EPA轻量化分析

1 前言

美国政府制定了2017−2025轻型汽车联邦温室气体（GHG）排放和公司平均燃料经济性（CAFE）标准，包括美国环境保护局（EPA）为2022−2025制定的温室气体标准进行中期评估的监管要求（MTE）。2016年7月EPA发布的技术评估报告（TAR）是MTE的第一个正式步骤，该报告审查了与适用温室气体排放标准有关的各种技术问题。

汽车研究中心（CAR）研究人员编写了本报告，评估了美国环境保护局在TAR草案中进行的车辆减重技术分析。CAR建议EPA采用国家研究委员会（NRC）推荐的基于材料轻量化成本分析，并重新评估美国轻型车队的成本。

NHTSA和EPA使用的分析步骤相似，但每个机构使用的基线、工具、统计技术和假设显著不同，并导致了不同的结果。所有这些差异的影响对同一美国车队产生了截然不同的减重预测。美国环保局预计平均减少9%的温室气体减排量，而NHTSA预计CAFE合规性减少6%。Figure 1显示了机构使用的一般建模策略和不同的工具。

Figure 1：General Modeling Strategy

2 规则制定应以一套方法论和工具为基础

在TAR草案中，EPA和NHTSA在其各自软件中应用的算法明显不同，因此在技术应用和成本方面产生了不同的法规遵从路径，这将限制实现统一法规。

EPA和NHTSA分析之间存在的几个主要差异如下：

•美国环保局的分析包括考虑遵守CARB的ZEV法规，该法规也被其他九个州（基准/参考车队）采纳，而NHTSA的分析则没有。

•EPA的主要分析采用间接成本乘数（ICM），而NHTSA的主要分析采用零售价等值（RPE）。

•美国环保局预计每辆车法规符合性的标准费用为894美元，NHTSA预计为1245美元。

EPA减重建模方法

EPA预测每减重10%，使用效率值为5.2%，Figure 2描述了EPA减重一般建模策略。

Figure 2：EPA Mass Reduction Modeling Methodology

该过程从定义基准年型车开始，该基准年型车是“0车辆”，从0%质量减少开始;基准使用2008年车型。下一步，分析车队（2015年车型）中的每辆车都会被分配一个质量减少量级。EPA通过比较车队中每辆车的2015和2008年之间的车型整备重量来确定这一点。为了预测轻量化的成本，利用由EPA和NHTSA赞助的各种拆卸对标研究所产生的成本曲线。这些曲线是为2008年到2010年代开发的车型。最后，OMEGA模型用于预测车辆要求符合GHG规定的质量减少，OMEGA同时使用成本曲线来预测轻量化的成本，美国环保局提议的决议预测的平均质量减少约9%。

基准车型和成本曲线

EPA的质量减少分析使用两条成本曲线，一条汽车和非牵引的CUV成本曲线，以及轻型卡车的不同成本曲线。2008−2010年代车型和零部件设计被认为代表了减重的“零”技术。

汽车和CUV成本曲线

汽车/CUV直接制造成本曲线是建立在美国环保局基于丰田Venza的中型CUV研究和NHTSA基于本田雅阁的乘用车研究之上的。美国环保局将两条成本曲线合并为一条适用于汽车和CUV的曲线，在Fig⁃ure 3中，绿色曲线是汽车/CUV的成本曲线。

轻型卡车成本曲线

通过结合EPA MY2011基准LDT和NHTSA MY2014基准LDT轻量化研究的结果，创建了第二个轻型卡车（LDT）直接制造成本曲线的EPA质量减少成本曲线。这两项研究都使用雪佛兰Silverado作为测试工具。在Figure 4中蓝线是EPA用于LDT的成本曲线。

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 成本曲线应基于当前和无偏好的车型库

考虑到市场上有数百辆车型，选择任何一辆车来拆卸以获得轻量化路径和成本的洞察力是任意的。2009年丰田Venza是美国车队的代表，但没有提出任何争论，也没有任何争议。Venza继承了丰田凯美瑞和汉兰达的设计内容，并没有对重量进行“优化”。

EPA将MY2011 Silverado成本曲线与MY2014 Silverado成本曲线相结合。2014年新款Silverado是全新的结构，广泛使用超高强度钢。与现有的Silverado相比，旧款和新款Silverado的混合会降低轻量化成本，尤其是大量使用铝制的福特F−150。2016年TAR草案解释说：“由于初始点是所有节省成本的项目，总体成本降低了”。同样所选择的成本曲线相对于轻型汽车行业而言倾向于偏低端。

设计因素和成本影响的范围取决于许多因素，包括：技术基线、业务限制和汽车制造商能力，导致成本影响的复杂分配。对任意两辆车进行任意选择，并将其轻量级成本曲线结合起来以代表美国工业轻量化工作，这样做严重过度简化轻量化系统工程和成本分析的复杂性。拆解研究提供了对研究车辆轻量化的良好洞察，但不一定能找到车队中的典型车辆。结合汽车和CUV的成本曲线得出的成本曲线并不代表任何车辆的成本。在较低的质量减少水平上，综合成本曲线引入误差约为2美元/公斤（或在质量减少6−7%时为50至100%的误差）。

4 成本估计不应该从一个模型推断到车队

美国环保署结合了两项针对汽车/CUV和轻型卡车的单独车辆拆解研究，以开发适用于美国车队的简单、一般化的成本曲线。不同细分市场的复杂性、设计目标和不断推进的轻量化技术，使得简单成本曲线不足以代表真实的成本分布。

调整过去的减重努力

在TAR草案中，美国环保署指出：“重要的是要考虑到在2008年代车型典型的”零“减重水平之外应用的任何减重情况。”美国环保署估计在2015年基准中每个车型的减重车队对应到2008年车型。如果某辆车没有2008年对应，那么OEM的铭牌产品系列中的销售加权平均质量减少百分比将用于表示车辆内减重技术数量的预期。

美国环保局调整2015年两项因素的整备质量数据，以反映车辆属性在2008至2015之间的信用变化。

（1）车辆投影面积（Footprint）增加−对2008年至2014年的车辆之间的投影面积差异应用了一公斤/平方英尺的信贷。Table 1包含EPA使用的投影面积调整值。

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

（2）安全规定−为2008年至2014年生效的安全规定提供了大量信贷。其中包括联邦机动车辆安全标准（FMVSS）和公路安全保险研究所（IIHS）的小型重叠测试。Table 2包含EPA使用的大众信用值。

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

5 整备质量是车辆轻量化技术的一个糟糕指标

CAR研究支持考虑对基线以外的任何质量减少的重要性（基线是针对EPA的2008年代车型），但是纯粹基于重量差异来估算质量减少技术是不准确的。这种方法有几个问题：

（1）由于EPA成本曲线是基于轻量化技术的进展，因此基准线的起点应基于轻量化技术−而不是重量的限制。美国环保局已经开发出基于在车辆中增加轻量化技术的成本曲线（例如额外的铝，高强度钢等）。由于成本曲线是指数型的，车辆在成本曲线上的起点对于确定减少重量的成本增量很重要。然而，在确定2015年车队相对于2008年的质量减少量时，环保局根据整备质量的变化调整成本曲线−而不是基于轻量化技术。有一个假设，即减重的变化是轻量级技术变化的代表，CAR研究表明情况并非如此。

（2）对来自全球九家汽车制造商的42种不同车型的CAR进行的研究表明，整备质量是车辆轻量化技术的一个糟糕指标（见Figure 5）。有些车型可能会看起来“沉重”，但拥有先进的轻量化技术，因此会导致更高的成本以减轻重量，同时针对可能增加重量的所有其他所需车辆属性进行优化（车辆内容示例参见Fig⁃ure 6）。2015年车队中有大量车辆拥有最先进的轻量化技术，但并不像EPA估计的那么轻。基于CAR数据，Table 3显示了两辆车具有相似的整备质量但轻量化技术大不相同。车辆A/公司A与车辆B/公司B具有类似的整备重量，但车辆A具有更先进的轻量化技术。这将导致相对于车辆B减少额外重量的高得多的成本。如果车辆A具有与车辆B类似的轻量化技术，则其重量将比现在更大。

2015年NRC研究报告中的建议6.3提出了“基于材料的方法，可以查看整个车队，以更好地定义实施轻量化技术的机会和成本”。EPA使用整车队的整备质量方法，并且整备质量不相关涉及车辆中的材料技术。

表3 :Similar curb weight but different lightweight technology

?

（3）以往的CAR研究表明，2015年型车队的材料技术存在很大范围和显著差异。Figure 5显示了2015/2016年代车型评分范围（基于材料技术）。需要注意的是，与2011年本田雅阁相比，所有新车都拥有先进的材料技术。基于CAR的车辆实际材料数据库，很明显车辆的整备质量（针对占地面积进行调整）与材料技术（R2=0.0398）无关。

Figure 5：Lightweight Technology(Unibody)：Large Range

（4）在TAR草案中，EPA在2008年至2014年期间仅为车辆投影面积增加和安全规定提供了大量信贷。EPA没有对车辆内容进行调整，Figure 6列出了影响车辆重量的内容示例。虽然这些技术没有强制要求，但是这份清单表明消费者需要的这些技术以及几项提高安全性的技术。在TAR草案中，EPA估计由于未来强制的安全法规，重量会增加7.08−9.51公斤。OEM估计，因自动驾驶技术相关零部件的采用，未来的车辆可能会增加113−136公斤。

图6 Examples of Vehicle Content

（5）TAR草案中的EPA指出：

“重量减少的百分比是基于2014到2008年的整备重量变化，而不是应用的轻量化技术的数量。虽然轻量化技术确实并不总能为人们所了解，但可以获得代表美国大部分车队的广泛的材料技术细节。像CAR、A2Mac1和Munro＆Associates这样的组织拥有大量的车辆数据库以及轻量化技术，可以更好地了解2008至2015年间汽车制造商采取的大规模轻量化工作。

（6）2015年NRC研究报告指出：每降低一个额外重量单位的重量成本就会增加，较低的整备质量通常意味着较低的油耗，但汽车制造商可以通过提高动力系统效率或通过替代推进系统来实现更好的燃油经济性。来自TAR草案中的Figure 7显示，在过去的十年中，平均车重并没有改变，但燃油经济性和性能都得到了显著的提高，汽车制造商投入了大量资金和努力来做轻量化，但是车重没有改变，因为由于性能改进造成的重量增加抵销了轻量化的减重量，如高效的动力系统、安全性和更好的客户驾驶体验等。

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

成本曲线调整

一旦2015年车队的车辆初始重量减少百分比由整备质量法确定，则可调整开发的成本曲线，以反映比其2008年同类车辆更轻车辆的轻量化成本。虽然百分比基准质量减少量是根据车辆具体情况（以0.5%的MR增量）确定的，但EPA建模中使用的成本曲线调整量（$/车辆）是基于车辆类型。Figure 8显示了相对于2008年基线，2014年质量减少5%的车辆的移动成本曲线（蓝色）。

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年车队的车型采用不同的材料技术

（1）拆解研究得到的成本曲线部分是基于未来车辆材料技术的改进。这些成本曲线是为整个美国车队推算的。为了解释2008年至2015年期间的轻量化工作，成本曲线基于减少重量来调整。这种方法形成了一个内在的假设，即2008年车队中的每一辆车都使用了类似的材料技术−事实并非如此。例如，2008年丰田Venza主要是一辆低碳钢车辆;2008年凯迪拉克CTS主要部件采用了高强度钢;2008年BMW X6是一种混合材料车辆，应用了钢、铝和热塑性塑料;而捷豹的XJ采用的是全铝合金。

（2）根据2008/2010年时代车辆的拆解研究得到的成本曲线可能会低估2015年车队型中轻型高级车辆的成本，即使经过基于重量差异的调整。例如，福特已经在模具及其供应链上进行了大量投资，以开发大量使用铝合金的F−150卡车。在下一次重大设计升级中通过使用碳纤维等更好的材料来使这款先进的卡车进一步轻量化，可能并不现实，并且需要大量投资和市场拉动。汽车的平均重新设计周期为6年，而卡车可以是10年或更长。缩短重新设计的生命周期以及引入成本较高的技术将难以满足内部收益率或投资资本回报水平。

7 结束语

汽车制造商正在努力以经济、高效的方式满足温室气体和CAFE标准要求。EPA和NHTSA需要在最终确定规则之前评估法规的成本。EPA和NHTSA联合发布了技术评估报告草案，描述了他们对满足标准的技术和成本的分析。2008和2015年车型之间的整备质量差异（针对占地面积的增加和安全性进行了修正）说明已经实施的大规模减排努力。不幸的是，2008年的先进轻型车辆被认为与老的技术车辆相当，都在零起点。考虑到他们已经进一步提高了指数型轻量化成本曲线以实现额外的轻量化，因此在2008年前实施技术的积极性较高的制造商会受到惩罚。

与美国环保局的分析结果相比，根据2008和2015年车型之间的整备质量差异（针对占地面积的增加和安全性进行了校正），说明已经实施的大规模轻量化工作，NHTSA对轻量化的不同进展的分析是基于以下回归统计数据：占地面积、功率、强劲的HEV、PHEV、BEV、电池组尺寸、AWD、RWD、敞篷车。

EPA赞助了几项拆解研究项目，为汽车/CUV和轻型卡车开发两种不同的成本曲线。OMEGA模型用于预测达到标准和相关成本所需的质量减少量。CAR研究表明，整备质量不是车内材料技术的有效指标。美国国家研究委员会建议不要将从车辆拆卸研究中产生的成本曲线推断到其他车辆。

对丰田Venza、本田雅阁以及Silverado卡车、未经优化和过时的车型进行了昂贵的拆解研究。对于2009年的Venza和2011年的Silverado，由于设计目标和过时的设计而成为影响力很高，但是很低成本的拆解项目。来自这两种车辆的成本曲线并不代表当今的轻量化技术，也不应该包含在EPA成本分析中。

鉴于当今轻量化技术的范围以及对未来技术的猜测，估计美国车队的轻量化成本是一项庞大而复杂的任务。为车队建立了当前的基准也是很有用的，但是考虑到成本估算的巨大影响和范围（从每辆车从0到超过420美元/每减轻5%的重量），需要重新评估轻量化成本分析。拆解研究提供了良好的洞察力，可用于建立适用于材料研究的材料路径。有以下主要复杂性：

●当前轻量化技术方面的技术基准;

●当前车队基础技术分布的适当系列成本曲线;

●认识未来的技术，包括能够提高安全性和性能、但增加重量的自动驾驶技术;

●随着行业向更高强度的钢材、铝和复合材料转移，资本搁浅造成的成本后果;

●与资源可用性和产品开发时间相关的约束。

CAR认为需要根据2015年NRC研究报告的建议，根据材料技术对车队进行更多分析。应该根据舒适性、安全性和娱乐功能来调整添加到车辆的性能和客户期望的内容。在单个成本曲线应用于不同汽车制造商、不同车辆细分市场车型时，需要更谨慎。