EPA輕量化分析

1 前言

美國政府制定了2017?2025輕型汽車聯邦溫室氣體（GHG）排放和公司平均燃料經濟性（CAFE）標準，包括美國環境保護局（EPA）為2022?2025制定的溫室氣體標準進行中期評估的監管要求（MTE）。2016年7月EPA發布的技術評估報告（TAR）是MTE的第一個正式步驟，該報告審查了與適用溫室氣體排放標準有關的各種技術問題。

汽車研究中心（CAR）研究人員編寫了本報告，評估了美國環境保護局在TAR草案中進行的車輛減重技術分析。CAR建議EPA采用國家研究委員會（NRC）推薦的基于材料輕量化成本分析，并重新評估美國輕型車隊的成本。

NHTSA和EPA使用的分析步驟相似，但每個機構使用的基線、工具、統計技術和假設顯著不同，并導致了不同的結果。所有這些差異的影響對同一美國車隊產生了截然不同的減重預測。美國環保局預計平均減少9%的溫室氣體減排量，而NHTSA預計CAFE合規性減少6%。Figure 1顯示了機構使用的一般建模策略和不同的工具。

Figure 1：General Modeling Strategy

2 規則制定應以一套方法論和工具為基礎

在TAR草案中，EPA和NHTSA在其各自軟件中應用的算法明顯不同，因此在技術應用和成本方面產生了不同的法規遵從路徑，這將限制實現統一法規。

EPA和NHTSA分析之間存在的幾個主要差異如下：

?美國環保局的分析包括考慮遵守CARB的ZEV法規，該法規也被其他九個州（基準/參考車隊）采納，而NHTSA的分析則沒有。

?EPA的主要分析采用間接成本乘數（ICM），而NHTSA的主要分析采用零售價等值（RPE）。

?美國環保局預計每輛車法規符合性的標準費用為894美元，NHTSA預計為1245美元。

EPA減重建模方法

EPA預測每減重10%，使用效率值為5.2%，Figure 2描述了EPA減重一般建模策略。

Figure 2：EPA Mass Reduction Modeling Methodology

該過程從定義基準年型車開始，該基準年型車是“0車輛”，從0%質量減少開始;基準使用2008年車型。下一步，分析車隊（2015年車型）中的每輛車都會被分配一個質量減少量級。EPA通過比較車隊中每輛車的2015和2008年之間的車型整備重量來確定這一點。為了預測輕量化的成本，利用由EPA和NHTSA贊助的各種拆卸對標研究所產生的成本曲線。這些曲線是為2008年到2010年代開發的車型。最后，OMEGA模型用于預測車輛要求符合GHG規定的質量減少，OMEGA同時使用成本曲線來預測輕量化的成本，美國環保局提議的決議預測的平均質量減少約9%。

基準車型和成本曲線

EPA的質量減少分析使用兩條成本曲線，一條汽車和非牽引的CUV成本曲線，以及輕型卡車的不同成本曲線。2008?2010年代車型和零部件設計被認為代表了減重的“零”技術。

汽車和CUV成本曲線

汽車/CUV直接制造成本曲線是建立在美國環保局基于豐田Venza的中型CUV研究和NHTSA基于本田雅閣的乘用車研究之上的。美國環保局將兩條成本曲線合并為一條適用于汽車和CUV的曲線，在Fig?ure 3中，綠色曲線是汽車/CUV的成本曲線。

輕型卡車成本曲線

通過結合EPA MY2011基準LDT和NHTSA MY2014基準LDT輕量化研究的結果，創建了第二個輕型卡車（LDT）直接制造成本曲線的EPA質量減少成本曲線。這兩項研究都使用雪佛蘭Silverado作為測試工具。在Figure 4中藍線是EPA用于LDT的成本曲線。

Figure 3：Car/CUV cost curve used by EPA(FRM=Final Rulemaking for MY2017-2025,August 2012)

Figure 4：Light duty truck cost curve used by EPA

3 成本曲線應基于當前和無偏好的車型庫

考慮到市場上有數百輛車型，選擇任何一輛車來拆卸以獲得輕量化路徑和成本的洞察力是任意的。2009年豐田Venza是美國車隊的代表，但沒有提出任何爭論，也沒有任何爭議。Venza繼承了豐田凱美瑞和漢蘭達的設計內容，并沒有對重量進行“優化”。

EPA將MY2011 Silverado成本曲線與MY2014 Silverado成本曲線相結合。2014年新款Silverado是全新的結構，廣泛使用超高強度鋼。與現有的Silverado相比，舊款和新款Silverado的混合會降低輕量化成本，尤其是大量使用鋁制的福特F?150。2016年TAR草案解釋說：“由于初始點是所有節省成本的項目，總體成本降低了”。同樣所選擇的成本曲線相對于輕型汽車行業而言傾向于偏低端。

設計因素和成本影響的范圍取決于許多因素，包括：技術基線、業務限制和汽車制造商能力，導致成本影響的復雜分配。對任意兩輛車進行任意選擇，并將其輕量級成本曲線結合起來以代表美國工業輕量化工作，這樣做嚴重過度簡化輕量化系統工程和成本分析的復雜性。拆解研究提供了對研究車輛輕量化的良好洞察，但不一定能找到車隊中的典型車輛。結合汽車和CUV的成本曲線得出的成本曲線并不代表任何車輛的成本。在較低的質量減少水平上，綜合成本曲線引入誤差約為2美元/公斤（或在質量減少6?7%時為50至100%的誤差）。

4 成本估計不應該從一個模型推斷到車隊

美國環保署結合了兩項針對汽車/CUV和輕型卡車的單獨車輛拆解研究，以開發適用于美國車隊的簡單、一般化的成本曲線。不同細分市場的復雜性、設計目標和不斷推進的輕量化技術，使得簡單成本曲線不足以代表真實的成本分布。

調整過去的減重努力

在TAR草案中，美國環保署指出：“重要的是要考慮到在2008年代車型典型的”零“減重水平之外應用的任何減重情況。”美國環保署估計在2015年基準中每個車型的減重車隊對應到2008年車型。如果某輛車沒有2008年對應，那么OEM的銘牌產品系列中的銷售加權平均質量減少百分比將用于表示車輛內減重技術數量的預期。

美國環保局調整2015年兩項因素的整備質量數據，以反映車輛屬性在2008至2015之間的信用變化。

（1）車輛投影面積（Footprint）增加?對2008年至2014年的車輛之間的投影面積差異應用了一公斤/平方英尺的信貸。Table 1包含EPA使用的投影面積調整值。

Table 1:Footprint adjustment values used by EPA(2016 Draft TAR,pg.5?396)

（2）安全規定?為2008年至2014年生效的安全規定提供了大量信貸。其中包括聯邦機動車輛安全標準（FMVSS）和公路安全保險研究所（IIHS）的小型重疊測試。Table 2包含EPA使用的大眾信用值。

Table 2:Mass credit for safety regulations(2016 Draft TAR,pg.5?398)

5 整備質量是車輛輕量化技術的一個糟糕指標

CAR研究支持考慮對基線以外的任何質量減少的重要性（基線是針對EPA的2008年代車型），但是純粹基于重量差異來估算質量減少技術是不準確的。這種方法有幾個問題：

（1）由于EPA成本曲線是基于輕量化技術的進展，因此基準線的起點應基于輕量化技術?而不是重量的限制。美國環保局已經開發出基于在車輛中增加輕量化技術的成本曲線（例如額外的鋁，高強度鋼等）。由于成本曲線是指數型的，車輛在成本曲線上的起點對于確定減少重量的成本增量很重要。然而，在確定2015年車隊相對于2008年的質量減少量時，環保局根據整備質量的變化調整成本曲線?而不是基于輕量化技術。有一個假設，即減重的變化是輕量級技術變化的代表，CAR研究表明情況并非如此。

（2）對來自全球九家汽車制造商的42種不同車型的CAR進行的研究表明，整備質量是車輛輕量化技術的一個糟糕指標（見Figure 5）。有些車型可能會看起來“沉重”，但擁有先進的輕量化技術，因此會導致更高的成本以減輕重量，同時針對可能增加重量的所有其他所需車輛屬性進行優化（車輛內容示例參見Fig?ure 6）。2015年車隊中有大量車輛擁有最先進的輕量化技術，但并不像EPA估計的那么輕?；贑AR數據，Table 3顯示了兩輛車具有相似的整備質量但輕量化技術大不相同。車輛A/公司A與車輛B/公司B具有類似的整備重量，但車輛A具有更先進的輕量化技術。這將導致相對于車輛B減少額外重量的高得多的成本。如果車輛A具有與車輛B類似的輕量化技術，則其重量將比現在更大。

2015年NRC研究報告中的建議6.3提出了“基于材料的方法，可以查看整個車隊，以更好地定義實施輕量化技術的機會和成本”。EPA使用整車隊的整備質量方法，并且整備質量不相關涉及車輛中的材料技術。

表3 :Similar curb weight but different lightweight technology

?

（3）以往的CAR研究表明，2015年型車隊的材料技術存在很大范圍和顯著差異。Figure 5顯示了2015/2016年代車型評分范圍（基于材料技術）。需要注意的是，與2011年本田雅閣相比，所有新車都擁有先進的材料技術?；贑AR的車輛實際材料數據庫，很明顯車輛的整備質量（針對占地面積進行調整）與材料技術（R2=0.0398）無關。

Figure 5：Lightweight Technology(Unibody)：Large Range

（4）在TAR草案中，EPA在2008年至2014年期間僅為車輛投影面積增加和安全規定提供了大量信貸。EPA沒有對車輛內容進行調整，Figure 6列出了影響車輛重量的內容示例。雖然這些技術沒有強制要求，但是這份清單表明消費者需要的這些技術以及幾項提高安全性的技術。在TAR草案中，EPA估計由于未來強制的安全法規，重量會增加7.08?9.51公斤。OEM估計，因自動駕駛技術相關零部件的采用，未來的車輛可能會增加113?136公斤。

圖6 Examples of Vehicle Content

（5）TAR草案中的EPA指出：

“重量減少的百分比是基于2014到2008年的整備重量變化，而不是應用的輕量化技術的數量。雖然輕量化技術確實并不總能為人們所了解，但可以獲得代表美國大部分車隊的廣泛的材料技術細節。像CAR、A2Mac1和Munro＆Associates這樣的組織擁有大量的車輛數據庫以及輕量化技術，可以更好地了解2008至2015年間汽車制造商采取的大規模輕量化工作。

（6）2015年NRC研究報告指出：每降低一個額外重量單位的重量成本就會增加，較低的整備質量通常意味著較低的油耗，但汽車制造商可以通過提高動力系統效率或通過替代推進系統來實現更好的燃油經濟性。來自TAR草案中的Figure 7顯示，在過去的十年中，平均車重并沒有改變，但燃油經濟性和性能都得到了顯著的提高，汽車制造商投入了大量資金和努力來做輕量化，但是車重沒有改變，因為由于性能改進造成的重量增加抵銷了輕量化的減重量，如高效的動力系統、安全性和更好的客戶駕駛體驗等。

Figure 7：Average New Vehicle Fuel Economy,Weight and Power(Source：Draft TAR 2016)

成本曲線調整

一旦2015年車隊的車輛初始重量減少百分比由整備質量法確定，則可調整開發的成本曲線，以反映比其2008年同類車輛更輕車輛的輕量化成本。雖然百分比基準質量減少量是根據車輛具體情況（以0.5%的MR增量）確定的，但EPA建模中使用的成本曲線調整量（$/車輛）是基于車輛類型。Figure 8顯示了相對于2008年基線，2014年質量減少5%的車輛的移動成本曲線（藍色）。

Figure 8：Cost curve with 5%MR in MY2014 relative to MY2008(Note：EPA updated the analysis fleet to MY2015 in the Proposed Determination.)

6 2008年車隊的車型采用不同的材料技術

（1）拆解研究得到的成本曲線部分是基于未來車輛材料技術的改進。這些成本曲線是為整個美國車隊推算的。為了解釋2008年至2015年期間的輕量化工作，成本曲線基于減少重量來調整。這種方法形成了一個內在的假設，即2008年車隊中的每一輛車都使用了類似的材料技術?事實并非如此。例如，2008年豐田Venza主要是一輛低碳鋼車輛;2008年凱迪拉克CTS主要部件采用了高強度鋼;2008年BMW X6是一種混合材料車輛，應用了鋼、鋁和熱塑性塑料;而捷豹的XJ采用的是全鋁合金。

（2）根據2008/2010年時代車輛的拆解研究得到的成本曲線可能會低估2015年車隊型中輕型高級車輛的成本，即使經過基于重量差異的調整。例如，福特已經在模具及其供應鏈上進行了大量投資，以開發大量使用鋁合金的F?150卡車。在下一次重大設計升級中通過使用碳纖維等更好的材料來使這款先進的卡車進一步輕量化，可能并不現實，并且需要大量投資和市場拉動。汽車的平均重新設計周期為6年，而卡車可以是10年或更長?？s短重新設計的生命周期以及引入成本較高的技術將難以滿足內部收益率或投資資本回報水平。

7 結束語

汽車制造商正在努力以經濟、高效的方式滿足溫室氣體和CAFE標準要求。EPA和NHTSA需要在最終確定規則之前評估法規的成本。EPA和NHTSA聯合發布了技術評估報告草案，描述了他們對滿足標準的技術和成本的分析。2008和2015年車型之間的整備質量差異（針對占地面積的增加和安全性進行了修正）說明已經實施的大規模減排努力。不幸的是，2008年的先進輕型車輛被認為與老的技術車輛相當，都在零起點。考慮到他們已經進一步提高了指數型輕量化成本曲線以實現額外的輕量化，因此在2008年前實施技術的積極性較高的制造商會受到懲罰。

與美國環保局的分析結果相比，根據2008和2015年車型之間的整備質量差異（針對占地面積的增加和安全性進行了校正），說明已經實施的大規模輕量化工作，NHTSA對輕量化的不同進展的分析是基于以下回歸統計數據：占地面積、功率、強勁的HEV、PHEV、BEV、電池組尺寸、AWD、RWD、敞篷車。

EPA贊助了幾項拆解研究項目，為汽車/CUV和輕型卡車開發兩種不同的成本曲線。OMEGA模型用于預測達到標準和相關成本所需的質量減少量。CAR研究表明，整備質量不是車內材料技術的有效指標。美國國家研究委員會建議不要將從車輛拆卸研究中產生的成本曲線推斷到其他車輛。

對豐田Venza、本田雅閣以及Silverado卡車、未經優化和過時的車型進行了昂貴的拆解研究。對于2009年的Venza和2011年的Silverado，由于設計目標和過時的設計而成為影響力很高，但是很低成本的拆解項目。來自這兩種車輛的成本曲線并不代表當今的輕量化技術，也不應該包含在EPA成本分析中。

鑒于當今輕量化技術的范圍以及對未來技術的猜測，估計美國車隊的輕量化成本是一項龐大而復雜的任務。為車隊建立了當前的基準也是很有用的，但是考慮到成本估算的巨大影響和范圍（從每輛車從0到超過420美元/每減輕5%的重量），需要重新評估輕量化成本分析。拆解研究提供了良好的洞察力，可用于建立適用于材料研究的材料路徑。有以下主要復雜性：

●當前輕量化技術方面的技術基準;

●當前車隊基礎技術分布的適當系列成本曲線;

●認識未來的技術，包括能夠提高安全性和性能、但增加重量的自動駕駛技術;

●隨著行業向更高強度的鋼材、鋁和復合材料轉移，資本擱淺造成的成本后果;

●與資源可用性和產品開發時間相關的約束。

CAR認為需要根據2015年NRC研究報告的建議，根據材料技術對車隊進行更多分析。應該根據舒適性、安全性和娛樂功能來調整添加到車輛的性能和客戶期望的內容。在單個成本曲線應用于不同汽車制造商、不同車輛細分市場車型時，需要更謹慎。