（机械电子工程专业论文）电动汽车与内燃机汽车动力系统生命周期评价对比研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求口 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 委员： 导师： 昏墓存 t 巾电三十八所教授级离工 合肥工业大学剐教授 会肥工业大学剐教授 ，7 、| i 合肥美菱股份有限公司高级工程师 合j _ j 巴工业大学教授 、奇 彳 、辱7钞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 文字：p 明陋期圳f 年乒月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权佥旦巴工些叁堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：胁j 稠f 导师签名： l 签字日期占bf 年争月洲日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期力 电话： 邮编： 日 电动汽车与内燃机汽车动力系统生命周期评价对比研究 摘要 汽车产业是我国的支柱产业。随着汽车生产量和保有量的日益增多，汽车 产品带来的环境问题也受到了广泛关注。对汽车产品进行绿色设计势在必行， 而生命周期评价是进行绿色设计的基础，是评价产品生命周期环境影响和资源 消耗的有效工具。 本文在研究生命周期评价方法的基础上，对其中的时间折扣问题加以分析。 研究了生命周期排放模式，引入平均排放速率函数，以连续排放的模式代替现 有研究的脉冲排放模式。在此基础上运用一级衰减模型建立了l c a 中的时间折 扣计算方法。以同一车型的电动版本与内燃机版本的动力系统为对象，调研了 大量数据，运用g a b i 生命周期评价软件进行了清单分析，以c m l 2 0 0 1 模型( 荷 兰莱顿大学环境科学中心2 0 0 1 年模型) 为基础对两种动力系统进行了定量的环 境影响评价。并通过分析，将两种动力系统的环境影响对比结果扩展到电动汽 车与内燃机汽车的环境影响对比结果。 关键词：生命周期评价时间折扣汽车动力系统 c o m p a r a t i v er e s e a r c ho np o w e r t r a i ns y s t e m so fa ne l e c t r i c v e h i c l ea n da ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e a b s t r a c t t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi sap i l l a ri n d u s t r yo fo u rn a t i o n a le c o n o m y d u et o t h eb i g g e ra n db i g g e rp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dr e t a i nn u m b e ro fa u t o m o t i v e s ， a u t o m o t i v ep r o d u c t sa so n eo ft h em a i np o l l u t i o ns o u r c ed r a wm u c ha t t e n t i o n t h e r e f o r e ，i t sa ni r r e v e r s i b l et r e n dt oc a r r yo u tg r e e nd e s i g no fa u t o m o t i v e p r o d u c t s l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) ，a n e f f e c t i v et o o lt oa s s e s st h e e n v i r o n m e n t a li m p a c t sa n dr e s o u r c e sc o n s u m p t i o nt h r o u g h o u tt h el i f ec y c l eo fa p r o d u c t ，i st h eb a s i so fg r e e nd e s i g n b a s e do nr e s e a r c ho nl c a ，i t st e m p o r a ld i s c o u n t i n gp r o b l e ma n dt h ee m i s s i o n p a t t e r n ，t h ea v e r a g ee m i s s i o nv e l o c i t y f u n c t i o ni si n t r o d u c e da sak i n do f c o n t i n u o u se m i s s i o nt a k i n gt h ep l a c eo fp u l s ee m i s s i o ni np r e s e n tr e s e a r c h t h e n ，a t e m p o r a ld i s c o u n t i n gm e t h o df o rl c a b a s e do nf i r s to r d e rd e g r a d a t i o ni sp r o p o s e d t a r g e t e dt op o w e r t r a i ns y s t e m s ( p s ) o ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) a n dt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ( i c e v ) o ft h es a m ev e h i c l em o d e l ，al a r g ea m o u n to f b a s i cd a t aa r ec o l l e c t e d a n dl i f ec y c l ei n v e n t o r y ( l c i ) i sd o n ew i t ha s s i s t a n c eo f t h el c as o f t w a r en a m e dg a b i t h e n ，t h eq u a n t i t a t i v el i f ec y c l e i m p a c t a s s e s s m e n t ( l c i a ) i sc a r d e do u tb a s e do nc m l 2 0 01 ( c e n t e ro fe n v i r o n m e n t a l s c i e n c eo fl e i d e nu n i v e r s i t y , 2 0 01 ) b e s i d e s ，t h er e s u l t sa r ee x t e n d e dt os h o wt h e e n v i r o n m e n t a li m p a c to fe va n di c e v k e y w o r d s l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；t e m p o r a ld i s c o u n t i n g ；v e h i c l e ；p o w e r t r a i n s y s t e m 致谢 在此论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师刘光复教授! 本文是在刘老师 的悉心指导下完成的，在三年的研究生学习生涯中，刘老师给予了我大量的指 导，给我创造了良好的学习与科研条件。刘老师学识渊博、视野开阔、治学严 谨，是我为人和治学的榜样。刘老师的谆谆教诲我将铭记于心，我深感自己所 取得的每一点点成绩和每一次的进步无不凝聚着导师大量的心血，谨向刘老师 致以最崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢刘志峰教授、宋守许副教授、张雷副教授和黄海鸿副教授，三年 来各位老师在学习和生活上给予了我很大的关心和帮助；特别感谢刘志峰老师 和张雷老师，他们在学习和课题研究中给予了我大量的指导，本论文的选题和 撰写也得到了两位老师的悉心指导! 感谢胡迪、高洋、鲍宏、湛阳、张磊、刘琳、蒋云、施英莹、凌波、王进 京、张敬东、朱立红等博士和硕士，感谢杨德军、仲榕南、陈志军、孙博、郭 卫、杨明等己毕业的硕士，他们在我研究生生活和学业中给予了我支持和帮助， 感谢他们! 感谢我的家人。感谢父母对我的养育之恩，感谢家人在生活、学习、工作 等各方面给予的支持与付出。没有他们的关怀和帮助，我不可能完成我的学业， 在此表达我对他们诚挚的感谢和祝福! 最后，向所有给予我关心、支持和帮助的老师、同学和亲友致以由衷的谢 意和美好的祝福! 作者：顾国刚 2 0 11 年3 月1 2 日 目录 第一章绪论。1 1 1 论文研究背景与意义1 1 1 1 论文研究背景。l 1 1 2 论文研究意义4 1 2 国内外研究现状一4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状6 1 3 论文主要工作内容7 第二章生命周期评价方法及工具8 2 1 生命周期评价方法8 2 1 1 生命周期评价定义：8 2 1 2 生命周期评价特点9 2 2 生命周期评价框架1 0 2 2 1 目的与范围确定l l 2 2 2 清单分析1 2 2 2 3 影响评价1 2 2 2 4 结果解释1 4 2 3 生命周期评价工具1 4 2 3 1 生命周期评价工具介绍1 4 2 3 2g a b i 软件：15 2 4 本章小结1 6 第三章生命周期评价中的时间折扣。1 7 3 1 时间折扣概念与作用1 7 3 2 排放模式1 8 3 2 1 生命周期时间1 8 3 2 2 排放模式：18 3 2 3 时间点选择18 3 3 时间折扣：1 9 3 3 1 折扣模型1 9 3 3 2 计算方法。2 1 3 4 本章小结2 2 第四章电动汽车与内燃机汽车动力系统实例研究。2 4 4 1 汽车产品分析2 4 4 1 1 汽车产品分类2 4 4 1 2 汽车产品的关键零部件2 4 4 2 目的与范围确定2 6 4 2 1 目的确定2 6 4 2 2 系统边界2 6 4 2 3 功能单位2 7 4 3 清单分析2 8 4 3 1 原材料获取阶段2 8 4 3 2 生产制造阶段3 3 4 3 3 运输与销售阶段3 6 4 3 4 使用与维护阶段3 7 4 3 5 废弃回收阶段3 7 4 3 6 时间折扣3 8 4 4 影响评价“3 9 4 4 1 分类与特征化3 9 4 4 2 数据标准化与量化4 l 4 4 3 敏感性分析4 5 4 5 结果解释4 6 4 5 1 结果解释4 6 4 5 2 建议4 8 4 5 3 讨论4 8 4 6 本章小结4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 0 参考文献5 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 6 攻读硕士学位期间参与的科研项目5 6 插图目录 图1 1 我国汽车产销量对比1 图2 1 生命周期阶段8 图2 2l c a 的技术框架1o 图2 3 清单分析的流程图1 2 图2 4l c i a 影响和危害模型的环境机制示意1 3 图2 5g a b i 分层建模示意图15 图3 1 脉冲式排放模式1 8 图3 2 不同时间点的选择1 9 图3 3 经济学折扣模型曲线1 9 图3 4 经济折扣2 0 图3 5 环境折扣2 1 图4 1 无刷直流永磁电动机原理结构框图2 5 图4 2 产品系统2 6 图4 3 钕铁硼永磁材料生产工艺流程2 8 图4 4 电动汽车动力系统原材获取阶段g a b i 建模图3 2 图4 5 内燃机原材料获取阶段g a b i 建模图3 3 图4 。6 磷酸铁锂电池的制造工艺3 4 图4 7 电动汽车动力系统生命周期c 0 2 累计排放量3 9 图4 8 两种动力系统环境影响比较4 4 图4 - 9 电动汽车动力系统各生命周期阶段的环境影响4 5 图4 1 0 内燃机汽车动力系统各生命周期阶段的环境影响4 5 表格清单 表1 1 近年来l c e 会议信息5 表2 1 数据质量考虑的因素：1 2 表2 2 环境影响评价的步骤及其含义1 3 表2 3 常用环境影响类型的特征化基准1 4 表2 4l c a 工具软件1 5 表4 1 发动机与变速箱参数2 7 表4 2 无刷直流永磁电动机、减速器、磷酸铁锂动力电池参数2 7 表4 3 无刷直流永磁电动机原材料2 8 表4 4 制造l k g 钕铁硼所需要的输入2 9 表4 5 减速器原材料2 9 表4 6 电池单体材料数据3 0 表4 7 磷酸铁锂电池原材料3 0 表4 8 制造l k g 电晶体的输入输出3 1 表4 9 制造l k g 电阻器的输入输出3 1 表4 1 0 发动机原材料3 2 表4 1 1 变速器原材料3 3 表4 1 2 发动机主要零部件数据3 5 表4 1 3 缸盖的制造能耗3 5 表4 1 4 连杆的制造能耗3 6 表4 15 发动机制造的能耗3 6 表4 1 6 运输阶段数据3 6 表4 1 7 使用阶段能源消耗数据3 7 表4 1 8 电动汽车动力系统材料回收3 7 表4 1 9 内燃机汽车动力系统材料回收3 8 表4 2 0 电动汽车动力系统生命周期各阶段的c 0 2 排放3 8 表4 2 1 电动汽车动力系统生命周期c 0 2 排放时间折扣计算结果3 8 表4 2 2 电动汽车动力系统环境影响分类与特征化4 0 表4 2 3 内燃机汽车动力系统环境影响分类与特征化4 1 表4 2 4c m l 2 0 0 l 数据标准化参数4 2 表4 2 5c m l 2 0 0 1 数据量化参数4 2 表4 2 6 电动汽车动力系统环境影响标准化与量化_ 4 3 表4 2 7 内燃机汽车动力系统环境影响标准化与量化4 3 表4 2 8 使用阶段能耗上升导致的环境影结果4 6 表4 2 9 不同电力组成导致的环境影响结果4 7 表4 3 0 电动汽车与内燃机汽车全球变暖潜值与酸化潜值特征化4 8 表4 3 1 电动汽车与内燃机汽车环境影响标准化与量化4 8 第一章绪论 1 1 论文研究背景与意义 1 1 1 论文研究背景 ( 1 ) 汽车工业在国民经济中的地位 汽车工业的发展可以极大地带动钢铁、玻璃、橡胶、石化、机械、电子、 金融、服务等相关产业的发展，在社会生活中发挥着巨大的作用。汽车工业在 发达国家的经济发展中扮演了重要角色，也将对以我国为代表的发展中国家的 经济发展做出重要贡献。近年来，我国汽车工业在国民经济中的地位不断提升。 统计数据显示，2 0 0 8 年我国汽车工业总产值占我国g d p 的比重已超过8 t 1 1 。 如果考虑汽车工业对相关产业的带动，汽车工业对国民经济的拉动作用远大于 1 0 。汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业。 ( 2 ) 我国是汽车产销大国 我国汽车产业发展迅速，特别是自我国加入w t o 之后，汽车行业开始进 入爆发式增长阶段。2 0 0 0 年，我国汽车产销量分别为2 0 6 9 1 万辆与2 0 8 8 6 万 辆；2 0 0 7 年，我国汽车产销量分别为8 8 8 2 4 万辆和8 7 9 1 5 万辆，我国成为仅 次于美国的全球第二大汽车消费市场；2 0 0 8 年，我国汽车产销量分别达到 9 3 4 5 1 万辆和9 3 8 0 5 万辆；2 0 0 9 年，我国汽车产销量分别为1 3 7 9 1 0 万辆和 1 3 6 4 4 8 万辆，我国成为世界汽车产销第一大国；2 0 1 0 年，我国汽车产销量双 双超过1 8 0 0 万辆，分别为1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，与2 0 0 0 年相比分别 上涨了7 8 2 7 4 与7 6 4 7 9 ，刷新了全球汽车产销记录，再次蝉联全球第一【2 】【6 1 。 可以得出结论，我国已经成为名副其实的汽车产销大国。 图l 一1 我国汽车产销量对比 ( 3 ) 汽车工业面临的挑战 内燃机汽车经过1 0 0 多年的发展，在安全、性能、环保、舒适等方面取得 了重大的进展。但是内燃机汽车的发展也正面临着能源、环境等方面的压力与 挑战。 能源目前，世界上各种汽车的保有量超过7 亿辆，按平均每辆汽车年消 耗1 0 15 桶左右的石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达7 0 10 5 亿桶，占世 界石油产量的一半以上。同时，汽车年增长速度不断增加，按目前消耗水平发 展，石油仅可以维持使用6 0 1 0 0 年【7 】。另外，石油价格的上涨已经对世界经济 的发展造成了巨大的威胁，人类将面临更加严峻的石油资源的危机与挑战。 环境问题内燃机汽车运作时，会产生燃烧废气，包括二氧化碳、一氧化 碳、氮氧化物与碳氢化合物等有害气体，污染大气环境，危害人类健康。内燃 机汽车运行时产生的环境问题主要有： 二氧化碳石油燃料在燃烧之后产生的废气之一，化石燃料的使用造成 了二氧化碳等温室气体在大气层中不断积累，从而造成地球气温不断升 高。自人类社会进入工业化以来，大气中二氧化碳浓度在过去的1 0 0 年 间增加了2 0 一2 5 t 引。虽然二氧化碳对温室效应的影响仍存在争议，然 而大多数科学家认为二氧化碳的增加加剧了温室效应，使地球表面温度 升高，导致全球变暖。 一氧化碳石油燃料燃烧不完全的产物，是毒性很大的气体，当大气中 一氧化碳的浓度达到1 2 0 1 0 0 0 p p m 时，人类就会立即中毒身亡。一氧化 碳能在大气中停留2 3 年，在城市上空形成未定的污染层，对大气环境 造成严重的危害。 氮氧化物石油燃料在高温条件下燃烧的产物，包括一氧化氮和二氧化 氮。当大气中的二氧化氮浓度达到5 p p m 时，人类会出现呼吸失调的症 状，从而影响人体健康。当氮氧化物达到一定浓度时，可能导致形成酸 雨。 碳氢化合物石油燃料中的烃分子燃烧不完全的产物，空气中的碳氢化 合物对人类的视觉与听觉会产生刺激作用，甚至可能使人体发生癌变。 光化学烟雾在大气中如果存在氮氧化物与碳氢化合物时，在适当的条 件和阳光的作用下，会产生光化学烟雾。光化学烟雾浓度增大时，会使 人类感觉呼吸紧张和头疼等症状。 噪声内燃机汽车的噪声来源很多，包括进排气过程产生的动力性噪声 和燃烧过程产生的噪声等。汽车产生的噪声给人们的生活带来了极大的 负面影响。按照国家规定，汽车在生产过程中都会安装噪声处理系统， 用于减弱噪声。然而，降噪措施通常会消耗一部分能量，从而降低了内 燃机的效率。 ( 4 ) 新能源汽车的兴起 随着汽车工业面临的挑战越来越严峻，很多国家都认为发展新能源汽车是 2 实现汽车工业可持续发展的有效路径。而新能源汽车包括的范围较广，大致可 分为电动汽车、气体燃料汽车、两用燃料汽车与双燃料汽车等【9 】。 自丰田汽车公司于1 9 9 6 年1 1 月在第13 届国际电动车会议上推出日本第一 辆燃料电池电动汽车以来，丰田、本田、马自达等汽车公司都积极进行新能源 汽车的研发和推广。截止至2 0 0 7 年，丰田公司的普锐斯( p r i u s ) 混合动力汽 车，全球总销量已经达到了1 2 5 万辆。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车司 于1 9 9 1 年签订协议，成立美国先进电池联盟( u n i t e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r y c o n s o r t i u m ，u s a b c ) ，合作研究先进的电动汽车动力电池，同年7 月美国电力 研究院也加入了该联盟。1 9 9 2 年，美国三大汽车公司组成了美国先锋电子财团， 主要从事电动汽车的开发，新型蓄电池、快速充电装置等的研究，并在之后推 出了一些新能源汽车产品。德国在新能源汽车发展中也占有重要地位，宝马汽 车是氢动力发动机车型研究的先行者。2 l 世纪以来，国外各大汽车公司纷纷加 入新一轮的新能源汽车竞争中，而丰田、本田、日产、通用、奔驰、宝马、大 众等汽车公司，已经成为新能源汽车的主角。 我国对新能源汽车的研究也已经兴起，特别是电动汽车，一大批具有科研 实力的机构正在从事电动汽车相关的研制工作。中国第一汽车集团、东风汽车、 长安汽车、比亚迪汽车、奇瑞汽车、江淮汽车等企业已经开始对动汽车整车的 研发工作。此外，也有一批单位在进行电动汽车各类零部件的研发和产业化工 作，如同济大学、上燃动力以及清华大学等对燃料电池进行了研发；而动力蓄 电池方面，则有比亚迪、比克、国轩高科、力神等大型锂离子电池生产企业。 驱动电机系统方面，则有上海电驱动、南车时代、尤奈特、湘潭电机等企业在 从事轿车、客车等不同类型驱动电机的研发【l0 1 。在北京奥运会与上海世博会期 间，我国自主研发的电动汽车产品已投入运行。目前，第一汽车集团、东风汽 车、长安汽车、比亚迪汽车、奇瑞汽车、江淮汽车等国内众多汽车企业已经发 布了电动汽车产品。国务院2 0 0 9 年3 月3 0 日发布的汽车产业调整和振兴规划 也将实施新能源汽车战略作为主要的任务之一。2 0 1 0 年8 月，由一汽、东风汽车、 长安汽车等1 6 家央企共同发起的“中央企业电动车产业联盟”在北京成立。该 联盟的成立可以更好地整合电动汽车产业界的优质资源，从而构建可以推动电 动汽车产业整体发展的开放性技术平台，统一电动汽车技术标准，共享电动汽 车研究成果，共同研发电动汽车新技术、新产品、新方案，探讨电动汽车产业 发展的新模式，从而促进电动汽车产业的发展，提高我国电动汽车产业的全球 竞争力。 新能源汽车，特别是电动汽车是我国汽车工业发展的趋势之一。然而由于 我国火力发电量在我国发电总量中占的比重很高】，因此从生命周期观点来 看，电动汽车在其使用过程中的环境影响转移到了发电过程中，而并未真正实 现零污染。因此，电动汽车的发展也存在一定的争议。 3 1 1 2 论文研究意义 随着新能源汽车，特别是电动汽车产业在我国的兴起，受到了广泛的关注， 也存在一定的争议。本文从生命周期角度出发，进行电动汽车与内燃机汽车动 力系统生命周期评价( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 的对比研究，具有很大的 理论与实际意义： ( 1 ) 有助于绿色设计在汽车行业的发展。随着环境问题的日益加剧，绿色 设计作为解决或缓解环境问题的有效方法，发展迅猛。生命周期评价是评价产 品生命周期( 从原材料的获取，到生产、使用和废物管理等阶段) 环境影响和 资源使用的有效工具，是绿色设计的基础【l2 1 。根据生命周期评价的结果，可以 针对汽车产品提出具有针对性的绿色设计技术，促进绿色设计技术在汽车行业 的发展。 ( 2 ) 有助于提高汽车产品的环境友好性。根据生命周期评价结果，可以识 别汽车产品生命周期内的重大环境影响，从而改善设计、改进工艺，使汽车产 品的环境影响降低。 ( 3 ) 有助于政府对汽车产业的决策。通过电动汽车与内燃机汽车动力系统 生命周期评价结果，可以以量化的结果来说明电动汽车与内燃机汽车的环境影 响大小，为政府制定汽车产业政策、调整产业规划提供依据。 ( 4 ) 有助于实现我国节能减排目标。2 0 0 9 年1 1 月召开的国务院常务会议决 定，至u 2 0 2 0 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 一4 5 嘣”】。 而汽车产业是我国的支柱产业之一，对于节能减排的作用重大，论文的研究， 可以为汽车节能减排提供建议，从而促进我国节能减排目标的实现。 ( 5 ) 有助于绿色消费的实现。研究结果可以为消费者选择绿色汽车产品提 供依据，从而促进我国绿色消费的实现。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对于l c a 研究起步比较早，1 9 9 0 年国际环境毒理学与化学学会( t h e s o c i e t yo fe n v i r o n m e n t a lt o x i c o l o g ya n dc h e m i s t r y ，s e t a c ) 首次主持召开了关 于生命周期评价的国际研讨会，并且在该次会议上首次提出生命周期评价概念 【1 4 】。2 0 世纪9 0 年代，l c a 发展迅速，荷兰莱顿大学j e r o e ng u i n 6 e 与r e i n o u t h e i j u n g s 也于此期间发表了第一篇关于l c a 的科学论文【l5 1 ，此篇论文引起了 很多学者对l c a 研究的关注，推动了l c a 研究的发展。除s e t a c 外，联合国 环境规划署( u n i t e dn a t i o n se n v i r o n m e n tp r o g r a m m e ，u n e p ) 、世界自然基金 会、保洁公司、丹麦工业大学、北欧部长理事会、国际生产工程科学院( t h e i n t e r n a t i o n a la c a d e m yf o rp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ，ci r p ) 等机构也召开了关于 l c a 的国际会议，在此期间制定了l c a 的国际标准，促进了l c a 方法与应用 4 的发展【l2 1 。然而，l c a 方法仍在发展中，有众多旨在帮助建立l c a 研究共识 与提出建议的国际行动，如u n e p 和s e t a c 的生命周期行动，欧洲委员会的 欧洲l c a 平台和国际生命周期参考数据系统等。此外，自l9 9 4 年以来，c i r p 每年组织召开生命周期工程( l i f ec y c l ee n g i n e e r i n g ，l c e ) 会议，探讨生命周 期评价相关的研究，推动了l c a 研究的发展，表1 1 给出了最近几年l c e 会 议的信息。 表1 1 近年来l c e 会议信息 召开时间会议名称会议主题会议地点 组织者 2 0 0 6 年比利时c i r p ， l c e 2 0 0 6 面向循环经济 5 6 月 鲁汶比利时天主教鲁汶大学 2 0 0 7 年 生命周期工程在可c i r p ， l c e 2 0 0 7持续制造产业中的 日本东京 日本精密工学会， 6 月 进展 日本早稻田大学 2 0 0 8 年应用生命周期知识澳大利亚c i r p ， l c e 2 0 0 8 5 月于工程解决方案 悉尼澳大利亚新南威尔士大学 2 0 0 9 年 可持续时代的生命c i r p ， l c e 2 0 0 9 埃及开罗 5 月周期工程 加拿大温莎大学 2 0 1 0 年5 基础理论，可持续 l c e 2 0 1 0制造：应用技术和 中国合肥 c i r p ，合j i e i 业大学 月 未来发展前景 目前，l c a 已经在产业界得到了广泛的应用。p a c c a 等人【l6 】对p v l 6 2 ( 光伏 板) 和p v l l 3 6 薄膜进行了生命周期评价，运用生命周期软件s i m a p r o6 0 对观察 量表、逆变装置和运输进行建模。研究结果显示，制造一片p v l l 3 6 薄膜，原 材料获取阶段消耗3 7 1 m j 初级能源，加工过程消耗1 4 9 0 m j 基本能源。k a n n a n 等 人m j 以新加坡分布式2 7 k w p 光伏系统为研究对象，对该系统的能源偿还时间 ( e p b t ) 进行了研究，评价了温室气体排放。w i t o o na p i s i t p u v a k u l 等人【1 8 】以失 效日光灯( s f l s ) 的不用处理方法为研究对象，分析了生命周期内的材料与能 源使用以及污染物排放问题，并运用e c o i n d i c a t o r 对致癌物质、有机呼吸物、 无机物呼吸、气候变化、辐射、臭氧层破坏、生态毒性、酸化、富营养化、土 地使用、矿产资源消耗等1 1 种环境影响进行了评价。h u a b od u a n 等人【1 9 1 从全局 范围内研究了中国电子产品的环境影响，以个人计算机系统为对象，用 s i m a p r 0 7 0 软件进行建模，以e e o i n d i c a t o r 9 9 方法进行生命周期影响评价。研 究结果显示，设备的制造和使用对环境影响最大，而在设备的制造过程中，集 成电路和液晶显示器对环境影响最大。 在汽车、电动汽车、汽车电池与燃料等方面，也有了一定的研究。m m h u s s a i n 等 2 0 】初步研究了聚合物电解质膜( p e m ) 燃料电池电动汽车的生命周 5 期评价。并在此基础上，对传统的内燃机( i c e ) 汽车进行生命周期评价，并 与p e m 电动汽车相比较。l i nl u o 等【2 l j 以汽油、乙醇以及两者的混合物等中 型轿车燃料为对象，进行了生命周期环境影响对比研究，并运用生命周期成本 方法分析了燃料的经济性。j a s o nj d a n i e l 等【2 2 】分析了用以生产第二代乙醇的 亚麻纤维束，在此基础上运用l c a 方法研究了乙醇混合燃料( 乙醇为汽油体积 l o 与8 5 ) 汽车与内燃机汽车的生命周期环境影响，从而揭示了环境影响的 主要来源。j a m i ea l l y 等【2 3 】以戴姆勒克莱斯勒公司与巴拉德公司制造的燃料 电池巴士与现行的天然气巴士与柴油巴士为对象，通过对运输系统从氢能源基 础设施、巴士制造、运行与生命周期末端处理各个阶段的研究，对在澳大利亚 珀斯试用的巴士进行生命周期评价，得出了总体环境足迹与能源消耗。 1 2 2 国内研究现状 国内l c a 研究起步较晚，但也取得了很快的发展，并且已经得到了应用。目前 已经制定了关于l c a 的国家标准。中国科学院生态环境研究中心首先进行了生命周 期环境影响类型分类体系研究，并进行了中国产品生命周期影响评价方法研型2 4 】【2 5 】。 清华大学进行了金属材料、建筑，汽车燃料等的生命周期评价研究【2 6 】【2 9 1 。北京工业 大学建立了基于m s q ls e r v e r2 0 0 0 的材料环境协调性评价数据库，主要包括评价方 法库、项目数据库等，共收集钢铁材料、建材、有色金属、陶瓷、涂料、化工产品、 基础能源( 火力发电) 等典型材料环境负荷数据5 万余条，并开发了生命周期评价软 件【3 0 】- 【3 2 1 。四川大学进行了建筑材料、燃料等的生命周期评价研究【2 6 】【3 3 】。合肥工业大 学自1 9 9 4 年在国内率先进行机电产品绿色设计与制造方面的研究，研究了家电产品 的生命周期评价【3 4 3 5 】。上海交通大学进行了产品全生命周期设计、生命周期仿真领域 的研究，对家电产品等产品进行了生命周期案例研裂3 6 1 。 国内针对汽车产品及其关键零部件的l c a 研究也已经开始。李强等人【3 7 】 运用生命周期评价方法对使用不同氢源的燃料电池汽车进行了分析。王寿兵等 人【3s 】以某国产轿车为实例，利用生命周期评价方法，探讨国产轿车在能源消耗 和环境排放方面的特点。谭建伟【3 9 】提出了一种新的产品生命周期评价模型方 法，并将其应用于国内轿车发动机的综合评价。胡志远等人【4 0 】建立了柴油、生 物柴油、d m e 、f t 柴油等柴油替代燃料的生命周期排放评价模型，提出了柴 油燃料生命周期排放的综合外部成本指标，并进行了生命周期排放评价。 分析以上研究现状，国外l c a 研究的起步早，国内研究起步较晚，然而， 目前国内外l c a 评价研究的主要领域都在于产品或系统的生命周期评价实例研 究。但是目前还没有类似针对汽车产品动力系统生命周期评价的对比研究，因 此本文的研究具有一定新颖性。 6 1 3 论文主要工作内容 本文依托“8 6 3 ”国家高技术研究发展计划课题与国内某汽车股份有限公司合 作项目，运用生命周期评价的理论与方法，分析电动汽车与内燃机汽车动力系 统生命周期内的环境影响，找出显著的环境影响，并分析其原因，提出设计改 进方案。通过电动汽车与内燃机汽车动力系统的生命周期环境影响比较，可以 得到两种产品的环境友好程度，为消费者选购绿色产品提供参考，同时也为国 家对于新能源汽车的政策指定提供依据。本文的主要内容包括： 第一章绪论。介绍了论文的研究背景与意义，以及生命周期评价研究在国 内外的发展现状。 第二章生命周期评价方法及工具。介绍了生命周期评价的定义与特点，在 此基础上研究了产品生命周期评估框架体系，介绍了几种常用的生命周期评价 软件工具，对本文使用的g a b i 软件进行详细介绍。 第三章生命周期评价中的时间折扣。研究了l c a 中的时间差异，针对现行 的l c a 并没有考虑清单数据的时间差异，从而导致生命周期影响评价结果的不 准确性与缺乏可比性的缺点，在l c a 研究中引入时间折扣。介绍了时间折扣的 定义，研究了生命周期排放模式，引入了平均排放速率函数，运用一级衰减模 型构建了l c a 中的时间折扣计算方法。 第四章电动汽车与内燃机汽车动力系统实例研究。通过目的与范围确定、 清单分析、影响评价与结果解释四个步骤，运用g a b i 生命周期评价软件对电动 汽车与内燃机汽车动力系统进行生命周期评价对比研究。 第五章总结与展望。对全文的内容进行了总结，并对下一步工作进行了展 望。 7 第二章生命周期评价方法及工具 2 1 生命周期评价方法 生命周期评价最早出现于2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初，美国对包装品进 行了一系列的分析与评价，当时称为资源与环境状况分析( r e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t a lp r o f i l ea n a l y s i s ，r e p a ) 。在2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代末期， 大量学者对其进行了学术研讨，并在9 0 年代以后得到了快速发展。 2 1 1 生命周期评价定义 19 9 0 年，s e t a c 主持召开了关于生命周期评价的国际研讨会，并且在该 次会议上首次提出生命周期评价概念【l4 1 。然而，不同机构对生命周期评价有着 不同的定义描述。例如在产业界，宝洁公司对生命周期评价的定义为：显示产 品制造商对其产品从设计到处置全过程中所造成的环境负荷承担责任的态度， 是保证环境确实而不是虚假地得到改善的定量方法；在学术界，国际权威科研 机构s e t a c 对生命周期评价的定义为：生命周期评价方法可以通过对能量、 原材料和废物排放的识别和量化，评价产品及其活动相关的环境责任，得到量 化的能量、原材料应用和废物排放对环境的影响；我国国家标准g b t2 4 0 4 0 一 2 0 0 0 对生命周期评价的定义为【4 i 】：对一个产品系统的生命中输入、输出及其潜 在环境影响的汇编和评价。 概括而言，生命周期评价是对产品系统进行的资源消耗和环境影响分析和 评价，产品系统包括原材料的获取过程、加工过程、产品生产制造、包装过程、 运输和使用过程，以及生命周期末端的废弃回收处理过程等过程。生命周期评 价的研究通常分为：目的与范围确定、生命周期清单分析、生命周期影响评价 与结果解释四个步骤。 图2 1 生命周期阶段 8 2 1 2 生命周期评价特点 生命周期评价方法与传统的环境影响评价方法有所区别，主要有以下特点： ( 1 ) 生命周期评价涉及多学科领域，主要包括要包括环境学、生态学、物 理学、化学、毒理学、统计学、经济学等学科，应用工程技术、工艺技术、测 试技术等手段，是多学科交叉的评价方法。 ( 2 ) 生命周期评价是面向产品系统的定量化评价方法。产品系统包括原材 料开采、原材料冶炼、产品加工制造、产品使用维修及最终的回收处理。从产 品系统角度看，以往环境影响评价局限在产品生产制造阶段的观点具有局限性。 目前的研究表明，很多产品的环境影响并非主要产生在生产制造阶段，而在使 用阶段，如汽车产品、家电产品等耗能产