徐建全，楊沿平

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002； 2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

汽車輕量化是汽車產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要途徑之一。傳統(tǒng)汽車輕量化與汽車使用中燃油消耗之間的關(guān)系，不同的研究機(jī)構(gòu)說法各異。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)指出，汽車重量每減少10%，油耗可降低6%～8%；大眾汽車公司的研究成果認(rèn)為，汽車重量減少100 kg，每百公里可節(jié)省燃油0.3～0.5 L，每百公里CO2排放可減少8～11 g[1]。盡管說法不一，但都表明了汽車輕量化對(duì)車輛使用節(jié)省能源消耗的直接影響。但是，我國(guó)目前對(duì)汽車輕量化產(chǎn)品的節(jié)能減排效果主要關(guān)注的只是使用階段，而沒有對(duì)汽車輕量化產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期綜合效益量化評(píng)價(jià)，為了達(dá)到輕量化目的所花費(fèi)的代價(jià)(包括在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過程，以及整個(gè)回收利用的過程中付出了額外的代價(jià))沒有測(cè)算清楚，對(duì)其能在多大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)也就沒有清晰的判斷。比如輕量化汽車雖然使用了諸如鋁、鎂和某些先進(jìn)的復(fù)合物等材料，但汽車材料變輕所節(jié)約的能源是否抵消了生產(chǎn)這些材料的巨大能耗和排放？還有某種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然能優(yōu)化材料用量，但在回收?qǐng)?bào)廢階段是否會(huì)增加能耗和排放？汽車輕量化往往需要額外的投入，著眼于全生命周期的輕量化效果，這些額外投入并不一定能通過使用過程的節(jié)能減排來補(bǔ)回。如果認(rèn)識(shí)不到這些問題的復(fù)雜性和多變性，只看局部不看整體、只看表面不看實(shí)質(zhì)，不僅無益于汽車節(jié)能減排，有時(shí)甚至?xí)m得其反。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車輕量化生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，LCA)進(jìn)行了一些研究，重點(diǎn)集中在汽車材料輕量化及其應(yīng)用在整車、白車身[2-5]或者零部件(如：翼子板、門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、座椅、輪轂等)上的生命周期評(píng)價(jià)[6-17]，評(píng)價(jià)內(nèi)容主要是輕量化前后的生命周期能源消耗、環(huán)境排放及成本對(duì)比，評(píng)價(jià)車型既有傳統(tǒng)車也有新能源汽車。除材料輕量化LCA外，李育鋒等[18]提出一種考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計(jì)方法，但僅評(píng)估產(chǎn)品制造階段及原材料階段的環(huán)境影響。在汽車輕量化LCA這一復(fù)雜系統(tǒng)中，與之相關(guān)的因素眾多，而這些相關(guān)聯(lián)因素往往并非靜態(tài)存在，其變化周期不一、影響程度不一，而任何一個(gè)因素的改變，都足以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的因果反饋關(guān)系帶來影響。諸多因素動(dòng)態(tài)變化為汽車輕量化LCA帶來的不確定性，有些是超乎想象的，有些則是難以預(yù)計(jì)的。此外，如汽車技術(shù)的變革，能源技術(shù)的進(jìn)步，乃至資源開發(fā)和提煉技術(shù)的發(fā)展等，都有可能改變汽車輕量化LCA的結(jié)果[19]。以往生命周期評(píng)價(jià)大多基于靜態(tài)模型[20]，即根據(jù)已發(fā)生的或已確定的影響因素進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)。靜態(tài)評(píng)價(jià)得出的結(jié)果在較長(zhǎng)時(shí)間維度上的準(zhǔn)確性難以保障，并不能客觀真實(shí)反映實(shí)際情況，可供參考的價(jià)值也大為降低。汽車輕量化LCA不僅要對(duì)具體的汽車產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)量化評(píng)價(jià)，更重要的是要研究輕量化影響汽車節(jié)能、減排、成本等的內(nèi)在因素及動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。未考慮汽車技術(shù)變革和關(guān)鍵因子對(duì)汽車材料、能耗、排放及經(jīng)濟(jì)性的動(dòng)態(tài)影響，評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏前瞻性、全面性及預(yù)判功能。而目前針對(duì)汽車輕量化生命周期動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。此外，已有的生命周期評(píng)價(jià)研究系統(tǒng)主要集中在產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用階段，對(duì)回收利用階段材料、能耗和排放的影響分析涉及較少，少量考慮回收的研究也僅基于汽車報(bào)廢過程的能耗排放計(jì)算回收正效益，未對(duì)回收利用階段的循環(huán)反饋效應(yīng)進(jìn)行綜合考慮，從而導(dǎo)致評(píng)估的偏差和失真。加之國(guó)內(nèi)LCA研究通常依靠國(guó)外開發(fā)出來的一些生命周期軟件(如GaBi[21,22]、GREET[23]等)和方法，生命周期清單分析或清單數(shù)據(jù)庫尚未本土化，計(jì)算結(jié)果誤差較大。針對(duì)這些問題，本文立足于從“搖籃到再生”，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim構(gòu)建汽車產(chǎn)品輕量化綜合效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，可在多關(guān)鍵因子聯(lián)動(dòng)變化的不同目標(biāo)導(dǎo)向、不同邊界條件下的復(fù)雜環(huán)境中開展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，以材料消耗(含礦石資源消耗)、能源消耗、排放及生命周期成本4類指標(biāo)來評(píng)價(jià)汽車產(chǎn)品輕量化的綜合效益，并進(jìn)行量化分析和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。本文研究成果可指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)開發(fā)具有真正節(jié)能減排價(jià)值的汽車輕量化產(chǎn)品提供量化參考依據(jù)，還可為政府出臺(tái)相關(guān)政策提供決策參考，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

首先確定整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)邊界，區(qū)別于已有的汽車產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)大多基于靜態(tài)模型，本文結(jié)合系統(tǒng)論、生命周期評(píng)價(jià)理論和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論等方法，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim構(gòu)建汽車產(chǎn)品輕量化綜合效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，以期揭示各影響因素變化對(duì)汽車產(chǎn)品輕量化綜合效益變化的規(guī)律。

1.1 模型結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)邊界

本文的研究目的是系統(tǒng)地對(duì)純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車輕量化前后進(jìn)行全生命周期的材料、能耗、排放、成本及環(huán)境影響評(píng)價(jià)。系統(tǒng)邊界如圖1所示。本文將汽車全生命周期的6個(gè)階段定義為：材料獲取、材料加工、零部件加工制造、整車裝配、車輛使用及回收利用。在車輛使用階段除了計(jì)算汽車使用過程中自身的燃料(如汽油或電)消耗外，還包括燃料上游的生產(chǎn)過程。對(duì)于汽車回收利用階段，暫考慮金屬的回收再利用，其金屬廢料來源除了汽車報(bào)廢經(jīng)預(yù)處理、拆解、金屬分離后回收的金屬材料，還包括由材料加工階段和零部件加工制造階段產(chǎn)生的廢料。對(duì)于汽車報(bào)廢后零部件再使用、再制造和能量回收、填埋處理、逆向物流等暫不考慮。系統(tǒng)邊界定義好后，通過分析各個(gè)階段輸入的材料和能源及輸出的排放，即可計(jì)算全生命周期的材料、能耗和排放。功能單位是指經(jīng)過量化的產(chǎn)品功能或績(jī)效特征，選擇與其他類似研究相同的功能單位可使不同LCA研究結(jié)果之間具有相對(duì)可比性[24]，因此本文以1輛汽車在中國(guó)道路上行駛300 000 km作為功能單位[25]。

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括全生命周期材料消耗(含礦石資源消耗)、能源消耗、排放和生命周期成本4大類。能源種類包含：汽油、柴油、電、天然氣、燃料油、燃料煤等，計(jì)算能耗強(qiáng)度時(shí)最終都轉(zhuǎn)換成一次能源，即原煤、原油和天然氣。在排放方面，本文主要關(guān)注氣體排放物的情況，生命周期排放評(píng)價(jià)指標(biāo)確定以下幾種：溫室氣體類GHGs(CO2、CH4、N2O)；其他污染物CO、SOx、NOx、PM(含PM10和PM2.5)、NMVOC。環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要采用國(guó)際上比較流行的荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心研發(fā)的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法——CML 2001模型進(jìn)行影響評(píng)價(jià)分析，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)為：不可再生資源消耗(Abiotic Depletion Potential，ADP)、溫室效應(yīng)(Global Warming Potential，GWP)、人體健康損害影響(Health Toxic Potential，HTP)、光化學(xué)煙霧影響(Photochemical Ozone Creation Potential，POCP)及酸化影響(Acid Potential，AP)。

雖然輕量化帶來使用成本的降低，但采用先進(jìn)材料、先進(jìn)加工制造工藝等進(jìn)行輕量化可能會(huì)帶來制造成本的增加，本文評(píng)估的生命周期成本重點(diǎn)討論企業(yè)生產(chǎn)成本和社會(huì)環(huán)境成本，而基于消費(fèi)者的使用成本由于涉及的因素眾多，特別電動(dòng)汽車，政策因素影響較大，加之輕量化帶來的電池成本收益變化復(fù)雜，另文討論。從企業(yè)視角重點(diǎn)考查汽車輕量化后的生產(chǎn)制造成本差異，如材料成本、加工成本和設(shè)備成本的差異，這3類成本都是基于零部件的質(zhì)量、不同材料及其成型工藝，影響因素復(fù)雜，這是一個(gè)近似的成本僅用于比較的目的[26]。本文規(guī)定成本的單位統(tǒng)一為元。從社會(huì)視角構(gòu)建汽車輕量化生命周期成本模型，主要考查生命周期環(huán)境成本的影響。環(huán)境成本是指開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收和處理商品所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞所需補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用，它貫穿于汽車的整個(gè)生命周期。本文暫不考慮水污染、土地污染產(chǎn)生的環(huán)境成本，生命周期氣體排放物所造成的環(huán)境成本可以由生命周期中各類大氣污染物的排放量乘以相應(yīng)污染物的單位環(huán)境成本得到[27]。

1.2 動(dòng)態(tài)假設(shè)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim，分析純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車全生命周期材料、能耗、排放及環(huán)境影響評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，參考國(guó)務(wù)院頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，以2012年為基礎(chǔ)情景年份，2020年為最終預(yù)測(cè)情景年份。分析各種文獻(xiàn)可以看出，百公里耗電(或油耗)對(duì)汽車生命周期能耗、排放影響很大，而汽車的輕量化最大的益處就是降低百公里耗電(或油耗)。對(duì)于電動(dòng)汽車，輕量化還帶來生命周期內(nèi)電池更換次數(shù)的減少。根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)主導(dǎo)的汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的歷年中國(guó)汽車輕量化技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》及年度評(píng)估報(bào)告中關(guān)于輕量化的論述，實(shí)證研究對(duì)象企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃，結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，本文重點(diǎn)考察鋁鎂替代鋼的輕量化，并進(jìn)行如下動(dòng)態(tài)假設(shè)：①至2020年，整車整備質(zhì)量降低10%，鋁合金的比例提高至15%，鎂合金的比例提高至2%[28-29]；②假設(shè)隨著技術(shù)的進(jìn)步，至2020年，電力生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度、汽油生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度、原生鋼及原生鋁排放強(qiáng)度分別降低10%，鋼及鋁的零部件加工制造利用率分別提高10%，回收鋼及回收鋁車輛循環(huán)利用率由0.8提高至0.9[26,30-31]。純電動(dòng)汽車的充電效率由當(dāng)前的90%提高至95%[25,32]；③純電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步包括動(dòng)力電池的技術(shù)進(jìn)步，未來其能量密度、循環(huán)壽命及續(xù)航里程都將不斷提升。動(dòng)力電池輕量化是純電動(dòng)汽車輕量化的一部分，但其本質(zhì)是提高動(dòng)力電池的能量密度。而傳統(tǒng)汽車的技術(shù)進(jìn)步包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等技術(shù)改進(jìn)，進(jìn)而可提高它的燃

油經(jīng)濟(jì)性。為了重點(diǎn)突出比較純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車的輕量化效果，本文選擇動(dòng)力電池以外的部件同時(shí)減輕同樣百分比的質(zhì)量進(jìn)行輕量化后各種評(píng)價(jià)參數(shù)的對(duì)比，同時(shí)采用的材料輕量化不會(huì)引起車輛上其他部件二次質(zhì)量的變化，且各種性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)模型結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)假設(shè)，選取各變量，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim PLE構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)汽車輕量化前后的全生命周期的材料消耗差異、能源消耗差異、環(huán)境排放差異以及生命周期成本差異等進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。具體的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。評(píng)價(jià)模塊包括汽車材料質(zhì)量子系統(tǒng)、汽車全生命周期礦石資源消耗子系統(tǒng)、汽車全生命周期能源消耗子系統(tǒng)、汽車全生命周期環(huán)境排放子系統(tǒng)、汽車全生命周期成本子系統(tǒng)、汽車全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)子系統(tǒng)，以上子系統(tǒng)都涵蓋了汽車生命周期的各個(gè)階段。驅(qū)動(dòng)模塊主要由技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)因素及政策等構(gòu)成，通過驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)定動(dòng)態(tài)變化參數(shù)。評(píng)價(jià)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊可以互相反饋，逐步優(yōu)化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1.3.1 全生命周期材料及礦石資源消耗子系統(tǒng)

通過Vensim軟件，首先建立汽車材料質(zhì)量子系統(tǒng)，材料質(zhì)量包括了傳統(tǒng)鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鑄鐵、鍛鋁、鑄鋁、擠壓鋁、鍛鎂、鑄鎂、銅、鉛、鋅、鎳、鋰、塑料、橡膠、玻璃等材料的質(zhì)量。全生命周期鐵礦石資源消耗流圖，如圖3所示。由傳統(tǒng)鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼和鑄鐵的質(zhì)量差異量及零部件加工制造利用率、材料加工利用率、鐵礦石利用率，可得出消耗的鐵礦石質(zhì)量差異量。變量“零部件加工制造利用率—傳統(tǒng)鋼”是時(shí)間的函數(shù)。同理，也可建立其他礦石資源，如鋁礦石、白云石、銅礦石、金屬鋰消耗的系統(tǒng)流圖。

1.3.2 全生命周期能源消耗子系統(tǒng)

通過建立汽車生命周期6個(gè)階段的能耗模塊，最終集成可得到整個(gè)生命周期的能源消耗。以材料獲取階段的能耗流圖為例進(jìn)行說明，如圖4所示。材料獲取階段的總能耗可由每種車用材料在材料獲取階段的能耗相加而成。通過Vensim軟件的原因

樹狀圖(Tree Diagram)工具，可以查看傳統(tǒng)鋼在材料獲取階段能耗差異量的原因樹狀圖(如圖5)，即可以追蹤什么變量引起某些變量的改變?？梢钥闯?，影響材料獲取階段的能耗差異量—傳統(tǒng)鋼的第一層因素有：再生材料的比例—傳統(tǒng)鋼、再生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼、原生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼、未加工材料的質(zhì)量差異量—傳統(tǒng)鋼。本文在計(jì)算材料獲取階段的能耗強(qiáng)度時(shí)，先分別計(jì)算出各種材料原煤、原油、天然氣3種一次能源的消耗強(qiáng)度，再進(jìn)行求和。因此，第二層影響因素有：再生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼原油、再生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼原煤、再生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼天然氣、原生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼原油、原生材料獲取階段的能耗強(qiáng)度—傳統(tǒng)鋼原煤、原生材料的比例—傳統(tǒng)鋼天然氣。此外，影響未加工材料的質(zhì)量差異量—傳統(tǒng)鋼的因素有：材料加工利用率—傳統(tǒng)鋼、汽車材料的質(zhì)量差異量—傳統(tǒng)鋼和零部件加工制造利用率—傳統(tǒng)鋼。

車輛使用階段及全生命周期能耗流圖，如圖6所示。影響汽車輕量化生命周期能耗差異量的第一層因素有：材料獲取階段的總能耗差異量、材料加工階段的總能耗差異量、零部件加工制造階段的總能耗差異量、整車裝配階段的總能耗差異量、車輛使用階段的總能耗差異量和回收利用階段的總能耗差異量。而車輛使用階段的總能耗差異量的影響因素有：車輛使用階段的直接能耗差異量—汽油、車輛使用階段的間接能耗差異量、電池更換次數(shù)差異量及動(dòng)力電池制造過程能耗。此外，充電效率和生產(chǎn)每單位MJ電的能耗這兩個(gè)變量根據(jù)動(dòng)態(tài)假設(shè)設(shè)置成時(shí)間的函數(shù)。同理，可以建立全生命周期其他階段的能耗流圖。

1.3.3 全生命周期排放、成本及環(huán)境影響評(píng)價(jià)子系統(tǒng)

同理可構(gòu)建汽車生命周期各個(gè)階段的各種氣體排放流圖。采用先進(jìn)的制造工藝是汽車輕量化技術(shù)的3大途徑之一，近年來，激光拼焊、液壓成型、熱成形、輥壓成型等制造工藝開始越來越多被采用。因此，本文將零部件加工制造工藝主要分為鋼沖壓、激光拼焊、熱成形、液壓成型、輥壓成型、鍛造、鑄造；有色金屬的沖壓、擠壓、壓鑄、鍛造；復(fù)合材料的復(fù)合片材模塑和樹脂傳遞模塑[24]。企業(yè)的生產(chǎn)成本由19種材料成本和13種加工制造工藝的加工成本、設(shè)備成本組成，其中高強(qiáng)度鋼的加工工藝包含鋼沖壓、激光拼焊、熱成形、輥壓成型、液壓成型、鍛造。全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)子系統(tǒng)，包括ADP、GWP、HTP、POCP、AP五個(gè)模塊，需要說明的是，由于未來礦石資源每年的產(chǎn)量和儲(chǔ)量不確定因素太多，以至于計(jì)算ADP基礎(chǔ)銻當(dāng)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此，本文在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，暫不考慮計(jì)算ADP特征化動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。但在系統(tǒng)里預(yù)留了接口，未來可進(jìn)行補(bǔ)充完善。

1.3.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)所建立的系統(tǒng)流圖，確定系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，流圖中每一個(gè)箭頭意味著需要輸入一個(gè)方程，本文輸入的方程總數(shù)近3 600個(gè)，之后進(jìn)行反復(fù)調(diào)試檢驗(yàn)，最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。限于篇幅，列舉Vensim軟件導(dǎo)出的部分系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程及系統(tǒng)變量如下：

(1)總減重比例=WITH LOOKUP(Time,([(2012,0)-(2020,0.1)],(2012,0),(2020,0.1)))(單位：Dmnl)；

(2)總減重量=汽車總質(zhì)量*總減重比例(單位:kg)；

(3)車輛行駛里程=300 000(單位：km)；

(4)充電效率=WITH LOOKUP(Time,([(2012,0)-(2020,1)],(2012,0.9),(2020,0.95)))(單位：Dmnl);

(5)廢料回收進(jìn)入車輛循環(huán)的利用率-傳統(tǒng)鋼=WITH LOOKUP(Time,([(0,0)-(3000,10)],(2012,0.8),(2020,0.9)))(單位：Dmnl)；

(6)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼CO2=WITH LOOKUP(Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,2.162 05),(2020,1.945 84)))

Units:kg/kg

(7)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼CO=WITH LOOKUP(Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.028 666 7),(2020,0.025 800 1)))(單位：kg/kg)；

(8)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼CH4=WITH LOOKUP(Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.009 981),(2020,0.008 982 9)))(單位：kg/kg)；

(9)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼N2O=WITH LOOKUP(Time([(0,0)-(3 000,10)],(2012,2.856 1e-005),(2020,2.570 49e-005)))(單位：kg/kg)；

(10)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼NMVOC=WITH LOOKUP Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.003 949 15),(2020,0.003 554 24)))(單位：kg/kg)；

(11)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼NOx=WITH LOOKUP Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.005 353),(2020,0.004 817 7)))(單位：kg/kg)；

(12)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼P(yáng)M=WITH LOOKUP(Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.027 083),(2020,0.024 374 7)))(單位：kg/kg)；

(13)原生材料獲取階段的排放強(qiáng)度-傳統(tǒng)鋼SOx=WITH LOOKUP Time,([(0,0)-(3 000,10)],(2012,0.008 866),(2020,0.007 979 4)))(單位：kg/kg)。

2 實(shí)證分析

2.1 研究對(duì)象

本文選擇某汽車公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)汽油車和在該平臺(tái)上開發(fā)的純電動(dòng)汽車作為評(píng)價(jià)對(duì)象。純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽油車的外觀區(qū)別僅在于前格柵，充電接口位于車輛的前方車標(biāo)處，其它基本沒有變化。車身外廓尺寸：長(zhǎng)×寬×高分別為4 295 mm×1 705 mm×1 555 mm；軸距為2 670 mm。動(dòng)力電池包布置在地板下方，各種控制器布置在前艙內(nèi)。動(dòng)力電池的能量密度為80 Wh/kg，質(zhì)量300 kg。純電動(dòng)汽車的百公里耗電為14 kWh，續(xù)航里程為150 km。傳統(tǒng)汽油車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L，百公里油耗為8 L。由于本文的評(píng)價(jià)對(duì)象為傳統(tǒng)汽油車和純電動(dòng)汽車，為了突出兩者的區(qū)別，將它們的主要差異部件也單獨(dú)列出，具體汽車的子系統(tǒng)分類及質(zhì)量，如表1所示。純電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量為1 480 kg，傳統(tǒng)汽油車的整備質(zhì)量為1 349 kg。

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的原則是采用國(guó)內(nèi)的本地?cái)?shù)據(jù)。材料獲取過程的礦石利用率、材料加工利用率及零部件加工制造利用率，廢料回收進(jìn)入車輛循環(huán)利用率，回收過程各種材料的回收利用率，參考文獻(xiàn)[26,31]及北京工業(yè)大學(xué)中國(guó)材料生命周期清單數(shù)據(jù)庫。

表1 汽車各子系統(tǒng)的組成及質(zhì)量

2.2 純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車輕量化全生命周期動(dòng)態(tài)仿真分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)假設(shè)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真設(shè)置下面3種情景：①僅考慮采用鋁鎂輕量化對(duì)全生命周期材料、能耗、排放、成本及環(huán)境影響評(píng)價(jià)的影響；②采用鋁鎂輕量化并考慮電力生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度、汽油生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度、原生鋼及原生鋁排放強(qiáng)度、鋼及鋁的零部件加工制造利用率、鋼及鋁廢料回收進(jìn)入車輛循環(huán)利用率等因素動(dòng)態(tài)變化的綜合影響；③為了進(jìn)一步了解回收利用在生命周期評(píng)價(jià)中的影響，在第②種情景基礎(chǔ)上假設(shè)不考慮回收利用階段。

2.2.1 考慮回收利用輕量化后全生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

通過運(yùn)行Vensim軟件的仿真模塊，可得出各情景結(jié)果。純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車鋁鎂輕量化生命周期礦石資源消耗差異，如圖7所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于全生命周期鐵礦石和鋁礦石消耗，由于鋼的比例逐步下降，其鐵礦石需求量也逐步下降；而鋁鎂輕量化增加了鋁鎂的使用比例，導(dǎo)致了鋁礦石和生產(chǎn)鎂的白云石消耗量逐步增加。在銅礦石和鋰資源消耗方面，由于純電動(dòng)汽車輕量化導(dǎo)致電池更換次數(shù)減少，從而使銅礦石消耗和資源鋰的消耗得到不同程度的下降。當(dāng)考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，鐵礦石和鋁礦石的消耗進(jìn)一步降低，主要原因是鋼、鋁零部件加工制造利用率的不斷提高。

生命周期能耗方面，如圖8所示。鋁鎂輕量化均能使純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車得到不同程度的下降。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車生命周期能耗減少5.23%，傳統(tǒng)汽油車減少5.80%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減幅達(dá)到16.88%，而傳統(tǒng)汽油車減少11.48%。

生命周期CO2排放方面，如圖9所示。鋁鎂輕量化均使兩車全生命周期CO2排放得到不同程度的下降。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減少3.42%，傳統(tǒng)汽油車減少3.87%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車的輕量化效果顯著，當(dāng)減重10%時(shí)，減幅達(dá)到了16.00%，而傳統(tǒng)汽油車僅減少6.58%。

除CO2排放外，鋁鎂輕量化全生命周期其他氣體排放量差異，如圖10所示。生命周期N2O、SOx、NMVOC排放方面，鋁鎂輕量化均能使純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車得到不同程度的下降。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車輕量化效果相差不大，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車分別減少6.92%、6.07%、10.08%，傳統(tǒng)汽油車分別減少6.50%、2.29%、7.36%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車的輕量化效果顯著，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減幅分別高達(dá)18.88%、19.13%、21.15%，而傳統(tǒng)汽油車分別減少6.81%、13.24%、11.40%。

生命周期CH4、NOx排放方面，不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車逐步下降，而傳統(tǒng)汽油車卻小幅上升，主要原因是鋁鎂在材料獲取階段的CH4、NOx排放較大，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車生命周期排放分別減少0.24%、5.10%，傳統(tǒng)汽油車則分別增加0.96%、1.20%，純電動(dòng)汽車輕量化效果較顯著；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減幅分別達(dá)到了9.36%、18.61%，而傳統(tǒng)汽油車僅減少5.71%、10.30%。

生命周期CO、PM排放方面，不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，由于鋁鎂在材料獲取階段的CO、PM排放大，導(dǎo)致純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽油汽車的生命周期CO、PM排放均出現(xiàn)了不同程度的升高，傳統(tǒng)汽油車增加幅度較大，當(dāng)減重10%時(shí)，CO排放增加了34.04%，PM排放增加了80.35%，而純電動(dòng)汽車增加平緩，減重10%時(shí)，CO排放僅增加6.91%，PM排放僅增加10.50%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車的輕量化效果較顯著，當(dāng)減重10%時(shí)，CO、PM排放減幅達(dá)到了12.36%、9.28%，而傳統(tǒng)汽油車仍分別增加了8.38%、26.64%。

綜上所述，采用鋁鎂替代鋼進(jìn)行輕量化，由于原生鋁和原生鎂在材料獲取階段的能耗和排放均高于原生鋼，盡管輕量化帶來了使用階段的能耗和排放下降，但從全生命周期看，一些氣體排放物，比如兩類車的生命周期CO、PM排放及傳統(tǒng)車的CH4、NOx排放均出現(xiàn)了升高現(xiàn)象。因此，僅從使用階段評(píng)估汽車輕量化效果可能會(huì)導(dǎo)致一些偏差。與傳統(tǒng)汽油車相比，考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車的輕量化效果較顯著。

生命周期生產(chǎn)成本方面，如圖11所示。由于鋁鎂的價(jià)格高于鋼鐵的價(jià)格，導(dǎo)致了輕量化后的生產(chǎn)成本均比原車高。但純電動(dòng)汽車增加的幅度較小，當(dāng)減重10%時(shí)，生產(chǎn)成本僅增加3.5%左右；而傳統(tǒng)汽油車增加的幅度較大，當(dāng)減重10%時(shí)，生產(chǎn)成本卻增加了17%左右。這也進(jìn)一步說明了企業(yè)在考慮減重的同時(shí)也應(yīng)注意與成本變化的平衡。

生命周期環(huán)境成本方面，如圖12所示。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，由于生命周期PM排放增加，加之PM的治理成本較高，從而導(dǎo)致純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽油汽車的環(huán)境成本均出現(xiàn)了不同程度的升高，傳統(tǒng)汽油車增加幅度較大，當(dāng)減重10%時(shí)，環(huán)境成本增加了59.50%，純電動(dòng)汽車增加平緩，減重10%時(shí)，環(huán)境成本僅增加了8.47%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車的環(huán)境成本減幅達(dá)到了10.41%，而傳統(tǒng)汽油車仍增加了17.98%，純電動(dòng)汽車鋁鎂輕量化效果在環(huán)境成本上優(yōu)于傳統(tǒng)汽油車。

鋁鎂輕量化全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)差異，如圖13所示。生命周期GWP、AP方面，鋁鎂輕量化均使純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車得到不同程度的下降。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車GWP減少3.40%、AP減少5.76%，傳統(tǒng)汽油車GWP減少3.86%、AP減少1.04%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車的輕量化效果較顯著，當(dāng)減重10%時(shí)，GWP、AP減幅分別達(dá)到了15.87%、19.00%，而傳統(tǒng)汽油車僅減少6.58%、12.18%。

生命周期HTP方面，鋁鎂輕量化使純電動(dòng)汽車的HTP逐步下降；而傳統(tǒng)汽油車反而升高，主要原因是其生命周期PM排放的增加。不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車HTP減少1.07%，而傳統(tǒng)汽油車卻增加23.91%，可見純電動(dòng)汽車輕量化效果較顯著；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減幅達(dá)到了16.19%，而傳統(tǒng)汽油車仍增加0.21%。綜上所述，純電動(dòng)汽車鋁鎂輕量化效果在HTP上優(yōu)于傳統(tǒng)汽油車。

生命周期POCP方面，不考慮其他因素作用的鋁鎂輕量化，純電動(dòng)汽車逐步下降，而傳統(tǒng)汽油車則小幅上升，主要原因是其生命周期CH4、CO及NOx排放的增加，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車PCOP減少1.94%，而傳統(tǒng)汽油車卻增加2.21%；若考慮綜合影響作用的鋁鎂輕量化，當(dāng)減重10%時(shí)，純電動(dòng)汽車減幅達(dá)到了16.83%，而傳統(tǒng)汽油車僅減少7.13%。綜上所述，純電動(dòng)汽車鋁鎂輕量化效果在POCP上優(yōu)于傳統(tǒng)汽油車。

2.2.2 輕量化后全生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果與分析(有無回收利用對(duì)比)

以上鋁鎂輕量化生命周期評(píng)價(jià)均考慮了回收利用過程，對(duì)比未考慮回收利用，純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車鋁鎂輕量化(綜合影響)的變化情況，如圖14所示。

可以看出，不考慮回收利用過程，無論是純電動(dòng)汽車還是傳統(tǒng)汽油車，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均比考慮回收利用的差。當(dāng)減重10%時(shí)，不考慮回收利用，純電動(dòng)汽車生命周期能耗降低幅度反彈了4.1%，傳統(tǒng)汽油車反彈了1.73%；純電動(dòng)汽車生命周期GWP降低幅度反彈了5.17%，傳統(tǒng)汽油車反彈了4.46%；純電動(dòng)汽車生命周期HTP降低幅度反彈了12.61%，傳統(tǒng)汽油車HTP卻增加了61.47%，反彈非常巨大，主要原因是回收利用階段PM排放對(duì)整個(gè)生命周期的影響較大；純電動(dòng)汽車生命周期POCP降低幅度反彈了11.20%，傳統(tǒng)汽油車POCP卻增加了10.37%，反彈較大；純電動(dòng)汽車生命周期AP降低幅度反彈了3.02%，傳統(tǒng)汽油車AP卻增加了3.93%，反彈也較大。從生命周期環(huán)境成本來看，不考慮回收利用，兩類車均出現(xiàn)正增長(zhǎng)，特別是傳統(tǒng)汽油車，當(dāng)減重10%時(shí)，增加的幅度較大，從原來的17.98%增加到145.91%；而純電動(dòng)汽車也由原來的-10.41%增加到22.51%。因此，在汽車輕量化產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)中，回收利用階段也應(yīng)給予重視，否則會(huì)帶來評(píng)估的偏差。

綜上所述，通過對(duì)幾種情景進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析，結(jié)果表明，當(dāng)采用鋁鎂替代鋼進(jìn)行輕量化，并考慮電力生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度、汽油生產(chǎn)能耗及排放強(qiáng)度等因素動(dòng)態(tài)變化的綜合影響作用，純電動(dòng)汽車的輕量化效果優(yōu)于傳統(tǒng)汽油車。此外，在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，考慮輕量化的同時(shí)也要注重回收利用過程所帶來的節(jié)能減排效益。

3 結(jié)束語

輕量化是降低汽車能耗，減少排放的最有效措施之一。然而，以往針對(duì)汽車產(chǎn)品輕量化的研究大多僅關(guān)注使用階段的能耗與排放差異，難以科學(xué)、全面地評(píng)價(jià)汽車產(chǎn)品輕量化的綜合效益。汽車產(chǎn)品本身較為復(fù)雜，使用年限也比較長(zhǎng)，期間各種內(nèi)外部因素將不可避免地發(fā)生變化(如電力結(jié)構(gòu)、燃油生產(chǎn)的能耗和排放強(qiáng)度等)，因此，難以保障靜態(tài)評(píng)價(jià)得出的結(jié)果在較長(zhǎng)時(shí)間維度上的準(zhǔn)確性。本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，在深入挖掘各變量之間的相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分論證，建立了多個(gè)子系統(tǒng)流圖，確定了各數(shù)理方程，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了汽車產(chǎn)品輕量化全生命周期動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，生命周期涵蓋從采礦、材料加工、零部件與整車的制造裝配、運(yùn)行使用、報(bào)廢回收利用等在內(nèi)的汽車產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段。并通過該模型，對(duì)所選的兩款車分別在鋁鎂輕量化、各影響因素動(dòng)態(tài)變化綜合作用以及有無回收利用等情景進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真對(duì)比分析。該動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)為汽車產(chǎn)品輕量化及生命周期評(píng)價(jià)研究提供了新思路和新方法，不僅為企業(yè)的輕量化技術(shù)選擇路徑、制定汽車輕量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供了參考，還可為國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策提供決策依據(jù)。

未來研究可以增加對(duì)更多輕量化材料特別是各種復(fù)合材料的評(píng)估，以及采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝的輕量化技術(shù)所帶來的能耗排放綜合效果；環(huán)境影響類型可進(jìn)一步擴(kuò)展，如增加固體、液體廢棄物的評(píng)價(jià)，也可以采用其他環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比分析；在本動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上可以增加不同政策組合、電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、電池技術(shù)進(jìn)步等各種情景分析和政策模擬。