基于全生命周期分析的白車身選材方法

張立軍，高 澤，余海燕

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

前言

汽車的制造和使用過(guò)程都需要消耗大量能源并產(chǎn)生廢氣排放，而汽車的碳排放和能耗與整車質(zhì)量關(guān)系密切，整車質(zhì)量越小，碳排放與能耗越低。因此，汽車材料的選擇策略對(duì)減輕質(zhì)量、節(jié)能減排具有重要的意義。但是，目前汽車選材關(guān)注的重點(diǎn)在汽車質(zhì)量的輕量化，目的是使汽車使用階段的排放降低，而忽略了材料在生產(chǎn)、零件制造和報(bào)廢回收環(huán)節(jié)時(shí)產(chǎn)生的碳排放。汽車原材料的生產(chǎn)及零件制造過(guò)程也會(huì)消耗大量的能量，并產(chǎn)生大量的碳排放。研究表明，鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放和能耗比傳統(tǒng)的鋼材大。因此，汽車選材的依據(jù)不僅要考慮使用階段的能耗，還須考慮這些材料在生產(chǎn)、制造和報(bào)廢回收全生命周期中對(duì)環(huán)境的影響，方能體現(xiàn)輕量化的初衷。

全生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)，從原材料采集、運(yùn)輸?shù)搅慵闹圃?、裝配、使用和報(bào)廢回收等全生命周期過(guò)程中的能量和物質(zhì)消耗以及環(huán)境污染的方法，它實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€(gè)生命周期內(nèi)的關(guān)于其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和影響的定量分析。生命周期的思想自20 世紀(jì)70 年代誕生，在80 年代被廣泛應(yīng)用。該評(píng)價(jià)方法在汽車的節(jié)能減排方面得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車行業(yè)內(nèi)最著名應(yīng)用的是美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的GREET 模型，該模型可以分析從“油井—車輪”（well to wheel，WTW）過(guò)程中的代用燃料和先進(jìn)車輛技術(shù)整個(gè)燃料循環(huán)的能源效率和排放影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于汽車輕量化的全生命周期評(píng)價(jià)研究主要是采用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，以減少能量的消耗和提升環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究范圍涵蓋了整車、白車身以及其他零部件，例如劉志峰等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)罩，發(fā)現(xiàn)鋁合金全生命周期的影響比玻璃鋼更小。Aleksandar 等對(duì)汽車座椅進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)使用回收率高的材料能減小生命周期的環(huán)境影響。Hambali等從環(huán)境、產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)等方面對(duì)低碳工藝進(jìn)行規(guī)劃與優(yōu)化，運(yùn)用AHP 方法優(yōu)化了汽車的保險(xiǎn)杠梁的制造工藝方案。李聰波等建立了一種以總碳排放和總加工時(shí)間最小為優(yōu)化目標(biāo)的機(jī)械加工系統(tǒng)工藝路線高效低碳優(yōu)化模型，并基于遺傳算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行尋優(yōu)求解，實(shí)現(xiàn)不同工藝特征加工工步的優(yōu)化排序，得到可行并優(yōu)化的工藝路線。

本文以某傳統(tǒng)汽油車作為研究對(duì)象，以碳排放當(dāng)量（即等效碳排放）和能耗為指標(biāo)，采用世界鋼鐵協(xié)會(huì)研究的全生命周期計(jì)算模型，對(duì)不同材料車身的碳排放和能耗情況進(jìn)行比較分析。旨在為汽車車身的選材提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文中所用模型從3 個(gè)階段來(lái)計(jì)算汽車全生命周期的碳排，分別是：生產(chǎn)階段、使用階段和回收階段。生產(chǎn)階段的碳排放是材料生產(chǎn)和零件制造過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。不同的材料和制造工藝會(huì)對(duì)該階段的碳排放產(chǎn)生影響。使用階段碳排放則多為燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放。回收階段根據(jù)材料和回收率的不同能減少整個(gè)生命周期的碳排放。

生產(chǎn)階段的碳排放可用式（1）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

式中：為對(duì)比車輛行駛100 km 所需燃料產(chǎn)生的能量，MJ；ED為基礎(chǔ)車輛行駛100 km所需燃料產(chǎn)生的能量，MJ；為每減質(zhì)量1 kg能減少的能量消耗；為對(duì)比車輛的質(zhì)量；為基礎(chǔ)車輛質(zhì)量。

回收階段的碳排放可用式（4）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

2 輕量化方案

本文以某傳統(tǒng)汽油車作為研究對(duì)象，該車輛的整車材料清單如表1 所示。其中，白車身的質(zhì)量為397 kg，材料為普通低碳鋼。在汽車性能不變的情況下，以普通鋼為基礎(chǔ)，參考表2 所示的輕量化材料替換系數(shù)，設(shè)計(jì)了如下5 種汽車白車身材料比例方案：

表1 整車材料清單

表2 輕量化材料的替換比例

（1）基礎(chǔ)方案，100%普通鋼，白車身質(zhì)量397 kg；

（2）方案1，100%用先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）替代，白車身質(zhì)量為298 kg，質(zhì)量減輕99 kg，整車質(zhì)量降低5.9%；

（3）方案2，100%用鋁合金替代，白車身質(zhì)量為238 kg，質(zhì)量減輕159 kg，整車質(zhì)量降低9.5%；

（4）方案3，100%用碳纖維復(fù)合材料替代，白車身質(zhì)量變?yōu)?18 kg，質(zhì)量減輕179 kg，整車質(zhì)量降低10.67%；

（5）方案4，100%用鎂合金替代，白車身質(zhì)量變?yōu)?99 kg，質(zhì)量減輕198 kg，整車質(zhì)量降低11.8%。

以上方案中行駛里程設(shè)置了10 和20 萬(wàn)km兩種情況，普通家用車10 年的行駛里程一般在此范圍內(nèi)。

3 計(jì)算結(jié)果

不同國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)鋼、鋁等材料的碳排放和能量消耗有一定差異，這對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)有影響。為此不同國(guó)家和地區(qū)的碳排放和能耗分為“普通”和“高”兩種水平，如表3所示。

表3 碳排放因子和能耗水平

表3 中的數(shù)據(jù)來(lái)源于GREET 內(nèi)置的數(shù)據(jù)與worldautosteel.org。

3.1 方案1和2在行駛里程為10萬(wàn)km時(shí)的情況

當(dāng)行駛里程為10 萬(wàn)km 時(shí)各方案對(duì)應(yīng)的碳排放當(dāng)量如表4 所示，能耗如表5 所示。由表可見(jiàn)，在高排放高能耗方案下，方案1全生命周期內(nèi)的碳排放相對(duì)基礎(chǔ)方案有顯著下降，由19.958下降到18.747 t，下降比例達(dá)6%。能耗相對(duì)基礎(chǔ)方案從291.96 減少到275.25 GJ，下降比例為5.7%。方案2 對(duì)應(yīng)的汽車在全生命周期內(nèi)總的碳排放當(dāng)量相比基礎(chǔ)方案也有下降，但是其下降幅度沒(méi)有方案1 效果明顯，僅有2.2%，能耗下降2.5%。在普通排放普通能耗方案下，方案1 和方案2 相對(duì)基礎(chǔ)方案總碳排放減少了6.1%和6.2%。可見(jiàn)，方案1 無(wú)論在高排放和普通排放條件下均能達(dá)到較好的節(jié)能減排效果，而方案2 更適合于作為在普通排放方案下的減排途徑。從這個(gè)角度而言，鋁合金雖然密度小，其輕量化效果優(yōu)于高強(qiáng)度鋼板，但是由于鋁合金制造過(guò)程中有更多的碳排放，因此其在產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中的減排效果并不優(yōu)于高強(qiáng)度鋼板。

表4 10萬(wàn)km各階段碳排放當(dāng)量

表5 10萬(wàn)km各階段能耗

按碳排放當(dāng)量由低到高的順序依次為：普通碳排放因子地區(qū)的全鋁白車身、普通碳排放因子地區(qū)的AHSS 白車身、高碳排放因子地區(qū)的AHSS 白車身、高碳排放因子地區(qū)的全鋁白車身。按能耗量由低到高的順序依次為：普通能耗地區(qū)的AHSS 白車身、普通能耗地區(qū)的全鋁白車身、高能耗地區(qū)的AHSS 白車身、高能耗地區(qū)的全鋁車身。由表3 可得，與高排放高能耗地區(qū)相比，普通排放普通能耗地區(qū)中鋁的碳排放因子減少的比例更多，減少了53%；能耗因子減少的比例較少，僅有23%。因此幾種情況的碳排放和能耗由低到高的順序并不完全一致。

3.2 方案1和2在行駛里程為20萬(wàn)km時(shí)的情況

當(dāng)行駛里程為20 萬(wàn)km 時(shí)的碳排放當(dāng)量計(jì)算結(jié)果如表6 所示，能耗如表7 所示。由表可見(jiàn)，行駛里程為20萬(wàn)km時(shí)，碳排放和能耗最低的是普通碳排放因子地區(qū)的全鋁白車身，其次是普通碳排放因子地區(qū)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼白車身，再是高碳排放因子地區(qū)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼白車身，最后是高碳排放因子地區(qū)的全鋁白車身。這是由于行駛里程增加后輪胎磨損加劇，更換新輪胎直接導(dǎo)致碳排放增加。因此，20萬(wàn)km生產(chǎn)階段的碳排放和能耗比10 萬(wàn)km 的高。但是各方案的減排效果發(fā)生了改變，高排放地區(qū)，20 萬(wàn)km 行駛里程后方案2 的碳排放相對(duì)基礎(chǔ)方案下降了5.3%，而10 萬(wàn)km行駛里程情況下該值為2.2%。同樣，在碳排放因子低的區(qū)域，方案2 的碳排放下降了7.6%，比10萬(wàn)km行駛里程情況下的減排比例6.2%也更加顯著。這說(shuō)明方案2 也即全鋁白車身的方案，汽車行駛里程越長(zhǎng)其減排效果越顯著。而且在20 萬(wàn)km 情況下其碳排放比全高強(qiáng)度鋼的方案還要低。

表6 20萬(wàn)km各階段碳排放當(dāng)量

表7 20萬(wàn)km各階段能耗

以生產(chǎn)-回收作為橫坐標(biāo)的起始點(diǎn)，碳排放和能耗隨行駛里程增加的變化關(guān)系如圖1 和圖2 所示。其中，縱坐標(biāo)為各種方案與高排放、高能耗的基礎(chǔ)方案的差值。由圖可見(jiàn)，在基礎(chǔ)排放地區(qū)，行駛約9 萬(wàn)km 時(shí)，方案1 與方案2 的碳排放當(dāng)量相等；行駛17 萬(wàn)km 時(shí)方案1 與方案2 的消耗能量相等。將其中的數(shù)據(jù)外插值之后可得，高排放地區(qū)在行駛約25 萬(wàn)km 時(shí)，方案1 與方案2 的碳排放當(dāng)量相等；行駛23萬(wàn)km時(shí)，方案1與方案2 的能耗相等。

圖1 碳排放當(dāng)量隨行駛里程變化關(guān)系

圖2 能耗隨行駛里程變化關(guān)系

由此可知，不同地區(qū)不同生產(chǎn)材料的碳排放因子的高低對(duì)汽車全生命周期的碳排放有很大影響。用鋁代替AHSS 是否能夠減少碳排放和能耗取決于該地區(qū)碳排放因子和能耗水平的高低。

3.3 行駛里程為20 萬(wàn)km 時(shí)各個(gè)階段的碳排放和能耗

圖3和圖4分別為各階段的碳排放與能耗，其中的數(shù)據(jù)均采用普通的碳排放因子和能耗水平進(jìn)行計(jì)算。

圖3 各個(gè)階段碳排放

圖4 各個(gè)階段能耗

所有方案各個(gè)階段的碳排放如圖3 所示，能耗如圖4 所示。由圖可知，生產(chǎn)階段碳排放和能耗最高的均為碳纖維車身，最低的是先進(jìn)高強(qiáng)鋼車身。使用階段碳排放和能耗最高的均為先進(jìn)高強(qiáng)鋼車身，最低的是碳纖維車身。回收階段碳排放和能耗減少最多的是全鋁車身，最少的是碳纖維車身。從全生命周期考慮，碳排放和能耗最高的是碳纖維車身，甚至超過(guò)了普通鋼車身，而最低的是全鋁車身。由此可見(jiàn)，在現(xiàn)有的技術(shù)水平條件下，從保護(hù)環(huán)境角度看，采用碳纖維復(fù)合材料制造車身并不是一個(gè)最佳選擇。鎂合金車身比普通鋼的碳排放和能耗低，但是不如AHSS 和鋁合金車身。全鋁車身有一定的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于普通鋼車身而言，碳排放能減少約2.6 t COeq，能耗減少30.874 GJ。相對(duì)于AHSS 車身，全鋁車身減少0.55 t COeq 碳排放，減少2 GJ能耗。

取行駛里程為15萬(wàn)km，根據(jù)表4～表7的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)車身材料最佳比例的計(jì)算如表8 所示，鋁合金的比例為，AHSS 的比例為1-。優(yōu)化計(jì)算后可得=22.1%。因此鋁合金的比例為22.1%，AHSS的比例為77.9%。

表8 各個(gè)階段碳排放和能耗與鋁合金比例的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）從全生命周期的角度看，用AHSS、鋁合金和鎂合金代替普通鋼作為車身材料可以降低碳排放和能耗。用碳纖維代替普通鋼會(huì)增加碳排放和能耗。其原因是現(xiàn)有技術(shù)條件下碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放和能耗都極高，并且現(xiàn)在回收碳纖維的技術(shù)還不成熟，回收階段減少的碳排放和能耗相對(duì)較少。

（2）鋁合金的全生命周期碳排放和能耗主要取決于生產(chǎn)階段的碳排放和能耗水平。在普通碳排放和能耗水平地區(qū)，鋁合金比AHSS 更有優(yōu)勢(shì)，在高碳排放和能耗水平地區(qū)，則AHSS比鋁合金更有優(yōu)勢(shì)。

（3）隨著汽車行駛里程的增加，全鋁車身的減排效果就越明顯，在普通碳排放因子地區(qū)，20 萬(wàn)km 行駛里程下全鋁車身的總碳排放和能耗低于高強(qiáng)度鋼車身。

（4）針對(duì)本文研究對(duì)象而言，綜合考慮碳排放和能耗，在普通碳排放和能耗水平地區(qū)，車輛行駛里程為15 萬(wàn)km 時(shí)，其車身材料的最佳比例應(yīng)為77.9%的AHSS和22.1%的鋁合金。