汽車輕量化發展趨勢、挑戰與商機──北汽專業總師曹渡專訪

今後5-10年，由於節能減排和新能源車的需要，新材料將被汽車業大量嘗試和應用。多種材料的搭配設計利用，最大限度地利用各種材料的性能優勢，從而達到減重和成本優化的目標是今後發展趨勢。

汽車產業歷來是全球持續發展的主要產業之一，但由於其與日俱增的保有量及產量的激增，對於不可再生的燃油消耗及環境污染帶來了巨大壓力。隨著節能減排和環保政策的日益嚴苛，在政府大力發展新能源汽車等利好政策下，汽車輕量化成為大勢所趨。汽車輕量化是集多學科於一體的系統化工程，主要有3種實現途徑：輕量化設計、輕量化材料和輕量化工藝。而車身重量約佔汽車自重的1/3，車身材料的選擇對汽車輕量化至關重要。記者特約對北京汽車股份有限公司汽車研究院專業技術委員會專業總師曹渡進行專訪，曹渡先生對塑料複合材料在汽車輕量化的應用趨勢分享了獨到見解。

曹渡認為，輕量化是新材料發展的一個機會和市場。「中國的自主品牌整車重量與歐洲、北美相比，重5%-10%，商用車重15%-20%。就此看來，中國輕量化市場的空間很大，而材料是汽車減重方法之一。由於塑料複合材料的比重較鋼材、鋁材等金屬材料的比重大大減小，當其他性能目標及功能目標同時能夠達到的前提下，輕質材料如塑料複合材料就有了替代傳統金屬材料的一個機會。所以在今後的5-10年，由於節能減排和新能源車的需要，新材料將被汽車業大量的嘗試和利用。」

塑料複合材料發展四步曲

曹渡認為，輕量化的含義是合適的材料用在合適的地方。多種材料的搭配設計利用，最大限度地利用各種材料的性能優勢，從而達到減重和成本優化的目標。他曾提出「塑料複合材料輕量化應用技術發展四步曲」。第一步為2014-15年以改性塑料在內外飾及動力總成應用為主，玻纖增強複合材料在量產車上部分應用；第二步為2014-18年重點推廣應用玻纖增強複合材料（LFT）和改性工程塑料，開展碳纖維複合材料量產應用技術研究；第三步為2018-2020年開始全面推廣碳纖維複合材料在量產車上使用，重點進行生物可降解材料應用技術研究；第四步為2020年碳纖維複合材料和各種特種塑料在量產車上全面應用，生物可降解材料開始量產應用，出現較多全複合材料汽車。

材料行業與汽車行業需攜手

近年來，性能優良的碳纖維增強複合材料（CFRP）在汽車領域的應用不斷擴大，如寶馬i3和i8是採用CFRP應用於汽車輕量化設計中的典範，並將推廣應用到更多的量產車型。其中i3採用全碳纖維車身，車身的零件相比傳統鋼製車身減少了2/3 ，比鋁合金輕30% 。曹渡早在2014年開始擔任國家工信部碳纖維及其複合材料產業技術創新戰略聯盟汽車組組長。他表示：「國產碳纖維複合材料品質目前有了很大的改觀，雖然最終應用量還不大，原因主要在於市場需求，市場需求才能真正拉動下游市場的生產，帶動一系列配套設備行業的發展。這兩年碳纖維複合材料應用最快的是建築行業和風力發電行業，如江蘇澳盛複合材料科技有限公司，用了全國30%-40%的碳纖維複合材料做風力發電，將來可能要用到50%。」碳纖維增強複合材料的應用也遇到了一些阻力，曹渡表示：「碳纖維複合材料應用在今後的市場是不容置疑的，現在主要面臨兩個問題，一個是價格，另外一個是應用的可行性。汽車行業專家對複合材料的認識還不夠，而材料行業專家要想新材料得到批量應用，汽車市場是一個很好的應用場所。」因此要想加強複合材料的CAE虛擬驗證能力，並且降低生產成本，汽車行業專家必須與材料行業專家攜起手來。

材料科學的發展須引起重視

材料部門對整車企業的發展到底產生多大的作用，車企是否已經足夠重視材料的發展？曹渡認為：「當前中國品牌的主機廠都在忙於其他的工作，對基礎科學如材料科學的發展和研發還缺乏認識，這樣可能造成未來輕量化以及新技術、新材料、新工藝發展的一個瓶頸。而國外主機廠設有專門的部門，甚至有的部門專門研究十年以後的技術。因此，對材料科學的研究，中國品牌的各個主機廠必須引起重視，要知道材料科學的發展才是我們汽車工業創新的最主要的發展之一。」

曹渡告訴記者，2016年他去德國學習的時候，德國政府委託一個諮詢機構做了一個材料未來在汽車上的應用調查。可以看到，從2025年到2035年，汽車材料將從60%-70%是傳統金屬材料變為所有的材料（包括非金屬材料）平分秋色，都是20%左右，這對於材料行業來說是一個很好的借鑒，具有重要意義。

汽車輕量化頂層設計

曹渡認為，整車減重不能單靠一兩個零部件，而是包含整個頂層設計，如同針對品質目標設計、性能目標設計一樣，針對重量進行從上往下的正向開發設計。他進一步解釋道：「比如有一款汽車在設計時計劃減重140公斤，油箱減8升，制動器直徑減少4毫米，厚度減少2毫米，承重梁由三層到四層板減少到一層到兩層板。即從頂層設計開始，有一個減重的目標才會帶來整車的瘦身。」

新能源汽車動力系統亟待變革

新能源車因電池電機的增加，比傳統汽油車重200-300kg，考慮到續航里程，新能源汽車的減重比傳統汽車的減重更迫切。曹渡表示：「新能源汽車重量主要是增加在電池方面，如特斯拉的電池重約500公斤，佔了汽車重量的1/4，如果新能源汽車的動力系統沒有革命性的變化，光靠車身和其他地方減重，很難替代傳統車，所以大家都在做一些創新。鋰電池、酸鹼電池不能被市場接受主要就是它的重量和續航里程。我們設想，如果指頭大的原子能就能夠推動十萬輛汽車的運動，那不是又輕又好嗎？我認為，如果新能源汽車還是按老路來走，新能源系統沒有革命性的變化，市場還是很難接受的。」

來源:CPRJ 中國塑料橡膠

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