基于LCA純電動汽車驅動電機能源消耗分析

張馳　李柏姝

摘 要：基于生命周期評價方法（LCA），運用GaBi軟件平臺，建立純電動汽車驅動電機數(shù)學模型，對榮威Ei5的驅動電機以國家不同區(qū)域電網(wǎng)為基礎，采用CML2001評價方法中ADP（e）和ADP（f）兩種指標進行能源消耗分析。得到的結論為驅動電機全生命周期下礦產(chǎn)能源消耗主要發(fā)生在原材料獲取制造階段，化石能源消耗主要發(fā)生在使用階段，但隨著火力發(fā)電比例減少，ADP（e）和ADP（f）指標有減少的趨勢，因此需要逐步改善我國各大區(qū)域電網(wǎng)結構，大力開發(fā)新能源發(fā)電。從純電動汽車自身考慮，在使用階段提高純電動汽車的充電效率和能量轉化率，減少使用階段能耗是在我國各大電網(wǎng)以火力發(fā)電為主的國情下，降低資源消耗的重要方法之一。

關鍵詞：純電動汽車 驅動電機 生命周期評價 礦產(chǎn)能源耗竭潛值 化石能源耗竭潛值

Analysis of Energy Consumption of Drive Motor Based on LCA Pure Electric Vehicle

Zhang Chi，Li Baishu

Abstract：Based on the life cycle assessment method （LCA）， the GaBi software platform is used to establish a mathematical model of the drive motor of a pure electric vehicle. The drive motor of the Roewe Ei5 is based on the power grid of different regions in China， and the ADP（e） and ADP（f） in the CML2001 evaluation method are used for energy consumption analysis. The conclusion is that the mineral energy consumption mainly occurs in the raw material acquisition and manufacturing stage during the whole life cycle of the drive motor， and the fossil energy consumption mainly occurs in the use stage. However， as the proportion of thermal power generation decreases， the ADP（e） and ADP（f） indicators decrease. Therefore， it is necessary to gradually improve the structure of Chinas major regional power grids and vigorously develop new energy power generation. From the perspective of pure electric vehicles themselves， improving the charging efficiency and energy conversion rate of pure electric vehicles during the use phase， and reducing energy consumption during the use phase is one of the important methods to reduce resource consumption under the national conditions of China's major power grids dominated by thermal power generation.

Key words：pure electric vehicle， drive motor， life cycle assessment， mineral energy depletion potential， fossil energy depletion potential，

1 引言

目前，我國的科學技術發(fā)展愈來愈快，在面臨全球的大形勢下，以純電動汽車為首的新能源汽車出現(xiàn)并在近十五年來的得到了大力地發(fā)展與推進。國家把節(jié)能與新能源汽車列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和和《中國制造2025》重點研究領域，純電動汽車成為未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一[1]。驅動電機作為純電動汽車的三大核心部件之一，隨著純電動汽車發(fā)展，降低驅動電機在整個全生命周期對環(huán)境的影響對于純電動汽車的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 目標與范圍的確定

2.1 目標的確定

本文研究的是榮威Ei5純電動汽車的一款永磁同步驅動電機。電動機總功率85kw，扭矩255N?m，質量76kg。

2.2 系統(tǒng)邊界

我們主要研究的是驅動電機在全生命周期當中的原材料獲取、制造裝配、運行使用階段和報廢回收階段四個階段。

3 驅動電機LCA建模

3.1 原材料獲取階段

驅動電機是純電動汽車的核心部分之一，它可以為純電動汽車提供動能，把動力電池提供的出來的電能進行轉化。本文研究的是一款永磁同步電機，永磁同步電機的基本材料構成：定子繞組12.5kg、鐵心16.46kg、驅動電機軸9.97kg、永磁轉子7.41kg、驅動電機殼體18.46kg、驅動電機基座11.2kg。根據(jù)文獻[2]得知單位質量下釹所需原材料為0.29/kg占比29.12%、硼0.01/kg占比1%、鐵0.7/kg占比69.68%。永磁同步電機在軟件Gabi中的建模如圖1。

3.2 制造裝配階段

驅動電機的制造裝配階段包含了定子、轉子、電機軸、殼體基座和電機總裝的過程。定子制造裝配包含了銅絲繞組、鐵心的硅鋼片壓裝和總組裝過程;轉子一般是永磁轉子的熔化提煉，鑄錠等熱處理過程;電機軸通常需要鋼坯經(jīng)過粗車、精車、熱處理、打磨等處理過程;殼體與基座通過對鋁制鑄造并且進行機械加工處理得到。建立驅動電機制造裝配階段Gabi模型圖如圖2所示。

根據(jù)工藝手冊[3]（王先逵等，2008）、文獻[4]（張磊，2011）和GaBi數(shù)據(jù)庫。得到驅動電機零部件在原材料獲取和制造階段的消耗：定子繞組26.28MJ熱能和77.42MJ電能、鐵心10.87MJ電能、定子的制造22.34MJ電能、永磁轉子52.75MJ熱能和75.32MJ的電能、驅動電機軸37.39MJ電能、殼體基座64.14MJ熱能和127.68MJ電能和裝配44.7MJ電能。

3.3 運行使用階段

本文研究的純電動汽車為榮威的Ei5官方百公里耗電量為13.2Wh/100km搭載的是一款三元鋰電池循環(huán)壽命可達3000次，經(jīng)過2000次循環(huán)，電池損耗低于20%，充放電效率為91%。本文假設純電動汽車的全生命周期的可行駛總里程為200000km，按照質量換算能耗比例可計算出驅電機在次里程數(shù)下的對于能源消耗的影響數(shù)值。20000013.2/10042/1555=713.05kWh。

3.4 報廢回收階段

本文主要研究金屬和非金屬這兩大類材料的報廢回收，其中金屬包括了鐵、鋼、鋁，非金屬材料主要包括塑料和橡膠。其他材料我們采用軟件平臺中的工藝和數(shù)據(jù)標準，貴金屬本文暫不考慮。

目前，鋼在電弧爐中進行回收，回收率90%;廢鐵一般放入沖天爐，隨后在模具中進行冷卻得到鑄鐵，目前廢鐵的回收率為 80%;鋁一般通過高溫熔化和鑄造的方式進行回收，回收率為92%;銅一般采用直流電解方法，回收率為90%，并且每kg需要2.65kWh的能耗[5]。

4 影響評價和結果解釋

4.1 特征化

在生命周期評價中（LCA）生命周期影響評價是核心的內容之一。本文采用CML2001評價方法并且主要研究的影響類型是CML2001中的礦產(chǎn)能源耗竭潛值和化石能源耗竭潛值這兩項。

運用GaBi軟件的平衡表功能計算，可以獲得驅動電機全生命周期的能源消耗特征化結果，如表1。

4.2 結果分析

通過前面驅動電機的數(shù)學模型的建立、數(shù)據(jù)的輸入和最后的計算可以知道，對于礦產(chǎn)資源的消耗主要的發(fā)生階段為驅動電機的原材料獲取和制造階段，對于化石能源的消耗主要發(fā)生在使用階段。根據(jù)我國家的發(fā)電的特點可以知曉，國內不同區(qū)域下的電網(wǎng)結構是不同的，因此純電動汽車的不同電網(wǎng)模式下的評價結果存在差異，據(jù)《中國電力年鑒2014》[6]中國的各大區(qū)域電網(wǎng)結構下驅動電機能源消耗特征化計算結果如表2。

5 總結與建議

（1）驅動電機全生命周期下礦產(chǎn)能源消耗主要發(fā)生在原材料獲取制造階段，化石能源消耗主要發(fā)生在使用階段，但隨著火力發(fā)電比例減少，ADP（e）和ADP（f）指標有減少的趨勢，因此需要逐步改善我國各大區(qū)域電網(wǎng)結構，大力開發(fā)新能源發(fā)電。（2）從純電動汽車自身考慮，在使用階段提高純電動汽車的充電效率和能量轉化率，減少使用階段能耗是在我國各大電網(wǎng)以火力發(fā)電為主的國情下，降低資源消耗的重要方法之一。

參考文獻：

[1]劉凱輝，徐建全.純電動汽車驅動電機全生命周期評價[J].環(huán)境科學學報，2016，36（09）：3456-3463.

[2]尹慶煒.2007.燒結釹鐵硼永磁體制備與性能研究[D].天津：天津大學.

[3]王先逵，孫鳳池.2008.機械加工工藝手冊：單行本.加工技術卷.齒輪，蝸輪蝸桿，花鍵加工.第2卷[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[4]張磊.2011基于GaBi4的電動汽車生命周期評價研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學.

[5]李兆堅.可再生材料生命周期能耗算法研究[J].應用基礎與工程科學學報，2006（01）：50-58.

[6]魏昭峰.2014.中國電力年鑒：2014[M].北京：中國電力出版社.