耗（ODP ）。环境影响评价的计算过程经查阅文献[18]所得：
IA m f r i r i w i Z ,,, u ¦。
式中：IA (ω,r ) 为ω类环境影响潜值(kg -Eq )；m i ,r 为ω类环境影响起促成作用的第i 类资源、排放或能
（4）
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