汽车轻量化发展趋势

1、背景

随着近年来我国对环境污染整治方面的重视与力度的加强，国内机动车污染排放已开始逐年放缓，同时在‘双碳’目标之下，我国对未来15年内的汽车百公里油耗做出了相关要求。2020年《节能与新能源汽车技术路线图2.0》发布，该‘路线2.0’提出，至2025 年乘用车（含新能源汽车）油耗、传统能源乘用车油耗目标分别为4.6L/100km和5.6L/100km，至2035 年分别达到2.0L/100km与4.0L/100km的目标。

图1 技术路线图2.0部分内容

诸君应该清楚，车辆的油耗与车子自身的重量息息相关，在不影响整车强度和安全性能的前提下，尽可能的减轻车身重量将有利于降低车子的百公里油耗值以及提升新能源汽车的续航里程。诸君应也常听说日系车省油吧，这整车整备质量小在其中便起到了关键作用。

据世界铝业协会报道，当汽车整车重量每降低10%时，燃油效率可提高6%-8%。据大众汽车研究数据显示，当汽车整备重量每减少100kg时，其每公里所排放的二氧化碳将减少8-11g，百公里油耗可降低0.3-0.5L。据我国新能源汽车技术创新中心研究表明，整车重量每降低10kg，续航里程可增加约2.5km。

表1 整车重量下降所带来的性能变化

整车轻量化对于节能减排目标的实现有着重要意义，因此无论是对于传统车还是新能源汽车而言，轻量化都将是汽车行业的发展方向之一。而在新能源汽车作为未来汽车发展的主要方向之一，且新能源汽车的渗透率逐年增加的当下，轻量化可在整车续航里程、降低成本等方面做出重要贡献，因而轻量化对于新能源汽车具有更加重要的意义。

2、轻量化主要路线

从整车的组成、结构以及材料等方面分析，轻量化的途径应主要包括材料、工艺、结构三个维度，车企或将从整车的车身、底盘、动力、内外饰、系统以及线束等多个方面着手。

材料方面：对于大部分的中低端车型而言，传统车身的主要材料是钢铁、铝合金和塑料，而其中钢铁的占比约为62%，铝合金和塑料的占比约为8%-10%，而具有更低密度的镁合金占比不过0.3%。因此通过选择合适的材料对传统的钢铁材料进行替代便是轻量化的主要目标之一了。

图2 中低端车型各材料占比

目前在行业中所使用的诸多材料中，可用于替代钢铁的主要有如高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等材料，这其中出于成本等因素的考量，高强度钢或是短期的较优选择，而长期来看，铝合金材料或更具优势。有许多机构也曾对此进行过研究，并整理了各材料在应用上的优势，如下：

表2 汽车轻量化材料对比（来源：民生证券）

从上表中可以看出，碳纤维材料在性能方面是最具优势的，但同时其成本也是最高的，因此该种材料的大范围应用我们大多只能在豪华/超豪华车上见到，普通车型依旧以钢材为主。

图3 奥迪A3与A8车身材料对比

行业中之所以对铝合金的应用更加具备信心，这或是出于铝合金的应用在减重的同时可提升整车的性能。

表3 铝合金应用优势

工艺方面：通过先进的创新工艺实现车身轻量化目标是目前诸多车企正在进行的工作之一，这其中一体化压铸技术由于可在成本、工序流程、生产制造时间等方面得到极大的优化空间，因此在特斯拉推出该技术之后，便成为了业内车企布局的热点。

图4 一体化压铸技术发展

一体化压铸技术相对于传统的冲压之后再焊接的工艺而言，是通过将原本‘分散’的组件高度集成，然后通过一次性压铸工艺得以完成生产。

图5 一体化技术思想

如特斯拉的Model 3(图片|配置|询价)采用了传统工艺制造，其后地板有70个零部件，而采用了一体化压铸的Model Y仅有2个零部件。而尽管Model Y的尺寸要大于Model 3，但其一体化压铸的车身仅重66公斤，比尺寸更小的Model 3同部位轻了10-20公斤。

图6 一体化工艺将零件集成

这过程中由于零件趋于整体化，原本多道生产工艺得以缩减，工艺流程的减少，导致对于原本的生产设备数量的要求也减少了，仅需一台大型压铸设备以及少量的辅机便可完成，设备的减少进而对于生产占地的需求自然也就降低了，有研究表明采用一体化压铸技术后，工厂占地面积可减少30%。

图7 一体化压铸技术工序流程减少

同时由于工序流程的减少，整体的生产时间大大缩短了，同时对于人员的需求也降低了，而生产效率则得到了提升。

图8 特斯拉采用一体化工艺后对比

铝合金在车身应用上主要采用压铸工艺，一体化压铸技术的应用，将会进一步推进该材料在未来的增长。

结构方面：通过优化整车拓扑结构的方式实现整车的轻量化目标，典型的方式便是电子电气架构的高度集成与机械结构的高度集成。

在车身与底盘方面，通过CTC/CTB技术结合一体化压铸技术，将动力电池与车身进行集成，减少冗余结构，以此来减轻车身与电池包的总重量。据研究，CTC技术有望降低车身10%的重量，对应的续航里程将增加14%左右。以续航500km的车子为例，若保持续其航里程不变，采用新结构、新工艺的整车安装的动力电池容量可减少约10kwh，按当前动力电池的价格诸君可大概估算一下采购成本降低了多少。在国内新势力中，在CTC技术上零跑汽车率先做出工作。

图9 零跑CTC

新能源动力方面，主机厂、供应商热衷于推出多合一产品，将电机、电控、BCU、PDU、DCDC等集成为一体，以节省布置空间的同时减轻整体总重量，如华为的七合一、比亚迪的八合一等产品。而在混动方面，将发动机壳体与发电机等零部件集成亦是主机厂在轻量化方面的工作之一，在这方面理想则走在了行业前头。部分车企出于成本、技术趋势等方面的考虑，将传统零件进行优化删减，如取消OBC等，如蔚来、智己等车企已经在部分车型上率先行动了。

图10 各厂家结构优化后的多合一产品

系统方面，通过发展高集成电子电气架构，将传统上百个的分布式ECU集成为数个域控或一个中央集成控制器，以此来降低整车零部件所带来的重量。

图11 VOLVO汽车ECU数量超过100个

图12 VOLVO SPA2架构将分布式控制器集成为中央控制

线束方面，通过电子电气架构的高度集成以减少线束的使用，同时通过无线技术对传统技术进行更迭以降低线束的使用，目前凯迪拉克在其新能源底盘平台上已经应用了该技术。该技术相对于传统技术而言可减少电池模组90%的线束使用。

图13 凯迪拉克新能源底盘wBMS技术

在汽车行业朝着轻量化发展的同时，主机厂、供应商们应防止陷入为了轻量化而轻量化的漩涡之中，一切还需以在保证安全、性能不变甚至有所提升的同时去实施相应的轻量化方案，抛弃了安全而所做的一切工作都是无意义的。

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