基于LCA纯电动汽车驱动电机能源消耗分析

张驰　李柏姝

摘 要：基于生命周期评价方法（LCA），运用GaBi软件平台，建立纯电动汽车驱动电机数学模型，对荣威Ei5的驱动电机以国家不同区域电网为基础，采用CML2001评价方法中ADP（e）和ADP（f）两种指标进行能源消耗分析。得到的结论为驱動电机全生命周期下矿产能源消耗主要发生在原材料获取制造阶段，化石能源消耗主要发生在使用阶段，但随着火力发电比例减少，ADP（e）和ADP（f）指标有减少的趋势，因此需要逐步改善我国各大区域电网结构，大力开发新能源发电。从纯电动汽车自身考虑，在使用阶段提高纯电动汽车的充电效率和能量转化率，减少使用阶段能耗是在我国各大电网以火力发电为主的国情下，降低资源消耗的重要方法之一。

关键词：纯电动汽车 驱动电机 生命周期评价 矿产能源耗竭潜值 化石能源耗竭潜值

Analysis of Energy Consumption of Drive Motor Based on LCA Pure Electric Vehicle

Zhang Chi，Li Baishu

Abstract：Based on the life cycle assessment method （LCA）， the GaBi software platform is used to establish a mathematical model of the drive motor of a pure electric vehicle. The drive motor of the Roewe Ei5 is based on the power grid of different regions in China， and the ADP（e） and ADP（f） in the CML2001 evaluation method are used for energy consumption analysis. The conclusion is that the mineral energy consumption mainly occurs in the raw material acquisition and manufacturing stage during the whole life cycle of the drive motor， and the fossil energy consumption mainly occurs in the use stage. However， as the proportion of thermal power generation decreases， the ADP（e） and ADP（f） indicators decrease. Therefore， it is necessary to gradually improve the structure of Chinas major regional power grids and vigorously develop new energy power generation. From the perspective of pure electric vehicles themselves， improving the charging efficiency and energy conversion rate of pure electric vehicles during the use phase， and reducing energy consumption during the use phase is one of the important methods to reduce resource consumption under the national conditions of China's major power grids dominated by thermal power generation.

Key words：pure electric vehicle， drive motor， life cycle assessment， mineral energy depletion potential， fossil energy depletion potential，

1 引言

目前，我国的科学技术发展愈来愈快，在面临全球的大形势下，以纯电动汽车为首的新能源汽车出现并在近十五年来的得到了大力地发展与推进。国家把节能与新能源汽车列入战略性新兴产业和和《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[1]。驱动电机作为纯电动汽车的三大核心部件之一，随着纯电动汽车发展，降低驱动电机在整个全生命周期对环境的影响对于纯电动汽车的可持续发展具有重要意义。

2 目标与范围的确定

2.1 目标的确定

本文研究的是荣威Ei5纯电动汽车的一款永磁同步驱动电机。电动机总功率85kw，扭矩255N?m，质量76kg。

2.2 系统边界

我们主要研究的是驱动电机在全生命周期当中的原材料获取、制造装配、运行使用阶段和报废回收阶段四个阶段。

3 驱动电机LCA建模

3.1 原材料获取阶段

驱动电机是纯电动汽车的核心部分之一，它可以为纯电动汽车提供动能，把动力电池提供的出来的电能进行转化。本文研究的是一款永磁同步电机，永磁同步电机的基本材料构成：定子绕组12.5kg、铁心16.46kg、驱动电机轴9.97kg、永磁转子7.41kg、驱动电机壳体18.46kg、驱动电机基座11.2kg。根据文献[2]得知单位质量下钕所需原材料为0.29/kg占比29.12%、硼0.01/kg占比1%、铁0.7/kg占比69.68%。永磁同步电机在软件Gabi中的建模如图1。

3.2 制造装配阶段

驱动电机的制造装配阶段包含了定子、转子、电机轴、壳体基座和电机总装的过程。定子制造装配包含了铜丝绕组、铁心的硅钢片压装和总组装过程;转子一般是永磁转子的熔化提炼，铸锭等热处理过程;电机轴通常需要钢坯经过粗车、精车、热处理、打磨等处理过程;壳体与基座通过对铝制铸造并且进行机械加工处理得到。建立驱动电机制造装配阶段Gabi模型图如图2所示。

根据工艺手册[3]（王先逵等，2008）、文献[4]（张磊，2011）和GaBi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：定子绕组26.28MJ热能和77.42MJ电能、铁心10.87MJ电能、定子的制造22.34MJ电能、永磁转子52.75MJ热能和75.32MJ的电能、驱动电机轴37.39MJ电能、壳体基座64.14MJ热能和127.68MJ电能和装配44.7MJ电能。

3.3 运行使用阶段

本文研究的纯电动汽车为荣威的Ei5官方百公里耗电量为13.2Wh/100km搭载的是一款三元锂电池循环寿命可达3000次，经过2000次循环，电池损耗低于20%，充放电效率为91%。本文假设纯电动汽车的全生命周期的可行驶总里程为200000km，按照质量换算能耗比例可计算出驱电机在次里程数下的对于能源消耗的影响数值。20000013.2/10042/1555=713.05kWh。

3.4 报废回收阶段

本文主要研究金属和非金属这两大类材料的报废回收，其中金属包括了铁、钢、铝，非金属材料主要包括塑料和橡胶。其他材料我们采用软件平台中的工艺和数据标准，贵金属本文暂不考虑。

目前，钢在电弧炉中进行回收，回收率90%;废铁一般放入冲天炉，随后在模具中进行冷却得到铸铁，目前废铁的回收率为 80%;铝一般通过高温熔化和铸造的方式进行回收，回收率为92%;铜一般采用直流电解方法，回收率为90%，并且每kg需要2.65kWh的能耗[5]。

4 影响评价和结果解释

4.1 特征化

在生命周期评价中（LCA）生命周期影响评价是核心的内容之一。本文采用CML2001评价方法并且主要研究的影响类型是CML2001中的矿产能源耗竭潜值和化石能源耗竭潜值这两项。

运用GaBi软件的平衡表功能计算，可以获得驱动电机全生命周期的能源消耗特征化结果，如表1。

4.2 结果分析

通过前面驱动电机的数学模型的建立、数据的输入和最后的计算可以知道，对于矿产资源的消耗主要的发生阶段为驱动电机的原材料获取和制造阶段，对于化石能源的消耗主要发生在使用阶段。根据我国家的发电的特点可以知晓，国内不同区域下的电网结构是不同的，因此纯电动汽车的不同电网模式下的评价结果存在差异，据《中国电力年鉴2014》[6]中国的各大区域电网结构下驱动电机能源消耗特征化计算结果如表2。

5 总结与建议

（1）驱动电机全生命周期下矿产能源消耗主要发生在原材料获取制造阶段，化石能源消耗主要发生在使用阶段，但随着火力发电比例减少，ADP（e）和ADP（f）指标有减少的趋势，因此需要逐步改善我国各大区域电网结构，大力开发新能源发电。（2）从纯电动汽车自身考虑，在使用阶段提高纯电动汽车的充电效率和能量转化率，减少使用阶段能耗是在我国各大电网以火力发电为主的国情下，降低资源消耗的重要方法之一。

参考文献：

[1]刘凯辉，徐建全.纯电动汽车驱动电机全生命周期评价[J].环境科学学报，2016，36（09）：3456-3463.

[2]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.

[3]王先逵，孙凤池.2008.机械加工工藝手册：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.

[4]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.

[5]李兆坚.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（01）：50-58.

[6]魏昭峰.2014.中国电力年鉴：2014[M].北京：中国电力出版社.