輕量化汽車的參數(shù)研究

以化石燃油驅(qū)動的車輛被認為是CO2排放和污染空氣的主源，為了控制這些環(huán)境問題，歐盟已經(jīng)向制造商要求設(shè)計和生產(chǎn)低排放車輛。化石燃油的日益消耗也要求開發(fā)高效率、輕量化的車輛，據(jù)報道車輛重量每降低1%，燃油消耗可望減少0.7%。多年來車輛制造商聚焦在改進車輛效率為能滿足嚴厲的CO2排放規(guī)定，許多設(shè)計方案的目標(biāo)，在于減輕車輛的總重量乃至車輛在使用時的負面環(huán)境影響。

輕量化材料及其方案的設(shè)計在汽車行業(yè)已經(jīng)變得日益重要，汽車制造商欲將其作為降低CO2排放的手段之一，為的是符合歐盟的目標(biāo)和可持續(xù)性發(fā)展的要求。遵照關(guān)于CO2尾氣排放和壽命終止的可循環(huán)使用性規(guī)定要求，在同時遵循耐碰撞性條件以及滿足諸如車輛競爭價格的市場要求，通過材料替代和組分設(shè)計降低車輛重量來實現(xiàn)輕量化，以上考慮均同樣適合于傳統(tǒng)型和電動型的車輛。然而，在同等性能和安全性的前提下，未來電動車輛對降低重量的需求更甚，因為附加重量便會造成縮短行車里程，即大的重量與更多的電池成本相關(guān)聯(lián)。

最近幾年，因在材料的研究領(lǐng)域及其可造性方面取得了顯著的進步，使得其在大/中乘客容量車輛上的使用量呈上升趨勢，因此降低車輛能耗，還降低了車輛使用階段受可忽略性環(huán)境因素影響的程度。一些生命周期研究法（LCA）的研究結(jié)果顯示，因制備這些新型材料的技術(shù)手段通常是高度能量密集型的，在使用階段所受影響的減少可對抵掉這些部件在生產(chǎn)階段增加的影響。類似的考慮可適用于經(jīng)濟效益上，有幾例生命周期成本法（LCC）的研究結(jié)果顯示，高的材料成本（復(fù)合材料成本是鋼材料的5～6倍，假設(shè)每年生產(chǎn)六萬計量單位），以及缺乏關(guān)于使用輕量化材料和減少CO2排放的金錢刺激，常會抵消掉其好處，因而阻礙了復(fù)合材料的應(yīng)用。經(jīng)過審視以高性能纖維增強塑料替代鋼材料的LCA研究結(jié)果，認為該方案可顯著減重，但目前其成本高企且具有環(huán)境性的影響。另外發(fā)現(xiàn)，先進的輕量化合金具有中等減重效果而成本在可接受水平。就此推論，雜化材料或多重材料設(shè)計有望成為憑著可被接受的成本來實現(xiàn)顯著減重的一種方法。

1 材料與方法

1.1 替代方案

選取電動車輛的三樣部件∶車前門，車前蓋和懸架臂?，F(xiàn)將多重材料（或稱雜化方案）與金屬基的方案進行比對，表1列出金屬基和雜化概念的特征。

總的說來，雜化方案可達到減重范圍為12%～55%，歸功于創(chuàng)新性熱塑性和熱固性的纖維增強樹脂（FRP）的應(yīng)用，包括不同的增強技術(shù)方法。歐盟曾立項ENLIGHT進行材料選擇和相關(guān)制造技術(shù)的開發(fā)。尤其是碳擴散纖維束和單向帶的應(yīng)用，可進而用來生產(chǎn)超輕的層壓制件，增強的程度可根據(jù)模數(shù)的要求進行設(shè)置。

還有，作為輕量化和低碳足跡方案的一個有趣例子，采用生物基聚合物PA410代表著生產(chǎn)中等體量車輛（例如5萬輛）的創(chuàng)新應(yīng)用。其中的制造技術(shù)，樹脂傳遞模塑（RTM）和創(chuàng)新型連續(xù)纖維敷設(shè)（CFP），因其特別有利于滿足中等體量的生產(chǎn)要求，已經(jīng)過測試并被采用。

1.2 生命周期研究法

采用生命周期研究法（LCA）進行環(huán)境分析（ISO 14040：2006和ISO 14044：2006），是用來研究電動車模塊預(yù)設(shè)模擬的一種方法。尤其，這一研究的目標(biāo)和范圍，在于依照“從搖籃到大門”方法，將雜化電動車部件與金屬基的車輛相比較來進行評估并驗證其環(huán)境性能。其功能單位為裝配在電動車上的一個部件，其10年內(nèi)的壽命里程為150000 km。系統(tǒng)的范圍由與材料生產(chǎn)制造、加工和使用階段關(guān)聯(lián)的所有過程所構(gòu)成，運輸因素被排除了，因可一般忽略的影響無須刻意關(guān)注。壽命終止階段也排除在外，由于高度可變和不確定場景會妨礙生產(chǎn)與使用階段權(quán)衡的特定評價。研究中采用材料供應(yīng)商的初始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫GaBi的數(shù)據(jù)用于3樣部件每單一材料部分的模擬，表2列出了一些提取的數(shù)據(jù)。

使用階段由公式（1）進行模擬，計算壽命期限總的電耗歸屬于每一個模塊的質(zhì)量變化值。

表1 電動車部件概念特征

表2 LCA和LCC細目

式中：Em1：質(zhì)量引起的能量消耗，假定為 0.69（kW·h）/100 kg×100 km；Δm比較：金屬基與雜化方案之間的質(zhì)量差（kg）；Ukm：壽命駕駛里程（km）；F電池∶電池效率，假定為85%；F充電器∶充電器效率，假定為95%。

1.3 生命周期成本法

用生命周期成本法（LCC）進行經(jīng)濟性評估，將其與LCA結(jié)合作為一致性框架。目前LCC的目標(biāo)和范圍在于評價和比較金屬基與雜化概念的壽命周期成本。采取制造商的觀點并延伸至涵蓋使用階段的成本，事實上高生產(chǎn)成本的可能性只有建立在車輛壽命周期后階段的可比性利益基礎(chǔ)上才有意義。

生產(chǎn)成本包括材料和制造成本，其中制造成本涵蓋機械、工具、消耗品（例如水）、能量和人工費見公式（2），所述部件之每單一材料部分的生產(chǎn)成本估價均已考慮其幾何結(jié)構(gòu)、材料和制造技術(shù)諸方面。經(jīng)濟細目包括文獻數(shù)據(jù)以及材料和技術(shù)提供人收集的數(shù)據(jù)（如表3所示）。

制造成本=機械成本+工具作業(yè)成本+消耗品成本+能量成本+勞動力成本 （2）

1.4 影響生產(chǎn)與使用權(quán)衡的參數(shù)

一些參數(shù)影響LCA和LCC的結(jié)果，分別有單關(guān)聯(lián)參數(shù)和雙關(guān)聯(lián)參數(shù)。

關(guān)于LCA，研究了4個相關(guān)參數(shù)，電網(wǎng)混合作為一重要假設(shè)參數(shù)被提及，有時候可從內(nèi)燃機車輛出發(fā)評估電動車輛的顯著性益處。首先一步，采取歐洲一般混合（EU-28），但也含有其他電網(wǎng)混合。輕量化從總體上講，關(guān)于馬達適應(yīng)的次生效應(yīng)，特別是由于部件減重帶來的電池減重便成為一個關(guān)聯(lián)點。因此，通過引入調(diào)整電池效應(yīng)對這個點進行分析，帶來了進一步減重［公式（3）與質(zhì)量引起能耗公式（1）同型］。設(shè)想部件減重1 kg的作用使得電池減重0.13 kg。

我們發(fā)現(xiàn)碳纖維（CF）生產(chǎn)的作用是輕量化方案中主要影響因素之一，在全球變暖趨勢（GWP）的可變性建議評估其影響。輕量化材料帶來的好處也取決于方案應(yīng)用的車輛動力系統(tǒng)架構(gòu)（電動的或內(nèi)燃機型的）。

關(guān)于LCC，除了次生效應(yīng)和動力系統(tǒng)架構(gòu),還考察了其他3個參數(shù)。電價成本［歐元/（kW·h）］對生產(chǎn)和使用階段都有影響，其對制造階段的影響程度隨著所用的制造技術(shù)而變。樹脂傳遞模塑（RTM）比起其他的技術(shù)的能耗較高，電價成本對使用階段成本的影響與部件重量直接相關(guān)聯(lián)。

由于LCC起始于部件的幾何結(jié)構(gòu)進行模擬，且對該參數(shù)（部件尺寸）的影響作評估，它影響著生產(chǎn)階段的多重參數(shù)，取決于所用的制造技術(shù)。例如，部件盒的體積（可容納部件的最小盒子）在注塑成型技術(shù)中對工具成本有影響，大部件要求較大較昂貴的工具；部件突出面積在熱成型中對所用機器也有影響，突出面積大的也要求較大較昂貴的工具。再有，取決于所用的制造技術(shù)，部件尺寸還影響循環(huán)周期，例如，大部件在注射成型中需要更長的冷卻時間，因而影響勞動力成本和能耗。而且，部件尺寸影響材料成本，大的部件需要更多材料。最后，部件尺寸影響使用階段的成本，大部件具有較重質(zhì)量（視材料密度為不變），意味著較高的能耗。

尤其在復(fù)合材料部件情況下，材料成本是部件生產(chǎn)成本的顯著部分——典型的大于25%總生產(chǎn)成本，同時復(fù)合材料的輕量化趨勢能夠降低使用階段成本。因此，材料成本對復(fù)合材料生命周期模塊具有可觀的影響，而有關(guān)金屬材料的影響較小。

表3 LCA和LCC結(jié)果

2 結(jié)果討論

2.1 LCA和LCC結(jié)果

用LCA和LCC研究比較金屬基與雜化方案的電動車模塊，表3列出了LCA的全球變暖趨勢（GWP）和一次能量需求（PED）的結(jié)果，以及LCC的分列變化值（即為金屬基與雜化方案之間的差值），生產(chǎn)與使用階段數(shù)據(jù)進行分列和合計。出現(xiàn)負值的意味著雜化方案的性能不如鋼材料性能。

可見，除了使用階段的正效應(yīng)，雜化方案高的影響和高成本超過在使用階段的優(yōu)點。實際上，3個部件的ΔGWP、ΔPED和Δ成本（合計）均為負值，主要是由于增加了復(fù)合材料的使用，其需要能量密集的制造技術(shù)以及昂貴的原材料，特別是當(dāng)采用碳纖維作增強材料時。結(jié)果是，應(yīng)用所研究的雜化方案并未產(chǎn)生環(huán)境和經(jīng)濟效益。

2.2 環(huán)境權(quán)衡的敏感性分析

進行了次生效應(yīng)、電網(wǎng)混合、動力系統(tǒng)架構(gòu)對GWP和PED的影響研究。總體上，電網(wǎng)混合最具影響的GWP和PED因素，特別是減重效果突出的部件在使用階段便顯出些優(yōu)勢。就車前蓋和懸架臂，用電的高GWP［＞1 kg CO2（當(dāng)量）/（kW·h）］使其影響變化為正值，包含使用階段的次生效應(yīng)導(dǎo)致了雜化設(shè)計給出較好的性能，但是相對變化不甚顯著，對減重效果大的雜化設(shè)計部件作用也較大。對于內(nèi)燃機車輛的情況類似，雖然內(nèi)燃機車輛在使用階段（從油箱到車輪）的排放量高于電動車（從油井到油箱）的排放量（+23%），然而假如跟金屬基的方案做比較，在生產(chǎn)階段的負擔(dān)卻是太大（+45%以上）。

碳纖維生產(chǎn)就其相應(yīng)的聚丙烯晴基（PAN）生產(chǎn)工藝采用數(shù)據(jù)庫GaBi的數(shù)據(jù)進行模仿為20.1 kg CO2/kg，生產(chǎn)過程中使用的高能量通常認被為是碳纖維的一個弱項，正如預(yù)期的，碳纖維的GWP影響值對那些高補強程度（接近60%）的部件是不可忽略的，碳纖維對GWP減少50%使得雜化方案優(yōu)于金屬部件。

2.3 經(jīng)濟權(quán)衡的敏感性分析

研究了電成本，部件幾何結(jié)構(gòu)和材料成本關(guān)于生命周期成本的影響，圖1和圖2分別顯現(xiàn)了部件幾何結(jié)構(gòu)和材料成本關(guān)于生命周期成本的影響。

圖2 材料成本對部件Δ成本的影響

電價對生命周期成本的影響考察了5種不同情況：2處最便宜的電價在歐洲，如瑞典［0.059歐元/（kW·h）］，芬蘭［0.071歐元/（kW·h）］；基準價（EU-28,0.119歐元）；2處最貴的電價，如英國［0.152歐元/（kW·h）］，意大利［0.16歐元/（kW·h）］。電價對采用能量密集制造技術(shù)部件的影響較高，可見其對車前蓋的影響大，這是一個采用加壓模塑的大部件，屬能量密集的工藝。

當(dāng)檢查部件的幾何結(jié)構(gòu)時，我們考慮所有維度（x，y，z）呈線性變化，雖然實際情況這是由模數(shù)決定的（比如，車門可以相應(yīng)地在x和y維度增量，而不是z）。部件尺寸對車前蓋的生命周期成本有較大影響，尤其是車門模數(shù)的影響，可從圖1中線條的梯度看出來。這是由于部件的模數(shù)大，進而相應(yīng)制造技術(shù)用的機器成本受單一材料部件幾何結(jié)構(gòu)的影響顯著。例如對于車門來說，沖壓、鑄造和其他技術(shù)手段中：沖壓機器的成本受部件突出面積的影響；鑄造機器成本受盒子體積的影響；懸架臂是相當(dāng)小的部件，因此其尺寸的變化影響較小。還可看出，從車門的模數(shù)所帶來的Δ成本較大，由于車是由較多單一材料部分所構(gòu)成，即增加了輕量化的成本。還有，大型部件的尺寸變化對其在使用階段成本的影響更大。

最后，材料基準價格是以材料供應(yīng)商的估價為基礎(chǔ)，對生命周期成本的影響是圍繞這些價格波動進行計算的。正如預(yù)期，對大部件的影響較大，因其需要較大量的材料。另外從圖2可得出，材料成本降低4%甚至可致車前蓋模塊破壞，而車門和懸架臂在所考察范圍內(nèi)卻不會發(fā)生，這一點可從車前蓋模塊的大體積來解釋。

3 結(jié)論

由于不同材料及其制造過程的特殊性，一項可靠的LCA和LCC分析需要大量數(shù)據(jù)和一些假設(shè)。因此，針對每一參數(shù)關(guān)于LCA和LCC的影響進行評估是非常有益的。事實上，在新開發(fā)輕量化材料的情況中，有關(guān)其生命周期成本和環(huán)境影響方面尚不明晰。已有的研究說明多重材料設(shè)計可給以車輛減重，盡管這也在電動車的早期生命周期帶來大的環(huán)境影響。概而言之，通過電網(wǎng)混合減少CO2排放是影響環(huán)境結(jié)果最突出的參數(shù)，而當(dāng)達到大的減重效果時，次生效應(yīng)和動力系統(tǒng)就會影響生產(chǎn)與使用階段之間的權(quán)衡。從成本的角度來看，在由于輕量化所帶來的在使用階段的益處，將補償其在生產(chǎn)階段的成本增加，更可能是在具有簡單幾何結(jié)構(gòu)的大部件的情況下可行，而不是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小部件。而且，電成本是決定該權(quán)衡的一個強力因素，特別是關(guān)于電動車的情況。為了表示生命周期研究法和生命周期成本法的結(jié)果，以成本合計功能體現(xiàn)結(jié)合全球暖化趨勢的合計變化值可作為一種清晰且有用的方法，以便拿出清楚明了的決定。輕量化設(shè)計的進一步研究可走向分析金屬基與雜化方案之間結(jié)合的可能性，以便找到優(yōu)化車輛的折衷方法。

文中縮寫術(shù)語表示如下：

LCA——生命周期研究法；

LCC——生命周期成本法；

CFP——連續(xù)纖維敷設(shè)法；

PA——聚酰胺；

CF——碳纖維；

RTM——樹脂傳遞模塑；

GWP——全球變暖趨勢；

PED——一次能量需求。