基于全生命周期分析的白车身选材方法

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.017

摘要/Abstract

摘要：

本文中采用全生命周期分析方法对使用普通钢、先进高强度钢（AHSS）、铝合金和碳纤维复合材料（CFRP）等材料的某燃油车白车身在生产、行驶和报废回收各阶段的等效碳排放和能耗进行了分析，并讨论了行驶里程对不同材料车身减排效果的影响。结果表明：在当前技术条件下，用AHSS和铝合金代替普通钢作为白车身材料可降低碳排放和能耗，而用CFRP代替普通钢会增加碳排放和能耗；铝合金的全生命周期碳排放和能耗主要取决于生产阶段的碳排放和能耗水平，而材料的选择则与地区的碳排放和能耗水平有关，在普通碳排放和能耗水平的地区铝合金比AHSS更有优势，在高碳排放和能耗水平的地区则AHSS比铝合金更有优势；铝合金的减排效果随着行驶里程的增加而更显著。该燃油车在行驶15万km的情况下，其车身材料比例为 77.9% AHSS和22.1% 铝合金时，具有综合最优的碳排放和能耗水平。

关键词: 生命周期评价, 轻量化材料, 碳排放, 能源消耗

Abstract:

In this paper， life cycle assessment method is adopted to analyze the equivalent carbon emission and energy consumption of a fuel vehicle with four different materials i.e. common steel， advanced high strength steel （AHSS）， aluminum alloy and carbon fiber reinforced polymer （CFRP） as the material of its body-in-white in different stages of production， use （driving operation） and recovery after discard， with the influences of driving mileage on the emission reduction effects of different materials discussed. The results show that under current technical conditions， using AHSS and aluminum alloy to replace common steel as the material of body-in-white can reduce carbon emission and energy consumption， while using CFRP to replace common steel may increase the carbon emission and energy consumption. The life cycle carbon emission of aluminum alloy mainly depends on that in its production stage， while the selection of material is related to the carbon emission and energy consumption level in the region： in the region with general carbon emission and energy consumption level， aluminum alloy is superior than AHSS， while in the region with high carbon emission and energy consumption level， AHSS is superior than aluminum alloy. With the increase of driving mileage， the emission reduction effects of aluminum alloy become more remarkable. In a condition that the driving mileage of the fuel vehicle reaches 150 thousand km， it will get the comprehensively optimum carbon emission and energy consumption level when the materials of its body-in-white have a proportion of 77.9% AHSS versus 22.1% aluminum alloy.

Key words: life cycle assessment, light-weighting material, carbon emission, energy consumption

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图/表 12

表1

表2

表3

碳排放因子和能耗水平"

水平	材料	碳排放因子/（kgCO₂-eq·kg）	能耗/（MJ·kg $- 1$ ）
普通	钢	1.98	21.00
	AHSS	2.31	25.00
	一次铸铝	7.78	148.00
	二次铸铝	0.51	8.55
	镁	18.22	330.00
	碳纤维	17.35	312.00
高	钢	2.08	21.27
	AHSS	2.45	26.32
	一次铸铝	16.4	191.00

表3

表4

表5

表6

表7

图1

图2

图3

图4

表8

参考文献 22

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材料	质量/kg
普通钢	890.2
铸铁	155.1
AHSS	0
铝板	15.5
铝挤出	15.5
铸铝	77.6
CFRP	0
塑料	186.1
橡胶	46.5
玻璃	46.5
铜	31
液体	28.8
其它	184.1
总计	1 676.9

碳排放当量/ kg CO₂eq	生产阶段	使用阶段	回收阶段	全生命周期	相对比例
基础方案（高排放）	8 057	14 698	-2 797	19 958	1
方案1（高排放）	7 386	13 819	-2 459	18 747	0.939
方案2（高排放）	10 845	13 292	-4 615	19 523	0.978
基础方案（普通排放）	6 984	14 698	-2 017	19 665	1
方案1（普通排放）	6 456	13 819	-1 780	18 495	0.939
方案2（普通排放）	7 703	13 292	-2 548	18 447	0.938

能耗/MJ	生产阶段	使用阶段	回收阶段	全生命周期	相对比例
基础方案（高能耗）	114 973	204 470	-27 483	291 960	1
方案1（高能耗）	107 114	192 242	-24 106	275 250	0.943
方案2（高能耗）	149 923	184 905	-50 245	284 583	0.975
基础方案（普通能耗）	109 902	204 470	-23 809	290 563	1
方案1（普通能耗）	102 726	192 242	-20 918	274 050	0.943
方案2（普通能耗）	134 412	184 905	-40 063	279 254	0.961

碳排放当量/kg CO₂eq	生产阶段	使用阶段	回收阶段	全生命周期	相对比例
基础方案（高排放）	8 361	29 397	-2 797	34 960	1
方案1（高排放）	7 690	27 639	-2 459	32 870	0.940
方案2（高排放）	11 149	26 584	-4 615	33 118	0.947
基础方案（普通排放）	7 286	29 397	-2 017	34 666	1
方案1（普通排放）	6 758	27 639	-1 780	32 616	0.941
方案2（普通排放）	8 004	26 584	-2 548	32 041	0.924

能耗/MJ	生产阶段	使用阶段	回收阶段	全生命周期	相对比例
基础方案（高能耗）	123 467	408 941	-27 483	504 925	1
方案1（高能耗）	115 609	384 484	-24 106	475 987	0.943
方案2（高能耗）	158 417	369 811	-50 245	477 983	0.947
基础方案（普通能耗）	118 392	408 941	-23 809	503 523	1
方案1（普通能耗）	111 216	384 484	-20 918	474 782	0.943
方案2（普通能耗）	142 901	369 811	-40 063	472 649	0.939