【行業關注】輕量化產業發展現狀與技術解析

汽車輕量化是未來汽車行業發展方向之一，特別是對於時下發展迅速的新能源汽車而言，重量的減輕直接意味著續航里程的增加。研究表發現，對純電動汽車而言，整車重量降低 10kg，續駛里程可以增加 2.5km。所以越來越多的整車、零部件廠都開始重視輕量化。

一、輕量化技術

實現汽車輕量化的主要途徑有三種：一是使用輕量化材料；二是優化結構設計；三是採用先進的製造工藝。國內外車企紛紛從這幾方面入手，推動電動汽車輕量化發展，並取得了一定成績。

1） 全新製造工藝減少零部件數量

碳纖維的應用將會帶來一場革命，其原因在於碳纖維在汽車上的應用改變了傳統汽車的設計思想、開發流程及製造工藝。碳纖維材料是可設計的，其零件工藝是多樣化的，未來碳纖維應用於汽車沒有標準化的材料，整個車和零件的開發過程就是材料開發過程，也是工藝開發過程。

鋁型材的三維彎曲、鋼鋁焊接以及碳纖維零件的成型是目前面臨的全新工藝。採用新工藝可大大減少零部件使用數量，實現輕量化目標。其中，碳纖維總成的方式已取得突破性進展。在蘭博基尼Sesto Elemento的項目中，將前圍、地板、後圍集成為一個整體式座艙，取代了傳統結構的48個零件，把零件分為4—6大片，成型之後直接粘接，工藝簡單，減重效果突出。整備質量在加註燃料和其它液體之前只有960 公斤。

2）結構優化提高材料利用率

汽車車身結構輕量化採用結構優化設計方法，可以在保證車身結構性能要求的前提下，提高材料的利用率，減少冗餘的材料，而達到車身結構輕量化的目的，結構優化主要包括尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化。

拓撲優化作為結構優化的一種，不同於車輛構件的尺寸優化和形狀優化，是對布局和節點聯接關係進行優化，使結構的某種性能指標達到最優化。汽車廠在新車開發時，公司決策層會給出一個整車定義，包括車多大多重，涉及到成本控制，同時希望車達到什麼性能。拓撲優化能夠在給定設計空間，給定設計重量、設計性能的約束下，迅速得到一個布局和節點聯接基本判斷，為設計人員提供結構質量最輕、性能最優的力學傳遞路徑方案。

3）應用碳纖維複合材料減重顯著

高強度鋼和鋁合金都可以在一定程度上實現車身減重，而汽車用工程塑料和複合材料則對車體的減重最為明顯，由此成為汽車輕量化的首選用材。發達國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設計和製造水平的一個重要標誌。2015年，我國車用塑料的用量已經達到1046萬噸，而且呈逐年上升的趨勢。

複合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點。在複合材料中，碳纖維複合材料的應用一直備受矚目。選用碳纖維增強複合材料製作結構件、覆蓋件，可減輕質量達30%左右，對於比燃油車更需要輕量化的新能源汽車，碳纖維增強複合材料有更大的應用潛力，在未來汽車輕量化中將會起到舉足輕重的作用。寶馬i3在碳纖維複合材料的應用方面取得了令人矚目的成績，是第一款實現量產的採用碳纖維車身設計的車輛，其整備質量僅為1224kg，比設計之初減輕了250-350kg，很大程度上彌補了電池增加的重量。

目前，北美汽車輕量化材料是全球最大的市場。預計該地區的年複合增長率約為 5.6%，在 2021 年達到362.3 億美元。歐洲是全球第二大市場。未來，亞太地區輕量化材料市場將是這個行業中發展最快的地區。

碳纖維複合材料（CFRP）是汽車工業輕量化道路上的主要材料之一。但由於碳纖維及其複合材料的高成本限制了其在汽車輕量化領域的大規模應用。目前，商業級的碳纖維主要為PAN基碳纖維，其高成本問題主要集中在較高的PAN 原絲生產成本（佔總成本的51%）和較長的生產流程。因此，降低車用CFRP成本的主要路徑是降低碳纖維原絲成本，尋求低成本纖維生產工藝以及低成本的CFRP製備工藝。

目前國外碳纖維生產商已經致力於開發低成本碳纖維製造技術，並尋求PAN以外更低成本的原料來製備碳纖維。日本三菱和東麗公司開發的大絲束碳纖維是低成本製造技術的典型代表，美國也已開發出先進的碳纖維製備技術。在低成本原料方面，美國、日本等碳纖維主要製造國家已經開發出包括聚烯烴類聚合物、木質素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸等在內的低成本代替材料。

除纖維成本外，車用複合材料最大的挑戰是汽車行業高效率的生產預期，其中成型樹脂是決定複合材料生產效率的最主要影響素之一。由於優異的粘合強度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，環氧樹脂通常是汽車複合材料生產商的首選。通過研究和開發「瞬間固化」（能夠流動和徹底浸潤纖維預製件，並在5 min之內固化）的環氧樹脂及其配套的預成型和成型設備，從而開發高效、低成本的複合材料生產技術，已經成為降低車用複合材料成本的主要手段之一。

德國： 是當前汽車輕量化材料佔比最高的國家，其次是美國和日本。德國汽車工業十分發達，在新材料工業和機械製造領域聚集了世界上最優秀的幾個生產企業，具有推動汽車輕量化得天獨厚的優勢；其次，美國豪華品牌車型也較多，且電動汽車發展很快；日本是在碳纖維方面屬全球首位，以東麗公司為代表，目前該公司全球遙遙領先；中國輕量化起步較晚，技術和應用程度都落後於德美日等發達國家。但是隨著新能源汽車的發展，材料輕量化正在加速進行中。

美國：美國雖然高端豪華品牌車型也較多，但是美國汽車行業對於新型輕量化材料的熱衷主要來源於新能源汽車的發展以及排放和能耗的壓力，代表企業是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的 Model S 和 Model X 在車身和底盤上基本都採用了鋁合金和其他複合材料，而GM 的高端品牌凱迪拉克在近兩年的新車型中也開始採用鋼鋁複合車身結構，比如凱迪拉克CT6，福特則是將鋁合金車身首先搭載在 F150 這類高端皮卡車型上。

日本：目前日本汽車企業輕量化材料的使用也主要是集中在一些非結構件上，比如鋁合金的發動機罩、塑料的翼子板和尾門等，還有就是底盤和發動機的一些鑄鋁件。其中代表企業是豐田的雷克薩斯和本田阿庫拉。隨著2020年全球的能耗和排放政策的越發嚴格，預計到2020年，日本汽車企業輕量化材料在底盤和車身中的佔比會趕上美國，達到 20%左右。

中國： 中國汽車輕量化起步不足十年，藉助新能源汽車崛起契機，對發達國家呈現趕超之勢。汽車輕量化已經從分散化、高端化、單一化的 1.0 時代走向集約化、普及化、多元化的 2.0時代。輕量化的發展受到智能網聯、節能減排、性能提升等多重需求牽引，通過全產業上下游深度合作，在輕量化材料應用、製造工藝、結構優化、零部件研發領域多面發力，使輕量化應用車型更加普及，其中新能源汽車細分市場將有望率先取得突破。

目前，不少車企不僅與汽車零部件供應商合作，還與碳纖維材料製造商建立合作關係以為其開發專用的新型碳纖維產品。如日產汽車、本田汽車與東麗公司聯手開發汽車車體用新型碳纖維材料，贏創同江森自控、雅各布塑料、東邦特納克斯公司共同研發碳纖維增強塑料輕質材料，東麗與戴姆勒達成共同研發協議為梅賽德斯-賓士研發碳纖維複合材料部件等。2017年日本東麗、三菱、帝人，美國赫氏等碳纖維行業巨頭動作頻頻，布局覆蓋航空航天、汽車輕量化等未來主要應用市場。

日本東麗工業株式會社是全球最大的碳纖維供應商，在全球26個國家和地區進行著事業運作；9月，東麗首次在歐洲建立一家樹脂化合物生產基地； 11月研發出新的小絲束碳纖維品種Z600，著重在汽車工業領域推廣；

日本帝人株式會社是全球第二大碳纖維產商，截止2016年三月份資本金未708.16億日元，2016年度銷售額達到7413億日元，本期凈利潤為501億日元，其中高性能纖維及其複合材料的銷售額為1368億日元，佔比高達18.4%。主營業務包括高級纖維和複合材料（含高性能纖維、碳纖維及其複合材料兩部分），電子材料和化工產品、醫藥醫療、交易零售、IT等。9月，帝人全資收購了美國CSP公司，將其打造成為高性能複合材料業務的核心企業，持續擴大集團在美國市場的影響力；

三菱化學是日本第三大碳纖維產商，2016年財年的銷售收入達到了33761億日元，其營業利潤為3075億日元，2016年度包含碳纖維業務在內的功能材料業務銷售收入為8067億日元，利潤為815億日元，同比增長7.66%。主營業務包括碳素材料、碳纖維及其複合材料、塑料加工品、化纖、聚合物、樹脂、功能化學品、無機材料、農業及IT等；所生產碳纖維增強塑料被採用生產新奧迪RS 5Coupé車頂；

美國氰特是美國著名的化學材料生產企業，成立於1991年，總部設立在美國新澤西州，是世界上生產特種化學品和原材料的領導者之一。氰特公司是美國第二大小絲束碳纖維生產廠商，主營業務包括從事開發高科技聚亞氨酯、環氧複合物與合成樹脂系列，其產品主要涉及澆注、包封、敷形塗層、粘合、密封、模具樹脂、合成橡膠等領域。2017年收購了進複合材料和工藝材料的頂級供應商UMECO；

美國赫氏擁有40年的碳纖維製造經驗，有大量的航空航天數據資料；是中模量碳纖維技術（小絲束）的領導者。就在2017年11月，赫氏與UTC航空系統公司簽署延長協議，將現有協議延長到2030年，為後者發起的商業航空項目供應先進複合材料；

中國石化上海石油化工股份有限公司是中國最大的煉油化工一體化綜合性石油化工企業之一，也是全國最大的乙烯生廠商之一，是中國重要的成品油、中間石化產品、合成樹脂和合成纖維生產企業，擁有獨立的公用工程、環境保護系統，及海運、內河航運、鐵路運輸和公路運輸配套設施。主營業務包括汽油、柴油等煉油產品、丙烯腈等化工產品、聚乙烯等塑料製品、聚酯切片等纖維產品等。公司生產的碳纖維片材應用到立交橋加固工程中，實現了碳纖維在建築物加固領域的大範圍應用；

隨著汽車輕量化的進展，鋁合金、鎂合金以及高強度鋼等材料由於比強度高，使用量增幅也非常明顯，製造行業的持續快速發展，特別是機械、汽車、機電、造船等行業，對優特鋼的需求強勁，成為支撐優特鋼市場的直接動力。主流企業有：

大冶特鋼：大冶特鋼的主導產品為齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、工模具鋼、高溫合金鋼、高速工具鋼等特殊用途的鋼材，有800多個品種,1800多種規格，可向汽車、石油、化工、煤炭、電力、機械製造、鐵路運輸等行業以及航海、航空、航天等領域提供服務，產品暢銷國內外，遠銷世界五大洲近30個國家和地區。

太鋼不銹：目前國內最大的不鏽鋼生產基地，也是國際上重要的不鏽鋼生產廠家之一，是國內唯一的全流程不鏽鋼生產企業，產量和市場佔有率居全國第一。

方大特鋼:公司經營範圍包括汽車鋼板彈簧、扭桿彈簧、圓簧、彈簧扁鋼、減震器等。

西寧特鋼：公司旗下共有一家全資子公司、三家控股子公司，擁有鐵礦、煤礦、釩礦、石灰石礦等資源。已形成年產鐵100萬噸、鋼120萬噸、鋼材110萬噸、焦煤120萬噸、焦炭70萬噸、採選鐵礦360萬噸、鐵精粉120萬噸的綜合生產能力。

鋁合金生產企業主要有：忠旺鋁材：亞鋁集團、南山集團、鳳鋁鋁材、帕薩集團、美鋁、諾貝利斯、三菱鋁業等

忠旺鋁材：全球領先的工業鋁型材研發製造商，致力於交通運輸、機械設備及電力工程等領域的輕量化發展。忠旺集團是目前全球第二大、亞洲及中國最大的工業鋁型材研發製造商。集團總部位於中國遼寧省，建有全球領先的鋁合金傾動熔鑄設備及亞洲規模最大的特種工業鋁型材模具設計製造中心。

南山集團：產業鏈涵蓋能源、氧化鋁、電解鋁、鋁型材、鋁板帶箔、航空材料等各個環節，終端產品廣泛應用於航空航天、船舶、高速列車、電力、汽車、集裝箱等若干領域。

鳳鋁鋁材：集鋁合金型材研發、生產與銷售等為一體的綜合性大型民營鋁型材企業。擁有南海和三水兩個大型生產基地，佔地總面積90萬平方米，建築面積近70萬平方米。主要從事研發和生產建築類、裝飾類、工業類、軍工類、航空航天類、特種鋁合金型材等產品。

薩帕集團：主產品為鋁型材（建築鋁型材、建築門窗幕牆工程、工業鋁型材）和鋁汽車熱傳輸材。

鎂合金板材國內外製造商主要有：德國蒂森克虜伯、韓國浦項鋼鐵公司、英國伊利科創、西部鈦業、營口銀河等。

中鋁洛銅：國內最早專業化生產鎂合金板材的企業，累積產能國內最高，

聞喜銀光：國內最早進行車輥鑄軋工業化生產和應用的企業，鎂合金產業鏈最為齊全

國內主要的輕量化技術

1）少片簧技術

少片簧說得即是用四片或者是三篇板簧代替原來的十片板簧，前橋採用拋物線的板簧結構。在保證承載力的同時可以降低自重數百公斤，剛剛全國上市的超級輕量化卡車乘龍H5也使用了該技術，降低自身自重。且國內高速物流用車大多都是這樣的結構，適合標載運輸。

2）高強度鋼板

輕量化時代，為達到降低卡車自重的目的，高強度鋼也逐漸進入人們的視線，但是目前行業內說的高強度鋼就是指高強度鋼板，國內能生產先進高強度鋼的企業有寶鋼、武鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼等。而我們超級輕量化卡車乘龍H5的大梁與板簧均採用了寶鋼超強型鋼材，強度高，承載力強，且結構通過優化設計，在保障車架的同等承載力情況下，可降低自重13%。

3）鋁合金材質

近年來，鋁合金材質一直都是卡車行業十分關注的話題，不少卡車上都應用上了鋁合金。如超級輕量化卡車乘龍H5，其變速箱、1000L大油箱與儲氣筒均採用了鋁合金材質，自重輕至7.5噸！鋁合金不僅在重量上比鐵質輕，更重要的是，在講究環保的當今時代，鋁合金的油箱可以大幅減少燃油燃燒後對環境的污染，更加符合國家對於卡車行業的政策要求。

二、輕量化節能減排

世界多個國家和地區都制定了節能減排目標，我國也明確到2020年乘用車新車平均燃料消耗量達到5L/100km，節能減排的壓力較大。在當前諸多節能減排路徑中，汽車輕量化是最容易實現、潛力相對較大的方式，對於乘用汽油車，每降低100kg，最多可節油0.39L/100km。另一方面，對於新能源汽車來說，也需要通過汽車的輕量化來提升續航能力。

國際汽車節能標準法規動態及趨勢分析

第四階段乘用車燃料消耗量限值達標要求

節能技術方向

中國汽車產業的發展面臨著能源和環境保護問題的巨大壓力。為了減少排放和能源消耗，滿足日益增長的消費者對汽車的需求，促進我國汽車輕量化材料及加工工藝技術水平的提高，加快推進汽車輕量化材料新工藝的產業化應用，汽車輕量化是未來環保發展的趨勢和必要條件。2018年8月15-17日由英佛會議展覽有限公司（InfoGroup）主辦的「2018第五屆上海國際汽車輕量化技術成果展覽會」將於上海汽車會展中心舉辦，本次的展會主題：高品質、節能化、環保化、功能化。輕量化已成為汽車行業節能環保的重要保障,輕量化應用已由賽車、豪華車和高端車等逐步向中低端車傾斜,其中,鋁合金、鎂合金和碳纖維已成為替代原來鋼材、鑄鐵等的輕量化材料,市場前景廣闊。

本次展會展品的主要範圍是輕量化車身及先進位造和輕量化新材料與技術應用。展品類別包括：汽車輕量化部件、車用高輕度鋼、車用有色金屬合金、車用其他輕量化材料、非金屬複合材料、車用化工新材料、材料成型技術與設備、加工技術與設備、元件/模塊、相關材料結合技術、為減少汽車重量的其他技術、工藝與儀器等。英佛會議在此熱忱歡迎與此領域相關的行業朋友前來參展。

CIAIE是按照國際化、專業化、市場化原則舉辦的唯一國家級汽車行業展會。CIAIE獲得了中、德、美、英、法、意、日、韓、西班牙、加拿大、澳大利亞、義大利、印度、伊朗、巴基斯坦、菲律賓、中國台灣等17個國家和地區的39個汽車行業協會的國際參觀者。

CIAIE國內觀眾主要來自上汽集團、北汽福田、廣汽集團、一汽集團、北京賓士、華晨寶馬、大眾、上海通用、北汽控股、北京現代、比亞迪、奇瑞、長城、夏利、吉利、哈飛、力帆、神龍、江南、紅塔、青年雲雀、吉林通田、鄭州宇通、歐曼重型車、北京汽車研究總院、博世集團、電裝公司、德爾福、麥格納、北汽李爾、東風汽車零部件、河北御捷、江蘇道爵、延鋒、安道拓、小糸、法雷奧、佛吉亞、德爾福、萬向集團等超過1000品牌，涵蓋傳統汽車、新能源整車、電動汽車、動力總成、燃油系統、車身部件、汽車內外飾、汽車模具、汽車輪胎、易損件、質檢機構等應用、研發、設計公司參觀交流洽談。展會同期還將舉辦了「輕量化高峰技術論壇、新技術新產品發布會」等相關活動,同時獲得了行業組織、政府相關機構的支持和讚譽。

輕量化技已經術顛覆了傳統汽車的製造工藝，帶來整個產業的變革，使行業的發展仍面臨一系列新問題，如輕量化評價及測試標準尚未完善、產業間缺乏融合、新型材料成本較高、固有開發模式尚未突破等。整個行業亟需企業調整思路，全力迎接行業變革所帶來的挑戰，但是在整車輕量化的大趨勢面前,相信汽車工程師們一定能做到越來越好。