1 前言

美國政府制定了2017?2025輕型汽車聯(lián)邦溫室氣體（GHG）排放和公司平均燃料經(jīng)濟(jì)性（CAFE）標(biāo)準(zhǔn)，包括美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）為2022?2025制定的溫室氣體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行中期評(píng)估的監(jiān)管要求（MTE）。2016年7月EPA發(fā)布的技術(shù)評(píng)估報(bào)告（TAR）是MTE的第一個(gè)正式步驟，該報(bào)告審查了與適用溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的各種技術(shù)問題。

汽車研究中心（CAR）研究人員編寫了本報(bào)告，評(píng)估了美國環(huán)境保護(hù)局在TAR草案中進(jìn)行的車輛減重技術(shù)分析。CAR建議EPA采用國家研究委員會(huì)（NRC）推薦的基于材料輕量化成本分析，并重新評(píng)估美國輕型車隊(duì)的成本。

NHTSA和EPA使用的分析步驟相似，但每個(gè)機(jī)構(gòu)使用的基線、工具、統(tǒng)計(jì)技術(shù)和假設(shè)顯著不同，并導(dǎo)致了不同的結(jié)果。所有這些差異的影響對(duì)同一美國車隊(duì)產(chǎn)生了截然不同的減重預(yù)測(cè)。美國環(huán)保局預(yù)計(jì)平均減少9%的溫室氣體減排量，而NHTSA預(yù)計(jì)CAFE合規(guī)性減少6%。Figure 1顯示了機(jī)構(gòu)使用的一般建模策略和不同的工具。

Figure 1：General Modeling Strategy

2 規(guī)則制定應(yīng)以一套方法論和工具為基礎(chǔ)

在TAR草案中，EPA和NHTSA在其各自軟件中應(yīng)用的算法明顯不同，因此在技術(shù)應(yīng)用和成本方面產(chǎn)生了不同的法規(guī)遵從路徑，這將限制實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一法規(guī)。

EPA和NHTSA分析之間存在的幾個(gè)主要差異如下：

?美國環(huán)保局的分析包括考慮遵守CARB的ZEV法規(guī)，該法規(guī)也被其他九個(gè)州（基準(zhǔn)/參考車隊(duì)）采納，而NHTSA的分析則沒有。

?EPA的主要分析采用間接成本乘數(shù)（ICM），而NHTSA的主要分析采用零售價(jià)等值（RPE）。

?美國環(huán)保局預(yù)計(jì)每輛車法規(guī)符合性的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用為894美元，NHTSA預(yù)計(jì)為1245美元。

EPA減重建模方法

EPA預(yù)測(cè)每減重10%，使用效率值為5.2%，F(xiàn)igure 2描述了EPA減重一般建模策略。

Figure 2：EPA Mass Reduction Modeling Methodology

該過程從定義基準(zhǔn)年型車開始，該基準(zhǔn)年型車是“0車輛”，從0%質(zhì)量減少開始;基準(zhǔn)使用2008年車型。下一步，分析車隊(duì)（2015年車型）中的每輛車都會(huì)被分配一個(gè)質(zhì)量減少量級(jí)。EPA通過比較車隊(duì)中每輛車的2015和2008年之間的車型整備重量來確定這一點(diǎn)。為了預(yù)測(cè)輕量化的成本，利用由EPA和NHTSA贊助的各種拆卸對(duì)標(biāo)研究所產(chǎn)生的成本曲線。這些曲線是為2008年到2010年代開發(fā)的車型。最后，OMEGA模型用于預(yù)測(cè)車輛要求符合GHG規(guī)定的質(zhì)量減少，OMEGA同時(shí)使用成本曲線來預(yù)測(cè)輕量化的成本，美國環(huán)保局提議的決議預(yù)測(cè)的平均質(zhì)量減少約9%。

基準(zhǔn)車型和成本曲線

EPA的質(zhì)量減少分析使用兩條成本曲線，一條汽車和非牽引的CUV成本曲線，以及輕型卡車的不同成本曲線。2008?2010年代車型和零部件設(shè)計(jì)被認(rèn)為代表了減重的“零”技術(shù)。

汽車和CUV成本曲線

汽車/CUV直接制造成本曲線是建立在美國環(huán)保局基于豐田Venza的中型CUV研究和NHTSA基于本田雅閣的乘用車研究之上的。美國環(huán)保局將兩條成本曲線合并為一條適用于汽車和CUV的曲線，在Fig?ure 3中，綠色曲線是汽車/CUV的成本曲線。

輕型卡車成本曲線

通過結(jié)合EPA MY2011基準(zhǔn)LDT和NHTSA MY2014基準(zhǔn)LDT輕量化研究的結(jié)果，創(chuàng)建了第二個(gè)輕型卡車（LDT）直接制造成本曲線的EPA質(zhì)量減少成本曲線。這兩項(xiàng)研究都使用雪佛蘭Silverado作為測(cè)試工具。在Figure 4中藍(lán)線是EPA用于LDT的成本曲線。

Figure 3：Car/CUV cost curve used by EPA(FRM=Final Rulemaking for MY2017-2025,August 2012)

Figure 4：Light duty truck cost curve used by EPA

3 成本曲線應(yīng)基于當(dāng)前和無偏好的車型庫

考慮到市場(chǎng)上有數(shù)百輛車型，選擇任何一輛車來拆卸以獲得輕量化路徑和成本的洞察力是任意的。2009年豐田Venza是美國車隊(duì)的代表，但沒有提出任何爭論，也沒有任何爭議。Venza繼承了豐田凱美瑞和漢蘭達(dá)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并沒有對(duì)重量進(jìn)行“優(yōu)化”。

EPA將MY2011 Silverado成本曲線與MY2014 Silverado成本曲線相結(jié)合。2014年新款Silverado是全新的結(jié)構(gòu)，廣泛使用超高強(qiáng)度鋼。與現(xiàn)有的Silverado相比，舊款和新款Silverado的混合會(huì)降低輕量化成本，尤其是大量使用鋁制的福特F?150。2016年TAR草案解釋說：“由于初始點(diǎn)是所有節(jié)省成本的項(xiàng)目，總體成本降低了”。同樣所選擇的成本曲線相對(duì)于輕型汽車行業(yè)而言傾向于偏低端。

設(shè)計(jì)因素和成本影響的范圍取決于許多因素，包括：技術(shù)基線、業(yè)務(wù)限制和汽車制造商能力，導(dǎo)致成本影響的復(fù)雜分配。對(duì)任意兩輛車進(jìn)行任意選擇，并將其輕量級(jí)成本曲線結(jié)合起來以代表美國工業(yè)輕量化工作，這樣做嚴(yán)重過度簡化輕量化系統(tǒng)工程和成本分析的復(fù)雜性。拆解研究提供了對(duì)研究車輛輕量化的良好洞察，但不一定能找到車隊(duì)中的典型車輛。結(jié)合汽車和CUV的成本曲線得出的成本曲線并不代表任何車輛的成本。在較低的質(zhì)量減少水平上，綜合成本曲線引入誤差約為2美元/公斤（或在質(zhì)量減少6?7%時(shí)為50至100%的誤差）。

4 成本估計(jì)不應(yīng)該從一個(gè)模型推斷到車隊(duì)

美國環(huán)保署結(jié)合了兩項(xiàng)針對(duì)汽車/CUV和輕型卡車的單獨(dú)車輛拆解研究，以開發(fā)適用于美國車隊(duì)的簡單、一般化的成本曲線。不同細(xì)分市場(chǎng)的復(fù)雜性、設(shè)計(jì)目標(biāo)和不斷推進(jìn)的輕量化技術(shù)，使得簡單成本曲線不足以代表真實(shí)的成本分布。

調(diào)整過去的減重努力

在TAR草案中，美國環(huán)保署指出：“重要的是要考慮到在2008年代車型典型的”零“減重水平之外應(yīng)用的任何減重情況?！泵绹h(huán)保署估計(jì)在2015年基準(zhǔn)中每個(gè)車型的減重車隊(duì)對(duì)應(yīng)到2008年車型。如果某輛車沒有2008年對(duì)應(yīng)，那么OEM的銘牌產(chǎn)品系列中的銷售加權(quán)平均質(zhì)量減少百分比將用于表示車輛內(nèi)減重技術(shù)數(shù)量的預(yù)期。

美國環(huán)保局調(diào)整2015年兩項(xiàng)因素的整備質(zhì)量數(shù)據(jù)，以反映車輛屬性在2008至2015之間的信用變化。

（1）車輛投影面積（Footprint）增加?對(duì)2008年至2014年的車輛之間的投影面積差異應(yīng)用了一公斤/平方英尺的信貸。Table 1包含EPA使用的投影面積調(diào)整值。

Table 1:Footprint adjustment values used by EPA(2016 Draft TAR,pg.5?396)

（2）安全規(guī)定?為2008年至2014年生效的安全規(guī)定提供了大量信貸。其中包括聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS）和公路安全保險(xiǎn)研究所（IIHS）的小型重疊測(cè)試。Table 2包含EPA使用的大眾信用值。

Table 2:Mass credit for safety regulations(2016 Draft TAR,pg.5?398)

5 整備質(zhì)量是車輛輕量化技術(shù)的一個(gè)糟糕指標(biāo)

CAR研究支持考慮對(duì)基線以外的任何質(zhì)量減少的重要性（基線是針對(duì)EPA的2008年代車型），但是純粹基于重量差異來估算質(zhì)量減少技術(shù)是不準(zhǔn)確的。這種方法有幾個(gè)問題：

（1）由于EPA成本曲線是基于輕量化技術(shù)的進(jìn)展，因此基準(zhǔn)線的起點(diǎn)應(yīng)基于輕量化技術(shù)?而不是重量的限制。美國環(huán)保局已經(jīng)開發(fā)出基于在車輛中增加輕量化技術(shù)的成本曲線（例如額外的鋁，高強(qiáng)度鋼等）。由于成本曲線是指數(shù)型的，車輛在成本曲線上的起點(diǎn)對(duì)于確定減少重量的成本增量很重要。然而，在確定2015年車隊(duì)相對(duì)于2008年的質(zhì)量減少量時(shí)，環(huán)保局根據(jù)整備質(zhì)量的變化調(diào)整成本曲線?而不是基于輕量化技術(shù)。有一個(gè)假設(shè)，即減重的變化是輕量級(jí)技術(shù)變化的代表，CAR研究表明情況并非如此。

（2）對(duì)來自全球九家汽車制造商的42種不同車型的CAR進(jìn)行的研究表明，整備質(zhì)量是車輛輕量化技術(shù)的一個(gè)糟糕指標(biāo)（見Figure 5）。有些車型可能會(huì)看起來“沉重”，但擁有先進(jìn)的輕量化技術(shù)，因此會(huì)導(dǎo)致更高的成本以減輕重量，同時(shí)針對(duì)可能增加重量的所有其他所需車輛屬性進(jìn)行優(yōu)化（車輛內(nèi)容示例參見Fig?ure 6）。2015年車隊(duì)中有大量車輛擁有最先進(jìn)的輕量化技術(shù)，但并不像EPA估計(jì)的那么輕?；贑AR數(shù)據(jù)，Table 3顯示了兩輛車具有相似的整備質(zhì)量但輕量化技術(shù)大不相同。車輛A/公司A與車輛B/公司B具有類似的整備重量，但車輛A具有更先進(jìn)的輕量化技術(shù)。這將導(dǎo)致相對(duì)于車輛B減少額外重量的高得多的成本。如果車輛A具有與車輛B類似的輕量化技術(shù)，則其重量將比現(xiàn)在更大。

2015年NRC研究報(bào)告中的建議6.3提出了“基于材料的方法，可以查看整個(gè)車隊(duì)，以更好地定義實(shí)施輕量化技術(shù)的機(jī)會(huì)和成本”。EPA使用整車隊(duì)的整備質(zhì)量方法，并且整備質(zhì)量不相關(guān)涉及車輛中的材料技術(shù)。

表3 :Similar curb weight but different lightweight technology

?

（3）以往的CAR研究表明，2015年型車隊(duì)的材料技術(shù)存在很大范圍和顯著差異。Figure 5顯示了2015/2016年代車型評(píng)分范圍（基于材料技術(shù)）。需要注意的是，與2011年本田雅閣相比，所有新車都擁有先進(jìn)的材料技術(shù)?；贑AR的車輛實(shí)際材料數(shù)據(jù)庫，很明顯車輛的整備質(zhì)量（針對(duì)占地面積進(jìn)行調(diào)整）與材料技術(shù)（R2=0.0398）無關(guān)。

Figure 5：Lightweight Technology(Unibody)：Large Range

（4）在TAR草案中，EPA在2008年至2014年期間僅為車輛投影面積增加和安全規(guī)定提供了大量信貸。EPA沒有對(duì)車輛內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，F(xiàn)igure 6列出了影響車輛重量的內(nèi)容示例。雖然這些技術(shù)沒有強(qiáng)制要求，但是這份清單表明消費(fèi)者需要的這些技術(shù)以及幾項(xiàng)提高安全性的技術(shù)。在TAR草案中，EPA估計(jì)由于未來強(qiáng)制的安全法規(guī)，重量會(huì)增加7.08?9.51公斤。OEM估計(jì)，因自動(dòng)駕駛技術(shù)相關(guān)零部件的采用，未來的車輛可能會(huì)增加113?136公斤。

圖6 Examples of Vehicle Content

（5）TAR草案中的EPA指出：

“重量減少的百分比是基于2014到2008年的整備重量變化，而不是應(yīng)用的輕量化技術(shù)的數(shù)量。雖然輕量化技術(shù)確實(shí)并不總能為人們所了解，但可以獲得代表美國大部分車隊(duì)的廣泛的材料技術(shù)細(xì)節(jié)。像CAR、A2Mac1和Munro＆Associates這樣的組織擁有大量的車輛數(shù)據(jù)庫以及輕量化技術(shù)，可以更好地了解2008至2015年間汽車制造商采取的大規(guī)模輕量化工作。

（6）2015年NRC研究報(bào)告指出：每降低一個(gè)額外重量單位的重量成本就會(huì)增加，較低的整備質(zhì)量通常意味著較低的油耗，但汽車制造商可以通過提高動(dòng)力系統(tǒng)效率或通過替代推進(jìn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。來自TAR草案中的Figure 7顯示，在過去的十年中，平均車重并沒有改變，但燃油經(jīng)濟(jì)性和性能都得到了顯著的提高，汽車制造商投入了大量資金和努力來做輕量化，但是車重沒有改變，因?yàn)橛捎谛阅芨倪M(jìn)造成的重量增加抵銷了輕量化的減重量，如高效的動(dòng)力系統(tǒng)、安全性和更好的客戶駕駛體驗(yàn)等。

Figure 7：Average New Vehicle Fuel Economy,Weight and Power(Source：Draft TAR 2016)

成本曲線調(diào)整

一旦2015年車隊(duì)的車輛初始重量減少百分比由整備質(zhì)量法確定，則可調(diào)整開發(fā)的成本曲線，以反映比其2008年同類車輛更輕車輛的輕量化成本。雖然百分比基準(zhǔn)質(zhì)量減少量是根據(jù)車輛具體情況（以0.5%的MR增量）確定的，但EPA建模中使用的成本曲線調(diào)整量（$/車輛）是基于車輛類型。Figure 8顯示了相對(duì)于2008年基線，2014年質(zhì)量減少5%的車輛的移動(dòng)成本曲線（藍(lán)色）。

Figure 8：Cost curve with 5%MR in MY2014 relative to MY2008(Note：EPA updated the analysis fleet to MY2015 in the Proposed Determination.)

6 2008年車隊(duì)的車型采用不同的材料技術(shù)

（1）拆解研究得到的成本曲線部分是基于未來車輛材料技術(shù)的改進(jìn)。這些成本曲線是為整個(gè)美國車隊(duì)推算的。為了解釋2008年至2015年期間的輕量化工作，成本曲線基于減少重量來調(diào)整。這種方法形成了一個(gè)內(nèi)在的假設(shè)，即2008年車隊(duì)中的每一輛車都使用了類似的材料技術(shù)?事實(shí)并非如此。例如，2008年豐田Venza主要是一輛低碳鋼車輛;2008年凱迪拉克CTS主要部件采用了高強(qiáng)度鋼;2008年BMW X6是一種混合材料車輛，應(yīng)用了鋼、鋁和熱塑性塑料;而捷豹的XJ采用的是全鋁合金。

（2）根據(jù)2008/2010年時(shí)代車輛的拆解研究得到的成本曲線可能會(huì)低估2015年車隊(duì)型中輕型高級(jí)車輛的成本，即使經(jīng)過基于重量差異的調(diào)整。例如，福特已經(jīng)在模具及其供應(yīng)鏈上進(jìn)行了大量投資，以開發(fā)大量使用鋁合金的F?150卡車。在下一次重大設(shè)計(jì)升級(jí)中通過使用碳纖維等更好的材料來使這款先進(jìn)的卡車進(jìn)一步輕量化，可能并不現(xiàn)實(shí)，并且需要大量投資和市場(chǎng)拉動(dòng)。汽車的平均重新設(shè)計(jì)周期為6年，而卡車可以是10年或更長?？s短重新設(shè)計(jì)的生命周期以及引入成本較高的技術(shù)將難以滿足內(nèi)部收益率或投資資本回報(bào)水平。

7 結(jié)束語

汽車制造商正在努力以經(jīng)濟(jì)、高效的方式滿足溫室氣體和CAFE標(biāo)準(zhǔn)要求。EPA和NHTSA需要在最終確定規(guī)則之前評(píng)估法規(guī)的成本。EPA和NHTSA聯(lián)合發(fā)布了技術(shù)評(píng)估報(bào)告草案，描述了他們對(duì)滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)和成本的分析。2008和2015年車型之間的整備質(zhì)量差異（針對(duì)占地面積的增加和安全性進(jìn)行了修正）說明已經(jīng)實(shí)施的大規(guī)模減排努力。不幸的是，2008年的先進(jìn)輕型車輛被認(rèn)為與老的技術(shù)車輛相當(dāng)，都在零起點(diǎn)?？紤]到他們已經(jīng)進(jìn)一步提高了指數(shù)型輕量化成本曲線以實(shí)現(xiàn)額外的輕量化，因此在2008年前實(shí)施技術(shù)的積極性較高的制造商會(huì)受到懲罰。

與美國環(huán)保局的分析結(jié)果相比，根據(jù)2008和2015年車型之間的整備質(zhì)量差異（針對(duì)占地面積的增加和安全性進(jìn)行了校正），說明已經(jīng)實(shí)施的大規(guī)模輕量化工作，NHTSA對(duì)輕量化的不同進(jìn)展的分析是基于以下回歸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：占地面積、功率、強(qiáng)勁的HEV、PHEV、BEV、電池組尺寸、AWD、RWD、敞篷車。

EPA贊助了幾項(xiàng)拆解研究項(xiàng)目，為汽車/CUV和輕型卡車開發(fā)兩種不同的成本曲線。OMEGA模型用于預(yù)測(cè)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)成本所需的質(zhì)量減少量。CAR研究表明，整備質(zhì)量不是車內(nèi)材料技術(shù)的有效指標(biāo)。美國國家研究委員會(huì)建議不要將從車輛拆卸研究中產(chǎn)生的成本曲線推斷到其他車輛。

對(duì)豐田Venza、本田雅閣以及Silverado卡車、未經(jīng)優(yōu)化和過時(shí)的車型進(jìn)行了昂貴的拆解研究。對(duì)于2009年的Venza和2011年的Silverado，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)和過時(shí)的設(shè)計(jì)而成為影響力很高，但是很低成本的拆解項(xiàng)目。來自這兩種車輛的成本曲線并不代表當(dāng)今的輕量化技術(shù)，也不應(yīng)該包含在EPA成本分析中。

鑒于當(dāng)今輕量化技術(shù)的范圍以及對(duì)未來技術(shù)的猜測(cè)，估計(jì)美國車隊(duì)的輕量化成本是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的任務(wù)。為車隊(duì)建立了當(dāng)前的基準(zhǔn)也是很有用的，但是考慮到成本估算的巨大影響和范圍（從每輛車從0到超過420美元/每減輕5%的重量），需要重新評(píng)估輕量化成本分析。拆解研究提供了良好的洞察力，可用于建立適用于材料研究的材料路徑。有以下主要復(fù)雜性：

●當(dāng)前輕量化技術(shù)方面的技術(shù)基準(zhǔn);

●當(dāng)前車隊(duì)基礎(chǔ)技術(shù)分布的適當(dāng)系列成本曲線;

●認(rèn)識(shí)未來的技術(shù)，包括能夠提高安全性和性能、但增加重量的自動(dòng)駕駛技術(shù);

●隨著行業(yè)向更高強(qiáng)度的鋼材、鋁和復(fù)合材料轉(zhuǎn)移，資本擱淺造成的成本后果;

●與資源可用性和產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間相關(guān)的約束。

CAR認(rèn)為需要根據(jù)2015年NRC研究報(bào)告的建議，根據(jù)材料技術(shù)對(duì)車隊(duì)進(jìn)行更多分析。應(yīng)該根據(jù)舒適性、安全性和娛樂功能來調(diào)整添加到車輛的性能和客戶期望的內(nèi)容。在單個(gè)成本曲線應(yīng)用于不同汽車制造商、不同車輛細(xì)分市場(chǎng)車型時(shí)，需要更謹(jǐn)慎。