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【缴文超/陈雯/王伟】汽车轻量化专题系列一:多因素促成汽车轻量化趋势

缴子金融2019-11-12 12:05:50

所谓汽车轻量化,是指在保证汽车安全等各项重要指标都满足国家和行业标准要求的情况下,为了增加能源的利用效率,使其更加节能、安全,通过采用各种先进的技术或特殊材料尽可能地减轻汽车质量的过程。近段时间,关于禁售燃油汽车的新闻不绝于耳,2017 年 9 月 9 日,我国工信部副部长辛国斌也透露工信部已经启动了传统能源汽车退出时间表的研究。当然,后来有人辟谣说 “德国的 2030 年禁售燃油汽车的消息是假的,仅仅是绿党的要求,也没有进一步的信息证实这是德国政府的决定。” 对于其他国家来讲,禁售燃油汽车也更多的停留在提议阶段。尽管如此,我们仍然需要看到新能源汽车已成为一大趋势,特别是 2017 年 9 月,工信部正式印发《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分幵行管理办法》,该办法将从 2019 年起正式开始考核,乘用车企业 2019-2020 年的新能源汽车积分比例要求分别为 10%/12%,现有车企势必需要加快新能源汽车的推广,该《办法》将提速中国新能源汽车市场。由于新能源汽车的发展、燃油车节能减排的压力,汽车轻量化材料的需求量有望增加。我们主要是从这个角度出发,对汽车轻量化材料进行研究。

一、 节能减排倒逼+新能源汽车发展,轻量化趋势到来 

1.1 汽车产销量保持增长,尾气排放与能源紧缺刺激汽车轻量化未来 

近年来,中国汽车产销量持续增长,2016 年汽车产量达 2812 万辆,同比上升 14.8%,销量 2803 万辆,同比增长 13.9%。从渗透率角度来看,我国汽车行业仍颇具潜力。目前,中国的千人汽车保有量仅为 205 辆,在各国中排名第 73 位。中国的汽车渗透率不仅远远低于欧美等发达国家和地区, 还低于马来西亚、巴西等发展中国家。可以看出,目前我国汽车渗透率还处于较低的水平。随着人们生活水平的提高和城镇化的推进,我国汽车的刚性需求依然强劲,未来中国汽车有望保持持续稳定增长,且空间很大。

另一方面,人们对汽车舒适度和安全性能的要求越来越高,比如更豪华的内饰、安全气囊、ABS 和 ESP 配件等,而这些也都需要更大的尺寸和重量,而随着汽车重量的增加,发动机缸体加大,水箱、油箱、排气、水泵、油泵等都加大,汽车重量进一步增加,这就导致了汽车更大的油耗量和排放量, 这不符合我国乃至全球节能减排的趋势。

一般来讲,汽车行驶时要克服四种阻力(滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力),其中三种(滚动阻力、坡度阻力和加速阻力)与重量成正比,统计表明,车重减少 10%,其燃油经济性可以提高 6%-8%。

幵且,随着汽车产销量的不断增加,对环境造成的问题也日益突出。2016 年 1 月,环保部发布《2015 年中国机动车污染防治年报》,2014 年全国机动车排放污染物 4547.3 万吨,是污染物总量的主要贡献者,其排放的氮氧化物和颗粒物占比超过 90%,碳氢化合物和一氧化碳占比超过 80%。2014 年 4 月,北京发布 PM2.5 来源解析结果:全年 PM2.5 来源中,区域传输贡献约占 28%至 36%,本地污染排放贡献占 64%至 72%。在本地污染贡献中,机动车排放比例最高,达 31.1%。统计表明,车重每减少 10%,排放下降 4%。

除此之外,汽车对石油资源需求和石油资源短缺的矛盾也日益突出,各国控油计划也加快推进。从我国自身来讲,我国石油对外依存度持续上升,从能源安全的角度来讲,我国发展轻量化也在情理之中。

按欧洲和我国的汽车油耗评价方法,对于乘用汽油车,每降低 100kg,最多可节油 0.39L/100km。根据工信部发布的《乘用车燃料消耗量第四阶段标准》:到 2020 年,乘用车新车平均燃料消耗量达到 5 升/百公里;到 2025 年,乘用车新车平均燃料消耗量比 2020 年降低 20%。

针对 2020 年我国乘用车产品平均燃料消耗量达到 5L/100km 的目标,汽标委从整车、发动机、变速器、车轮/轮胎等几个方面,组织开展较大规模的节能技术发展及应用状态调查,最终从减少车辆行驶所需阻力、提高热动能量转换效率、减少能量传输过程损失、减少辅助能量消耗、优化车辆能量管理等 5 个方面,提出了应对 2020 年节能标准的技术选项,最容易实现的、潜力相对较大的当是汽车轻量化。

1.2 新能源发力+电池续航瓶颈,推动轻量化产业发展 

国家政策大力支持新能源汽车发展,2017 年 9 月,工信部正式印发《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》,该政策一方面督促各类车企降低自身燃料消耗水平,积极推进节能减排,另一方面大力倡导新能源乘用车逐步向高度能源清洁转变并增加其市场渗透率。我们可以看下国内新能源汽车的发展历程,从 2013 年的纯概念期,到如今全球第一大新能源汽车市场,2016 年我国新能源汽车产销量突破 50 万辆,同比增长 50% 以上,估计 2017 年产销量将突破 70 万辆。

与此同时,汽车生产商也提出了新能源汽车领域的规划。(当然,一定程度上是因为 2020 年欧洲要求所有厂商生产车辆的平均二氧化碳排放要降到 95g/km。

对于新能源汽车来说,更需要通过轻量化技术来平衡使用动力电池带来的质量增加。如图所示为 2015 年国产燃油车和新能源汽车的对比情况,由图可以看出,新能源汽车产品的名义密度明显偏大,在短期内无法提升电池能量密度的前提下,亟需通过轻量化来提高新能源汽车产品的竞争力。

但是,对于新能源汽车来讲,新能源汽车无法远距离续航的问题成为人们选择新能源最纠结的关键。针对这一问题,我们认为,未来的破局需要从两个方面来看,第一个显而易见是电池容量的增加, 第二个就是汽车本身的节能,那么从这个角度来看,轻量化也是一个必然的选择。

1.3 汽车轻量化是未来汽车发展的必然方向 

国内外对汽车燃油排放值标准的不断提高和出台鼓励发展节能环保小排量汽车政策,都清晰地勾勒出了整车轻量化是未来汽车发展的必然方向。燃油限制要求新能源逐步替代传统燃料,在锂电动电池性能无法快速大幅提升的同时,就对汽车本身的性能提出了更高的要求。受能源形式限制,更轻的车身可降低能耗,成为延长里程的主要突破方向之一。 

随着新能源汽车的发展,特别是纯电动客车的推广,对续航里程和 Ekg(单位载质量能源消耗量) 的要求越来越高。在相同电量下,整备质量越大,续驶里程越显得捉襟见肘,所以车身轻量化必定成为新能源汽车的必然选择。

其实,一些品牌早就开始了轻量化的道路,以日产公爵和大众高尔夫为例,最新的几代车重量已经开始减少。

2016 年 10 月,受工业和信息化部委托,中国汽车工程学会牵头的节能与新能源汽车技术路线图正式发布。其中,汽车轻量化技术作为未来发展的重点目标之一,给出了详细的发展要求与规划:

另一方面,国家相关部门不断出台产业政策支持汽车轻量化的发展:


二、 汽车轻量化有利性能提升,我国轻量化发展落后 

2.1 无需置疑,汽车轻量化有助于性能提升 

以汽车行驶过程受到的滚动阻力为例,我们来看, 

汽车的滚动阻力 F=μmg,其中,μ 为滚动摩擦系数,m 为汽车质量,g=10m/s^2。 

很容易就可以看出,汽车的滚动阻力与质量正相关。 

我们再从油耗的角度来看,考虑进加速阻力,假设两辆车同时提速,加速度 a 假设为 5m/s^2,假设两辆车的质量分别为 1200kg(车 1)和 1000kg(车 2),假设 μ 为 0.02,那么两辆车的发动机牵引力分别为:

如果这两辆车除了质量以外,别的部件完全相同,那么同样的加速度下,需要的油耗相差较大。换个角度思考,汽车轻量化有利于操控性能的提升,并且在碰撞时由于惯性小,制动距离也将减少。

2.2 自主品牌轻量化水平距韩日尚有差距

一般来讲,衡量轻量化有两个比较重要的指标:名义密度和整车轻量化指数。 

名义密度,即为汽车整备质量与名义体积的比例,

 ρ=M/V

其中,M为汽车整备质量,单位为kg;名义体积定义为V=LB(H-G),L为整车长,B 为整车宽,H为整车高,G为最小离地间隙。名义密度越小,车辆的轻量化水平越高。

下图展示了自主品牌、合资品牌、日系、韩系、欧系、美系乘用车名义密度的对比情况,可以看出, 自主品牌与合资品牌名义密度差不多,高于日系车与韩系车,低于欧系车和美系车,日系车名义密度最小,美系车名义密度最大。

整车轻量化指数,此指数考虑了汽车质量、名义体积、油耗和发动机指标等多个因素,表达式为:

式中,V 为汽车名义体积,单位为 m^3;Q 为百 km 综合油耗,单位为 L/100km;P 为发动机功率, 单位为 kW。 

下图展示了自主品牌、合资品牌、日系、韩系、欧系、美系乘用车整车轻量化指数的对比情况,可以看出,日系车整车轻量化指数最小,欧系车整车轻量化指数最大,自主品牌车的整车轻量化指数落后于日系车、韩系车、合资品牌以及美系车。并且,通过计算可以得出,自主品牌相对于轻量化程度较好的日系车品牌尚有11.79%的轻量化潜力。

综合来看,如果只考虑质量和体积因素,我国自主品牌轻量化水平尚可,但是若考虑近油耗、发动机指标等多因素,我国自主品牌尚有较长的路要走。


三、 材料多样,各尽其用 

其实概括来说,如今市面上轻量化车身的技术路径大概分为三种:

  • 一是汽车结构的轻量化优化设计,如结构拓扑优化、尺寸优化、形貌优化和多目标协同优化设计等。 

  • 二是应用高强度和轻质材料;如应用高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢,铝镁合金,工程塑料、纤维增强复合材料等。

  •  三是采用先进的轻量化制造工艺技术。如激光拼焊、辊压成形、高强钢热成形、内高压成形等先进制造技术,结构胶粘接和异种材料铆接等先进连接技术。

结构优化设计和轻量化成型制造工艺主要侧重于车辆前期设计和生产制造过程层面,若需进一步优化需大幅提升技术、工艺,在目前技术水平下提升空间不大;新材料应用是目前汽车轻量化的最主要途径,也是目前整车厂和汽车零部件厂商加大研发和推广力度的重要环节。真正的轻量化不是减配,而是在原来的性能目标基础上进行优化,通过从材料、工艺、结构上面的重新设计,实现更加轻盈的整车重量。在轻量化设计中,在不牺牲结构整体性和其他性能的前提下,既要考虑材料 “轻” 的特点,还要考虑材料的安全性、可加工性、可回收性和经济性。

下图是“2016 年汽车工程学会年会暨展览会”上欧阳明高(汽车安全与节能国家重点实验室主任) 发布了《节能与新能源汽车技术路线图》,里面对汽车轻量化技术路线进行了明确:

汽车的制造涉及许多材料,如高强钢、铝、镁、铜、塑料、玻璃等,这些轻量化的材料可以被用在保险杠内梁、车架、汽车结构件等地方。在过去的几十年,有相当多的材料已经被用于实现汽车的轻量化。

简单来讲,汽车轻量化材料可以分为高强度材料和轻质材料,高强度材料一般指的是高强度钢,轻质材料包括铝合金、镁合金、塑料及复合材料等。

我们对各类材料的优缺点,以及大概的应用部件和应用情况进行了对比,具体如下表所示:

通过对 1915 年、1995 年以及 2015 年车型用材的比较,可以看出,铸铁、钢的比例在减小,铝材、复合材料及其他轻质化材料的占比在逐步提升。


Audi 奥迪 R8 采用全铝车身设计,R8 车身的高性能复合材料被称为 Audi Space Frame(AFS),其总重量不到钢铁车架的一半重,但是强度和抗冲击性能都十分出色。整个车体成分里,70%是铝合金、13%是增强碳纤维(CFRP)。用奥迪自己的话来说就是:“把正确的材料以正确的数量放在正确的位置”

从减重性来看,高强度钢-铝合金-镁合金-碳纤维呈现减重效果递增的态势,从成本端来看,高强度钢-铝合金-镁合金-碳纤维呈现成本递增的态势。铝合金性价比较高,且技术相对成熟,是现阶段绝大部分车企减重的优选材料。碳纤维材料拥有最理想的减重效果与综合性能,但造价过高,未来随着技术解禁,生产规模扩大,有望带来新一轮的投资机会。 当前轻量化材料的应用,我们总结来看:

对于低价位的车,在材料选用上主要以钢为主+玻璃纤维增强塑料; 

对于中价位的车,在材料选用上主要以钢为主+少量铝+玻璃纤维增强塑料;

对于高价位的车,在材料选用上主要以钢为主+多量铝+玻璃纤维增强塑料; 

对于品牌车,在材料选用上主要以铝为主+钢、塑混合应用(或)碳纤维增强塑料。 


四、 投资建议 

一方面,燃油车节能减排压力的日益加大,另一方面,在电池技术迟迟没有大突破的前提下,续航问题困扰着新能源汽车的普及过程中的消费者。从这两个角度出发,我们认为汽车轻量化是未来汽车发展的必然趋势,建议重点关注铝合金或复合材料类的汽车零部件企业。 


五、 风险提示 

新能源汽车推广不达预期风险、消费者对轻量化汽车不认可风险。