「可持续设计理念」课程系列13丨行：混动车是否真的“越堵越环保”？

/课程综述/

可持续设计理念

Sustainability consciousness

我们的星球是一个巨大的生态系统，由无数相互关联互动的子系统构成，可持续性既在于宏观星球尺度，也在于无数细小短暂的微观层面。

设计属于人类的基本活动，而每一件设计都将对可持续性产生积极或消极的影响。如果设计师能理解人类活动是如何影响环境的，设计就能使人类的命运重获生机。在年轻的设计专业学生中根植可持续意识，是迈向真正的可持续发展的重要一步。

在这样的背景下，同济大学设计创意学院多年前便开设了 “可持续设计理念”(Sustainability consciousness)课程，希望培养具有“可持续理念”的设计师。课程的核心是引导同学们理解人类系统与自然系统之间的互动关联，洞察生活中可持续性的议题：在衣、食、住、行、文、弃等诸多生活场景中，研究人类行为对生态环境的影响；探讨现有的设计实践、潜在的设计策略，可以/可能在哪些环节、怎样的层面上、如何影响到人类系统的衣、食、住、行、文、弃，进而影响到自然系统的大气、水体、土地环境、生物圈等等，领悟设计所能产生的影响。

近年来我院朱小村、姚雪艳、曹静、刘洋、莫娇、童毓舟等多位老师，与校内外专家共同开展了这项课程的教学和指导工作。课程结题作业要求学生们3-6人一组，从日常生活出发挖掘可持续议题，探究“熟视无睹、习以为常、理所当然”的现象背后的深远影响，并通过设计专业技能，将这些分析和思考呈现传达出来，鼓励同学们在探究的基础上提出新颖、创新的想法和概念。

我们选取了自2017年至2021年五年间的共约20个有代表性的学生作业，按照衣、食、住、行、文、弃几个方面的顺序依次向读者呈现，希望与社会各界人士共同交流和探讨“可持续”相关议题的同时，激发和引导公众在日常生活中增强可持续发展意识，践行可持续发展理念。

「可持续设计理念」课程系列 13

油电混合动力汽车（HEV）近年来因其燃油经济性在网约车等行业不断兴起，而其必须的电池电机对环境的影响也引起了广泛争议。油电混动旨在通过电池电机提高发动机的运转效率。而堵车这种走走停停、忽快忽慢、低速行驶的工况恰恰是传统内燃机的典型低效工况。因此，作者从堵车这一典型工况切入，以北京市的交通状况为例，探究全生命周期下混合动力汽车与传统燃油车对环境影响的差异。

除了堵车过程本身的能源消耗与排放，我们向前追溯到他们的生产、能源的开采，向后直至最终的回收与废弃等，探究其全生命周期内的影响，并基于此提出潜在的设计可能性。

本期主题：行 · 混动车是否真的“越堵越环保”？

作者：

同济大学设计创意学院  陈茂烁（产品设计方向）、刘承彦（产品设计方向）、闫广赫（产品设计方向） 

内容编辑：白梓迪

研究焦点：行

关键词：油电混合动力、PHEV、油耗、镍氢电池、锂离子电池、永磁同步电机

01/选题背景

近年来，油价上涨，网约车兴起，交通拥堵与空气污染越来越受重视……凡此种种的社会风向不断将新能源汽车推向我们的视野中。纯电动车(EV)、插电混动车(PHEV)、油电混动车(HEV)、燃料电池车等等各显神通。不难发现，电能似乎是人们用来降低油耗、打破能源困境的“灵丹妙药”。而伴随着国家政策的引导，我们的注意力似乎普遍被纯电与插电吸引了去。”不受待见“的油电混动是否如传说那般”越堵越环保“呢？纯电动车、插电混动车、油电混动车之间，以及与传统燃油车相比到底又怎养的区别呢？电能这一“灵丹妙药”又会对环境有什么副作用呢？知道了这些问题的答案，我们从设计出发又可以得到什么样的启示呢？

02/研究部分

1. 油电混动为何省油

目前市售的高效油电混动汽车多享有“省油”的盛名。那我们首先来看看背后省油的原理是什么。

（1）油电混动不是什么

相信很多读者朋友们看到各种混动的名词之后都会不知所云。因此，我们先来对比一下油电混动、插电混动、纯电动车与汽油车之异同，先看看油电混动“不是什么”。

图1 油电混动、插电混动、纯电动车与汽油车之异同（作者自绘）

上图可见，纯电动车与纯汽油车分别只能由电力和燃油驱动，而两种混动车顾名思义兼有两种驱动形式。同时不言自明的是，纯电动车不加油，汽油车不充电。

而两种混动的关键区别在于，油电混动车是不能由车主充电的（只在行驶时由发动机在需要的时候补充电能），而插电混动车主是可以充电的。同时，其电池容量也有明显差异。

（2）油电混动是什么，为何省油？

图2 HEV与传统汽油车能量传递示意图（作者自绘）

图3 油电混动与传统汽油车运转工况示意（TOYOTA Newsroom，有修改）

当下高效油电混动车都具有更高的燃油经济性，其根本原因在于两点：

1.  通过使用电池、电机平衡、调整对发动机的动力需求（图2），使发动机得以“一旦运转便高效运转”。相比之下，传统燃油车的发动机往往难以保持高效运转(图3)，堵车尤甚(堵车时燃油车发动机要么低效地反复启停，要么在低负载低转速区运转(图3橙色框所示))；而HEV此时则可以电驱，发动机仅在电池电量不足时以高效工况充电(图3蓝色框所示))而非一直低效运转或启停；

2. 混动车制动时可以通过动能回收将动能部分转化为电能，相比之下燃油车则无法将动能转化回汽油的化学能。

总而言之，油电混动车通过更高的能量利用率实现了更高的燃油经济性。

2. 研究思路

图4 研究思路（作者自绘）

作者假设将所有乘用车都根据级别替换成相应的高效油电混动车，推导其一年内的堵车工况下总体对环境的影响。（数据以北京为例）

3. 车型替换

图5 替换车型信息（作者自绘）

我们依据北京不同等级车辆的比例，将现有车型统一替换为对应等级的高效油电混合动力车型，车型的选择遵循以下标准：

·  国内当前在售的最新车型，以及拥有国内实测足够低的油耗

·  拥有至少两台不同功率且与内燃机燃效区间互补的非同位电机

·  拥有能使引擎持续保持高效区运转的传动系统

·  拥有一台排量合适的宽域高燃效引擎

·  拥有高效的能量管理系统

据此，我们如上图将小型车、中型车、中大型车、SUV进行分别替换。

根据实验测得的比例，我们可将混动车的平均油耗折算为其拥堵路况下的油耗。继而进行加权平均，得到HEV平均堵车百公里油耗6.2升；根据电池容量及电压可得电池的重量。继而进行加权平均，得到车均电池重量及镍氢、锂离子电池占比：镍氢0.5千瓦时、锂离子0.53千瓦时;

4. 交通相关数据

图6 当下堵车里程与油耗，以北京市为例（作者自绘）

其他补充信息

·  全国平均油耗= 6.9 L/100km

·  北京平均油耗与全国之比 = 96.9%

·  北京高峰拥堵车速vc= 20.45 km/h

·  北京畅通车速vf= 47 km/h

·  北京拥堵延时系数（出行旅行时间÷畅通时间）c = 2.095

·  北京市机动车保有量571.7 万辆，其中2018年纯电动车保有量为17.5万辆，占比3.06%；而北京曾表示“不会采纳混合动力汽车”，可推测混动车在北京占比极低。

5. 环境影响因素

5.1 节省部分——油耗节省

根据HEV平均堵车百公里油耗6.2L、当下北京拥堵平均百公里油耗11.66L、平均每车每年堵车里程3887km，得到如下数据：

·  每车年均可节省：212.18升，153.83千克汽油，6768.4兆焦能量

·  北京市年均可节省：12.1亿升，87.9万吨汽油，38.7亿亿焦耳能量

省油量占北京机动车堵车油耗的54.84%，北京机动车总体油耗的26.69%。

5.2 消耗部分

动力电池

·  平均均电池重量及：镍氢0.5千瓦时、锂离子0.53千瓦时;

·  北京市每年额外消耗：镍氢285.9万千瓦时、锂离子297.3万千瓦时。

6. 生命周期评估（LCA）

通过上述初步数据以及我们查阅的资料、论文、报告，可以得出如下的综合LCA报告：

图7 LCA统计数据总表（作者自绘）

将一整年北京市区所有的车换成油电混动汽车后，在堵车阶段将获得四类环境污染的减缓：

·  水体富营养化潜值 (EP)

·  全球变暖潜值(GWP)

·  酸化潜值(AP)

·  化石能源耗竭潜值 (ADPF) ，

而有两类环境污染加重：

·  臭氧层耗竭潜值(ODP)

·  光化学烟雾潜值(POCP)

图8 污染归类与标准化（作者自绘）

上述中间点指标值将被赋予一个影响级别系数，最终归类到三大终点体系：生态系统，人类健康，资源消耗。并以三个指标来分别衡量终点影响。

图8右半部分表达了中间点和终点之间的关系以及其污染程度的变化。可见，最终三个终点指标都得到一定程度的减缓。

上述的数据或许不够直观，接下来我们就来换算一下。

·  对于光化学烟雾潜值(POCP)，相当于产生了502.31万千克的废旧塑料制品

·  对于全球变暖潜值(GWP)，相当于减少了70万公顷的阔叶林一天的吸收的CO₂

·  对于臭氧层耗竭潜值(ODP)，相当于消耗了5.92万吨的臭氧层

·  对于水体富营养化潜值 (EP) ，合计可减少当量8690吨的（PO4）₃^-离子，相当于保护了1.5个青海湖。

·  对于酸化潜值(AP)，合计可减少当量2.14万吨的SO₂，从而减少酸雨的产生。

·  对于化石能源耗竭潜值 (ADPF) ，可减少当量为13.8亿亿焦耳的能量。相当于节省了太阳在0.79秒内向地球辐射的总能量。

7. 结论

综上所述，以北京为例，我们可以肯定地得出一个结论：目前高效油电混动车在堵车工况下确实更环保。

8. 结论延伸

图9 堵工况与平均工况油耗差异对比（作者自绘）

通过对数据的进一步整合分析，我们可延伸出两个拓展结论：

首先，对环境的影响由两部分构成：节省部分（油耗减少）和消耗部分（电池电机）。其中后者与里程成正比关系。而以北京为例，平均堵车里程为平均总里程的约三分之一（32.66%），即如要估算综合工况的消耗部分，只需再乘上三倍即可。而根据LCA报表，可知节省部分相比消耗部分远多出三倍。换言之，即使其余工况油电混动不再省油，综合起来节省依然多于消耗。因此可以得到拓展结论1：以北京为例，综合工况下油电混动也更为环保。

从上述推理又不难发现，拥堵里程占比越少，则节省部分相比消耗部分的优势便越少，甚至在路况很好的情况下可能被反超；同时，我们发现油电混动车的油耗优势也是越拥堵越明显，体现在：

· 原理上，混动车之所以省油，便是在于其更高的能量利用率。而在相对高速、匀速的工况下，发动机自身即可保持较高效率，油电混动优势减少；

· 数据上（图9），对比堵车工况的油耗差与平均工况的油耗差及省油率，可以发现数据上验证了原理的推论：运转速度及平稳性提升后，油电混动的油耗优势即会降低。

由此，即可推知推展结论2：混动车越堵越环保，不堵可能被传统燃油车反超。

03/设计思考

图10 不同交通方式的人均碳排放强度 (Source: 居民家庭日常出行碳排放的发生机制与调控策略 - 北京大学，清华大学，2012)

全球交通部门产生的CO₂排放量约占CO₂排放总量的25%。同时，全国私家车总排放量继续迅猛增长，2015年是2011年的两倍，且CO₂排放量达到出行总排放的85.7%，其主要原因在于 5 年间全国私家车拥有量增长率高达92.4%，是导致整体交通CO₂排放量大幅上涨的主要原因之一。参考不同交通方式的碳排放强度（图10），可以看到单纯关注乘用车技术层面的节油并不能从根本上解决问题（技术上几乎不可能将私家车等的人均碳排放强度降低到公共交通和轨道交通的水平）。因此，最后我们还从设计的角度出发，重新审视设计可能可以在哪些方面助力甚至推动整体交通碳排放的改善，总结为两个核心点：1. 减少驾车出行需求；2. 精准把控出行需求。二者相辅相成。以下提出几点我们找到的可能性：

一、使公共交通满足和替代更多原本必须驾车实现的需求，如：

·  市内轨道交通设置少量收费较高的高等舱位，或鼓励发展拼车出行，替代原本出租车、专车、私家车、公司配车等的部分功用

·  设计改进的跨省市、跨更多交通方式（上到城铁国铁，下至共享单车）公共交通收费交互模式，使人们更有动力使用公共交通

以上的高效实现则需要以精准把控出行需求为前提。

二、利用互联网、物联网从城市角度整合出行需求，高效动态规划响应式公共交通系统，如：

·  通过长期预约等交互创新，将网约车范围扩展到公共交通，使得公共交通配置更为动态及时，进而覆盖更广的同时集约资源

·  通过整合数据，优化各种交通工具（自行车、公交车、轨道交通）的切换体验，提升系统整体的方便性，进一步提升

以上通过更准确把控出行需求的创新又反过来致力于减少驾车出行需求。

共享单车的经验告诉我们，不同的交互方式可让同一事物的接受程度又天壤之别。而上述涉及到交互方式的部分都是设计的发力点。当然，整体的城市规划必然还有其他设计师值得探索的可能性。同时，面向个人的宣传等亦是设计师的传统阵地，这又反过来对上述市政设施提出更高的要求。

参考文献

[1]CORPORATION.T. New 2.5-liter Direct-injection, Inline 4-cylinder Gasoline Engine | TOYOTAGlobal Newsroom[EB/OL]. TOYOTA Global Newsroom, 2018. (2018)[2018 -11 -06]. 

[2]HondaWorldwide|Technology Picture Book | SportHybrid i-MMD[EB/OL].World.honda.com, 2018. (2018)[2018 -11 -06].

[3]Toyota GlobalSite|Technology File | Gasoline Vehicle / Diesel Vehicle / DriveTrain[EB/OL]. TOYOTA MOTOR CORPORATION GLOBAL WEBSITE, 2018. (2018)

[4]陈博. 基于生命周期评价的锂离子电池材料合成分析与环境性分析[D].  2015.

[5]Majeaubettez G,  Hawkins T R , Anders Hammer Strømman. Life cycle environmentalassessment of lithium-ion and nickel metal hydride batteries for plug-in hybridand battery electric vehicles.[J]. Environmental Science & Technology,2011, 45(10):4548-4554.

[6]刘凯辉, 徐建全. 纯电动汽车驱动电机全生命周期评价[J]. 环境科学学报, 2016, 36(9):3456-3463.

[7]张妍懿, 郝冬, 陈光,等. 基于实路测试的并联HEV轿车油耗分析[J]. 汽车科技, 2018(1).

[8]基于OBD数据简析车辆实际油耗与综合工况油耗差异—北京案例分析[M]. 北京: 能源与交通创新中心（iCET）, 2017.

[9]2017北京市交通发展年度报告[M]. 北京: 北京交通发展研究院, 2017.

[10]2018Q2中国主要城市交通分析报告[M]. 北京: 高德地图交通大数据研究团队, 2018.

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点评

混动车的选题比较聚焦，这类选题往往不太容易做好，因为聚焦所以需要深度，但最后又得在一定广度上反思，否则可能有失偏颇。三位同学挖掘大量信息并梳理分析，设法量化计算、逻辑推断，整篇研究扎实，显示了难得的学术素养。这些海量信息对审阅者也是挑战，每轮审阅都花费多时；而同学们不仅显示了已有的独立研究能力，而且对意见和建议的吸收采纳也非常积极，难能可贵。所以几轮修改持续进步，最终成为一个较为优秀的成果。

虽然囿于微信篇幅，本文删减了一些诸如不同电池LCA数据等的细节信息。但另一方面，篇末的设计思考浓缩了很多很有意思的想法，未来可以择其二三展开研究尝试设计，真正体验可持续设计Design for Sustainability。作为设计师，视觉传达技能还可以进一步提高，这可以极大加强信息的传达效力。

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教学团队 |  朱小村（主讲）、莫娇、曹静、姚雪艳、杨皓、郭光普、潘朝阳（Raefer Wallis）、龚万彬、江垚、王茜、白梓迪、汤润瑜、保佳祺

助教 |  保佳祺、汤润瑜、王茜、江垚、白梓迪

编辑 |  白梓迪

校对 |  王茜、江垚

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编辑 / 榴莲

责编 / 雪青

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