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汽车轻量化势在必行,一体化压铸加速进程

一、需求端:排放政策要求高+新能源车里程焦虑强,倒逼车企推进轻量化应用

“双碳”目标下,政策对于汽车百公里油耗提出要求。2020年10月,中国汽车工程学会牵头组织编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》发布,对各种类型的汽车每百公里油耗提出了要求,预计在2030年,我国新能源汽车占到总销量40%,乘用车百公里油耗达3.2L,响应“双碳”目标。从燃油车角度来看,汽车的平均油耗与整车质量呈正相关,汽车轻量化对于降低传统车油耗具有积极促进作用。据研究数据,汽车重量每减轻10%,最多可实现节油5-10%;汽车整备质量每减少100千克,百公里油耗可降低0.3-0.6升。

《节能与新能源技术路线图2.0》部分要求

2025

2030

2035

乘用车(含新能源)新车油耗

4.6L/100km

3.2L/100km

2.0L/100km

传统能源乘用车新车平均油耗

5.6L/100km

4.8L/100km

4L/100km

混动新车占传统能源乘用车

50%

75%

100%

新能源汽车占总销量

20%

40%

50%

资料来源:中汽协《节能与新能源技术路线图2.0》,观研天下数据中心整理

新能源车存在较大的里程焦虑问题,轻量化需求更为迫切。根据罗兰贝格2022年的调研结果,里程焦虑仍是影响消费者购买电动车的首要原因。轻量化通过降低整车重量,可全面降低能耗和提升续航,若新能源车减重100kg,续航里程将提升10%-11%,同时降低20%的电池成本和日常损耗成本。未来在新能源车补贴政策退坡、补贴对续航里程门槛逐渐提升、终端用户里程焦虑较重的趋势下,新能源车的轻量化需求更为迫切。

根据观研报告网发布的《中国汽车轻量化行业发展趋势分析与投资前景研究报告(2023-2030年)》显示,汽车轻量化应用优势显著,解决汽车能源消耗+续航焦虑+提高性能的痛点需求。未来随着轻量化兼顾提升续航和汽车性能,迎合了驾驶舒适性/安全性/经济性的要求,在需求端刺激下有望打开市场广阔空间。

数据来源:罗兰贝格,观研天下数据中心整理

我国新能源汽车补贴对续航里程门槛要求

时间

续航里程门槛

补贴政策

2018

150km

按续航里程分为150-200km/200-250km/250-300km/300-400km/400km+五档,补贴金额分别为1.5w/2.4w/3.4w/4.5w/5w

2019

250km

按续航里程分为250-400km/400km+两档,补贴金额分别为1.8w/2.5w

2020

300km

按续航里程分为300-400km/400km+两档,补贴金额分别为1.62w/2.25w

2021

300km

按续航里程分为300-400km/400km+两档,补贴金额分别为1.3w/1.8w

2022

300km

按续航里程分为300-400km/400km+两档,补贴金额分别为0.91w/1.26w

资料来源:观研天下数据中心整理

二、供给端:一体化压铸突破铝合金连接工艺限制,加快汽车轻量化进程

铝合金性能优越且工艺成熟,应用性价比、量产难度、性能表现的综合表现好,中短期具有大规模使用可能性。汽车轻量化手段包括结构优化设计、制造工艺优化、轻量化材料应用,应用轻量化材料实现减重的同时兼顾了汽车综合性能的稳定,目前为主流方案。而综合考虑性价比、技术工艺、性能表现等因素,铝合金在现阶段的可行度最高,是当前最成熟、最多应用的方案。较其他材料,铝合金性能优越,减重效果好,且成本适中,在做到同等减重效果情况下,单位成本最低。同时其轻质高强,成型性强,通过挤压成型即可满足复杂架构的一次成型,符合量产需要,中短期看具备大规模使用的条件。

路线图1.0提出2020年、2025年、2030年车辆整备质量最终将实现较2015年分别减重10%/20%/35%,路线2.0进一步提高要求,2025年、2030年、2035年燃油乘用车轻量化系数降低10%/18%/25%、纯电动乘用车轻量化系数降低15%/25%/35%,技术方案变化不大。轻量化主要减重手段是使用轻量化材料,具体而言,先重点发展超高强钢技术,再重点发展铝合金技术、实现铝合金零件的批量生产和产业化应用,远期重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术并实现大范围应用。

汽车轻量化技术发展路线图1.0

2020

2025

2030

车辆整备质量

2015年减重10%

2015年减重20%

2015年减重35%

高强度钢

强度600MPa以上的AHSS钢应用达到50%

第三代汽车钢应用比例达到白车身重量的30%

200MPa级以上钢材有一定比例的应用

铝合金

单车用铝量达到190kg

单车用铝量超过250kg

单车用铝量超过350kg

镁合金

单车用镁量达到15kg

单车用镁量达到25kg

单车用镁量达到45kg

碳纤维增强复合材料

碳纤维有一定使用量,成本比2015年降低50%

碳纤维使用量占车重2%,成本比上一阶段降低50%

碳纤维使用量占车重5%,成本比上一阶段降低50%

资料来源:汽车制造网、观研天下数据中心整理

连接技术混用带来产品成本增加和效率降低,限制了铝合金在汽车的应用范围。铝合金是目前性价比较优的汽车轻量化材料,其较普通钢材可达到40%的减重率且生产工艺较成熟,根据赛瑞研究,2020年铝合金在汽车轻量化市场的占比在65%左右。但由于当前汽车材料连接工艺以冲压+机器人焊接为主,与钢材料相比,铝材料存在导热系数大易导致焊缝性能下降、合金表面氧化层污染电极、热膨胀系数高导致零件变形大等问题,制造端的冲焊工艺较困难且拼接效率低,进而导致其连接成本为钢制车身的2-3倍。

同时,随着钢、镁铝合金、碳纤维等多种材料在汽车上加速应用,材料连接工艺更为复杂,一方面加大了设备投入、增加了生产成本,一方面大量的焊接、铆接和胶接工艺大幅增加了作业时间、降低生产效率,使得减重性能更好的全铝车身在现有冲压+机器人焊接的工艺模式下难以普及。以第四代奥迪A8车身为例,其使用铝合金白车身较钢制车身降重了近30%,但需要包括点焊、激光焊、涡流焊、铆接、自切削螺钉联接、卷边等14种连接工艺,其激光焊接焊缝4.75米、包边22.01米、胶接152.94米、MIG焊点5892个、铆接2976个等,工艺复杂度远高于电阻焊为主的钢制白车身,整体工艺成本较高。

铝合金的冲焊工艺复杂导致制造成本较高

铝合金痛点

成因

材料成本高

铝合金材料成本是钢材的3倍左右

连接工艺难度与成本高

铝合金连接工艺:铆接、激光铆接、点焊、搅拌摩擦焊、CMT等,连接成本是钢材的2-3倍钢材连接工艺:以电阻焊为主

设计与生产难度高

铝合金需要根据新材料特性进行产品结构再设计、产品试制检测、设备模具等更新;

铝合金延伸率低,易产生裂纹,设计时要求保证形状不突变,有较高的加工难度;

铝合金材质更软,冲压回弹难控制,对生产精度和生产环境的条件要求严苛

资料来源:观研天下数据中心整理

一体化压铸突破铝合金连接工艺限制,加速汽车轻量化发展进程。汽车制造的传统工艺分为冲压-焊装-涂装-总装四步骤,其中车身需要将各车身冲压零件焊接为发动机舱、侧围、前后底板、顶盖等分总成线,再最后合装为主焊生产线,而一体化压铸技术通过一次高压压铸成型,合并了冲压和焊装环节,将除了外覆盖件和部分悬架件以外的白车身一次压铸为大型零件。

一体化压铸工艺本质上革新了汽车轻量化工艺和材料使用,首先在制造工艺上,一体化压铸合并冲压和焊装工艺,显著简化生产流程、提高生产效率,我们看好其他主机厂在特斯拉的示范作用下不断引进一体压铸工艺,合并传统的冲压焊装工艺。其次在材料使用上,钢板易于冲压和焊装,过去广泛应用于传统的汽车制造中,铝合金是压铸的主要材质,随着一体化压铸的逐步引进,我们看好其突破材料连接工艺的限制,加速在汽车轻量化中的应用。

一体化压铸车身结构件对传统工艺的革新情况

资料来源:观研天下数据中心整理

三、产业端:造车新势力引领传统车企跟进,轻量化产业进程加快

从当前各大车企的轻量化布局看,轻量化产业主要由特斯拉引领、造车新势力紧跟、传统车企加大力度布局,合力推进轻量化的产业化进程。

(1)特斯拉:作为新能源车头部持续加码新能源车轻量化,电池包和车身轻量化为重点。以Model3为例,其轻量化从电池包开始逐步拓展到车身、底盘、电子电器,整车轻量化指数在竞品中较突出。具体措施包括,采用高集成化的E平台、提升电池密度减少电芯数量、优化电池连接工艺来减少铝片用量、采用大模组设计减少组件连接件、优化电池包箱体结构、使用钢铝结合的车身、使用全铝线束、开发一体化压铸车身结构件等。

特斯拉Model3轻量化策略一览

资料来源:智享新汽车,观研天下数据中心整理

(2)造车新势力:蔚来主攻全铝车身,小鹏发力电池车身一体化技术。蔚来ET5对车身后地板使用一体化压铸工艺,后纵梁的吸能盒、轮拱等易损部位保留了单独零件设计,车身后地板减重30%;定位于豪华纯电中大型轿车的ET7采用了超高强度钢铝混合白车身,包含42%的铝/57%的钢/1%的复合材料,白车身重量约420kg,占车重1/6;ES8采用了全铝车身+7种先进连接技术,白车身仅重335kg,减重40%,底盘/悬挂/轮毂/刹车系统/电池组外壳也为全铝材质。小鹏23年发布扶摇架构采用电池车身一体化技术,节省5%的垂向车内空间。

(3)传统车企:积极布局新能源车轻量化。如大众在其全新新能源车平台MEB中使用全新车身,把电池和电机融入了车身底架,电池壳采用铝合金;比亚迪在其e平台集成了电机电控,实现了车身重量下降25%、功率密度提升20%。

汽车零部件轻量化发展布局企业

底盘轻量化

动力系统轻量化

转向节:

国内:华域汽车、拓普集团、伯利特等。

国外:Magna、ZF、Brembo等

动力系统:

国内:爱柯迪、旭升集团、文灿股份、广东鸿图、鸿特精密、美利信、嵘泰股份、瑞鹄模具;

国外:Pierbug、Georg、DGS等

副车架:

国内:华域汽车、拓普集团、万安科技、凌云股份;

国外:Chassix、Pierdug等

控制臂:

国内:华域汽车、拓普集团、伯特利、旭升集团等;

国外:OTTO、FUCHS、ZF、Chassix

铝电池盒:

国内;华域汽车、敏实集团、凌云股份、拓普集团、祥鑫科技、华达科技等;

国外:Benteler、Gestamp

制动卡钳:

国内:华域汽车、京西国际、安陆特、伯特利等;

国外:ZF、Brembo

车身轻量化

内饰轻量化

热成型车身:

国内:华域汽车、凌云股份、敏实集团、宁波华翔;

国外:本特勒、海斯坦普

国内:华域汽车、宁波华翔、常熟汽饰;

国外:安通林、佛吉亚、麦格纳等

自车身焊接:

国内:安徽巨一、大连奥拓;

国外:库卡、埃斯顿等

一体化压铸:

爱柯迪、文灿股份、广东鸿图、美利信、嵘泰股份、瑞鹄模具、多利科技、博俊科技

资料来源:压铸周刊、网易、百度、佐思汽研、各公司公告,观研天下数据中心整理(wys)

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