近年來，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，電動汽車保有量不斷增加，2019年達(dá)到了310萬輛。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(xiàn)。如何最大限度地利用退役電動汽車中的資源，減少環(huán)境污染，是業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點之一。驅(qū)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(qū)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(qū)動電機開啟第二生命周期，保留了退役驅(qū)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(qū)動電機再循環(huán)的最佳形式。再制造零件具有質(zhì)量和性能不低于新品，生產(chǎn)過程中節(jié)能60％、節(jié)材70％等優(yōu)點，但對驅(qū)動電機整體再制造而言，其環(huán)境效益仍然未知。開展驅(qū)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(qū)動電機再制造具有重要意義。
LCA 是一種對產(chǎn)品、工藝或活動造成的環(huán)境影響進行評估的過程，能夠有效分析環(huán)境影響來源，指導(dǎo)相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)工作。使用 LCA指導(dǎo)驅(qū)動電機 研 發(fā) 設(shè) 計，能夠有效降低其環(huán)境影響。NORDELOF等對３種不同類型的驅(qū)動電機從設(shè)計、制造和使用等階段開展LCA，發(fā)現(xiàn)同步磁阻驅(qū)動電機效率最高，碳排放最低。LI等對驅(qū)動電機的生產(chǎn)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(jié)論。現(xiàn)有的驅(qū)動電機生命周期研究工作多是運用LCA論指導(dǎo)驅(qū)動電機研發(fā)設(shè)計，但針對驅(qū)動電機退役后的研究很少。并且，在電動汽車驅(qū)動電機退役后的循環(huán)利用問題上，主要考慮了驅(qū)動電機破碎處理、回收金屬材料這一方式，并未涉及到驅(qū)動電機的再制造。
為此，本研究以某款電動汽車永磁同步驅(qū)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(huán)境影響進行定量分析，比較兩種制造模式的環(huán)境影響差異，并對再制造電機生命周期過程中一些關(guān)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(jù)。1 目標(biāo)與范圍的確定
本研究選用的電機具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、扭矩電流比大、慣性矩小、散熱維修方便等優(yōu)點，額定功率為55ｋＷ，冷卻方式為自然風(fēng)冷。單個電機主要材料組成見表１。
汽車零部件的典型生命周期主要包括材料生產(chǎn)、運輸、制造裝配、使用維護和循環(huán)利用5個主要階段，考慮到電機退役后的循環(huán)利用方式為電機整體再制造，為此將原材料生產(chǎn)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(tǒng)邊界見圖１，均可以分為材料生產(chǎn)、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?shù)赜蚍秶鸀槿珖?，時間范圍以2020年為基準(zhǔn)年，當(dāng)2020年數(shù)據(jù)不可獲得時，使用以前的數(shù)據(jù)代替。由于材料供應(yīng)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(jié)果影響較大，因此本研究不考慮運輸階段。
本研究數(shù)據(jù)來源于３個方面：已公開的文獻(xiàn)、制造工藝推導(dǎo)和生命周期 Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫。在材料生產(chǎn)階段，礦石到金屬產(chǎn)品階段的數(shù)據(jù)清單來源于 Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫。一部分原材料涉及到金屬產(chǎn)品再加工，如硅鋼、釹鐵硼和非晶合金等，這些材料生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)清單是根據(jù)文獻(xiàn)至文獻(xiàn) 和Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)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(dǎo)和文獻(xiàn)類 比；在使用維護階段能耗計算。
假設(shè)原始制造電機消耗的都是原生材料，其材料生產(chǎn)階段主要包括鑄鋁、銅、碳鋼等從礦產(chǎn)資源到產(chǎn)品的過程，這一階段的資源消耗和溫室氣體排放已被 Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計收錄。由于電機的橡膠材料用量少，環(huán)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(chǎn)階段，只需考慮非晶合金、銅和碳鋼這３種原生材料生產(chǎn)過程帶來的環(huán)境影響。電機原始制造與再制造的材料消耗見表２。
對于原始制造電機，制造裝配階段為電機零件按照傳統(tǒng)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(diào)質(zhì)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(nèi)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0.5ｍｍ 硅鋼片經(jīng)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(zhuǎn)子鐵芯制造工藝與定子鐵芯類似。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。
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(fù)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(dá)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(nèi)部缺陷，以此實現(xiàn)電機零件的內(nèi)外全面檢測。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(fù)用件４大類，具體見表３。電機再制造時其端蓋、機座和轉(zhuǎn)子檢測合格后繼續(xù)使用，繞組、軸承等重新制造，電機軸和定子進行表面修復(fù)加工后使用。
對于電機軸花鍵的磨損，傳統(tǒng)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(fù)。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(shù)，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；修復(fù)完成后，按照圖紙規(guī)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(zhì)量比制成混合疊壓再制造定子鐵芯，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。
電動汽車平均壽命為14.1年，行駛里程約為15萬ｋｍ。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(shè)電機驅(qū)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(zhì)量產(chǎn)生的能耗，另一部分為能
量形式轉(zhuǎn)化的損失能耗，具體計算公式如下：?
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(zhì)量，kg;γ、η 分別為電機能量轉(zhuǎn)換效率和電動汽車充電效率；Ｍ 為電動汽車整備質(zhì)量，ｋｇ。
根據(jù)式（１），可求得原始制造電機使用階段的能耗為816.61ｋＷ·ｈ;再制造電機的性能參數(shù)要求不低于原始制造，經(jīng)過再制造后電機質(zhì)量為原始制造的98.73％，由此產(chǎn)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806.24ｋＷ·ｈ。
在電機原始制造與再制造的全生命周期中，均會產(chǎn)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(nèi)，用再生材料代替原生材料帶來的環(huán)境效益也被考慮在內(nèi)。原始制造電機材料回收階段是對零件制造過程中產(chǎn)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。
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(xiàn)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
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Simapro9.0計算評價結(jié)果，分析電機全生命周期的階段貢獻(xiàn)。評價采用 CMLIAbaseline評價方法對環(huán)境影響進行分類和特征化，并選擇３類環(huán)境影響類型：礦產(chǎn)資源耗竭潛值（以金屬銻耗竭當(dāng)量計，ｋｇ）用以綜合評價礦產(chǎn)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(dāng) 量 計，ｋｇ）用 以 綜 合 評 價 CO２、CH４ 和N２O等溫室氣體的排放。
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(chǎn)階段。原始制造電機總共消耗化石能源13105.04ＭＪ，再制造電機消耗10649.99ＭＪ，相比之下，再制造電機節(jié)省了18.7％的化石能源消耗。這是因為在材料生產(chǎn)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(jīng)過再制造修復(fù)后再次利用，只有少數(shù)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(jīng)過再制造后，質(zhì)量有所降低，因質(zhì)量消耗的能量也會隨之減少。
由表７可見，兩種制造模式的礦產(chǎn)資源消耗主要集中在材料生產(chǎn)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(chǎn)資源耗竭潛值均為０ｋｇ。從全生命周期來考慮，再制造電機礦產(chǎn)資源耗竭潛值僅為原始制造電機的20.8％，節(jié)省礦產(chǎn)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(jīng)過修復(fù)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(chǎn)資源消耗。此外，電機的磁體采用釹鐵硼，包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)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。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。
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(chǎn)階段，與化石能源消耗呈現(xiàn)一定關(guān)聯(lián)性。從全生命周期看，原始制造電機總共產(chǎn)生了1215.56ｋｇ溫室氣體，再制造電機產(chǎn)生了955.67ｋｇ溫室氣體，減少21.4％。３種環(huán)境影響類型中，材料回收階段的貢獻(xiàn)均為負(fù)值，這是因為對金屬廢料進行回收再利用，所得到的環(huán)境效益遠(yuǎn)大于回收過程的直接環(huán)境影響，有效降低了全生命周期的環(huán)境影響。
發(fā)動機是汽車零部件再制造產(chǎn)品的代表，本研究以再制造發(fā)動機作為比較對象，分析再制造電機的環(huán)境效益。選取環(huán)境影響均相對較大的材料生產(chǎn)、制造裝配階段進行比較，再制造發(fā)動機與再制造電機的環(huán)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(chǎn)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(fā)動機分別降低了17.2％、35.1％，這說明在節(jié)省礦產(chǎn)資源和化石能源上，再制造電機具有一定的優(yōu)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(fā)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(fā)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(huán)境效益不容忽視。
敏感性分析可以幫助識別影響LCA結(jié)果的重要因素，并呈現(xiàn)出這些因素變化對評價結(jié)果的影響幅度?？紤]到全球變暖潛值與化石能源耗竭潛值、礦產(chǎn)資源耗竭潛值存在一定的關(guān)聯(lián)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(guān)鍵參數(shù)對評價結(jié)果影響較大。故選取原始制造電機材料生產(chǎn)階段銅、硅鋼和鑄鋁的用量，再制造電機材料生產(chǎn)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(guān)鍵因素進行敏感性分析，結(jié)果見圖３。
由圖３可見，全球變暖潛值評價的結(jié)果與上述因素變化比呈線性關(guān)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(wǎng)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，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(chǎn)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(chǎn)工藝進行節(jié)能減排優(yōu)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。
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(chǎn)、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(jié)論如下：
?。ǎ保┡c原始制造電機相比，再制造電機可以減少79.2％的礦產(chǎn)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(xiàn)節(jié)能節(jié)材減排。?
（２）與再制造發(fā)動機相比，再制造電機在節(jié)省礦產(chǎn)資源和化石能源上具有一定的優(yōu)勢，但在降低碳排放量上表現(xiàn)不如再制造發(fā)動機。對電機開展再制造生產(chǎn)，對 促 進 我 國 再 制 造 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 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(guān)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(chǎn)工藝進行節(jié)能減排優(yōu)化；另一方面，隨著未來我國電力結(jié)構(gòu)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。
