以化石燃油驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛被認(rèn)為是CO2排放和污染空氣的主源，為了控制這些環(huán)境問(wèn)題，歐盟已經(jīng)向制造商要求設(shè)計(jì)和生產(chǎn)低排放車(chē)輛?；加偷娜找嫦囊惨箝_(kāi)發(fā)高效率、輕量化的車(chē)輛，據(jù)報(bào)道車(chē)輛重量每降低1%，燃油消耗可望減少0.7%。多年來(lái)車(chē)輛制造商聚焦在改進(jìn)車(chē)輛效率為能滿足嚴(yán)厲的CO2排放規(guī)定，許多設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)，在于減輕車(chē)輛的總重量乃至車(chē)輛在使用時(shí)的負(fù)面環(huán)境影響。

輕量化材料及其方案的設(shè)計(jì)在汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)變得日益重要，汽車(chē)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(biāo)和可持續(xù)性發(fā)展的要求。遵照關(guān)于CO2尾氣排放和壽命終止的可循環(huán)使用性規(guī)定要求，在同時(shí)遵循耐碰撞性條件以及滿足諸如車(chē)輛競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格的市場(chǎng)要求，通過(guò)材料替代和組分設(shè)計(jì)降低車(chē)輛重量來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，以上考慮均同樣適合于傳統(tǒng)型和電動(dòng)型的車(chē)輛。然而，在同等性能和安全性的前提下，未來(lái)電動(dòng)車(chē)輛對(duì)降低重量的需求更甚，因?yàn)楦郊又亓勘銜?huì)造成縮短行車(chē)?yán)锍蹋创蟮闹亓颗c更多的電池成本相關(guān)聯(lián)。

最近幾年，因在材料的研究領(lǐng)域及其可造性方面取得了顯著的進(jìn)步，使得其在大/中乘客容量車(chē)輛上的使用量呈上升趨勢(shì)，因此降低車(chē)輛能耗，還降低了車(chē)輛使用階段受可忽略性環(huán)境因素影響的程度。一些生命周期研究法（LCA）的研究結(jié)果顯示，因制備這些新型材料的技術(shù)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(duì)抵掉這些部件在生產(chǎn)階段增加的影響。類(lèi)似的考慮可適用于經(jīng)濟(jì)效益上，有幾例生命周期成本法（LCC）的研究結(jié)果顯示，高的材料成本（復(fù)合材料成本是鋼材料的5～6倍，假設(shè)每年生產(chǎn)六萬(wàn)計(jì)量單位），以及缺乏關(guān)于使用輕量化材料和減少CO2排放的金錢(qián)刺激，常會(huì)抵消掉其好處，因而阻礙了復(fù)合材料的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)審視以高性能纖維增強(qiáng)塑料替代鋼材料的LCA研究結(jié)果，認(rèn)為該方案可顯著減重，但目前其成本高企且具有環(huán)境性的影響。另外發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)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(shè)計(jì)有望成為憑著可被接受的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dòng)車(chē)輛的三樣部件∶車(chē)前門(mén)，車(chē)前蓋和懸架臂?，F(xiàn)將多重材料（或稱(chēng)雜化方案）與金屬基的方案進(jìn)行比對(duì)，表1列出金屬基和雜化概念的特征。

總的說(shuō)來(lái)，雜化方案可達(dá)到減重范圍為12%～55%，歸功于創(chuàng)新性熱塑性和熱固性的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂（FRP）的應(yīng)用，包括不同的增強(qiáng)技術(shù)方法。歐盟曾立項(xiàng)ENLIGHT進(jìn)行材料選擇和相關(guān)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)。尤其是碳擴(kuò)散纖維束和單向帶的應(yīng)用，可進(jìn)而用來(lái)生產(chǎn)超輕的層壓制件，增強(qiáng)的程度可根據(jù)模數(shù)的要求進(jìn)行設(shè)置。

還有，作為輕量化和低碳足跡方案的一個(gè)有趣例子，采用生物基聚合物PA410代表著生產(chǎn)中等體量車(chē)輛（例如5萬(wàn)輛）的創(chuàng)新應(yīng)用。其中的制造技術(shù)，樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）和創(chuàng)新型連續(xù)纖維敷設(shè)（CFP），因其特別有利于滿足中等體量的生產(chǎn)要求，已經(jīng)過(guò)測(cè)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(jìn)行環(huán)境分析（ISO 14040：2006和ISO 14044：2006），是用來(lái)研究電動(dòng)車(chē)模塊預(yù)設(shè)模擬的一種方法。尤其，這一研究的目標(biāo)和范圍，在于依照“從搖籃到大門(mén)”方法，將雜化電動(dòng)車(chē)部件與金屬基的車(chē)輛相比較來(lái)進(jìn)行評(píng)估并驗(yàn)證其環(huán)境性能。其功能單位為裝配在電動(dòng)車(chē)上的一個(gè)部件，其10年內(nèi)的壽命里程為150000 km。系統(tǒng)的范圍由與材料生產(chǎn)制造、加工和使用階段關(guān)聯(lián)的所有過(guò)程所構(gòu)成，運(yùn)輸因素被排除了，因可一般忽略的影響無(wú)須刻意關(guān)注。壽命終止階段也排除在外，由于高度可變和不確定場(chǎng)景會(huì)妨礙生產(chǎn)與使用階段權(quán)衡的特定評(píng)價(jià)。研究中采用材料供應(yīng)商的初始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)GaBi的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

使用階段由公式（1）進(jìn)行模擬，計(jì)算壽命期限總的電耗歸屬于每一個(gè)模塊的質(zhì)量變化值。

表1 電動(dòng)車(chē)部件概念特征

表2 LCA和LCC細(xì)目

式中：Em1：質(zhì)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(zhì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，將其與LCA結(jié)合作為一致性框架。目前LCC的目標(biāo)和范圍在于評(píng)價(jià)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(diǎn)并延伸至涵蓋使用階段的成本，事實(shí)上高生產(chǎn)成本的可能性只有建立在車(chē)輛壽命周期后階段的可比性利益基礎(chǔ)上才有意義。

生產(chǎn)成本包括材料和制造成本，其中制造成本涵蓋機(jī)械、工具、消耗品（例如水）、能量和人工費(fèi)見(jiàn)公式（2），所述部件之每單一材料部分的生產(chǎn)成本估價(jià)均已考慮其幾何結(jié)構(gòu)、材料和制造技術(shù)諸方面。經(jīng)濟(jì)細(xì)目包括文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以及材料和技術(shù)提供人收集的數(shù)據(jù)（如表3所示）。

制造成本=機(jī)械成本+工具作業(yè)成本+消耗品成本+能量成本+勞動(dòng)力成本 （2）

1.4 影響生產(chǎn)與使用權(quán)衡的參數(shù)

一些參數(shù)影響LCA和LCC的結(jié)果，分別有單關(guān)聯(lián)參數(shù)和雙關(guān)聯(lián)參數(shù)。

關(guān)于LCA，研究了4個(gè)相關(guān)參數(shù)，電網(wǎng)混合作為一重要假設(shè)參數(shù)被提及，有時(shí)候可從內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛出發(fā)評(píng)估電動(dòng)車(chē)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(wǎng)混合。輕量化從總體上講，關(guān)于馬達(dá)適應(yīng)的次生效應(yīng)，特別是由于部件減重帶來(lái)的電池減重便成為一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)。因此，通過(guò)引入調(diào)整電池效應(yīng)對(duì)這個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，帶來(lái)了進(jìn)一步減重［公式（3）與質(zhì)量引起能耗公式（1）同型］。設(shè)想部件減重1 kg的作用使得電池減重0.13 kg。

我們發(fā)現(xiàn)碳纖維（CF）生產(chǎn)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(shì)（GWP）的可變性建議評(píng)估其影響。輕量化材料帶來(lái)的好處也取決于方案應(yīng)用的車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)（電動(dòng)的或內(nèi)燃機(jī)型的）。

關(guān)于LCC，除了次生效應(yīng)和動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu),還考察了其他3個(gè)參數(shù)。電價(jià)成本［歐元/（kW·h）］對(duì)生產(chǎn)和使用階段都有影響，其對(duì)制造階段的影響程度隨著所用的制造技術(shù)而變。樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）比起其他的技術(shù)的能耗較高，電價(jià)成本對(duì)使用階段成本的影響與部件重量直接相關(guān)聯(lián)。

由于LCC起始于部件的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，且對(duì)該參數(shù)（部件尺寸）的影響作評(píng)估，它影響著生產(chǎn)階段的多重參數(shù)，取決于所用的制造技術(shù)。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(shù)中對(duì)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(duì)所用機(jī)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(shù)，部件尺寸還影響循環(huán)周期，例如，大部件在注射成型中需要更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，因而影響勞動(dòng)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(zhì)量（視材料密度為不變），意味著較高的能耗。

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

表3 LCA和LCC結(jié)果

2 結(jié)果討論

2.1 LCA和LCC結(jié)果

用LCA和LCC研究比較金屬基與雜化方案的電動(dòng)車(chē)模塊，表3列出了LCA的全球變暖趨勢(shì)（GWP）和一次能量需求（PED）的結(jié)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(chǎn)與使用階段數(shù)據(jù)進(jìn)行分列和合計(jì)。出現(xiàn)負(fù)值的意味著雜化方案的性能不如鋼材料性能。

可見(jiàn)，除了使用階段的正效應(yīng)，雜化方案高的影響和高成本超過(guò)在使用階段的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，3個(gè)部件的ΔGWP、ΔPED和Δ成本（合計(jì)）均為負(fù)值，主要是由于增加了復(fù)合材料的使用，其需要能量密集的制造技術(shù)以及昂貴的原材料，特別是當(dāng)采用碳纖維作增強(qiáng)材料時(shí)。結(jié)果是，應(yīng)用所研究的雜化方案并未產(chǎn)生環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 環(huán)境權(quán)衡的敏感性分析

進(jìn)行了次生效應(yīng)、電網(wǎng)混合、動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)GWP和PED的影響研究?？傮w上，電網(wǎng)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(yōu)勢(shì)。就車(chē)前蓋和懸架臂，用電的高GWP［＞1 kg CO2（當(dāng)量）/（kW·h）］使其影響變化為正值，包含使用階段的次生效應(yīng)導(dǎo)致了雜化設(shè)計(jì)給出較好的性能，但是相對(duì)變化不甚顯著，對(duì)減重效果大的雜化設(shè)計(jì)部件作用也較大。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的情況類(lèi)似，雖然內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛在使用階段（從油箱到車(chē)輪）的排放量高于電動(dòng)車(chē)（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(chǎn)階段的負(fù)擔(dān)卻是太大（+45%以上）。

碳纖維生產(chǎn)就其相應(yīng)的聚丙烯晴基（PAN）生產(chǎn)工藝采用數(shù)據(jù)庫(kù)GaBi的數(shù)據(jù)進(jìn)行模仿為20.1 kg CO2/kg，生產(chǎn)過(guò)程中使用的高能量通常認(rèn)被為是碳纖維的一個(gè)弱項(xiàng)，正如預(yù)期的，碳纖維的GWP影響值對(duì)那些高補(bǔ)強(qiáng)程度（接近60%）的部件是不可忽略的，碳纖維對(duì)GWP減少50%使得雜化方案優(yōu)于金屬部件。

2.3 經(jīng)濟(jì)權(quán)衡的敏感性分析

研究了電成本，部件幾何結(jié)構(gòu)和材料成本關(guān)于生命周期成本的影響，圖1和圖2分別顯現(xiàn)了部件幾何結(jié)構(gòu)和材料成本關(guān)于生命周期成本的影響。

圖2 材料成本對(duì)部件Δ成本的影響

電價(jià)對(duì)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(jià)在歐洲，如瑞典［0.059歐元/（kW·h）］，芬蘭［0.071歐元/（kW·h）］；基準(zhǔn)價(jià)（EU-28,0.119歐元）；2處最貴的電價(jià)，如英國(guó)［0.152歐元/（kW·h）］，意大利［0.16歐元/（kW·h）］。電價(jià)對(duì)采用能量密集制造技術(shù)部件的影響較高，可見(jiàn)其對(duì)車(chē)前蓋的影響大，這是一個(gè)采用加壓模塑的大部件，屬能量密集的工藝。

當(dāng)檢查部件的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，我們考慮所有維度（x，y，z）呈線性變化，雖然實(shí)際情況這是由模數(shù)決定的（比如，車(chē)門(mén)可以相應(yīng)地在x和y維度增量，而不是z）。部件尺寸對(duì)車(chē)前蓋的生命周期成本有較大影響，尤其是車(chē)門(mén)模數(shù)的影響，可從圖1中線條的梯度看出來(lái)。這是由于部件的模數(shù)大，進(jìn)而相應(yīng)制造技術(shù)用的機(jī)器成本受單一材料部件幾何結(jié)構(gòu)的影響顯著。例如對(duì)于車(chē)門(mén)來(lái)說(shuō)，沖壓、鑄造和其他技術(shù)手段中：沖壓機(jī)器的成本受部件突出面積的影響；鑄造機(jī)器成本受盒子體積的影響；懸架臂是相當(dāng)小的部件，因此其尺寸的變化影響較小。還可看出，從車(chē)門(mén)的模數(shù)所帶來(lái)的Δ成本較大，由于車(chē)是由較多單一材料部分所構(gòu)成，即增加了輕量化的成本。還有，大型部件的尺寸變化對(duì)其在使用階段成本的影響更大。

最后，材料基準(zhǔn)價(jià)格是以材料供應(yīng)商的估價(jià)為基礎(chǔ)，對(duì)生命周期成本的影響是圍繞這些價(jià)格波動(dòng)進(jìn)行計(jì)算的。正如預(yù)期，對(duì)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(chē)前蓋模塊破壞，而車(chē)門(mén)和懸架臂在所考察范圍內(nèi)卻不會(huì)發(fā)生，這一點(diǎn)可從車(chē)前蓋模塊的大體積來(lái)解釋。

3 結(jié)論

由于不同材料及其制造過(guò)程的特殊性，一項(xiàng)可靠的LCA和LCC分析需要大量數(shù)據(jù)和一些假設(shè)。因此，針對(duì)每一參數(shù)關(guān)于LCA和LCC的影響進(jìn)行評(píng)估是非常有益的。事實(shí)上，在新開(kāi)發(fā)輕量化材料的情況中，有關(guān)其生命周期成本和環(huán)境影響方面尚不明晰。已有的研究說(shuō)明多重材料設(shè)計(jì)可給以車(chē)輛減重，盡管這也在電動(dòng)車(chē)的早期生命周期帶來(lái)大的環(huán)境影響。概而言之，通過(guò)電網(wǎng)混合減少CO2排放是影響環(huán)境結(jié)果最突出的參數(shù)，而當(dāng)達(dá)到大的減重效果時(shí)，次生效應(yīng)和動(dòng)力系統(tǒng)就會(huì)影響生產(chǎn)與使用階段之間的權(quán)衡。從成本的角度來(lái)看，在由于輕量化所帶來(lái)的在使用階段的益處，將補(bǔ)償其在生產(chǎn)階段的成本增加，更可能是在具有簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)的大部件的情況下可行，而不是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小部件。而且，電成本是決定該權(quán)衡的一個(gè)強(qiáng)力因素，特別是關(guān)于電動(dòng)車(chē)的情況。為了表示生命周期研究法和生命周期成本法的結(jié)果，以成本合計(jì)功能體現(xiàn)結(jié)合全球暖化趨勢(shì)的合計(jì)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(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究可走向分析金屬基與雜化方案之間結(jié)合的可能性，以便找到優(yōu)化車(chē)輛的折衷方法。

文中縮寫(xiě)術(shù)語(yǔ)表示如下：

LCA——生命周期研究法；

LCC——生命周期成本法；

CFP——連續(xù)纖維敷設(shè)法；

PA——聚酰胺；

CF——碳纖維；

RTM——樹(shù)脂傳遞模塑；

GWP——全球變暖趨勢(shì)；

PED——一次能量需求。