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( 1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室, 陜西 西安 710064 )

0 引言

通過一系列研究對比分析了各類新能源汽車和傳統(tǒng)燃油車之間的節(jié)能減排效果差異[1-2]。隨著研究的深入，車輛的重要總成系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件也被單獨提取出來做生命周期評價研究，如發(fā)動機(jī)總成、變速器、電動座椅、輪轂等，以期通過評價助力綠色設(shè)計制造[3-4]。綜合來看，國內(nèi)外對于純電動汽車相關(guān)研究已涉及各個方面，在此基礎(chǔ)上，本文以電動汽車最核心的動力系統(tǒng)為研究主體，從細(xì)節(jié)上分階段、分流程、分工藝對其進(jìn)行生命周期能耗排放研究，找出其對于環(huán)境影響的關(guān)鍵階段與影響因素，以期研究結(jié)果對未來純電動汽車動力系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計、綠色制造提供技術(shù)參考。

1 研究對象與系統(tǒng)邊界

本次全生命周期評價對象為基于市面上某款燃油車車型平臺改進(jìn)而來純電動汽車的動力系統(tǒng)，為降低分析的復(fù)雜性并保證結(jié)果的全局性和準(zhǔn)確性，本次研究將對生態(tài)環(huán)境影響較小的零部件略去，將動力系統(tǒng)分為四大關(guān)鍵組成部件——動力電池、驅(qū)動電機(jī)、控制裝置以及減速器進(jìn)行研究分析[5]。本次全生命周期評價范圍分為原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段、運行使用階段和報廢回收4個階段，本次研究的純電動汽車動力系統(tǒng)生命周期評價系統(tǒng)邊界說明由圖1所示。

圖1 純電動汽車動力系統(tǒng)生命周期評價系統(tǒng)邊界

2 清單分析與模型建立

生命周期清單分析(life cycle inventory analysis, LCI)是對“搖籃到再生”的整個生命周期中的廢物排放和資源消耗等進(jìn)行量化的過程[6]，這對于產(chǎn)品的生命周期評價研究是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。本研究中的純電動汽車動力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)主要通過查閱現(xiàn)有的期刊和文獻(xiàn)、GaBi數(shù)據(jù)庫以及實地調(diào)研獲取，因為我國數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與發(fā)展還尚不成熟，部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取，因此在不影響總體結(jié)果的情況下，本研究對于動力系統(tǒng)中質(zhì)量較小、能耗較低且排放輕微的缺失數(shù)據(jù)不予考慮[5]。

本次生命周期能耗和排放計算方法原理如下：

EDS=EM+EP+EU+ER

(1)

PDS=PM+PP+PU+PR

(2)

EDS，PDS分別為動力系統(tǒng)生命周期內(nèi)總資源消耗與環(huán)境排放；EM，PM為原材料開采階段能源消耗和環(huán)境排放；EP，PP為生產(chǎn)制造階段能源消耗與環(huán)境排放；EU，PU為運行使用階段能源消耗與環(huán)境排放；ER，PR為報廢回收階段能源消耗與環(huán)境排放。生命周期評價的各個階段所建模型均是基于德國斯圖加特大學(xué)聚合物測試與科學(xué)研究所開發(fā)的GaBi7.0平臺完成。

本款電動汽車動力系統(tǒng)的原材料獲取清單根據(jù)劃分的電動機(jī)、電動機(jī)控制裝置、減速器、動力電池四部分分別進(jìn)行收集。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)資料[7]，其動力電池為磷酸鐵鋰電池，總重量為215 kg；驅(qū)動電機(jī)為永磁同步式電機(jī)，總重量為29 kg；減速器和控制裝置重量分別為15 kg和14 kg。磷酸鐵鋰電池相關(guān)數(shù)據(jù)參考了湖南大學(xué)李娟的碩士論文[5]，得其整個生產(chǎn)制造階段總共消耗電能2 515.5 kWh和天然氣1 893 kWh；電動機(jī)控制裝置數(shù)據(jù)則在調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的假設(shè)，設(shè)其生產(chǎn)制造階段得的能耗為20 kWh。在運行使用階段，可認(rèn)為純電動汽車“0排放”，在資源消耗方面只消耗電能。該款車在生命周期內(nèi)的行駛里程為180 000 km，汽車質(zhì)量為1 462 kg，百公里能耗15 kWh[5]，動力系統(tǒng)生命周期內(nèi)能耗可根據(jù)動力系統(tǒng)所占據(jù)整車質(zhì)量的比例計算得出。

生產(chǎn)制造過程中材料過剩以及汽車廢棄后的金屬有機(jī)物可重新經(jīng)過回收再利用[8]。與全生命周期的其他3個階段相比，報廢回收階段具備了資源消耗與環(huán)境排放的雙向過程，即在實現(xiàn)對象的報廢回收工藝過程中伴隨相應(yīng)的資源消耗并產(chǎn)生環(huán)境排放，而回收完成后所獲得的二次利用材料和零件等資源，于生命周期整個過程的資源消耗和環(huán)境排放又產(chǎn)生一定的正效益。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)獲得其整動力系統(tǒng)材料回收情況以及回收每千克金屬所消耗的資源數(shù)據(jù)[9-10]，由于動力系統(tǒng)部分非金屬物質(zhì)重量極小且回收數(shù)據(jù)難以獲得，因此主要針對回收報廢后的金屬部分進(jìn)行選擇分析。參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]，報廢回收階段的資源回收、環(huán)境排放計算方法為：

ER=Ed-Ep-Em-Ee

(3)

PR=Pd-Pp-Pm-Pe

(4)

ER，PR分別為回收階段總的資源消耗(包括ADP(e)和ADP(f)和環(huán)境排放；Ed,Pd為回收階段對動力系統(tǒng)進(jìn)行拆解、回收等過程造成的直接資源消耗和環(huán)境排放；Ep,Pp為回收的零部件生命周期內(nèi)產(chǎn)生的資源效益和環(huán)境效益；Em，Pm為回收階段獲得的原材料生命周期內(nèi)的資源效益和環(huán)境效益；Ee，Pe為回收過程中產(chǎn)生的直接能源效益和環(huán)境效益。以上均為歸一化處理結(jié)果。

3 影響評價和結(jié)果解釋

生命周期影響評價(life cycle impact analysis, LCA)是對LCI中所包含的環(huán)境影響通過數(shù)據(jù)的相關(guān)處理來定性或定量描述與評價。ISO將影響評價的過程分為分類、特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)。分類是指把清單分析中的數(shù)據(jù)按照環(huán)境影響的類別進(jìn)行劃分歸類，特征化是使用特征化模型計算環(huán)境影響指標(biāo)，以GWP為例，將全球變暖潛值的溫室氣體CO2，SO2和CH4等進(jìn)行相應(yīng)的特征化因子計算，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)CO2重量單位為kg CO2-Eq.，便得到特征化結(jié)果。量化是將特征化的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，并通過加權(quán)得到最終的環(huán)境影響值的過程。本文針對中國國情，選取CML方法中各種排放物對全球變暖(GWP)、酸化(AP)、光化學(xué)煙霧(POCP)、水體富營養(yǎng)化(EP)、臭氧層損耗潛值(ODP)五種影響類目的因子作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將這些影響因子按照不同類目進(jìn)行分類整理以及二次處理，歸一化基準(zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)[13]。查閱并參考相關(guān)文獻(xiàn)，環(huán)境影響評價的計算過程[12]為：

(5)

IA(w,r)是w類環(huán)境影響潛值(kg -eq);mi,r是對w類環(huán)境影響起促成作用的第i類資源、排放或能源(kg or MJ);fi,w是第i類的資源、排放和能源的特征因子(kg -eq/kg or kg -eq/MJ)。最終環(huán)境影響的歸一化結(jié)果如表1所示。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，在Gabi7.0中對所建立模型進(jìn)行環(huán)境排放歸一化和量化平衡表計算可得動力系統(tǒng)環(huán)境影響相關(guān)結(jié)果，如圖2～3所示。

表1 動力系統(tǒng)生命周期環(huán)境排放影響歸一化結(jié)果

圖2 動力系統(tǒng)不同生命周期階段化石能源和礦產(chǎn)資源消耗

圖3 動力系統(tǒng)生命周期五種環(huán)境影響綜合值

綜合圖2～3分析：①資源消耗方面，由圖2可知，生命周期4個階段中原材料獲取階段具有最大的礦產(chǎn)資源和化石能源消耗，分別為0.142 kg sb-Eq.(銻當(dāng)量)和0.037 kg sb-Eq.；回收報廢階段的資源消耗是負(fù)值，礦產(chǎn)資源消耗和化石能源消耗分別為-0.042 kg sb-Eq.和-0.006 kg sb-Eq.，這表明回收階段在資源消耗方面具有一定的正效益；②環(huán)境排放方面，由圖3知各環(huán)境影響類型指數(shù)由大到小排序為GWP (39%)> AP > POCP > EP > ODP，且經(jīng)計算使用階段的環(huán)境影響綜合值最大，約占整個生命周期4個階段總境影響綜合值總和的54%，其次是原材料獲取階段(29%)、生產(chǎn)制造階段(14%)與報廢回收階段(3%)。

根據(jù)結(jié)果分析，該純電動汽車動力系統(tǒng)的運行使用階段的環(huán)境影響綜合值最高，其中全球變暖潛值(GWP)最大，這主要是因為運行使用階段消耗大量電能，而我國的電力結(jié)構(gòu)中，煤電比例占到近八成，不清潔的發(fā)電過程導(dǎo)致產(chǎn)生大量的CO2、SO2以及NOx，這使得我國溫室效應(yīng)不斷加重，酸雨和光化學(xué)煙霧的出現(xiàn)更為頻繁。原材料獲取階段能源消耗最多，主要是因為純電動汽車動力系統(tǒng)中的電池、電機(jī)等部件主要由鋼、鐵、鋁等金屬材料制成，且目前我國磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)制造相關(guān)技術(shù)仍不成熟，導(dǎo)致造成的電能和天然氣能耗水平偏高。此外，在獲取這些礦產(chǎn)資源以及對所開采的礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)冶煉時也伴隨了大量的電能等化石能源消耗。全4個生命周期4個階段中，報廢回收階段在礦產(chǎn)資源的消耗、化石能源的消耗以及環(huán)境排放方面均產(chǎn)生了一定正效益，由此可見，合理高效的對廢舊汽車動力系統(tǒng)的相關(guān)零部件進(jìn)行有效二次利用和相應(yīng)的報廢回收處理對提高車輛生命周期節(jié)能減排績效意義重大，是從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度促進(jìn)我國純電動汽車與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

本文以生命周期評價理論為基礎(chǔ)，以純電動汽車動力系統(tǒng)作為研究主體，基于數(shù)學(xué)模型運用Gabi平臺建模研究其節(jié)能減排績效，找出了其對于環(huán)境影響的關(guān)鍵階段與影響因素，以提升產(chǎn)品綠色度為目標(biāo)，提出如下改進(jìn)建議：①優(yōu)化我國的現(xiàn)有電力結(jié)構(gòu)，降低電能結(jié)構(gòu)中火力發(fā)電比例，著重提升光伏、風(fēng)能、潮汐能等清潔能源發(fā)電比例等來降低純電動汽車使用階段電能對應(yīng)的上游能耗；②當(dāng)前動力系統(tǒng)技術(shù)條件下百公里電耗過高是影響車輛節(jié)能減排效果的重要因素，應(yīng)在電池電耗環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)升級，通過減少電池重量、增加電池比功率和能量密度，同時提高電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，從而降低運行使用階段的能源消耗和環(huán)境污染；③重視純電動動力系統(tǒng)的報廢回收再循環(huán)利用工作，在純電動汽車生命周期過程中，通過生態(tài)設(shè)計、綠色制造、材料循環(huán)利用等方式可不斷提高礦產(chǎn)資源消耗、化石能源消耗以及環(huán)境排放方面的正效益，降低整個車輛對環(huán)境的影響程度。