新材料与工艺手册

[轻量化评价] 轻量化汽车的参数研究

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发表于 2019-10-24 10:03:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】以化石燃油驱动的车辆被认为是CO2排放和污染空气的主源,为了控制这些环境问题,欧盟已经向制造商要求设计和生产低排放车辆。化石燃油的日益消耗也要求开发高效率、轻量化的车辆,据报道车辆重量每降低1%,燃油消耗可望减少0.7%。多年来车辆制造商聚焦在改进车辆效率为能满足严厉的CO2排放规定,许多设计方案的目标,在于减轻车辆的总重量乃至车辆在使用时的负面环境影响。

轻量化材料及其方案的设计在汽车行业已经变得日益重要,汽车制造商欲将其作为降低CO2排放的手段之一,为的是符合欧盟的目标和可持续性发展的要求。遵照关于CO2尾气排放和寿命终止的可循环使用性规定要求,在同时遵循耐碰撞性条件以及满足诸如车辆竞争价格的市场要求,通过材料替代和组分设计降低车辆重量来实现轻量化,以上考虑均同样适合于传统型和电动型的车辆。然而,在同等性能和安全性的前提下,未来电动车辆对降低重量的需求更甚,因为附加重量便会造成缩短行车里程,即大的重量与更多的电池成本相关联。

最近几年,因在材料的研究领域及其可造性方面取得了显著的进步,使得其在大/中乘客容量车辆上的使用量呈上升趋势,因此降低车辆能耗,还降低了车辆使用阶段受可忽略性环境因素影响的程度。一些生命周期研究法(LCA)的研究结果显示,因制备这些新型材料的技术手段通常是高度能量密集型的,在使用阶段所受影响的减少可对抵掉这些部件在生产阶段增加的影响。类似的考虑可适用于经济效益上,有几例生命周期成本法(LCC)的研究结果显示,高的材料成本(复合材料成本是钢材料的5~6倍,假设每年生产六万计量单位),以及缺乏关于使用轻量化材料和减少CO2排放的金钱刺激,常会抵消掉其好处,因而阻碍了复合材料的应用。经过审视以高性能纤维增强塑料替代钢材料的LCA研究结果,认为该方案可显著减重,但目前其成本高企且具有环境性的影响。另外发现,先进的轻量化合金具有中等减重效果而成本在可接受水平。就此推论,杂化材料或多重材料设计有望成为凭着可被接受的成本来实现显著减重的一种方法。

1 材料与方法
1.1 替代方案
选取电动车辆的三样部件∶车前门,车前盖和悬架臂。现将多重材料(或称杂化方案)与金属基的方案进行比对,表1列出金属基和杂化概念的特征。
总的说来,杂化方案可达到减重范围为12%~55%,归功于创新性热塑性和热固性的纤维增强树脂(FRP)的应用,包括不同的增强技术方法。欧盟曾立项ENLIGHT进行材料选择和相关制造技术的开发。尤其是碳扩散纤维束和单向带的应用,可进而用来生产超轻的层压制件,增强的程度可根据模数的要求进行设置。
还有,作为轻量化和低碳足迹方案的一个有趣例子,采用生物基聚合物PA410代表着生产中等体量车辆(例如5万辆)的创新应用。其中的制造技术,树脂传递模塑(RTM)和创新型连续纤维敷设(CFP),因其特别有利于满足中等体量的生产要求,已经过测试并被采用。

1.2 生命周期研究法
采用生命周期研究法(LCA)进行环境分析(ISO 14040:2006和ISO 14044:2006),是用来研究电动车模块预设模拟的一种方法。尤其,这一研究的目标和范围,在于依照“从摇篮到大门”方法,将杂化电动车部件与金属基的车辆相比较来进行评估并验证其环境性能。其功能单位为装配在电动车上的一个部件,其10年内的寿命里程为150000 km。系统的范围由与材料生产制造、加工和使用阶段关联的所有过程所构成,运输因素被排除了,因可一般忽略的影响无须刻意关注。寿命终止阶段也排除在外,由于高度可变和不确定场景会妨碍生产与使用阶段权衡的特定评价。研究中采用材料供应商的初始数据以及数据库GaBi的数据用于3样部件每单一材料部分的模拟,表2列出了一些提取的数据。
使用阶段由公式(1)进行模拟,计算寿命期限总的电耗归属于每一个模块的质量变化值。
表1 电动车部件概念特征



表2 LCA和LCC细目






式中:Em1:质量引起的能量消耗,假定为 0.69(kW·h)/100 kg×100 km;Δm比较:金属基与杂化方案之间的质量差(kg);U km:寿命驾驶里程(km);F 电池∶电池效率,假定为85%;F充电器∶充电器效率,假定为95%。

1.3 生命周期成本法
用生命周期成本法(LCC)进行经济性评估,将其与LCA结合作为一致性框架。目前LCC的目标和范围在于评价和比较金属基与杂化概念的寿命周期成本。采取制造商的观点并延伸至涵盖使用阶段的成本,事实上高生产成本的可能性只有建立在车辆寿命周期后阶段的可比性利益基础上才有意义。
生产成本包括材料和制造成本,其中制造成本涵盖机械、工具、消耗品(例如水)、能量和人工费见公式(2),所述部件之每单一材料部分的生产成本估价均已考虑其几何结构、材料和制造技术诸方面。经济细目包括文献数据以及材料和技术提供人收集的数据(如表3所示)。
制造成本=机械成本+工具作业成本+消耗品成本+能量成本+劳动力成本 (2)

1.4 影响生产与使用权衡的参数
一些参数影响LCA和LCC的结果,分别有单关联参数和双关联参数。
关于LCA,研究了4个相关参数,电网混合作为一重要假设参数被提及,有时候可从内燃机车辆出发评估电动车辆的显著性益处。首先一步,采取欧洲一般混合(EU-28),但也含有其他电网混合。轻量化从总体上讲,关于马达适应的次生效应,特别是由于部件减重带来的电池减重便成为一个关联点。因此,通过引入调整电池效应对这个点进行分析,带来了进一步减重[公式(3)与质量引起能耗公式(1)同型]。设想部件减重1 kg的作用使得电池减重0.13 kg。




我们发现碳纤维(CF)生产的作用是轻量化方案中主要影响因素之一,在全球变暖趋势(GWP)的可变性建议评估其影响。轻量化材料带来的好处也取决于方案应用的车辆动力系统架构(电动的或内燃机型的)。

关于LCC,除了次生效应和动力系统架构,还考察了其他3个参数。电价成本[欧元/(kW·h)]对生产和使用阶段都有影响,其对制造阶段的影响程度随着所用的制造技术而变。树脂传递模塑(RTM)比起其他的技术的能耗较高,电价成本对使用阶段成本的影响与部件重量直接相关联。

由于LCC起始于部件的几何结构进行模拟,且对该参数(部件尺寸)的影响作评估,它影响着生产阶段的多重参数,取决于所用的制造技术。例如,部件盒的体积(可容纳部件的最小盒子)在注塑成型技术中对工具成本有影响,大部件要求较大较昂贵的工具;部件突出面积在热成型中对所用机器也有影响,突出面积大的也要求较大较昂贵的工具。再有,取决于所用的制造技术,部件尺寸还影响循环周期,例如,大部件在注射成型中需要更长的冷却时间,因而影响劳动力成本和能耗。而且,部件尺寸影响材料成本,大的部件需要更多材料。最后,部件尺寸影响使用阶段的成本,大部件具有较重质量(视材料密度为不变),意味着较高的能耗。

尤其在复合材料部件情况下,材料成本是部件生产成本的显著部分——典型的大于25%总生产成本,同时复合材料的轻量化趋势能够降低使用阶段成本。因此,材料成本对复合材料生命周期模块具有可观的影响,而有关金属材料的影响较小。
表3 LCA和LCC结果



2 结果讨论
2.1 LCA和LCC结果
用LCA和LCC研究比较金属基与杂化方案的电动车模块,表3列出了LCA的全球变暖趋势(GWP)和一次能量需求(PED)的结果,以及LCC的分列变化值(即为金属基与杂化方案之间的差值),生产与使用阶段数据进行分列和合计。出现负值的意味着杂化方案的性能不如钢材料性能。
可见,除了使用阶段的正效应,杂化方案高的影响和高成本超过在使用阶段的优点。实际上,3个部件的ΔGWP、ΔPED和Δ成本(合计)均为负值,主要是由于增加了复合材料的使用,其需要能量密集的制造技术以及昂贵的原材料,特别是当采用碳纤维作增强材料时。结果是,应用所研究的杂化方案并未产生环境和经济效益。

2.2 环境权衡的敏感性分析
进行了次生效应、电网混合、动力系统架构对GWP和PED的影响研究。总体上,电网混合最具影响的GWP和PED因素,特别是减重效果突出的部件在使用阶段便显出些优势。就车前盖和悬架臂,用电的高GWP[>1 kg CO2(当量)/(kW·h)]使其影响变化为正值,包含使用阶段的次生效应导致了杂化设计给出较好的性能,但是相对变化不甚显著,对减重效果大的杂化设计部件作用也较大。对于内燃机车辆的情况类似,虽然内燃机车辆在使用阶段(从油箱到车轮)的排放量高于电动车(从油井到油箱)的排放量(+23%),然而假如跟金属基的方案做比较,在生产阶段的负担却是太大(+45%以上)。
碳纤维生产就其相应的聚丙烯晴基(PAN)生产工艺采用数据库GaBi的数据进行模仿为20.1 kg CO2/kg,生产过程中使用的高能量通常认被为是碳纤维的一个弱项,正如预期的,碳纤维的GWP影响值对那些高补强程度(接近60%)的部件是不可忽略的,碳纤维对GWP减少50%使得杂化方案优于金属部件。

2.3 经济权衡的敏感性分析
研究了电成本,部件几何结构和材料成本关于生命周期成本的影响,图1和图2分别显现了部件几何结构和材料成本关于生命周期成本的影响。



图1 部件尺寸对部件Δ合计成本的影响


图2 材料成本对部件Δ成本的影响
电价对生命周期成本的影响考察了5种不同情况:2处最便宜的电价在欧洲,如瑞典[0.059欧元/(kW·h)],芬兰[0.071欧元/(kW·h)];基准价(EU-28,0.119欧元);2处最贵的电价,如英国[0.152欧元/(kW·h)],意大利[0.16欧元/(kW·h)]。电价对采用能量密集制造技术部件的影响较高,可见其对车前盖的影响大,这是一个采用加压模塑的大部件,属能量密集的工艺。

当检查部件的几何结构时,我们考虑所有维度(x,y,z)呈线性变化,虽然实际情况这是由模数决定的(比如,车门可以相应地在x和y维度增量,而不是z)。部件尺寸对车前盖的生命周期成本有较大影响,尤其是车门模数的影响,可从图1中线条的梯度看出来。这是由于部件的模数大,进而相应制造技术用的机器成本受单一材料部件几何结构的影响显著。例如对于车门来说,冲压、铸造和其他技术手段中:冲压机器的成本受部件突出面积的影响;铸造机器成本受盒子体积的影响;悬架臂是相当小的部件,因此其尺寸的变化影响较小。还可看出,从车门的模数所带来的Δ成本较大,由于车是由较多单一材料部分所构成,即增加了轻量化的成本。还有,大型部件的尺寸变化对其在使用阶段成本的影响更大。

最后,材料基准价格是以材料供应商的估价为基础,对生命周期成本的影响是围绕这些价格波动进行计算的。正如预期,对大部件的影响较大,因其需要较大量的材料。另外从图2可得出,材料成本降低4%甚至可致车前盖模块破坏,而车门和悬架臂在所考察范围内却不会发生,这一点可从车前盖模块的大体积来解释。

3 结论
由于不同材料及其制造过程的特殊性,一项可靠的LCA和LCC分析需要大量数据和一些假设。因此,针对每一参数关于LCA和LCC的影响进行评估是非常有益的。事实上,在新开发轻量化材料的情况中,有关其生命周期成本和环境影响方面尚不明晰。已有的研究说明多重材料设计可给以车辆减重,尽管这也在电动车的早期生命周期带来大的环境影响。概而言之,通过电网混合减少CO2排放是影响环境结果最突出的参数,而当达到大的减重效果时,次生效应和动力系统就会影响生产与使用阶段之间的权衡。从成本的角度来看,在由于轻量化所带来的在使用阶段的益处,将补偿其在生产阶段的成本增加,更可能是在具有简单几何结构的大部件的情况下可行,而不是几何结构复杂的小部件。而且,电成本是决定该权衡的一个强力因素,特别是关于电动车的情况。为了表示生命周期研究法和生命周期成本法的结果,以成本合计功能体现结合全球暖化趋势的合计变化值可作为一种清晰且有用的方法,以便拿出清楚明了的决定。轻量化设计的进一步研究可走向分析金属基与杂化方案之间结合的可能性,以便找到优化车辆的折衷方法。

来源:期刊-《上海化工》;作者:蔡荣欣

发表于 2019-10-26 09:26:02 | 显示全部楼层
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唐山钢铁
发表于 2019-10-26 13:50:14 | 显示全部楼层
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