郝 瀚,王司南,李 驍,劉宗巍,趙福全

(1.清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084; 2.清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院,北京 100084)

面向CAFC法規(guī)的汽車企業(yè)輕量化策略研究*

郝 瀚,王司南,李 驍,劉宗巍,趙福全

(1.清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084; 2.清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院,北京 100084)

鑒于我國(guó)即將實(shí)施乘用車第四階段油耗法規(guī),本文中對(duì)第四階段油耗法規(guī)背景下汽車企業(yè)輕量化策略進(jìn)行了研究。首先,建立了以增量成本最小化為目標(biāo),以輕量化技術(shù)路線選擇為設(shè)計(jì)變量,以滿足2020年CAFC法規(guī)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的安全性、動(dòng)力性為約束條件的優(yōu)化模型;然后,基于該模型進(jìn)行仿真,以分析中國(guó)道路交通背景下乘用車輕量化與燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性、動(dòng)力性、成本之間的定量關(guān)系;最后,以某汽車企業(yè)為案例,建立針對(duì)該企業(yè)的優(yōu)化模型并求解,得到該企業(yè)輕量化技術(shù)的最優(yōu)決策。結(jié)果表明,為滿足2020年油耗法規(guī)目標(biāo),在輕量化技術(shù)對(duì)CAFC貢獻(xiàn)率為10%～30%的情況下,乘用車平均整備質(zhì)量降低2%～6%,平均每輛車增加輕量化成本1 000～3 000元。

汽車企業(yè);油耗法規(guī);輕量化;技術(shù)路線

前言

汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,同時(shí)對(duì)國(guó)家能源和環(huán)境產(chǎn)生重要影響[1]。針對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)保挑戰(zhàn),我國(guó)自2005年起實(shí)施乘用車企業(yè)平均燃料消耗量法規(guī)(corporate average fuel consumption,CAFC)。中國(guó)CAFC法規(guī)共經(jīng)歷了2005-2008年、2009-2012年、2012-2015年、2016-2020年4個(gè)階段。其中第三階段由GB 19578—2014《乘用車燃料消耗量限值》規(guī)定2015年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至6.9L/(100km)[2]。第四階段由GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》規(guī)定2020年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/(100km)[3]。如圖1所示,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)第三和第四階段的燃油消耗量目標(biāo)值以整車整備質(zhì)量作為基準(zhǔn)參數(shù),規(guī)定了對(duì)應(yīng)質(zhì)量段的乘用車燃料消耗目標(biāo)值,目標(biāo)值隨著整備質(zhì)量增加呈現(xiàn)階梯式的上升形態(tài)。

圖1 中國(guó)第三和第四階段油耗限值情況

面對(duì)中國(guó)CAFC法規(guī),節(jié)能技術(shù)和新能源技術(shù)是汽車企業(yè)主要的應(yīng)對(duì)策略。節(jié)能技術(shù)方面,提高傳動(dòng)效率和燃燒效率、降低風(fēng)阻、輕量化等是各國(guó)企業(yè)廣泛采取的節(jié)油手段[4]。其中,輕量化技術(shù)主要有3種手段:第一,將鋼鐵材料替換為鎂鋁合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維等;第二,對(duì)汽車進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或二次輕量化,對(duì)汽車結(jié)構(gòu)或零部件進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)制造;第三,縮小汽車的尺寸,生產(chǎn)更小更輕的汽車。相關(guān)研究表明,3種手段結(jié)合最高可使汽車輕量化40%(690kg),降低油耗20%以上[5]。因此,輕量化技術(shù)是應(yīng)對(duì)CAFC法規(guī)的必要手段。

油耗法規(guī)最先誕生于1975年的美國(guó),世界各大汽車企業(yè)及部分科研院所開始了對(duì)油耗法規(guī)的相關(guān)研究,尤其是20世紀(jì)90年代以來,形成了針對(duì)大量汽車的研究成果,主要集中在能源與油耗、排放與環(huán)境、輕量化、安全以及動(dòng)力性能等幾個(gè)領(lǐng)域。1975-1985年,美國(guó)油耗限制從 13.5mpg提高到了27.5mpg[6],短短10年間,燃油經(jīng)濟(jì)性翻倍,按照當(dāng)前汽車工業(yè)的研發(fā)規(guī)律,這也僅僅是兩代車型的時(shí)間,節(jié)油的步伐過大,而技術(shù)無法及時(shí)跟進(jìn),嚴(yán)苛的油耗法規(guī)導(dǎo)致汽車過度輕量化,對(duì)汽車的安全性、動(dòng)力性都產(chǎn)生了較大影響,此舉在美國(guó)產(chǎn)生了很大爭(zhēng)議。受此影響,有關(guān)輕量化技術(shù)對(duì)油耗、安全性、動(dòng)力性影響的研究逐漸受到業(yè)界重視,并產(chǎn)生了一些成果。

節(jié)油是汽車輕量化的主要目的,不同研究表明,乘用車每輕量化 100kg,降低的油耗在 0.23～0.67L/(100km)。以文獻(xiàn)[5]中研究成果為例,轎車每輕量化100kg節(jié)油0.4L/(100km),SUV每輕量化100kg節(jié)油0.5L/(100km)。受汽車輕量化影響,20世紀(jì)70～80年代美國(guó)汽車的安全性受到廣泛質(zhì)疑。1989年,文獻(xiàn)[7]中首次研究了輕量化對(duì)汽車安全性的影響,結(jié)果表明,美國(guó)第一階段油耗法規(guī)(1978-1985)增加了大約20%的死亡率。1992-2004年,文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[11]中使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法,研究交通事故死亡人數(shù)與汽車尺寸、整備質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)果表明,輕量化對(duì)汽車安全性存在一定影響,但增加車型的尺寸可以彌補(bǔ)輕量化對(duì)安全性的影響。近年來,受美國(guó)頒布《2007年能源獨(dú)立和安全法案》的影響,CAFE法規(guī)的研究再次成為業(yè)界話題。2007年,文獻(xiàn)[12]中提出了PSFI模型,研究CAFE法規(guī)對(duì)汽車動(dòng)力性、油耗和尺寸等方面的影響。2008年,文獻(xiàn)[13]中,在PSFI模型的基礎(chǔ)上,建立了ERFC模型,分析企業(yè)對(duì)油耗、動(dòng)力性和質(zhì)量等因素之間的取舍權(quán)衡。針對(duì)新一輪美國(guó)油耗法規(guī)(2010-2016)的制定與實(shí)行,美國(guó)官方機(jī)構(gòu)EPA(美國(guó)環(huán)?？偩?與NHTSA(美國(guó)高速公路安全管理局)對(duì)法規(guī)可能導(dǎo)致的輕量化進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)為達(dá)到2016年美國(guó)油耗法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),相比2010年,汽車將輕量化5% ～10%。與此類似,文獻(xiàn)[5]中的研究也表明,中短期內(nèi)汽車將輕量化5%～8%。

與國(guó)外研究相比,國(guó)內(nèi)學(xué)者更加重視對(duì)汽車輕量化技術(shù)層面的研究,針對(duì)輕量化產(chǎn)生的對(duì)油耗、安全性、動(dòng)力性的影響以及輕量化技術(shù)路線的研究還需要繼續(xù)深入。同時(shí),中國(guó)CAFC法規(guī)出臺(tái)較晚,目前汽車企業(yè)對(duì)于應(yīng)對(duì)CAFC法規(guī)所應(yīng)采取的輕量化策略尚不清晰,本研究旨在分析我國(guó)汽車整備質(zhì)量與油耗、安全性、動(dòng)力性之間的關(guān)系,量化幾方面因素的權(quán)衡取舍,為目標(biāo)企業(yè)給出合理的輕量化技術(shù)決策。

1 研究方法

1.1 輕量化策略優(yōu)化模型

建立輕量化策略優(yōu)化模型,是給出科學(xué)合理的輕量化策略的有效手段。在滿足CAFC法規(guī)的前提下,選擇合理的技術(shù)路線,降低企業(yè)成本,是企業(yè)進(jìn)行技術(shù)決策的主要目標(biāo)。因此,將輕量化技術(shù)企業(yè)最小增量成本設(shè)定為最優(yōu)化問題模型的目標(biāo)函數(shù),企業(yè)增量總成本等于每輛車的輕量化成本乘以每輛車的銷量并求和:

式中:c1,c2,…,cn為不同技術(shù)路線的成本;Sm為第m個(gè)車型的銷量。設(shè)計(jì)變量xmn用來選擇輕量化技術(shù)路線,取值為0或1,1代表第m個(gè)車型選擇了第n個(gè)技術(shù)階段,0代表未選擇,由于輕量化技術(shù)路線只能選擇一個(gè),每列只能存在一個(gè)1(此為隱含的約束條件)。

設(shè)計(jì)此目標(biāo)函數(shù),需要已知輕量化技術(shù)路線。我國(guó)企業(yè)的輕量化技術(shù)路線公開資料較為缺乏,不同企業(yè)對(duì)應(yīng)的技術(shù)路線也有一定程度的差異,但考慮到輕量化作為一種共性汽車節(jié)能手段,其成本與節(jié)油效果在國(guó)內(nèi)外存在較強(qiáng)的一致性,本文中參考了NHTSA的輕量化技術(shù)路線研究成果[14]和美國(guó)國(guó)家科學(xué)院國(guó)家研究委員會(huì)的研究成果[15],設(shè)計(jì)技術(shù)路線見表1,近似替代我國(guó)企業(yè)汽車輕量化技術(shù)路線。

表1 輕量化技術(shù)路線設(shè)計(jì)

由于A級(jí)車與B級(jí)車在車身尺寸、整備質(zhì)量等方面有較大差距,故將A級(jí)車與B級(jí)車成本分開計(jì)算。在設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)路線時(shí),考慮到潛在的“重量化”可能,當(dāng)汽車選擇重量化時(shí),由于將較輕的先進(jìn)材料(如鎂鋁合金、高強(qiáng)度鋼等)替代為較重的普通鋼材,因而在材料成本、加工成本、裝配成本等方面都得到了降低,因而增量成本為負(fù)。

約束條件的設(shè)計(jì)決定優(yōu)化的結(jié)果,滿足CAFC法規(guī)是最為重要的約束條件,到2020年,企業(yè)整體達(dá)到CAFC目標(biāo)值,其中輕量化技術(shù)占據(jù)一定比例的貢獻(xiàn)率,該條件針對(duì)企業(yè)整體起約束作用:

式中:fn為不同技術(shù)路線下各車型的油耗;N為CAFC當(dāng)前值;T為CAFC目標(biāo)值;η為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值的百分比。在使用該約束條件時(shí),可以對(duì)η值進(jìn)行改變,以研究不同貢獻(xiàn)率下,成本的變化及其趨勢(shì)。當(dāng)前值N根據(jù)現(xiàn)有車型計(jì)算,參見式(3),而目標(biāo)值T隨輕量化所帶來的整備質(zhì)量變化而變化,利用式(4)計(jì)算。

式中:i表示乘用車車型代號(hào);FCi表示第i個(gè)車型的燃料消耗量;Ti表示第i個(gè)車型對(duì)應(yīng)的燃料消耗量目標(biāo)值;Vi表示第i個(gè)車型的年度生產(chǎn)、進(jìn)口或銷售量[3-4]。

動(dòng)力性的約束,主要是從“重量化”方面進(jìn)行約束。汽車實(shí)施輕量化后,動(dòng)力性會(huì)有一定的提升,但考慮到“重量化”的可能,需要約束目標(biāo)車型不能因重量化損失過度的動(dòng)力性。采用加速時(shí)間作為動(dòng)力性約束的參數(shù),該條件對(duì)每個(gè)車型起約束作用:

式中:Pi為每輛車的加速時(shí)間;P為約束的加速時(shí)間。

安全性的約束,參考國(guó)外研究成果,以死亡風(fēng)險(xiǎn)作為約束條件,即輕量化后的車型死亡風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)大于某值,該條件對(duì)每個(gè)車型起約束作用:

式中:Ri為每輛車的死亡風(fēng)險(xiǎn);R為約束的死亡風(fēng)險(xiǎn)。

在約束條件的選擇上,企業(yè)可以根據(jù)自身研發(fā)能力和產(chǎn)品定位進(jìn)行安全性和動(dòng)力性的約束。需要注意的是,法規(guī)約束針對(duì)目標(biāo)企業(yè)整體油耗,而安全性及動(dòng)力性約束針對(duì)每款車型,這樣設(shè)計(jì)是為了避免優(yōu)化結(jié)果出現(xiàn)安全性或動(dòng)力性過差的個(gè)別車型。

由于本優(yōu)化模型中的設(shè)計(jì)變量x只能取值為0或1,這種全部分量取整數(shù)值的最優(yōu)化問題被稱為整數(shù)規(guī)劃問題,而本優(yōu)化模型為整數(shù)規(guī)劃的特殊型0-1規(guī)劃問題,將優(yōu)化模型歸結(jié)為0-1規(guī)劃的一般形式。

式中:f為目標(biāo)函數(shù);A為不等式約束矩陣;b為不等式約束向量;Aeq為等式約束矩陣;beq為等式約束向量。

求解0-1規(guī)劃問題,通常有分支定界法和隱枚舉法兩種解法,其中分支定界法在整數(shù)規(guī)劃問題中更為常用,擴(kuò)展性更強(qiáng),且有大量的算法實(shí)例可以參考,因而,本研究采取分支定界法求解0-1規(guī)劃問題,借助Matlab進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,這里略去求解過程。

1.2 輕量化對(duì)于車輛性能的影響

1.2.1 輕量化對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

汽車整備質(zhì)量是影響燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一,EPA在其研究報(bào)告中采用ton·mpg對(duì)汽車整備質(zhì)量與油耗之間關(guān)系進(jìn)行衡量和評(píng)價(jià)。ton·mpg是一個(gè)針對(duì)當(dāng)年所有車型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算出的平均值,指單位質(zhì)量(ton)的油耗(mpg)。參考EPA公布的2006-2008年車型數(shù)據(jù),美國(guó)沃德咨詢公司在其研究報(bào)告中統(tǒng)計(jì)得出,在美國(guó)汽車市場(chǎng)2006-2008年期間的車型,汽車每降低100kg整備質(zhì)量,相應(yīng)減少0.53L/(100km)的油耗(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工況)[5]。

將單位換為我國(guó)常用的單位,定義為f:

依據(jù)我國(guó)汽車數(shù)據(jù),分別計(jì)算2010-2015年的f值,并線性回歸推測(cè)至2020年,見圖2。

2020年的f值為224.61kg·100km/L,進(jìn)而推算出油耗與整備質(zhì)量的關(guān)系:

代入數(shù)據(jù):

圖2 中國(guó)2010-2020年f值變化情況

結(jié)果顯示,2020年推出的新車,每輕量化100kg,油耗將降低0.445L/(100km),雖然中美兩國(guó)行駛工況不同,但比較美國(guó)的相關(guān)研究 0.23～0.67L/(100km)的結(jié)果[5],數(shù)值相近。

1.2.2 輕量化對(duì)于安全性的影響

整備質(zhì)量的降低帶來了較好的燃油經(jīng)濟(jì)性,但與此同時(shí),其對(duì)安全性的影響也逐漸體現(xiàn)出來。從1989年開始,美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)逐漸開展汽車輕量化對(duì)安全性的影響研究,相關(guān)研究普遍采用死亡人數(shù)或死亡率作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。美國(guó)死亡分析報(bào)告系統(tǒng)收錄全國(guó)交通事故的數(shù)據(jù),而我國(guó)相應(yīng)的公開數(shù)據(jù)十分缺乏。鑒于此,參考現(xiàn)有研究成果,進(jìn)行符合我國(guó)汽車市場(chǎng)實(shí)際情況的改進(jìn)。

文獻(xiàn)[11]中建立了汽車相互碰撞的安全性公式:

式中:r1,2為1車與2車相撞時(shí),1車的死亡風(fēng)險(xiǎn);c為常數(shù);L1為被測(cè)車型的車長(zhǎng);L2為標(biāo)準(zhǔn)車車長(zhǎng);m1為被測(cè)車型的質(zhì)量;m2為標(biāo)準(zhǔn)車質(zhì)量。

為使每輛車的安全性具有可比性,引入年度標(biāo)準(zhǔn)車,使各車型與標(biāo)準(zhǔn)車碰撞,得出的死亡風(fēng)險(xiǎn)值作為本文中安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):

式中:Li為第i個(gè)車型的車長(zhǎng);Mi為第i個(gè)車型的質(zhì)量;Si為第i個(gè)車型的銷量;S為當(dāng)年乘用車總銷量。

將我國(guó)數(shù)據(jù)代入得到L=4517mm,M=1355kg,與美國(guó)2004年標(biāo)準(zhǔn)車(L=4800mm,M=1400kg)相比,數(shù)值差距不大,鑒于兩國(guó)國(guó)情差別,我國(guó)的結(jié)果更小一些是合理的。

由標(biāo)準(zhǔn)車的值可得常數(shù)c=2×4.5172.45,將此值代入式(12),即可計(jì)算出我國(guó)各車型與標(biāo)準(zhǔn)車碰撞后的死亡風(fēng)險(xiǎn)。為直觀說明,表2選取了我國(guó)市場(chǎng)中一些典型車型作為算例,結(jié)果與直觀印象相符。

表2 中國(guó)市場(chǎng)上常見車型的安全性指標(biāo)

將我國(guó)2014年所有在售車型的死亡風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果擬合為曲面,得到圖3。整體上,整備質(zhì)量越大,車長(zhǎng)越長(zhǎng),安全性越好,符合公式的預(yù)期結(jié)果。

圖3 我國(guó)汽車整備質(zhì)量、車長(zhǎng)與死亡風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

1.2.3 輕量化對(duì)于動(dòng)力性的影響

本研究采用比功率和加速時(shí)間作為汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo),依據(jù)我國(guó)數(shù)據(jù)對(duì)各車型的動(dòng)力性進(jìn)行量化。比功率可以方便地研究汽車整備質(zhì)量與動(dòng)力性的關(guān)系。圖4為我國(guó)新車平均比功率的變化趨勢(shì)。顯然,近6年來,我國(guó)汽車市場(chǎng)的汽車動(dòng)力性穩(wěn)定上升。

圖4 我國(guó)2010-2015年平均比功率變化趨勢(shì)

鑒于我國(guó)沒有權(quán)威的汽車加速時(shí)間數(shù)據(jù),為使用加速時(shí)間直觀地表現(xiàn)汽車動(dòng)力性,可以在獲得比功率的值后,進(jìn)一步估算出汽車的加速時(shí)間。文獻(xiàn)[16]中給出了整備質(zhì)量與加速時(shí)間的關(guān)系:

式中:t為0-100 km/h的加速時(shí)間;P為最大功率,馬力;M為整備質(zhì)量,磅;G和 g為常數(shù)。根據(jù)式(15)計(jì)算出0-60mph(0-97km/h)的加速時(shí)間。應(yīng)用式(15)需要計(jì)算G和g的值,調(diào)研美國(guó)研究的結(jié)果制成表3。

表3 國(guó)外研究中G與g的取值結(jié)果

由于計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)源不同,得出的結(jié)論是不同的。因此,有必要應(yīng)用最新的數(shù)據(jù)對(duì)G值與g值進(jìn)行重新計(jì)算。由于我國(guó)沒有官方的加速時(shí)間統(tǒng)計(jì),為得到合理的結(jié)果,選取一組我國(guó)市場(chǎng)銷量較高,各檔次分布均勻的代表車型,以廠家公布或第三方測(cè)評(píng)的加速時(shí)間為數(shù)據(jù),計(jì)算得到G=0.95,g=0.72。 總體來看,與美國(guó)研究的結(jié)果近似,而產(chǎn)生差距的主要原因是汽車整體動(dòng)力性能的差異。

2 研究成果

2.1 算例選擇

結(jié)合設(shè)計(jì)的技術(shù)路線,為使研究更具真實(shí)性和代表性,選擇了我國(guó)市場(chǎng)中有一定占有率、技術(shù)水平較好、市場(chǎng)定位中等、與表4所設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)路線較符合的某目標(biāo)企業(yè)。2014年,目標(biāo)企業(yè)共生產(chǎn)7個(gè)車型,按整備質(zhì)量劃分,共26款。對(duì)這26款車進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)研,結(jié)果見表4。

考慮到同一車型,車身選擇相同的技術(shù)路線,但不同排量車型可在發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系等應(yīng)用不同程度的輕量化技術(shù),為使算例更接近現(xiàn)實(shí)情況,結(jié)果更加準(zhǔn)確,將26款車按照車型及排量的區(qū)分方法重新分類,最終得到10款計(jì)算車型進(jìn)行再輕量化技術(shù)路線選擇。但根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),目標(biāo)值和實(shí)際值應(yīng)使用26款車型計(jì)算。

表4 目標(biāo)企業(yè)26款車型的特征參數(shù)

設(shè)計(jì)約束條件時(shí),針對(duì)安全性與動(dòng)力性,設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)約束,為豐富研究成果,在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了較強(qiáng)約束和較弱約束,為直觀顯示約束條件的選擇,在此總結(jié)見表5。

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)的約束條件選擇

2.2 優(yōu)化結(jié)果

算例目標(biāo)企業(yè)技術(shù)較好、資金實(shí)力較強(qiáng)、市場(chǎng)定位中等,因此,以標(biāo)準(zhǔn)約束進(jìn)行分析具有代表性和真實(shí)性。在CAFC貢獻(xiàn)率的約束選擇中,輕量化作出30%的貢獻(xiàn)率是較為符合實(shí)際情況的。為比較結(jié)果,再設(shè)定一個(gè)值為10%進(jìn)行對(duì)比,圖5和圖6即為優(yōu)化結(jié)果。

圖5 10%貢獻(xiàn)率下不同車型輕量化技術(shù)路線選擇

圖6 30%貢獻(xiàn)率下不同車型輕量化技術(shù)路線選擇

G車型不能同時(shí)滿足動(dòng)力性和安全性約束條件,屬于較為落后的產(chǎn)品,因此建議此車型停產(chǎn)或更新?lián)Q代。在10%目標(biāo)值貢獻(xiàn)率下,整體所需輕量化程度較低,A車型、B車型、E車型2.4L均不變,其他車型選擇了2%～10%不同程度的輕量化技術(shù)路線,而E車型3.0L選擇了1.80%的“重量化”,選擇該技術(shù)路線,企業(yè)增加總成本約3.7億元,平均每輛車增加成本約818元。在30%目標(biāo)值貢獻(xiàn)率下,整體所需輕量化程度較高,各類車型選擇了2%～15%不同程度的輕量化技術(shù)路線。選擇該技術(shù)路線,企業(yè)增加總成本約14.1億元,平均每輛車增加成本約3 119元。

在10%的目標(biāo)值貢獻(xiàn)率下,E車型3.0L選擇重量化的路線,主要出于兩點(diǎn)原因。第一,重量化可以使目標(biāo)值放寬,E車型3.0L在重量化1.8%后,油耗目標(biāo)值從5.5L上升到5.7L,對(duì)于整備質(zhì)量在CAFC法規(guī)相應(yīng)質(zhì)量段靠后的車型,增加較少的整備質(zhì)量對(duì)自身油耗影響不大,可以起到放寬油耗目標(biāo)值的作用。第二,在輕量化技術(shù)路線中,選擇“重量化”技術(shù),受較重的替代材料的材料成本、加工成本、工藝成本等較低影響,技術(shù)成本不增反降,在本例中,滿足約束條件的前提下進(jìn)行重量化,可以起到削減企業(yè)成本的作用。

為更好地比較優(yōu)化結(jié)果,假設(shè)CAFC貢獻(xiàn)率達(dá)到30%,選擇表5的較強(qiáng)和較弱約束,其中較弱約束得到與標(biāo)準(zhǔn)約束相同的結(jié)果,即圖6,主要是因?yàn)樗x算例目標(biāo)企業(yè)技術(shù)水平較高,標(biāo)準(zhǔn)約束和較弱約束在30%貢獻(xiàn)率下效果相似。而較強(qiáng)約束則由于更高的動(dòng)力性和安全性標(biāo)準(zhǔn),對(duì)輕量化程度有較嚴(yán)格的約束,輕量化程度較高的車型有所減少,技術(shù)路線更趨向平均,即5%～10%的輕量化,見圖7。

圖7 30%貢獻(xiàn)率、較強(qiáng)約束條件下不同車型輕量化技術(shù)路線選擇

根據(jù)輕量化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)CAFC目標(biāo)值貢獻(xiàn)的比例不同,研究其平均成本的變化趨勢(shì)。由于不能完全依靠輕量化實(shí)現(xiàn)CAFC目標(biāo)值,當(dāng)貢獻(xiàn)比例過大時(shí),安全性和動(dòng)力性均不能保證,故取50%為上限,每5%為一個(gè)單位,結(jié)果見圖8。輕量化對(duì)CAFC貢獻(xiàn)率較低的情況下,3種約束成本相差較少,當(dāng)貢獻(xiàn)率上升后,拉開了一定差距,對(duì)于企業(yè)整體而言,每輛車存在幾百元的成本差距則是億元的投入。

圖8 不同CAFC貢獻(xiàn)率下應(yīng)用輕量化技術(shù)平均每輛車增加的成本

從計(jì)算結(jié)果看,隨著輕量化對(duì)實(shí)現(xiàn)CAFC目標(biāo)值所做貢獻(xiàn)比例的增大,平均成本整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),當(dāng)貢獻(xiàn)率達(dá)到50%時(shí),標(biāo)準(zhǔn)約束下平均成本達(dá)到了6 676元,對(duì)企業(yè)而言,有一定成本壓力。為更好地比較A級(jí)車和B級(jí)車的成本壓力,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖9。

圖9 不同CAFC目標(biāo)值貢獻(xiàn)率下A級(jí)車與B級(jí)車各自增加的成本及其占比

從圖9看出,當(dāng)貢獻(xiàn)率較小時(shí),A級(jí)車成本壓力較小,B級(jí)車成本壓力較大,但當(dāng)貢獻(xiàn)率提升后,由于本算例目標(biāo)企業(yè)的A級(jí)車銷量更大,對(duì)企業(yè)整體目標(biāo)值影響更大,A級(jí)車承擔(dān)了更大的成本壓力,而B級(jí)車則相對(duì)降低了成本。對(duì)于我國(guó)汽車業(yè)整體而言,A級(jí)車份額同意大于B級(jí)車,因此我國(guó)整體應(yīng)有圖9相似結(jié)果。

依據(jù)目標(biāo)企業(yè)在設(shè)定不同CAFC貢獻(xiàn)率進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果,繪制圖10。從圖10看出,汽車輕量化程度與CAFC的貢獻(xiàn)率存在近似的線性關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)5%～50%的CAFC貢獻(xiàn)率,目標(biāo)企業(yè)需平均輕量化1%～10.8%。平均輕量化程度不宜超過10.8%,當(dāng)對(duì)CAFC貢獻(xiàn)率超過50%后,安全性約束將不能保證。

圖10 不同輕量化程度對(duì)CAFC的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

本研究定量分析了我國(guó)汽車整備質(zhì)量與燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、安全性之間的關(guān)系,針對(duì)CAFC法規(guī)建立了汽車企業(yè)的輕量化策略優(yōu)化模型,并為目標(biāo)企業(yè)給出了最優(yōu)輕量化策略。本研究的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是從方法學(xué)層面提出了普適于我國(guó)各汽車企業(yè)應(yīng)對(duì)CAFC法規(guī)的輕量化策略的方法;二是以實(shí)際企業(yè)為案例,研究了我國(guó)汽車企業(yè)為實(shí)現(xiàn)第四階段CAFC法規(guī)所需的輕量化程度及輕量化成本。本研究的主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)輕量化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)CAFC法規(guī)貢獻(xiàn)30%時(shí)平均每輛車的輕量化增量成本約為3 000元,考慮其他技術(shù)貢獻(xiàn)另70%的成本,預(yù)計(jì)與我國(guó)官方給出的1.6萬元總增量成本[3]基本吻合。但我國(guó)市場(chǎng)銷量最大的A級(jí)、B級(jí)車普遍處于8萬～20萬元區(qū)間,合資車企對(duì)1.6萬元的增量成本有一定承擔(dān)和消化能力,但對(duì)自主品牌車企而言就難以消化,成本壓力很大[17]。

(2)優(yōu)化結(jié)果預(yù)示了未來5年我國(guó)乘用車的整備質(zhì)量變化趨勢(shì),以目標(biāo)企業(yè)為代表,根據(jù)成本分析,輕量化做出10%～30%的CAFC貢獻(xiàn)率是較為合理的,因此預(yù)測(cè)我國(guó)市場(chǎng)車型到2020年平均整備質(zhì)量將降低2%～6%。

(3)優(yōu)化結(jié)果反映出我國(guó)CAFC法規(guī)的兩點(diǎn)不足:第一,在最優(yōu)解的技術(shù)路線選擇中,部分車型增加了整備質(zhì)量,放寬油耗限值的同時(shí)還節(jié)省了成本,這是法規(guī)目前存在的漏洞;第二,以整備質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)制定油耗限值,對(duì)汽車安全性影響較大,相比之下,美國(guó)以footprint作為標(biāo)準(zhǔn),更加鼓勵(lì)尺寸大而整備質(zhì)量輕的車型,大尺寸在一定程度上可以彌補(bǔ)輕量化造成的安全性問題。

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A Research on CAFC Regulation-Oriented Lightweighting Strategy for Automotive Manufacturers

Hao Han1,2,Wang Sinan1,2,Li Xiao1,2,Liu Zongwei1,2&Zhao Fuquan1,2
1.Tsinghua University,State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Beijing 100084; 2.Tsinghua Automotive Strategy Research Institute,Beijing 100084

In view of that China's Phase-IV CAFC regulation is going to be implemented soon,the corresponding lightweighting strategy for automotive manufacturers under the background of Phase-IV CAFC regulation is studied in this paper.Firstly,an optimization model is established with minimizing the incremental cost as objective,lightweighting technology roadmaps chosen as design variables,and the safety and power performance complying with 2020 CAFC regulation and related standards as constraints.Then,with the model built,a simulation is conducted to analyze the quantitative relationships between lightweighting versus vehicle fuel economy,safety,power performance and incremental cost.Finally,an optimization model for a specific automotive manufacturer is built and solved with the optimum decision on the lightweighting technology for that enterprise obtained.The results show that for meeting the target of 2020 CAFC regulation under a condition of 10%-30%contribution rates of lightweighting strategy to CAFC,the curb mass of passenger car reduces by 2%-6%in average,with a cost rise for lightweighting of￥1000-3000 per car in average.

automotive manufacturer;CAFC;lightweighting;technology roadmap

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.001

*國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(71403142)、北京自然科學(xué)基金(9162008)和工信部項(xiàng)目(工裝函[2014]134號(hào))資助。

原稿收到日期為2015年10月9日,修改稿收到日期為2016年2月28日。

趙福全,教授,E-mail:zhaofuquan@tsinghua.edu.cm。