車輛節(jié)能技術(shù)

1、Vehicle's lightweight design vs. electrification from life cycle assessment perspectiveAhmad Mayyas a, Mohammed Omar b, *, Mohammed Hayajneh c, Abdel Raouf Mayyas,從生命周期評(píng)估的角度來(lái)看，車輛的輕型設(shè)計(jì)與電氣化。,生命周期評(píng)估（life cycle asses

2、sment LCA）：,是一項(xiàng)自60年代即開(kāi)始發(fā)展的重要環(huán)境管理工具。生命周期是指某一產(chǎn)品（或服務(wù)）從取得原材料，經(jīng)生產(chǎn)、使用直至廢棄的整個(gè)過(guò)程，即從搖籃到墳?zāi)沟倪^(guò)程。,輕型材料和汽車的電氣化是改善車輛的燃油環(huán)境，降低車輛生命周期周期范圍內(nèi)運(yùn)行階段對(duì)環(huán)境的影響，最可行和最經(jīng)濟(jì)的解決方案之一。本研究旨在更清楚地了解輕量和電動(dòng)的綜合效應(yīng)通過(guò)評(píng)估不同的輕量化設(shè)計(jì)和電力系統(tǒng)，從環(huán)境角度使用生命周期分析能量消耗和二氧化碳排放。,電動(dòng)車

3、,本文討論了幾種先進(jìn)的動(dòng)力總成（插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV)、電池電動(dòng)汽車(BEV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)）相對(duì)于傳統(tǒng)的汽油驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車（ICV）的生命周期評(píng)估,1973年阿拉伯石油禁運(yùn)之后，輕量級(jí)設(shè)計(jì)成為一種減少甚至消除對(duì)外國(guó)能源依賴的戰(zhàn)略解決方案。早期輕型車輛設(shè)計(jì)概念試圖減少車輛重量用一些鎂或鋁等較輕的材料來(lái)代替汽車上的鑄鐵和鋼。近年來(lái)，高強(qiáng)度鋼和塑料復(fù)合材料作為重量較輕的替代材料，由于價(jià)格下降趨勢(shì)和在制造業(yè)的新發(fā)展，

4、得到了更多的認(rèn)可,輕量車,其他輕量級(jí)設(shè)計(jì)方法包括重新設(shè)計(jì)車輛和縮小尺寸。重新設(shè)計(jì)的目的是減少空氣動(dòng)力阻力和滾動(dòng)阻力?？s小尺寸更側(cè)重于減少車輛的尺寸，這也導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的縮小。雖然使用這些方法可能會(huì)導(dǎo)致多達(dá)40%(690公斤)的車輛減重，但制造這些輕型汽車相關(guān)的成本是不菲的，可達(dá)每公斤3至4美元。另一個(gè)需要牢記的重要事實(shí)是，當(dāng)談到輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼材等級(jí)，較輕的材料往往更耗能，所以專注于汽車的使用階段和專注在材料的提取和車輛制

5、造時(shí)能源和溫室氣體可能導(dǎo)致有偏見(jiàn)的爭(zhēng)論。,一些同類型的研究,Lewis等人，2014年對(duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)(內(nèi)燃汽油車(ICE)、混合動(dòng)力汽車(HEV)和插件混合動(dòng)力汽車(PHEV))和不同的輕質(zhì)材料(鋼、鋁、高強(qiáng)度鋼(AHSS))的內(nèi)燃機(jī)車輛進(jìn)行了比較研究。這項(xiàng)研究假設(shè)了不同的白車身的總節(jié)能，然后用這些總節(jié)能來(lái)評(píng)估生命周期能源和溫室氣體排放。本研究得出結(jié)論:AHSS車輛的性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼材和鋁為基礎(chǔ)的車輛。這種優(yōu)勢(shì)也可以增加如果由混合動(dòng)力傳動(dòng)

6、系統(tǒng)改變了內(nèi)燃汽油系統(tǒng)。,。Raykin et al.(2012)的另一項(xiàng)重要研究是對(duì)三種不同程度電氣化的大型家用汽車進(jìn)行良好的溫室氣體排放分析。在三種不同的交通情況下(城市駕駛、郊區(qū)駕駛和公路駕駛)證明，與HEV(排名第二)和內(nèi)燃汽油車(排名第3)相比，PHEV對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)較小。這項(xiàng)研究的缺點(diǎn)之一是作者認(rèn)為電力是由天然氣產(chǎn)生的，所有的車輛都使用汽油，這在大多數(shù)國(guó)家可能不成立。,一些同類型的研究,霍金斯等人（2012）開(kāi)發(fā)了一種

7、傳統(tǒng)和電動(dòng)汽車的透明生命周期清單。在這項(xiàng)研究中，作者們?cè)u(píng)估了傳統(tǒng)和電動(dòng)汽車在一系列影響范圍內(nèi)的問(wèn)題，包括全球變暖潛勢(shì)（GWP）、人類毒性、淡水生態(tài)毒性、淡水富營(yíng)養(yǎng)化和金屬消耗的影響。他們發(fā)現(xiàn)假設(shè)車輛壽命設(shè)定為15萬(wàn)公里，由歐洲電力公司提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車與常規(guī)柴油或汽油車相比，全球變暖潛力(GWP)下降10%-24%。然而，電動(dòng)汽車顯示了顯著增加的潛力在人類毒性、淡水生態(tài)毒性、淡水富營(yíng)養(yǎng)化和金屬損耗影響方面。似乎這項(xiàng)研究的結(jié)果對(duì)有關(guān)電

8、力結(jié)構(gòu)、使用相耗、車輛壽命和電池更換計(jì)劃的潛在假設(shè)很易受影響。,關(guān)于電力的來(lái)源和若干電動(dòng)汽車的區(qū)域駕駛模式(BEV, HEV,PHEV18和PHEV62)。在這項(xiàng)研究中，Onat和他的團(tuán)隊(duì)比較了50個(gè)州的車輛選擇，考慮到特定的平均和邊際發(fā)電，混合區(qū)域驅(qū)動(dòng)模式，汽車和電池制造的影響。他們還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于美國(guó)的平均情況(在全國(guó)范圍內(nèi))，PHEV18與ICV相比降低了29%的溫室氣體排放，而EV、HEV和PHEV18的GHG排放量是相對(duì)可比較的。

9、就LCA的排放分類而言，他們發(fā)現(xiàn)汽車和材料制造的排放量占總生命周期排放量的11%到23%，而這些排放物對(duì)電動(dòng)汽車的排放是最高的，與整個(gè)生命周期的排放相比，電池生產(chǎn)的溫室氣體排放是微不足道的。,一些同類型的研究,本文主要關(guān)注的是在材料的提取和資源階段，生產(chǎn)階段和使用階段（操作和維護(hù)）的能源溫室氣體排放(GHG)。目前的大部分研究都集中在使用階段，但并沒(méi)有反映出與先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的正確的環(huán)境影響。因此，本文采用了一種全面的LCA方法，涵蓋

10、了前制造、制造、運(yùn)行和結(jié)束階段，再加上另一個(gè)間接的階段來(lái)解釋給最終用戶或客戶的燃料的提取、提煉和運(yùn)輸。,制造階段,假設(shè)所有車輛都有類似的制造路線，基于材料/制造工藝的組合（即：在內(nèi)燃機(jī)車或xbv）中，無(wú)論在哪里使用，蓋上的鋼都有相同的能量和二氧化碳排放。唯一的例外是電池電動(dòng)車（BEVs）的電池和所需的動(dòng)力系統(tǒng)。然而，同樣重要的是要強(qiáng)調(diào)，與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)更小。,表8總結(jié)了用于制造汽車的幾個(gè)材料組的材料提取和加工所產(chǎn)生

11、的能源消耗和溫室氣體排放的估計(jì)。,銅鋁鋼不銹鋼鑄鐵復(fù)合材料玻璃鎂多孔陶瓷：火花塞樹(shù)脂塑料聚氨酯橡膠電池,下面的表9列出了制造能量消耗的數(shù)值。主要的轉(zhuǎn)換過(guò)程是決定生產(chǎn)階段的能源和溫室氣體排放的關(guān)鍵。,沖壓鑄造黃銅，鉛鍛造擠壓加工線圈玻璃窗格氣壓成型模壓成型熱固性成型塑料擠塑壓延成型注塑成型噴涂暖通空調(diào)和照明物料運(yùn)輸壓縮空氣,.使用階段：,此前有報(bào)道稱，使用階段是汽車一生

12、中最需要能源的，因此它是內(nèi)燃汽油汽車二氧化碳排放的最大貢獻(xiàn)者。此外，眾所周知，車輛的質(zhì)量和構(gòu)成材料在輕型設(shè)計(jì)和車輛性能中起著重要的作用;在對(duì)路面的阻力和燃料經(jīng)濟(jì)方面。減少車輛的重量不僅減少了地形（道路）的摩擦力，還減少了滾動(dòng)阻力，同時(shí)也減少了對(duì)加速和攀爬的阻力（如顯示在圖311)。圖3還顯示了減少車輛質(zhì)量對(duì)整體燃油經(jīng)濟(jì)性的影響;一般來(lái)說(shuō)，在車輛的質(zhì)量上節(jié)省100公斤，每100公里可節(jié)省0.3 -0.5 L/100公里的燃料和0.85-

13、1.4公斤的二氧化碳。,對(duì)于以內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的車輛，計(jì)算能源需求對(duì)車輛的使用壽命（例如20萬(wàn)英里）是相當(dāng)容易計(jì)算的，因?yàn)橹酪患觼銎偷钠骄鶡嶂禐?30 MJ，產(chǎn)生8.596公斤的二氧化碳。純電動(dòng)汽車（BEV）使用階段的能量和二氧化碳排放量可以直接計(jì)算使用以下假設(shè);每千瓦時(shí)產(chǎn)生0.8515公斤二氧化碳（美國(guó)平均電力混合），包括與煤礦開(kāi)采、天然氣井鉆探、油井水力壓裂和所需運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電廠的排放。插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）的能源需求和二氧

14、化碳排放取決于幾個(gè)因素，如;行駛距離、電范圍、充電狀態(tài)、車輛速度和加速/減速模式。為了提供一個(gè)可能的解決方案，假設(shè)50%的電力是由電池提供的，50%來(lái)自內(nèi)燃機(jī)。對(duì)于HEV來(lái)說(shuō)，計(jì)算是基于燃油經(jīng)濟(jì)性和提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。,2015年，美國(guó)產(chǎn)生了大約4萬(wàn)億千瓦時(shí)的電力。大約67%的發(fā)電量來(lái)自化石燃料（煤炭、天然氣和石油）。美國(guó)產(chǎn)生的電力混合：33%的煤炭，33%的天然氣，20%，6%的水電，7%的其他可再生能源，1.6%的生物質(zhì)，0。

15、4%的地?zé)幔?。6%的太陽(yáng)能和4.7%的風(fēng)能（美國(guó)能源信息管理局，環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2015a）。雖然煤炭占發(fā)電總量的33%，但在這一領(lǐng)域的二氧化碳排放總量中，約占71%，天然氣占28%，而石油1%只剩下不到1%的其他能源（EIA，2015b）。發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為每1千瓦0.5946公斤二氧化碳（使用美國(guó)的電力混合）。這也包括大約4.7%的電網(wǎng)傳輸損失。來(lái)自汽油的1 kWh的二氧化碳排放量約為0.2932公斤，其中81.4

16、%來(lái)自汽油的直接燃燒，另外15.6%來(lái)自于良好的油箱負(fù)擔(dān)。有了這些數(shù)字，人們就可以得出結(jié)論，基于內(nèi)燃機(jī)的汽車將從能源和二氧化碳排放的角度來(lái)看更好。然而，電動(dòng)汽車將大約59%-62%的電能從電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為車輪上的電力——傳統(tǒng)的汽油車只會(huì)將汽油中儲(chǔ)存的能量的17%-21%轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。在基于內(nèi)燃機(jī)的車輛中，低傳動(dòng)效率往往會(huì)使其優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為BEV和PHEV的優(yōu)勢(shì)，后者具有更好的動(dòng)力傳動(dòng)效率。,臨終階段,報(bào)廢車輛（ELV）的退役車輛通常會(huì)經(jīng)歷以下幾

17、種情況：1.該戰(zhàn)略假定，退役車輛完全在垃圾填埋場(chǎng)的指定區(qū)域內(nèi)處理，這一戰(zhàn)略假定所有車輛的部件都是填埋的。然而，這種策略并不是首選的路線，因?yàn)樗黾恿素?fù)面的環(huán)境負(fù)荷2.回收和再利用某些部件（如身體部件;電力組件，等等），這在廢車場(chǎng)中得到了顯著的應(yīng)用3.對(duì)汽車的主要部件進(jìn)行回收，這是大多數(shù)制造商采用的。,EELV是凈生命終結(jié)能量，Esorting是必需的排序和分解能量;ER是循環(huán)利用的能量;ψ是循環(huán)分?jǐn)?shù)（0< ψ< 1），

18、而Ev是提取原始材料的能量。這個(gè)等式意味著EELV可以有正的值（非再生材料或填滿的部分）或負(fù)值（可回收的材料或重復(fù)使用的部件，以節(jié)省從礦石中提取原始材料所需的能量。類似地，這些來(lái)自生命終結(jié)的二氧化碳排放可以通過(guò)以下公式計(jì)算出來(lái),GHGELV是生命終結(jié)的凈排放;EGHGsorting排序是排序和分解的結(jié)果;EGHGR是回收過(guò)程的排放; ψ是循環(huán)分?jǐn)?shù)（0 <ψ<1）和GHGv是與提取原始材料相關(guān)的二氧化碳排放。,結(jié)論在電氣化