電動汽車驅動電機再制造生命周期評價*

丁 銳 秦訓鵬# 董書洲

(1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

近年來，我國電動汽車產業迅速發展，電動汽車保有量不斷增加，2019年達到了310萬輛[1]。伴隨電動汽車保有量的迅速增長，電動汽車退役后回收拆解、處理利用等一系列問題逐漸顯現。如何最大限度地利用退役電動汽車中的資源，減少環境污染，是業界與學術界關注和研究的熱點之一。驅動電機是電動汽車的三大核心部件之一，在其退役階段主要以金屬材料回收作為再利用手段，但這種方式只考慮了驅動電機的組成材料，卻舍棄了零件在加工過程帶來的附加值。相比之下，再制造為退役驅動電機開啟第二生命周期，保留了退役驅動電機零件的原有形狀和部分性能，有效利用了零件制造過程中的附加值，是退役驅動電機再循環的最佳形式[2]。再制造零件具有質量和性能不低于新品，生產過程中節能60%、節材70%等優點[3]，但對驅動電機整體再制造而言，其環境效益仍然未知。開展驅動電機原始制造和再制造兩種模式下的生命周期評價(LCA)，對推廣驅動電機再制造具有重要意義。

LCA是一種對產品、工藝或活動造成的環境影響進行評估的過程，能夠有效分析環境影響來源，指導相關領域的產品研發工作[4]。使用LCA指導驅動電機研發設計，能夠有效降低其環境影響[5]。NORDELOF等[6]對3種不同類型的驅動電機從設計、制造和使用等階段開展LCA，發現同步磁阻驅動電機效率最高，碳排放最低。LI等[7]對驅動電機的生產和報廢階段進行LCA，并通過再生材料和原材料對比，得出使用再生材料可以有效降低能源消耗和溫室氣體排放的結論。現有的驅動電機生命周期研究工作多是運用LCA論指導驅動電機研發設計，但針對驅動電機退役后的研究很少。并且，在電動汽車驅動電機退役后的循環利用問題上，主要考慮了驅動電機破碎處理、回收金屬材料這一方式，并未涉及到驅動電機的再制造。

為此，本研究以某款電動汽車永磁同步驅動電機(簡稱電機)為研究對象，運用LCA論對原始制造和再制造模式下的電機全生命周期的環境影響進行定量分析，比較兩種制造模式的環境影響差異，并對再制造電機生命周期過程中一些關鍵因素進行敏感性分析，為將來再制造電機的推廣提供一定的參考依據。

1 目標與范圍的確定

1.1 評價對象的確定

本研究選用的電機具有結構簡單、功率因數高、扭矩電流比大、慣性矩小、散熱維修方便等優點[8]，額定功率為55 kW，冷卻方式為自然風冷。單個電機主要材料組成見表1。

表1 電機材料組成Table 1 Material composition of motor

1.2 系統邊界的確定

汽車零部件的典型生命周期主要包括材料生產、運輸、制造裝配、使用維護和循環利用5個主要階段，考慮到電機退役后的循環利用方式為電機整體再制造，為此將原材料生產到電機使用維護的過程定義為原始制造電機的主要生命周期，把原始制造電機退役到再制造電機使用維護的過程定義為再制造電機的主要生命周期。電機的原始制造和再制造全生命周期系統邊界見圖1，均可以分為材料生產、制造裝配、使用維護和材料回收4個階段。在量化過程中，運輸地域范圍為全國，時間范圍以2020年為基準年，當2020年數據不可獲得時，使用以前的數據代替。由于材料供應廠家和和制造商的距離不確定性太大，對運輸這一階段的結果影響較大，因此本研究不考慮運輸階段。

圖1 電機全生命周期系統邊界Fig.1 Full life cycle system boundary of motor

1.3 數據來源

本研究數據來源于3個方面：已公開的文獻、制造工藝推導和生命周期Ecoinvent 3數據庫。在材料生產階段，礦石到金屬產品階段的數據清單來源于Ecoinvent 3數據庫。一部分原材料涉及到金屬產品再加工，如硅鋼、釹鐵硼和非晶合金等，這些材料生產過程的數據清單是根據文獻[9]至文獻[11]和Ecoinvent 3數據庫數據計算得到；在制造裝配階段，能耗和材料消耗來源于工藝推導和文獻[7]類比；在使用維護階段能耗計算，參考了文獻[12]、文獻[13]；在材料回收階段，金屬廢料再生能耗參考了文獻[14]至文獻[17]。

2 原始制造與再制造清單分析

2.1 材料生產

假設原始制造電機消耗的都是原生材料，其材料生產階段主要包括鑄鋁、銅、碳鋼等從礦產資源到產品的過程，這一階段的資源消耗和溫室氣體排放已被Ecoinvent 3數據庫統計收錄。由于電機的橡膠材料用量少，環境影響較小，在此不予考慮。

再制造電機使用的材料來自退役電機和額外的原生材料。因此，對于再制造電機的材料生產階段，只需考慮非晶合金、銅和碳鋼這3種原生材料生產過程帶來的環境影響。電機原始制造與再制造的材料消耗見表2。

表2 電機原始制造與再制造的材料消耗Table 2 Material consumption of originally manufactured and remanufactured motor kg

2.2 制造裝配

2.2.1 原始制造電機

對于原始制造電機，制造裝配階段為電機零件按照傳統工藝制造裝配過程。電機軸對幾何精度和動平衡有一定要求，其制造工序主要包括圓鋼下料、調質處理、粗車、精車、滾花鍵、磨削和銑鍵槽等。端蓋和機座加工過程主要有鋁毛坯壓鑄、車內外止口與軸承室、鉆孔和車螺紋加工等。定子分為定子鐵芯和繞組兩部分：定子鐵芯由0.5 mm硅鋼片經沖壓、高溫絕緣處理和壓裝而成，再將定子鐵芯嵌入漆包線繞制的繞組，即完成定子的制造。轉子鐵芯制造工藝與定子鐵芯類似[18]。最后，將電機各零件通過一定方式組裝，通過出廠檢測即完成電機的原始制造。

2.2.2 再制造電機

不同于原始制造電機，再制造電機的制造裝配過程可分為新件制造和退役電機舊件利用兩個過程。新件制造是對電機中可再生件的重新制造，其過程與原始制造相同。舊件利用主要包括退役電機零件的拆解、清洗、檢測、修復等過程。在使用拆解工具完成電機拆解后，需要對拆下的零件進行清洗。初步清洗時需要達到一定清洗效率，采用高壓清洗進行初步處理。最終清洗時，需要保證清洗效果，采用超聲波清洗除去難以清除的污漬。零件的檢測采用無損檢測工藝，檢驗人員先用目測排除具有裂紋、孔洞、腐蝕等具有明顯缺陷的零件，然后使用超聲檢測儀器檢測零件是否存在深層裂紋等內部缺陷，以此實現電機零件的內外全面檢測[19]。根據文獻[20]，將退役電機零件分為不可利用件、可再生件、可再制造件與可復用件4大類，具體見表3。電機再制造時其端蓋、機座和轉子檢測合格后繼續使用，繞組、軸承等重新制造，電機軸和定子進行表面修復加工后使用。

表3 退役電機零件分類Table 3 Classification of end-of-life motor parts

對于電機軸花鍵的磨損，傳統的處理方式是直接更換新軸，不僅增加了制造成本，更造成了材料的浪費。在電機再制造過程中，采用激光熔覆方式進行修復。首先，對磨損的花鍵進行車削，移去殘余花鍵;然后使用激光熔覆技術，先用硬度較低的鐵基合金粉末進行打底，表層再采用鎳基合金粉末熔覆[21];修復完成后，按照圖紙規定尺寸重新加工花鍵;同時，為了降低電機損耗、提高電機效率，將非晶合金和舊硅鋼疊片以1∶1質量比制成混合疊壓再制造定子鐵芯[22-23]，重新嵌入新的繞組即可得到再制造定子。

再制造電機的裝配測試過程與原始制造相同，兩者制造裝配階段能耗見表4。

表4 原始制造電機與再制造電機能耗Table 4 Energy consumption of originally manufactured and remanufactured motor MJ

2.3 使用維護

電動汽車平均壽命為14.1年，行駛里程約為15萬km[12]。電機在正常運行情況下，使用壽命為15～20年，無需維護，主要消耗電能。因此，本研究假設電機驅動汽車行駛了15萬km，以此估算使用維護階段的能耗。電機在使用階段消耗電能分為兩部分，一部分為自身質量產生的能耗，另一部分為能量形式轉化的損失能耗，具體計算公式[13]如下：

Em=e×d×mm×(2-γ)/(η×M)

(1)

式中：Em為電機使用階段能耗，kW·h；e為汽車單位路程耗電量，(kW·h)/km；d為電動汽車生命周期行駛里程，km；mm為電機質量，kg；γ、η分別為電機能量轉換效率和電動汽車充電效率；M為電動汽車整備質量，kg。

根據式(1)，可求得原始制造電機使用階段的能耗為816.61 kW·h；再制造電機的性能參數要求不低于原始制造，經過再制造后電機質量為原始制造的98.73%，由此產生的能耗有所減低，因此使用維護階段再制造電機的能耗為806.24 kW·h。

2.4 材料回收

在電機原始制造與再制造的全生命周期中，均會產生一定量的金屬廢料，考慮采取回爐熔煉、加工為再生材料的利用方式。在這一階段，材料收集和熔煉過程的損耗被考慮在內[15]，用再生材料代替原生材料帶來的環境效益也被考慮在內。原始制造電機材料回收階段是對零件制造過程中產生的加工余料進行回收，釹鐵硼余料極少，且回收工藝還處于研究中，因此不予考慮。原始制造階段材料回收能耗清單見表5。

表5 原始制造電機材料回收能耗清單Table 5 Original manufactured motor material recovery energy consumption list

與原始制造不同的是，再制造電機材料回收階段是對退役電機中的可再生件材料回收。電機繞組采用的漆包線絕緣性能由漆膜決定，長期使用后漆膜會出現不同程度的老化，因此繞組采取回爐熔煉回收銅的再利用方式。滾動軸承、緊固螺釘和余下的定子鐵芯也采用相同的方式回收鋼材。再制造階段材料回收能耗清單見表6。

表6 再制造電機材料回收能耗清單Table 6 Remanufactured motor material recovery energy consumption list

3 評價結果與分析

為比較原始制造電機和再制造電機全生命周期中的溫室氣體排放、資源和能源消耗，使用LCA軟件SimaPro 9.0計算評價結果，分析電機全生命周期的階段貢獻。評價采用CML IA baseline評價方法對環境影響進行分類和特征化，并選擇3類環境影響類型：礦產資源耗竭潛值(以金屬銻耗竭當量計，kg)用以綜合評價礦產資源消耗；化石能源耗竭潛值(以能量消耗量計，MJ)用以綜合評價煤、石油和天然氣等化石能源的消耗；全球變暖潛值(以CO2排放當量計，kg)用以綜合評價CO2、CH4和N2O等溫室氣體的排放。

3.1 化石能源消耗對比分析

由表7可見，兩種制造模式各階段的化石能源消耗情況分布相同，主要集中在使用維護階段，其次是材料生產階段。原始制造電機總共消耗化石能源13 105.04 MJ，再制造電機消耗10 649.99 MJ，相比之下，再制造電機節省了18.7%的化石能源消耗。這是因為在材料生產階段，再制造電機以退役電機為主要原料，該階段原生材料的消耗相比原始制造電機大幅降低。其次，在再制造電機制造裝配階段，退役電機的零部件一部分直接利用，另一部分經過再制造修復后再次利用，只有少數零件進行了重制，進一步增加了退役零部件加工過程帶來的附加值，省去壓鑄、沖壓等工藝流程的能耗。最后，再制造電機在使用維護階段化石能源消耗略有降低，這是因為退役電機經過再制造后，質量有所降低，因質量消耗的能量也會隨之減少。

表7 原始制造電機和再制造電機全生命周期的環境影響對比Table 7 Life cycle environmental impact comparison between original and remanufactured motor

3.2 礦產資源消耗對比分析

由表7可見，兩種制造模式的礦產資源消耗主要集中在材料生產階段。制造裝配和使用維護階段消耗的是電能，來自于化石能源，因此這兩個階段礦產資源耗竭潛值均為0 kg。從全生命周期來考慮，再制造電機礦產資源耗竭潛值僅為原始制造電機的20.8%，節省礦產資源79.2%。這是因為再制造電機以退役電機為原材料，一部分零件直接利用，一部分經過修復后再次使用，只消耗了少量新材料，對退役電機材料利用率極高，有效降低了礦產資源消耗。此外，電機的磁體采用釹鐵硼，包含質量分數20%～30%的稀土元素，報廢后是極為寶貴的二次資源。目前對報廢釹鐵硼永磁體中的稀土回收方法主要有火法和濕法兩大類，這些工藝存在回收率低和能耗高等缺陷[24]。對電機開展再制造，延長了電機材料的使用周期，提高廢舊資源的利用率，對稀土資源短缺起到一定緩解作用。

3.3 溫室氣體排放對比分析

由表7可知，兩種制造模式下均為使用維護階段排放溫室氣體最多，其次是材料生產階段，與化石能源消耗呈現一定關聯性。從全生命周期看，原始制造電機總共產生了1 215.56 kg溫室氣體，再制造電機產生了955.67 kg溫室氣體，減少21.4%。3種環境影響類型中，材料回收階段的貢獻均為負值，這是因為對金屬廢料進行回收再利用，所得到的環境效益遠大于回收過程的直接環境影響，有效降低了全生命周期的環境影響。

發動機是汽車零部件再制造產品的代表，本研究以再制造發動機作為比較對象[25]，分析再制造電機的環境效益。選取環境影響均相對較大的材料生產、制造裝配階段進行比較，再制造發動機與再制造電機的環境影響潛值降幅見圖2。與原始制造電機相比，再制造電機的礦產資源耗竭潛值、化石能源耗竭潛值分別降低了36.0%、39.6%，再制造發動機分別降低了17.2%、35.1%，這說明在節省礦產資源和化石能源上，再制造電機具有一定的優勢。而在全球變暖潛值上，再制造電機降低了47.1%，低于再制造發動機的67.9%。雖然再制造電機在降低碳排放上沒有再制造發動機效果好，但是面對未來大批量的退役電機，再制造電機帶來的環境效益不容忽視。

圖2 再制造電機與再制造發動機的環境影響潛值降幅Fig.2 Environmental impact potential of remanufactured motor and remanufactured engine

3.4 敏感性分析

敏感性分析可以幫助識別影響LCA結果的重要因素，并呈現出這些因素變化對評價結果的影響幅度[26]。考慮到全球變暖潛值與化石能源耗竭潛值、礦產資源耗竭潛值存在一定的關聯性，僅對電機全球變暖潛值開展敏感性分析。電機的全球變暖潛值主要來自使用階段，其次是材料獲取階段，因此這兩個階段中的關鍵參數對評價結果影響較大。故選取原始制造電機材料生產階段銅、硅鋼和鑄鋁的用量，再制造電機材料生產階段銅和非晶合金的用量，使用階段的γ和電力碳強度(CI)等關鍵因素進行敏感性分析，結果見圖3。

由圖3可見，全球變暖潛值評價的結果與上述因素變化比呈線性關系，可通過斜率的絕對值比較各因素對全球變暖潛值的敏感度大小，原始制造電機各因素對全球變暖潛值的敏感度排序為CI>γ>硅鋼用量>鑄鋁用量>銅用量；再制造電機各因素對全球變暖潛值的敏感度排序為CI>γ>非晶合金用量>銅用量。兩種制造模式下電機的全球變暖潛值均對CI敏感程度最高，降低CI能顯著降低電機全生命周期溫室氣體排放。而CI與我國電網發電能源結構緊密相關，隨著未來化石能源占比的降低，再制造電機的碳排放量也會進一步降低。γ的敏感度略低于CI，提高γ能有效減少使用階段的電能消耗，降低全生命周期溫室氣體排放。最后，要從材料生產階段降低碳排放，原始制造電機從減少硅鋼用量著手效果最好，再制造電機則從減少非晶合金用量著手最好。因此，減少非晶合金用量或是對其生產工藝進行節能減排優化，也是未來降低再制造電機全生命周期碳排放的有效途徑。

圖3 原始制造電機與再制造電機的全球變暖潛值敏感性Fig.3 Global warming potential sensitivity of orginnal manufacturing and remanufacturing

4 結 論

運用LCA理論將電機原始制造和再制造過程劃分為材料生產、加工制造、使用維護和材料回收4個基本階段，并對電機原始制造和再制造生命周期的資源消耗和溫室氣體排放進行了定量分析，得出結論如下：

(1)與原始制造電機相比，再制造電機可以減少79.2%的礦產資源耗竭潛值、18.7%的化石能源耗竭潛值和21.4%的全球變暖潛值；在原始制造電機和再制造電機的生命周期中，對廢料充分回收利用可以實現節能節材減排。

(2)與再制造發動機相比，再制造電機在節省礦產資源和化石能源上具有一定的優勢，但在降低碳排放量上表現不如再制造發動機。對電機開展再制造生產，對促進我國再制造產業發展具有積極意義。

(3)CI和γ是影響再制造電機全生命周期全球變暖潛值的關鍵因素。未來在推廣電機再制造時，要考慮提高γ，也可從減少非晶合金用量或是對其生產工藝進行節能減排優化；另一方面，隨著未來我國電力結構中化石能源占比的降低，再制造電機的全生命周期碳排放量有望進一步降低。