輕量化汽車的參數研究

以化石燃油驅動的車輛被認為是CO2排放和污染空氣的主源，為了控制這些環境問題，歐盟已經向制造商要求設計和生產低排放車輛?；加偷娜找嫦囊惨箝_發高效率、輕量化的車輛，據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排放規定，許多設計方案的目標，在于減輕車輛的總重量乃至車輛在使用時的負面環境影響。

輕量化材料及其方案的設計在汽車行業已經變得日益重要，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和可持續性發展的要求。遵照關于CO2尾氣排放和壽命終止的可循環使用性規定要求，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計降低車輛重量來實現輕量化，以上考慮均同樣適合于傳統型和電動型的車輛。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聯。

最近幾年，因在材料的研究領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境因素影響的程度。一些生命周期研究法（LCA）的研究結果顯示，因制備這些新型材料的技術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階段增加的影響。類似的考慮可適用于經濟效益上，有幾例生命周期成本法（LCC）的研究結果顯示，高的材料成本（復合材料成本是鋼材料的5～6倍，假設每年生產六萬計量單位），以及缺乏關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，因而阻礙了復合材料的應用。經過審視以高性能纖維增強塑料替代鋼材料的LCA研究結果，認為該方案可顯著減重，但目前其成本高企且具有環境性的影響。另外發現，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計有望成為憑著可被接受的成本來實現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%，歸功于創新性熱塑性和熱固性的纖維增強樹脂（FRP）的應用，包括不同的增強技術方法。歐盟曾立項ENLIGHT進行材料選擇和相關制造技術的開發。尤其是碳擴散纖維束和單向帶的應用，可進而用來生產超輕的層壓制件，增強的程度可根據模數的要求進行設置。

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代表著生產中等體量車輛（例如5萬輛）的創新應用。其中的制造技術，樹脂傳遞模塑（RTM）和創新型連續纖維敷設（CFP），因其特別有利于滿足中等體量的生產要求，已經過測試并被采用。

1.2 生命周期研究法

采用生命周期研究法（LCA）進行環境分析（ISO 14040：2006和ISO 14044：2006），是用來研究電動車模塊預設模擬的一種方法。尤其，這一研究的目標和范圍，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年內的壽命里程為150000 km。系統的范圍由與材料生產制造、加工和使用階段關聯的所有過程所構成，運輸因素被排除了，因可一般忽略的影響無須刻意關注。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與使用階段權衡的特定評價。研究中采用材料供應商的初始數據以及數據庫GaBi的數據用于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據。

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）進行經濟性評估，將其與LCA結合作為一致性框架。目前LCC的目標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上才有意義。

生產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成本估價均已考慮其幾何結構、材料和制造技術諸方面。經濟細目包括文獻數據以及材料和技術提供人收集的數據（如表3所示）。

制造成本=機械成本+工具作業成本+消耗品成本+能量成本+勞動力成本 （2）

1.4 影響生產與使用權衡的參數

一些參數影響LCA和LCC的結果，分別有單關聯參數和雙關聯參數。

關于LCA，研究了4個相關參數，電網混合作為一重要假設參數被提及，有時候可從內燃機車輛出發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），但也含有其他電網混合。輕量化從總體上講，關于馬達適應的次生效應，特別是由于部件減重帶來的電池減重便成為一個關聯點。因此，通過引入調整電池效應對這個點進行分析，帶來了進一步減重［公式（3）與質量引起能耗公式（1）同型］。設想部件減重1 kg的作用使得電池減重0.13 kg。

我們發現碳纖維（CF）生產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用的車輛動力系統架構（電動的或內燃機型的）。

關于LCC，除了次生效應和動力系統架構,還考察了其他3個參數。電價成本［歐元/（kW·h）］對生產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而變。樹脂傳遞模塑（RTM）比起其他的技術的能耗較高，電價成本對使用階段成本的影響與部件重量直接相關聯。

由于LCC起始于部件的幾何結構進行模擬，且對該參數（部件尺寸）的影響作評估，它影響著生產階段的多重參數，取決于所用的制造技術。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，部件尺寸還影響循環周期，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，大部件具有較重質量（視材料密度為不變），意味著較高的能耗。

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

表3 LCA和LCC結果

2 結果討論

2.1 LCA和LCC結果

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），生產與使用階段數據進行分列和合計。出現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，雜化方案高的影響和高成本超過在使用階段的優點。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合材料的使用，其需要能量密集的制造技術以及昂貴的原材料，特別是當采用碳纖維作增強材料時。結果是，應用所研究的雜化方案并未產生環境和經濟效益。

2.2 環境權衡的敏感性分析

進行了次生效應、電網混合、動力系統架構對GWP和PED的影響研究。總體上，電網混合最具影響的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勢。就車前蓋和懸架臂，用電的高GWP［＞1 kg CO2（當量）/（kW·h）］使其影響變化為正值，包含使用階段的次生效應導致了雜化設計給出較好的性能，但是相對變化不甚顯著，對減重效果大的雜化設計部件作用也較大。對于內燃機車輛的情況類似，雖然內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，在生產階段的負擔卻是太大（+45%以上）。

碳纖維生產就其相應的聚丙烯晴基（PAN）生產工藝采用數據庫GaBi的數據進行模仿為20.1 kg CO2/kg，生產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%使得雜化方案優于金屬部件。

2.3 經濟權衡的敏感性分析

研究了電成本，部件幾何結構和材料成本關于生命周期成本的影響，圖1和圖2分別顯現了部件幾何結構和材料成本關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。

當檢查部件的幾何結構時，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決定的（比如，車門可以相應地在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大，進而相應制造技術用的機器成本受單一材料部件幾何結構的影響顯著。例如對于車門來說，沖壓、鑄造和其他技術手段中：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，從車門的模數所帶來的Δ成本較大，由于車是由較多單一材料部分所構成，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商的估價為基礎，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卻不會發生，這一點可從車前蓋模塊的大體積來解釋。

3 結論

由于不同材料及其制造過程的特殊性，一項可靠的LCA和LCC分析需要大量數據和一些假設。因此，針對每一參數關于LCA和LCC的影響進行評估是非常有益的。事實上，在新開發輕量化材料的情況中，有關其生命周期成本和環境影響方面尚不明晰。已有的研究說明多重材料設計可給以車輛減重，盡管這也在電動車的早期生命周期帶來大的環境影響。概而言之，通過電網混合減少CO2排放是影響環境結果最突出的參數，而當達到大的減重效果時，次生效應和動力系統就會影響生產與使用階段之間的權衡。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，將補償其在生產階段的成本增加，更可能是在具有簡單幾何結構的大部件的情況下可行，而不是幾何結構復雜的小部件。而且，電成本是決定該權衡的一個強力因素，特別是關于電動車的情況。為了表示生命周期研究法和生命周期成本法的結果，以成本合計功能體現結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。輕量化設計的進一步研究可走向分析金屬基與雜化方案之間結合的可能性，以便找到優化車輛的折衷方法。

文中縮寫術語表示如下：

LCA——生命周期研究法；

LCC——生命周期成本法；

CFP——連續纖維敷設法；

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。