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              4. 汽車輕量化是節能減排的重要技術路徑

                行業白皮書 2022-05-24

                1.1、《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》強化輕量化重要性

                “碳達峰”、“碳中和”指引下,我國力爭于 2030 年前控制二氧化碳的排放達到峰值,2060 年前實現碳中和,汽車產業是推動節能減排的重要領域。中國汽車工程學會主導修訂的《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》圍繞著產業總體+9 大技術發展方向制定了“1+9”技術路線圖,主要圍繞著節能汽車、純電動與插電混動、氫燃料電池、智能網聯、動力電池、 輕量化、智能制造等多個分支。根據技術路線圖,輕量化領域以完善高強度鋼應用體系為重點,中期以形成輕質合金應用體系為方向,遠期以形成多材料混合應用體系為目標。對于輕量化系數總體目標,要求 2025 年/2030 年/2035 年燃油乘用車輕量化系數分別降低 10%/18%/25%,純電動乘用車輕量化系數分別降低 15%/25%/35%。

                燃油車方面,輕量化系數降低將有利于整車油耗的降低。汽車整備質量每減少 100kg,每百公里油耗可降低 0.3—0.6L(二氧化碳排放可減少約 6-14 克/公里),以 5L/100km 為標準,可以降低油耗 6%-12%,因此對于傳統能源乘用車,輕量化技術將有效減少油耗,有利于油耗標準的達標。

                新能源汽車方面,提升續航里程,減少電池成本是輕量化的重要貢獻。由于三電系統等增量零部件的原因(三電系統增重約 200-300kg),同級別的新能源汽車整備質量要高于燃油車,當前純電動車受到續航里程短、充電時間長的瓶頸問題困擾,對于輕量化系數優化 的需求更加強烈。汽車整備質量每減少 10%,續航里程將提升 5-6%,以整備質量 1500kg、續航500km的新能源汽車為計算基準,汽車整備質量每減少150kg,續航里程提升25km。除此之外,輕量化趨勢下,整車的制動性能、加速性能以及最大時速等動態參數也會得到 較好的表現。

                1.2、汽車輕量化是綜合安全性、力學性能和經濟性的系統工程

                輕量化目標零部件分為簧上零部件質量+簧下零部件質量,其中車身結構件、座椅、乘員等質量均屬于簧上質量,底盤結構件、車輪等屬于簧下質量。評判整車的輕量化系數主要由白車身骨架質量、車身靜態扭轉剛度以及由軸距和輪距決定的白車身投影面積決定。提升輕量化系數的實質是在不影響靜態扭轉剛度(決定了汽車安全、NVH 表現、剛度等性能指標)甚至提升靜態扭轉剛度的前提下減少單位面積的白車身骨架質量(其中白車身骨 架質量不包含前風擋、四門兩蓋覆蓋件、副車架等,僅包括白車身框架結構)。因此,汽車輕量化不是簡單地減少重量,而是綜合汽車耐撞性、剛度強度性能、安全性、經濟性的系統工程。

                優化輕量化系數的主要措施包括:

                1)采用輕質的混合材料。當前的探索方向主要包括先進的高強度鋼、鋁合金、碳纖維復合材料,替代主流低碳鋼,可以分別減重 25%/40%/60%。近期目標完善高強度合金鋼體系,遠期形成多材料混合應用體系。碳纖維復合材料有高性能和低密度的 輕量化特點,但是還處于技術探索階段,技術和成本沒有達到平衡,因此近五年或 成為鋁合金的快速滲透階段。根據 DuckerFrontier 預測,北美單車鋁凈重量 2030 年可能達到 570 磅(259kg),以 F-150 為例,占整備質量的 10%左右,鋁凈重量主要包含鋁板、鑄造、擠壓等工藝,其中鑄造占比達到鋁凈重量的 56%。根據華經產業研究院預測,2025 年國內新能源單車鋁用量也將達到 300kg。

                2)優化結構設計。通過局部加強設計、提升環狀路徑接頭結構的封閉性,可以有效提升閉合型腔的斷面力學性能,改善車輛剛度表現,從而有利于輕量化系數的優化。如一體壓鑄技術可以減少焊接部位,提升整體結構強度,改善輕量化系數。

                3)優化車身整體布局形式。如采用承載式車身取消車架、減薄車身板料厚度、在適合的區域增加減重孔等措施均有助于車重的大幅度降低。

                1.3、底盤與車身結構件將率先實現一體化壓鑄

                特斯拉 Model Y 率先于 2021 年 3 月推出一體壓鑄后底板,70 多個零部件減少至 2 個, 相較于傳統沖壓焊接工藝在成本經濟性、工藝流程和生產節拍、材料利用率等方面具備較強優勢,形成了示范效應,并計劃拓展到前底板、前圍模塊甚至中底板。國內蔚來、小鵬、 理想陸續跟進,沃爾沃、奔馳相關外資也陸續推進一體壓鑄廠房改造和底盤一體化結構件的推出。一體化壓鑄適用的零部件主要有車身結構件和底盤結構件,車身結構件+底盤結 構件的輕量化,將實現簧上+簧下重量的同步減重。

                車身結構件:車身結構件質量占汽車整備質量的 20-30%,是一體壓鑄輕量化的重點區域。車身結構件、車身加強件、車身覆蓋件共同構成汽車框架,其中車身結構件包括前后總成、 A/B/C 柱、左右減震器懸掛部分、左右縱梁、橫梁、上邊梁等零部件,起到支撐承載的作用,是支撐車體的“骨骼框架”。主流的車身結構件由普通鋼、高強度合金鋼、鋁合金、 鎂合金、合成材料等不同材料組成,鋼的占比較多,鋁用量受到限制主要因為鋁的焊接性能較差。零件之間連接方式包括焊接、螺接、膠接、鉚接等拼接方式,焊接方式居多,但是鋁制零件由于易氧化產生氧化鋁、膨脹系數大易產生焊接變形,因此鋁制零件不易焊接,而采用一體壓鑄鋁件可以減少過多的焊接點,從而避開焊接點過多可能產生的問題。

                由于車身結構件起到了支撐和抗沖擊的作用,是整車碰撞安全的重要保障,因此在進行車身結構件輕量化的同時,還需要“因地制宜”,即不同區域的零部件要求不同,采用的材料也應該有所不同,未來車身結構件的趨勢是混合材料車身,在力學性能、輕量化和成本方面達成平衡。尤其是車身結構件減重的同時務必保障 C-NCAP、C-IASI 涉及的碰撞試 驗要求,因此我們認為,鋁壓鑄零部件暫時不會滲透到前保橫梁、A/B 柱加強板、中央通道等采用熱成型工藝加工而成的超高強度合金鋼,該部分安全結構件的拉伸屈服強度需要高達 1000-1250Mpa。

                底盤結構件:底盤結構件占汽車整備質量的 27%,承載了 70%的車體重量,是簧下質量 (懸掛系統中的彈性元件支撐的零部件,包括副車架、車輪、彈簧、減震器等)的重要組成部分。汽車簧下質量越小,則地面給予汽車的運動慣性反饋更小,讓汽車懸掛擁有更好的動態相應和操縱性能,因此簧下質量一直是汽車輕量化的重要區域。底盤結構件中前后副車架、控制臂、輪轂、轉向節、轉向器殼體等零部件是以鋁合金為主,其中采用鋁壓鑄工藝的主要有副車架、轉向器殼體等零部件。


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