汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟上的壓力。實驗證明，汽車質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

 

       汽車輕量化技術目的。采用現(xiàn)代設計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標。

 

一、汽車保有量持續(xù)上升，節(jié)能減排成各國重中之重

 

       經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，汽車保有量持續(xù)上升。2010-2016年我國汽車保有和產(chǎn)量快速上升。2016年國內(nèi)汽車產(chǎn)量2819萬臺，同比增長13.5%，汽車產(chǎn)量仍處于逐步上漲趨勢中。另2017年8月末我國民用汽車保有量達到2.05 億輛，汽車千人保有量為144 輛/千人，與發(fā)達國家每千人汽車保有量500輛左右相比，國內(nèi)汽車保有仍會持續(xù)上升。

 

2011-2017H1國內(nèi)汽車產(chǎn)量(萬臺)

 

 

2010-2017國內(nèi)汽車保有量（億輛）

 

 

       伴隨汽車保有量的增多，汽車排放污染引起注意。機動車大多是以汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機為動力，這兩類發(fā)動機均直接排放細顆粒物，其中汽油機排放的顆粒物相對較少，而柴油機排放量多，是城市PM2.5污染的主要排放源之一。北京市環(huán)保局發(fā)布的PM2.5來源解析報告顯示，在霧霾所有來源中，區(qū)域傳輸貢獻占28%~36%，本地污染貢獻，其中機動車污染占到31%，為主要來源。

 

北京PM2.5來源占比解析（2017年）

 

 

       各國為控制汽車排放量，紛紛提出汽車能耗和排放目標。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費國家和地區(qū)對乘用車燃油油耗的要求都將嚴格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴格（國內(nèi)在2020將采用國Ⅵ的排放標準）。

 

       汽車輕量化將成節(jié)能減排主攻方向。汽車行業(yè)的節(jié)能減排主要是指通過汽車制造商一些技術措施配合相應的國家政策，建立起完善的機制等來減少能源浪費和降低廢氣排放。主要技術措施為汽車輕量化技術、發(fā)動機關鍵技術、改善油品品質(zhì)和排放控制技術。其中，發(fā)動機技術與油品改善需要較長時間技術積累才能提升，而輕量化技術是目前最容易實現(xiàn)的技術，將成為減排主攻方向。

 

       汽車排放與汽車重量高度相關。在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低汽車尾氣排放。汽車整備質(zhì)量降低100Kg，汽車每百公里油耗將減少0.3~0.6L，汽車重量減低1%，油耗可減低0.7%，減排效果明顯。

 

 

       我國新能源汽車銷量快速增長。當前我國的新能源汽車發(fā)展主要由政策扶持，得到了飛速的發(fā)展。2016年，我國新能源汽車銷量為50.7萬輛，同比增長53%。截止2017年11月，新能源汽車11月當月銷量11.9萬輛，同比增長106.7%。

 

       新能源汽車銷量前景廣闊。到2020年，我國將形成新能源汽車200萬輛的年產(chǎn)銷量規(guī)模，平均年復合增長率達到41%，市場前景廣闊；預計2020年我國新能源汽車產(chǎn)量將達到242萬輛，CAGR達到46.88%；2020年新能源汽車車型將達244款，較2016年55款增增加189款。

 

新能源汽車11月銷量11.9萬輛，同比+106.7%

 

 

2014-2020年我國新能源汽車產(chǎn)量(單位：萬輛)

 

 

       迫于環(huán)境的壓力部分國家出臺禁售燃油車時間表。荷蘭、德國、法國和英國等在內(nèi)等多個國家都給出了禁售燃油汽車的時間表，新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)勢不可擋。國際上已經(jīng)有多個國家表態(tài)將在不久的將來全面禁售燃油車從。目前工信部也啟動了停止生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)能源汽車時間表的相關研究，也將會同相關部門制訂我國的時間表。這也是工信部針對燃油汽車禁售的首度表態(tài)。

 

       雖然新能源汽車銷量在各個國家持續(xù)走高，但是“里程焦慮”一直成為消費者購買新能源汽車的關鍵阻礙。在目前的鋰電池技術限制下，如果是低價位電動車，續(xù)航只有100多公里；而續(xù)航里程大的，則價格較高，如特斯拉的續(xù)航達480公里，價格達約70萬元，遠超普通消費者的購買能力。普通新能源汽車續(xù)航能力350公里以上，才能顯著消除消費者的焦慮。

 

       電池占汽車總重已達40%。通過加裝電池組數(shù)量來獲得里程數(shù)的提升，電池組總重達900Kg，已占總車質(zhì)量的42.7%，達到汽車總重的小半，想要繼續(xù)增加電池組數(shù)以至較為困難階段。

 

       新能源汽車電池能量密度短期內(nèi)較難提升。電池廠商欲通過提升動力電池密度提升從而提升電池里程數(shù)，目前，松下、三星、LG、CATL等第一梯隊動力電池廠商，電池能量密度在240-250Wh/kg區(qū)間，各家也在積極研發(fā)300Wh/kg以上動力電池處于測試研發(fā)階段，距離量產(chǎn)還有一定時間，短期內(nèi)顯著難以實現(xiàn)。

 

ModelS電池組占總重

 

 

各家三元動力電池密度對比（Wh/kg）

 

 

       輕量化是解決新能源汽車續(xù)航難題的最有效途徑。通過汽車自身減重成為車場關注的新方向。純新能源汽車每減少100Kg重量，續(xù)航里程可提升10%-11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本。由于汽車輕量化可顯著提高電池續(xù)航能力，已形成量產(chǎn)的產(chǎn)品有：乘用車、商用車的外覆蓋件、內(nèi)結(jié)構件等汽車輕量化車身件和新能源汽車電池盒的外覆蓋件等。

 

2.4. “限制排放”疊加“里程焦慮”，汽車輕量化成必然趨勢

 

       汽車輕量化優(yōu)勢明顯。所謂“汽車輕量化”，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，大幅降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性及續(xù)航里程，減少燃料消耗，降低排氣污染，甚至提升汽車操作性以及安全性。汽車輕量化優(yōu)勢凸顯，降低油耗和排放，汽車每減重10%，可減少油耗8%~10%，排放減少10%；操控性更強，汽車質(zhì)量降低，提升汽車轉(zhuǎn)向、加速及制動的靈活性；續(xù)航里程提升，電車每減重10%，續(xù)航能力增加5%~8%；提升安全性，有效減少事故時汽車勢能對外物的沖擊力。

 

       政策逐步落地推進國內(nèi)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自2015年以來國內(nèi)接連頒布汽車輕量化產(chǎn)業(yè)規(guī)劃政策與支持政策。其中2015年頒布的《中國制造2025》中，提出掌握汽車低碳化、輕量化材料等核心技術產(chǎn)業(yè)化，從關鍵零部件到整車的完整工業(yè)體系，推進輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展；2016年發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，指出應加快調(diào)整先進基礎材料產(chǎn)品結(jié)構，擴展高性能復合材料應用范圍，支撐汽車輕量化發(fā)展。

 

       汽車輕量化發(fā)展路線與目標已確定。根據(jù)2016年10月26日，中國汽車工程學會節(jié)能與新能源汽車技術路線圖發(fā)布會中，指出汽車輕量化技術將成為汽車行業(yè)未來重點發(fā)展目標之一。其中要在2025年，力爭整車質(zhì)量平均減輕20%，汽車鋼鐵比例占汽車總重的30%，單車用鋁合金達到250kg，單車用鎂量達到25kg，碳纖維使用量占車輛比重的2%。

 

節(jié)能與新能源汽車技術路線圖

 

 

       輕量化材料的開發(fā)和應用是當前汽車輕量化技術的主要研究方向。汽車輕量化技術分為結(jié)構優(yōu)化、材料升級和工藝創(chuàng)新。其中，結(jié)構優(yōu)化和工藝創(chuàng)新側(cè)重于汽車前期設計與制造工藝層面，以目前國內(nèi)的技術水平來看，汽車輕量化程度提升空間不大，研發(fā)周期較長；而對汽車材料的更換和升級，能從根源減少汽車總重量，可行性更強，成為汽車輕量目前階段最主要方向。

 

       輕量化材料有著不同的特性。車身輕量化材料主要的技術路徑主要包括超強度鋼、鋁部件、復合材料玻纖碳纖等，不同國家選用的方向不同。歐洲選用的技術路徑主要是采用復合材料玻纖碳纖進行替代，美國基本是用鋁，比如特斯拉，國內(nèi)剛起步，技術路徑還未確定。不同材料在強度、質(zhì)量、耐蝕、抗熱、抗震和加工性等均有自身不同的優(yōu)勢，也決材料在不同汽車零件上的應用。參考國外的技術路徑，復合材料與鋁合金將成為未來汽車輕量化的兩個主要材料方向。

 

1、鋁合金汽車輕量化特性優(yōu)于鋼材

 

鋁合金作為輕量化代表材料在整車制造上廣泛應用基于如下優(yōu)點：

 

       1）重量大幅減輕。在強度、剛性滿足安全要求的同時，使用鋁合金可大大減輕車輛的自重，一般來說鋁合金車輛比鋼質(zhì)車輛輕30%～50%。

 

       2）優(yōu)良的耐火、耐蝕。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優(yōu)良的導熱性，其散熱性比鋼更好。鋁合金表面易形成一層致密的氧化膜，因此鋁合金比鋼質(zhì)車體具有更好的耐腐蝕性能。

 

       3）吸收沖擊力好。鋁的吸收沖擊能力是鋼的2倍，在碰撞安全性方面有明顯優(yōu)勢。

 

       4）便于加工、制造、維修。鋁合金件的易于更換,不需除銹,適用于各種表面處理,便于維護,還可以回收的特點使制造工藝大大簡化,制造所需工作量也較鋼質(zhì)車體大大減少。

 

       鋁金屬用于汽車零件及車身技術已發(fā)展成熟。特斯拉、BMW以及Audi等皆運用了大量鋁材在整車設計中，大幅減輕了汽車的總重；國內(nèi)比亞迪、江淮、北汽等也將鋁材用于動力總成箱中，以降低汽車重量。

 

2、 復合材料汽車輕量化較傳統(tǒng)金屬材料優(yōu)勢明顯

 

       復合材料是由兩種以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)過一系列物理、化學變化各種工藝進行復合的一種材料，它具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、絕緣、耐溫、可設計性強、工藝性好等一系列特點。復合材料經(jīng)過70年的發(fā)展，在全球范圍內(nèi)已形成一個重要的技術產(chǎn)業(yè)。碳纖維復合材料、玻纖維復合材料等先進材料和技術都在汽車復合材料中得到應用。

 

       復合材料在汽車許多部件上已實現(xiàn)替代。輕量、安全、節(jié)能、環(huán)保是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢，而傳統(tǒng)的汽車金屬材料發(fā)展變化較小，已越來越難以滿足這些要求。復合材料特性可以適應這種變化的趨勢，因而發(fā)達國家汽車制造業(yè)一直把復合材料視為理想的汽車輕量化材料。復合材料以其高性能及適應性強的特點，滿足汽車部件的不同需要，已在許多部件上替代原來的鋼、鋁等傳統(tǒng)材料。

 

       復合材料曲面零件可設計性。汽車的形狀從節(jié)能的角度考慮應當設計成空氣阻力最小的結(jié)構，但必須兼顧其美觀性。具有一定厚度的鋼板沖壓成型時，其曲面的形狀往往受到限制，而使用復合材料時利用它的流動性，比較易于制成各種形狀的曲面，容易達到按空氣動力學設計的要求以及滿足美觀方面的需要。

 

       復合材料的零件性能可設計性強。通過調(diào)整纖維結(jié)構、排列可以制成各向異性和不同厚度的制品，還可以實現(xiàn)夾芯結(jié)構，以達到最佳輕量化方案。把纖維按照受力方向進行排布，可充分發(fā)揮復合材料強度不等向性來達到節(jié)約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于屬性均勻，在滿足受力最大方向上的技術要求后，另一個方向強度就會過剩。

 

       零部件一體化，縮短開發(fā)周期。復合材料制品一般是材料制造和產(chǎn)品成型同時完成。復合材料通過合理的模具設計，可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型，適合于制造用金屬板難于制造、生產(chǎn)效率低、難于保證精度的汽車零件。例如日產(chǎn)“布爾巴特”汽車前端板，用鋼板制造時由20多個零件組成，而用復合材料用7個零件就可以?？偝?、整體化則是汽車結(jié)構的一種發(fā)展趨勢。

 

 

1、碳纖復合材料有望成為汽車結(jié)構件輕量化材料主線

 

       1）、碳纖維復合材料汽車輕量化

 

       碳纖維復合材料應用將成未來車身結(jié)構輕量化的主要途徑。碳纖維復合材料之前主要應用在航空航天領域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復合材料，碳纖維復合材料占結(jié)構重量的50%。伴隨航空技術向乘用車領域轉(zhuǎn)移，碳纖維復合材料在很多特性上超越傳統(tǒng)材料，將成為汽車車身機構輕量化中材料的主要方向。

 

       在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復合材料具有質(zhì)輕、高強、抗沖擊和耐腐蝕等優(yōu)異特點。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的車身重量是鋁合金等材料減重的2倍；同時，碳纖維復合材料比重不到鋼的1/ 5但比強度卻是鋼的8倍，但擁有比金屬材料高5倍的能量吸收能力使其具有優(yōu)越的安全性能。用碳纖維復合材料結(jié)構取代目前的鋼體車身，可大幅減重高達60%，進而提高30%以上的燃油效率，新能源汽車上能平衡多裝電池所帶來的重量。

 

汽車材料屬性對比

 

 

       德國引領世界汽車碳纖維材料發(fā)展。由于歐洲在能耗和排放的政策上越發(fā)嚴格，使得汽車減重減排成為必然趨勢；并且，德國是目前豪華品牌車型最多的國家，新材料、新技術對于高端車型也會有著科技豪華感的加持作用，所以德國以為代表的車企對于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是寶馬在碳纖維車身方面都處于行業(yè)領先地位。

 

       2015年德國新生產(chǎn)汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國家，到2020年新材料的使用趨勢會繼續(xù)上漲，將達到35%左右；同時，進一步降低低碳鋼在汽車車身中的使用比例至原來的一半20%，提升高強鋼的占比至45%。

 

德系：汽車車身不同材料組成占比

 

       寶馬新能源汽車引領全碳纖維車身發(fā)展大潮。寶馬新能源電動車i3與i8整備質(zhì)量1224kg與1540kg，明顯領先雪佛蘭Volt、比亞迪e6、Tesla Mode S與Model X。寶馬i3與i8的超輕體重的核心技術就是大量使用碳纖維增強復合材料（CFRP）。

 

        寶馬i3上，寶馬采用創(chuàng)新的LifeDrive模塊構架，將車體分成Life和Drive兩個部分。車身不再負責傳遞承載的重任，這樣代表Life部分的乘坐模塊就有了更大的發(fā)揮空間，正好給寶馬i3的減重提供了機會：Life模塊采用的正是碳纖維增強復合材料CFPR構成。通過大量使用CFRP，寶馬i3減輕了300kg，在很大程度上彌補了電池帶來的重量，這也是寶馬i3比別的電動汽車輕很多的原因。

 

新能源車型質(zhì)量對比（kg）

 

 

       碳纖維復合材料車身結(jié)構給汽車帶來的好處不僅僅是減重。

 

       全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車的安全性。

 

       舒適度。碳纖維復合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復合材料2秒就能停止，故碳纖維應用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。

 

       可靠性。碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。

 

2）、碳纖維復合材料總裝環(huán)節(jié)少，規(guī)?；瘧镁邆洚a(chǎn)業(yè)可行性

 

       碳纖維復合材料價格高和加工效率低是阻礙碳纖維復合材料大規(guī)模使用的主要因素。使用碳纖維復合材料的成本達到20美元/kg，鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車全屬零件采用沖壓制成，一般需要1分鐘內(nèi)即可完成，而碳纖維復合材料制品生產(chǎn)的編織、注膠和冷卻工序需要數(shù)小時，這也制約碳纖維材料的大規(guī)模量產(chǎn)。

 

汽車輕量化材料成本（美金/kg）

 

 

       碳纖維復合材料未來空間巨大。2020年之后，碳纖維復合材料的成本在將降至70元/kg，生產(chǎn)效率也大幅提升至2分鐘出一件，良品率也將大幅提升至95%； 2013年以來我國汽車產(chǎn)量保持在2300萬輛以上每年。市場空間測算假設：

 

       假設2020年汽車產(chǎn)量將在2300萬輛每年，同時假設每輛車平均車重約為1500KG，預計碳纖維復合材料在汽車行業(yè)滲透率達2%；同時，假設碳纖維復合材每千克成本為70元。測算2020年之后，汽車碳纖維復合材料市場空間達483億元。

 

碳纖維復合材料市場空間測算

 

 

       目前國內(nèi)碳纖維汽車輕量化處于起步階段，主要碳纖維汽車零件廠商為海源機械和康得新；海源機械的復合材料液壓成型技術主要為自己開發(fā)，而康德新的復合材料成型技術主要依靠德國技術導入，海源機械擁有顯著技術成本優(yōu)勢，有望率先啟動規(guī)模效應。

 

2、玻纖維復合材料將成汽車非結(jié)構件輕量化主線

 

1）、玻纖維復合材料汽車輕量化

 

       玻纖復合材料是改性增強塑料，是指在塑料中增加材料來玻璃纖維來提升力學性能，適合在汽車領域中對于部分金屬部件進行替代。玻纖維復合材料具有密度小、易成型、設計靈活美觀、耐腐蝕、耐沖擊、抗振、隔熱、隔電、易于涂裝、強度高、成本低的特點，成為廣泛用于汽車內(nèi)外裝飾件和功能結(jié)構件的主要材料。

 

       玻纖維材料在汽車零件中的使用。在整車制造中改性增強塑料占整車重量的9%；玻纖維增強塑料制造的前翼子板、發(fā)動機罩、尾板等在汽車車身上已普遍應用；在座椅骨架、保險杠、電池托架、儀表板、地板、護板、發(fā)動機罩蓋、腳踏板、后背門等部件上得到運用。

 

汽車整車中各種材料占比

 

 

       玻纖維復合材料較碳纖維價格便宜很多，但玻纖維較脆受到?jīng)_擊易斷裂，并且強度達不到碳纖維那么高，受熱較碳纖維變形程度較大，所以玻纖維更適合制成汽車非結(jié)構件、裝飾件，而碳纖維運用在車身結(jié)構件中較多。

 

2）、長玻纖復合材料將替代短波纖維，國外整機廠已廣泛使用

 

        長玻纖復合材料強度優(yōu)勢明顯。在汽車玻纖復合材料玻纖增強材料根據(jù)塑料粒子的長度和玻纖維的長度可分為短玻纖增強塑料SFT和長玻纖增強塑料LFT，短玻纖離子長度為0.2-0.4mm，長玻纖長度更長為2-4mm、排列更規(guī)律，所以具有更強的強度、剛度。

 

長玻纖與短玻纖復合材料對比

 

 

       長玻纖材料汽車部件已被廣泛應用。長玻纖增強塑料已被福特、大眾等知名國外汽車生產(chǎn)商廣泛用于生產(chǎn)汽車前端模塊、車門模塊、電池托架、儀表盤、保險杠梁、噪音屏蔽等汽車零部件；國內(nèi)自主品牌例如長城、上汽、吉利、奇瑞、長安等乘用車近年也逐步開始涉及玻纖復合材料輕量化領域，部分企業(yè)以開始量產(chǎn)并應用。

 

       我國玻纖維復合材料未來有提升空間。我國改性塑料市場， 2016年改性塑料使用量最高的是德系車，其改性塑料的使用率達到22%為300-360kg，歐美國家的平均水平達16%為210-260kg，我國乘用車單車的改性塑料使用率只有8%為100-130kg，未來國內(nèi)市場有較大提升空間。市場空間測算與假設：

 

       假設我國改性塑料單車使用量將達到16%，按照整車質(zhì)量1500kg計算達到240kg。2013年以來我國汽車產(chǎn)量保持在2300萬輛以上每年，預計2020年汽車產(chǎn)量將在2300萬輛每年；同時，改性塑料市場均價約為1.8萬元/噸；假設玻纖維材料在改性塑料中占比50%。測算2020年，玻纖維復合材料在國內(nèi)汽車領域市場空間達496.8億元。