2016, Vol. 36
[PDF全文]
2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 长沙 410082
2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Changsha 410082
近年来,我国汽车工业迅速发展,国内汽车保有量从2000年的1609万辆,猛增到2014年的15447万辆.但汽车的快速增长也给中国带来了巨大压力,诸如石油大量消耗、环境污染、交通拥堵等一系列负面影响和问题已开始显现.为此,国家把节能与新能源汽车列入战略性新兴产业和《中国制造2025》重点研究领域,纯电动汽车成为未来汽车产业发展的重要方向之一.驱动电机作为纯电动汽车的三大核心部件之一,随着电动汽车迅猛发展的同时,其原材料开采、制造、使用和回收等各个阶段都对环境造成了一定的影响.因此,如何降低驱动电机全生命周期的环境影响,对于驱动电机和纯电动汽车的环保性能的提高及可持续发展具有重要意义.
生命周期评价(1ife cycle assessment,LCA)是对某种产品或某项生产活动从原料开采、加工、使用到最终处理的一种评价方法,被认为是21世纪最具价值的可持续发展支持工具之一.当前LCA已经成为国外企业和政府环境管理的重要工具,国际上许多生态标准的确立都是采用生命周期评价方法.虽然已有相关文献对纯电动汽车整车(Huo et al., 2015；施晓清等,2015；Nordelöf et al., 2014)和动力电池(卢强,2014)进行了生命周期评价,但是目前关于驱动电机的详细生命周期评价还鲜有涉及.辛兰兰等以生命周期评价方法为基础,建立基于绿色特性的机电产品方案设计阶段环境影响信息表达模型,并以小型通用电机为例,验证了该模型的准确性(辛兰兰等,2012).Torrent等用生命周期评价方法评估电机设计参数的改变对其生命周期环境排放的影响(Torrent et al., 2011).Li等对驱动电机的生产制造阶段和回收阶段进行生命周期评价(Li等,2013).虽然许多学者在驱动电机的生产阶段做大量的研究来减少电机的环境污染,但是综合考虑驱动电机的全生命周期过程环境影响对于节能减排效果更加显著(Saidur,2010).一些学者做电动汽车生命周期评价时,将驱动电机的材料组成简单的分为钢、铝和铜并与车身、底盘等部件一起考虑(李书华,2014).由于电机材料组成复杂,如稀土材料,加上各种制造工艺的不同,虽然驱动电机重量仅占整车整备重量的4%左右,但其生命周期评价结果如SOx排放量占整车的比重接近10%(Wang et al., 2012).因此,如果仅简单考虑钢、铝和铜3种材料,评价结果势必存在一定的偏差.本文以荣威E50纯电动汽车的驱动电机为研究对象,运用GaBi 6 软件建模分析其全生命周期过程中的资源消耗与环境影响并对驱动电机生命周期过程中一些关键影响因素进行敏感性分析.通过定量分析找到对环境影响较大的阶段和主要环境影响,并提出相关建议,以期能够为降低驱动电机生命周期过程的资源消耗和环境污染提供参考.
2 目标与范围的确定(The objects and system boundary of evaluation) 2.1 目标的确定本文的研究对象是荣威E50纯电动汽车的驱动电机.该驱动电机是一款永磁同步驱动电机,具有功率密度大、功率因素大和效率高等优点(王铁成等,2005).其详细参数(吴憩棠,2012)如表 1所示.
| 表 1 荣威E50驱动电机性能参数 Table 1 Performance parameter of driving motor |
 |
驱动电机的全生命周期包括原材料获取、制造、运输与销售、使用与维护以及回收的5个阶段.由于销售阶段相对其他阶段对环境的影响较小,故忽略不计.而销售及维护阶段的数据准确度较低,不确定性大,本文暂不考虑.系统边界如图 1所示.
 |
| 图 1 驱动电机生命周期评价系统边界 Fig. 1 System boundaries of driving motor |
驱动电机主要由定子、永磁转子、驱动电机外壳、驱动电机轴、螺栓和传感器等部分构成.其中定子是由定子绕组和铁心组成的.由于螺栓和传感器的质量很小,所以本文暂不考虑.据参考文献(张磊,2011)中驱动电机各部分材料质量分配,得到该驱动电机的材料清单如表 2所示.
| 表 2 驱动电机材料组成 Table 2 Material composition of driving motor |
|
根据工艺手册(王先逵等,2008)、文献(张磊,2011)和GaBi 6 数据库.得到驱动电机零部件在原材料获取和制造阶段的消耗,如表 3所示.对于永磁转子,根据文献(尹庆炜,2007)可知生产1 kg钕铁硼所需的原材料,如表 4所示,而其生产过程消耗9.6 kWh电能、3.37 kg煤和1.02 kg工艺用水(冯秀娟等,2008).
| 表 3 驱动电机所需原材料和制造能耗 Table 3 Raw material and energy consumption of driving motor |
|
| 表 4 生产1 kg钕铁硼所需的原料 Table 4 Material composition of 1 kg Neodymium iron boron |
|
驱动电机在使用过程中会消耗电能和少量的润滑油,所有电能均来自动力电池.由于消耗的润滑油量很少,且很难量化,所以本文暂不考虑.其配套的纳米型磷酸铁锂电池循环寿命可达3000次,经过2000次循环,电池损耗低于20%,充电放电效率为92%,整车百公里能耗为15 kWh.
本文假设该车的生命周期行驶里程为200000 km.驱动电机的使用过程依附于汽车,所以按驱动电机质量占整车质量的比重来计算其对环境的影响.荣威E50的整备质量为1080 kg,则驱动电机使用阶段耗能为：200000×15/100×38/1080=1055.56 kWh.
3.1.3 回收阶段对报废的驱动电机经过一系列的拆卸、粉碎、清洗和分类等机械处理后,对分离出的废铜,废铝和废钢进行冶炼,从而变成新的原材料.由于目前对永磁材料钕铁硼的回收还没有通用的回收方法,所以把它和钢一起回收.假设拆卸后,钢、铝和铜的可回收率约为95%(李晓辉等,2009).钢和铝按GaBi 6 软件数据库中的回收工艺进行回收,其再生损耗率分别为5%和3%.GaBi 6中钢回收的工艺流程,如图 2所示. 将钢的废料送入电弧炉(EAF)中.回收铸铝的生产包括废料的准备、熔化、铝锭的铸造等.铜的回收主要是铜电解的过程,其再生损耗率为5%(阮仁满等,2010)；而回收1 kg铜要消耗2.65 kWh的电能(李兆坚,2006).最终钢、铝和铜这3种金属材料的回收率分别为90%、92%和90%.
 |
| 图 2 GaBi 6中钢的回收流程 Fig. 2 Recovery process of steel in GaBi 6 |
根据以上清单数据,在GaBi 6 软件中建立驱动电机各个零部件的生命周期模型和驱动电机全生命周期模型.由于篇幅有限,各零件的详细建模过程就不一一介绍,以电机轴的制造过程为例,如图 3所示.最终建立驱动电机全生命周期模型,如图 4所示.
 |
| 图 3 电机轴的制造过程GaBi模型 Fig. 3 Model of the manufacturing process of motor shaft |
 |
| 图 4 驱动电机全生命周期GaBi模型 Fig. 4 Life cycle assessment model of driving motor |
本文采用CML 2001评价方法对影响类型进行分类和特征化,影响类型包括：水体富营养化潜值(EP)、臭氧层耗竭潜值(ODP,steady state)、矿产资源耗竭潜值(ADP elements)、化石能源耗竭潜值(ADP fossil)、全球变暖潜值(GWP)、光化学烟雾潜值(POCP)和酸化潜值(AP)7类.
运用GaBi 6 软件平衡表计算功能,可得荣威E50纯电动汽车驱动电机的全生命周期的资源环境特征化结果,如表 5所示.
| 表 5 驱动电机生命周期资源环境影响特征化结果 Table 5 Life cycle environmental impact and depletion of driving motor |
|
由于7种评价类型中矿产资源耗竭潜值(ADP elements)和化石能源耗竭潜值(ADP fossil)与其他5种评价类型存在本质上的不同.为了更好的说明各种评价类型的相对重要性,把其他5种评价类型进行归一化处理,归为环境排放影响评价,并与资源耗竭潜值(ADP elements)和化石能源耗竭潜值(ADP fossil)并行考虑.
目前我国还没有相关的归一化标准值,所以本文采用GaBi 6软件CML 2001方法计算出的全球资源消耗和排放量作为归一化的标准值,如表 6所示.用特征化值与标准值的比值表示标准化的结果.
| 表 6 各影响类型的归一化基准值 Table 6 Standardization factor of different types of environmental impact |
|
计算得到归一化后的各个环境影响值,如表 7所示.
| 表 7 驱动电机生命周期环境排放影响归一化结果 Table 7 Life cycle environmental impact of driving motor after standardization |
|
可以看出,驱动电机全生命周期过程资源环境影响主要发生在使用阶段.但是对于矿产资源的消耗主要发生在原材料获取和制造阶段.环境排放影响较大的是GWP、POCP和AP 3种,分别占到综合排放影响的33.38%、20.50%和39.24%.
4.3 结果分析 4.3.1 中国各区域电网对比分析由于驱动电机全生命周期资源环境影响主要发生在使用阶段,驱动电机在该阶段的消耗主要是电能.目前大多数相关生命周期评价采用的电能数据是平均值,但实际上电动汽车在不同区域上使用,由于各个区域电网的发电能源结构不同,会导致评价结果存在差异,所以有必要做不同电网模型下驱动电机生命周期影响评价模型.据《中国电力年鉴(2014)》(魏昭峰,2014)得到2013年中国各大区域电网的发电量组成,如表 8所示.
| 表 8 中国各大区域电网发电组成 Table 8 Generation composition of different regional power grid of China |
|
依据各大区域电网的发电组成,在GaBi 6 软件中建立相应的电网模型,替换驱动电机全生命周期模型中的使用阶段的电能模型,进而建立在不同区域下使用的驱动电机全生命周期模型.由GaBi 6 软件中的平衡表计算,可以得到各大区域电网下荣威E50纯电动汽车驱动电机全生命周期的资源环境特征化结果,再进行归一化处理,整理得到表 9和图 5至图 7.
| 表 9 驱动电机生命周期环境排放影响和资源消耗 Table 9 Resource depletion and environmental impact of the life cycle of driving motor |
|
 |
| 图 5 驱动电机生命周期综合环境影响归一化结果对比 Fig. 5 Comparison of standardization result of life cycle environmental impact |
 |
| 图 6 驱动电机生命周期各种环境影响对比 Fig. 6 Comparison of different environmental impacts of life cycle of driving motor |
 |
| 图 7 驱动电机生命周期化石能源消耗对比 Fig. 7 Comparison of life cycle fossil energy consumption |
由图 5和图 6可知,不管在何种电网下,驱动电机生命周期过程各环境影响类型指数排序为AP>GWP>POCP>EP>ODP,且对环境的影响主要发生在使用阶段,其次是原材料获取和制造阶段.主要原因是在使用阶段消耗了大量的电能,而我国的电能主要来源于火力发电,该过程会排放大量的酸化气体、温室气体、氮氧化合物和碳氢化合物.
对于在中国各大区域电网下使用时,驱动电机生命周期过程综合环境排放影响从大到小为华东电网>东北电网>西北电网>华北电网>南方电网>华中电网.这是因为华中电网的火力发电比重低于其他区域电网火力发电的比重.对比华东电网(火电比例88.89%)和华中电网(火电比例60.83%)下的综合环境影响值,华中电网比华东电网减少了27.50%；从单一指标来看,除ODP变化较小外,其他4种指标均下降明显.
从图 7中可以看出,化石能源的消耗主要发生在使用阶段和原材料获取和制造阶段.一方面,钢、铝合金等原材料的生产过程会消耗电能和石油等化石能源.另一方面,化石能源的消耗最主要的还是发生在使用阶段,这个阶段消耗了大量的电能,发电过程则消耗化石能源,所以在不同电网下有明显的差异.对比华东电网和华中电网下的化石能源消耗,华中电网比华东电网减少了24.46%.
4.3.2 敏感性分析敏感性分析方法是项目评估中一种不确定性分析方法,是指当有关影响因素发生变化时研究其对评价指标的影响程度的一种系统分析方法.包括单因素敏感性分析方法和多因素敏感性分析方法(路君平,2009).本文对驱动电机全生命周期评价进行敏感性分析时采用单因素敏感性分析方法.
(1) 制造和使用能耗的敏感性分析
通过以上的评价结果分析可知,驱动电机生命周期对环境的影响主要发生在使用阶段和原材料获取和制造阶段.主要是因为这两个阶段消耗了大量的能源,所以对这两个阶段的关键性因素——生产制造能耗和使用能耗进行敏感性分析,以寻求降低电机生命周期过程对环境排放影响的有利方法.设敏感性因素的变化范围为±15%,则两种敏感性因素的变化对综合环境排放的影响如图 8所示.
 |
| 图 8 基于敏感性因素变化的环境影响分析 Fig. 8 Environmental impact analysis based on the change of sensitivity factor |
综合分析可知,驱动电机生命周期过程中使用阶段的能耗对环境的影响的敏感度远大于生产制造能耗.主要是因为电机在使用阶段的能耗在其整个生命周期过程中的比重最大.因此,在保证电机各种性能的条件下,减少电机使用阶段的能耗尤为重要.例如对电机轻量化设计、减小电动汽车百公里能耗和提高电池的充电效率等.
(2) 原材料回收率的敏感性分析
回收阶段虽然带来了一些环境污染,但是回收得到了可再利用的原材料,从而带来相应的正效益.从以上分析可知,该阶段对环境排放的影响在驱动电机整个生命周期过程中占的比重很低,但是其回收得到的可利用原材料却是减少矿产资源消耗的有效手段.本文对电机的可回收材料钢、铝和铜进行敏感性分析,分析不同回收率下这3种材料对驱动电机生命周期过程矿产资源消耗影响的敏感度.设敏感性因素的变化范围为±5%,则3种敏感性因素的变化对矿产资源的消耗影响如图 9所示.
 |
| 图 9 基于敏感性因素变化的矿产资源消耗影响分析 Fig. 9 Depletion of mineral resources analysis based on the change of sensitivity factor |
可以看出,铜的回收率对驱动电机生命周期矿产资源的消耗影响最为敏感,而钢的回收率和铝的回收率的敏感度很小.为探索出现这种情况的原因,本文对原材料获取和制造阶段的矿产资源消耗进行深入分析.当钢、铝和铜这3种材料的回收率分别为90%、92%和90%时,依据章节3.1.1节可计算得到在原材料开采阶段要生产这3种材料的质量分别是3.23 kg、2.91 kg和1.30 kg,再从GaBi 6 平衡表分析中可获得以下数据,如表 10所示.
| 表 10 原材料获取和制造阶段矿产资源消耗分析 Table 10 Analysis of mineral resource consumption in raw materials acquisition and manufacturing stages |
|
综合以上分析可知,虽然要生产铜的质量小于钢和铝,但是生产铜对矿产资源的消耗远大于钢和铝,这也解释了为什么铜的回收率对驱动电机生命周期矿产资源消耗影响最为敏感.所以在当今工艺水平下,应注重提高铜回收的技术工艺,这样有利于减少电机生命周期过程中的矿产资源消耗.
5 总结与建议(Conclusions)1) 本文以荣威E50纯电动汽车的驱动电机为研究对象,运用生命周期评价工具GaBi 软件建模,并采用CML 2001 评价方法对其进行生命周期评价.对比分析在中国各大区域电网下使用时,驱动电机生命周期过程资源环境影响并对驱动电机生命周期过程中一些关键影响因素做敏感性分析.
2) 驱动电机全生命周期各环境影响类型指数排序为AP>GWP>POCP>EP>ODP,且对环境的影响主要发生在使用阶段.在不同区域电网下使用时,驱动电机全生命周期过程综合环境排放影响从大到小为华东电网>东北电网>西北电网>华北电网>南方电网>华中电网.随着火力发电比例在整个电网结构中比重的下降,驱动电机生命周期过程综合环境排放明显减少,各种环境影响类型指数均呈下降趋势.所以应该逐步改善我国的电能结构,增加水电、太阳能发电和核电等比重.从对生产制造能耗和使用能耗的敏感性分析中可知,在使用阶段,提高充电效率和汽车的能量转化率,减少使用阶段电能的消耗,这是目前中国在火力发电比例较大情况下,降低对环境影响的重要途径之一.
3) 对驱动电机3种金属材料回收率的敏感性分析中可以看出,铜的回收率的提高最有利于驱动电机生命周期过程减少矿产资源的消耗.所以相比于铝和铁的回收更应注重改进铜回收的工艺.
| [1] | 冯秀娟, 吴建明, 孙惠.2008. 稀土永磁材料项目的环境影响评价[J]. 中国资源综合利用 , 2008, 11 (11) : 25–27. |
| [2] | Huo H, Cai H, Zhang Q, et al. 2015. Life-cycle assessment of greenhouse gas and air emissions of electric vehicles: A comparison between China and the U.S[J]. Atmospheric Environment , 108 : 107–116. DOI:10.1016/j.atmosenv.2015.02.073 |
| [3] | Li S, Li J, Li N N, et al. 2013. Evaluation of Environmental Impacts of Traction Motor Production and Disposa[J]. Transactions of Tianjin University , 19 (6) : 413–418. DOI:10.1007/s12209-013-2106-5 |
| [4] | 李书华.2014. 电动汽车全生命周期分析及环境效益评价[D].吉林: 吉林大学 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10183-1014268032.htm |
| [5] | 李晓辉, 周大森, 黄翰超.2009. 汽车发动机产品回收再利用研究[J]. 小型内燃机与摩托车 , 2009 (3) : 31–33. |
| [6] | 李兆坚.2006. 可再生材料生命周期能耗算法研究[J]. 应用基础与工程科学学报 , 2006 (1) : 50–58. |
| [7] | 路君平. 2009. 项目评估与管理[M]. 北京: 中国人民大学出版社 . |
| [8] | 卢强. 2014.电动汽车动力电池全生命周期分析与评价[D].长春:吉林大学 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10183-1014282030.htm |
| [9] | Nordelöf A, Messagie M, Tillman A M, et al. 2014. Environmental impacts of hybrid, plug-in hybrid, and battery electric vehicles-what can we learn from life cycle assessment?[J]. International Journal of Life Cycle Assessment , 19 (11) : 1866–1890. DOI:10.1007/s11367-014-0788-0 |
| [10] | 阮仁满, 衷水平, 王淀佐.2010. 生物提铜与火法炼铜过程生命周期评价[J]. 矿产综合利用 , 2010 (3) : 33–37. |
| [11] | Saidur R. 2010. A review on electrical motors energy use and energy savings[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews , 14 (3) : 877–898. |
| [12] | 施晓清, 孙赵鑫, 李笑诺, 等.2015. 北京电动出租车与燃油出租车生命周期环境影响比较研究[J]. 环境科学 , 2015 (3) : 1105–16. |
| [13] | Torrent M, Martınez E, Andrada P. 2011. Life cycle analysis on the design of induction motors[J]. Life Cycle Assess , 16 (11) : 1–8. |
| [14] | 魏昭峰. 2014. 中国电力年鉴: 2014[M]. 北京: 中国电力出版社 . |
| [15] | Wang M, Burnham A, Wu Y. 2012.Development and Applications of GREET 2012-The Transportation Vehicle-Cycle Model [R].Chicago: Argonne National Laboratory |
| [16] | 王铁成, 代颖, 崔淑梅.2005. 电动车用永磁同步电机研究状况[J]. 微电机 , 2005, 38 (1) : 55–57. |
| [17] | 王先逵, 孙凤池. 2008. 机械加工工艺手册: 单行本. 加工技术卷. 齿轮, 蜗轮蜗杆, 花键加工. 第 2 卷[M]. 北京: 机械工业出版社 . |
| [18] | 吴憩棠.2012. "华域电动" 为荣威E50配套驱动电机[J]. 汽车与配件 , 2012 (36) : 36–37. |
| [19] | 尹庆炜.2007. 烧结钕铁硼永磁体制备与性能研究[D].天津: 天津大学 http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10056-2009073570.htm |
| [20] | 辛兰兰, 贾秀杰, 李方义, 等.2012. 面向机电产品方案设计的绿色特征建模[J]. 计算机集成制造系统 , 2012 (4) : 713–718. |
| [21] | 张磊. 2011.基于GaBi4的电动汽车生命周期评价研究 [D].合肥: 合肥工业大学 |