赛迪智库：赛迪前瞻2021年第53期（总666期）：“双碳”目标下汽车轻量化亟需“三个突破”（规划所）终发

2021 年 8 月 2 日 第 53 期总第 666 期“双碳”目标下汽车轻量化亟需“三个突破”习近平总书记指出，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的 经济社会系统性变革。交通领域作为仅次于电力热力系统的第二大 碳排放源，汽车碳减排成为“双碳”目标约束下的关注焦点。据测 算，一辆乘用车减重 100 公斤，燃油效率将提高 6%-8%，轻量化 是实现汽车节能减排的重要手段。赛迪研究院规划研究所分析了当 前汽车轻量化遇到的“技术难、评价难、应用难”三大难点，提出 必须实现三个突破，即突破轻量化卡脖子技术、突破标准及评价体- 1 -系通用性一致性难点、突破产业化应用“死亡谷”。 一、汽车轻量化面临“技术难、评价难、应用难” （一）技术难：国际一流的汽车轻量化材料、工艺和结构设计技术鸿沟难以跨越 高端轻量化材料被美、俄、日等国掌控。车用轻量化材料包括高强钢、轻合金、复合材料等。其中，铝合金和碳纤维复 合材料是目前国外高端车企车身制造的关注热点。从车用铝合 金材料看，以美国、俄罗斯为代表，在汽车常用的 2000 系、5000 系、6000 系铝合金领域申请了大量牌号，形成了一定的专利霸 权。我国在最近十年仅增加 29 个铝合金牌号，在汽车领域的成 熟产品仅有 6016 与 5182 两种，其他仍未具备批量供货能力。 从碳纤维复合材料来看，车用碳纤维在原丝、设备、制作工艺 上都有相当高的标准，稍有不慎就会影响稳定性。目前高强度 的碳纤维复合材料已被美、日两国企业垄断。美、日两国还在 高性能碳纤维等领域形成同盟，共同研发并广泛应用。我国仅 中复神鹰、江苏恒神等企业的碳纤维技术水平较高，能够达到 车用材料强度。但与日本东丽、帝人以及美国赫氏等国际企业- 2 -相比，产品性能差距明显。 轻量化材料焊接工艺被奥迪、宝马等高端车企控制。相比国外车企，我国车企轻量化材料应用明显较少，目前仍以车轮、发 动机缸体、缸盖等小型压铸件为主，车身及覆盖件的大规模应用 受到制造工艺制约。迄今，仅有蔚来推出两款全铝车身的纯电动 车型，红旗 H9 采用全铝底盘，其他大部分车企仅推出概念车， 尚未实现量产。欧美发达国家在汽车轻量化进程上领先，重点在 于其拥有较强的轻合金焊接和异种材料连接工艺。奥迪、宝马等 高端车企都很重视先进焊接工艺的应用，比如，奥迪在新款 A8 上首次采用了铝合金电阻点焊、铝合金激光焊、MIG 焊、摩擦焊 元件焊接工艺等，全部车身连接工艺超过 10 种。宝马则在 7 系 白车身上连接碳纤维复合材料、铝合金和高强钢三种材料，应用 的成型技术超过 7 种，整车均衡减重 130 公斤。国内车企轻量化正向设计追赶难度大。整车轻量化是各个系 统整体的减重，需要对风格、材料、工艺和技术进行前瞻部署、 整体优化，是“牵一发而动全身”的正向设计，具有较大难度。 目前，我国多数车企仍然聚焦于零部件轻量化设计，比如，奇瑞- 3 -和长城汽车致力于发动机减重、吉利汽车与国外企业合作开展底 盘降重研发工作，但针对整车的轻量化正向设计能力不足。虽然 蔚来、奇瑞等车企推出了自己的轻量化汽车，但通常是参考了宝 马、保时捷、特斯拉等车型的“逆向设计”，受制于标杆车限制， 难以针对整体性能目标制定相应的技术路线。特斯拉、奥迪、宝 马等车企非常重视正向整体设计，详细研究消费者需求，并与轻 量化相关的车身结构、制造工艺、空气动力学、人机工程学等技 术相结合，细化开发流程与同步开发手段。比如，特斯拉为降低 MODEL 3 的整体重量，采用一体化压铸工艺，用 1-2 个大型部件 替代了过去 70 个拼接的部件，并为此修改电气化架构布局，从 而提高了生产效率，降低了资金成本和时间成本。（二）评价难：国内轻量化汽车数据、标准、评价体系的建 设难以完善轻量化材料数据库尚未打通。尽管自主品牌车企在汽车轻量化 上做出了很大努力，但相关材料性能数据的收集、整理和应用并不 完善，与国外仍有较大差距。一方面，一些车企不是针对自身产品 开发和设计相应的新材料数据库，而是过于依赖国外数据库的试验- 4 -数据。由于国外材料牌号与国内有一定区别，且性能不一致，致使 自身工艺数据收集不到位。另一方面，一些财力雄厚的大型车企通 过购买大量其他品牌汽车做材料性能的拆解研究，建设周期长、研 发成本高、重复工作多，造成了资源的消耗和浪费。国外很多车企 选择以建立联盟、建设创新中心等方式强强联合，利用不同地区和 领域的资源与渠道，在车辆轻量化研发和生产方面互相合作，提高 研发费用使用效率，从而降低成本。比如大众北美公司加入美国“面 向未来轻量化创新中心”，应用轻量化金属材料数据库进行研发， 进一步提升了汽车的轻量化水平。轻量化相关标准和评价体系缺乏。汽车轻量化是一个新命 题，全球都在探索轻量化技术的相关标准和评价体系。比如，宝 马提出了轻量化系数标准，目前作为评价白车身轻量化水平的指 标，被汽车行业普遍接受。莲花提出了以整车名义密度评价整车 轻量化水平。我国已形成团体标准《乘用车整车轻量化系数计算 方法》及地方标准《纯电动汽车轻量化设计通用技术条件》等， 但层次不高，国内实际推广应用标准的车企数量有限。在轻量化 技术评价方面，国外通过举办国际会议的形式，定期更新汽车轻- 5 -量化技术评价体系。比如，欧洲汽车车身会议（EuroCarBody） 每年召开会议，对车身重量及材料占比、新材料应用、焊接点数 量、车身结构创新的连接方式等设计进行讨论评价。目前在我国 则尚未形成有影响力的评价体系。（三）应用难：部分轻量化新技术、新材料在汽车产业链难 以应用高校院所科研与市场脱节，轻量化研究成果难转化。近年来， 越来越多的院校加入车企轻量化技术研发，产学研合作不断加 深。但据反映，院校研究成果难以在产品上得到应用。这是现行 考核体系下“重论文、轻转化”问题的表现。2019 年度中国科技 论文统计结果显示，我国热点论文数量继续保持世界第 2 位，增 长率高达 30%，但科研转化率尚不足 5%。不少院校片面重视发 表论文数量而非企业的真实需求，因此难以有的放矢。例如，我 国汽车主机厂对铝合金型材的焊接主要以弧焊、激光焊为主，但 一些院校为了方便论文发表，更多关注子搅拌摩擦焊等先进工 艺，企业短时间难以应用。另一方面，院校不了解真实的市场需 求，科研人员很难真正形成具有转化价值的研发成果，技术研发- 6 -活动在立项阶段就可能与市场需求不一致。 企业出于成本、周期等考虑，全新技术或新材料难以应用。一方面，由于技术不成熟，轻量化新材料、新技术研发、制造和 加工成本高，短期内难以形成完善的产业链，应用成本明显上升。 比如，碳纤维复合材料，仅原丝成本就高达 100-130 元/公斤，目 前只在超跑、赛车等高端车型上实现了大规模应用。另一方面， 产业应用周期长，不仅涉及汽车制造工艺的全面改进，还包括相 关生产设备的调整、人员技能培训等。比如，奥迪 1982 年就提 出了全铝车身设计项目，在之后的 20 多年，不断改进车身材质、 焊接工艺和框架设计，并推出多款概念车。通过四次技术迭代， 才实现车身结构逐步升级和车身重量显著降低。二、解决汽车轻量化问题亟需实现“三个突破” （一）加强材料、工艺、设计三方面研究，突破轻量化“卡 脖子”技术 一是打破学科壁垒，形成系统性知识体系。通过优化学科设 置、支持科学家合作等方式，打通材料科学、拓扑学、力学、成 型技术等学科的界限，通过多学科融合，推动汽车轻量化问题从- 7 -局部最优解达到全局最优解。二是整合行业资源，共同攻关工艺 核心技术。用好国家科技攻关计划、产业基础再造、智能制造等 工程和专项，整合院校、材料企业和车企等科研资源，采取揭榜 挂帅、赛马等形式，攻关一批短板瓶颈、关键共性技术和工艺。 三是优化技术路线，提升整车轻量化正向设计水平。遵循汽车轻 量化整车正向开发理念，研究制定科学合理的技术路线，通过技 术对标和整体规划、汽车各系统协同轻量化设计、设定轻量化性 能目标、形成轻量化模型和实施方案等，自上而下逐步分解开展 结构设计、选材与工艺、装配与连接的轻量化。（二）加强数据库和评价体系建设，突破通用性、一致性 难点一是推动汽车轻量化数据库共享。建议整合各大车企的企 业级数据库，以及汽车轻量化技术创新战略联盟的汽车轻量化 基础数据系统等现有数据库，参考军工主干材料数据平台方式， 建立汽车轻量化主干材料数据库。研究建立数据库共享分成机 制，规范轻量化材料和部件的研制与生产，满足车企选材用件 的通用性要求。比如，规定凡承担由政府资金支持的科研和产- 8 -业化项目，均须共享在项目研究、试验过程中形成的数据。二 是完善汽车轻量化标准。建议进一步加强标准研发，推动地方 标准、团体标准升级，对标国际标准，组织研制汽车轻量化设 计、工艺、水平评估的国家标准。同时，加强降油耗、减排放 等政策驱动作用，推动更多车企执行更高水平的轻量化标准。 三是用好高端平台建立评价体系。以汽车轻量化技术创新战略 联盟等单位为主体，通过国际汽车轻量化大会等高层次平台， 聚集国内外轻量化企业，展示汽车轻量化最新产品，开展汽车 轻量化水平评估，把握前沿技术趋势。（三）加强产业链上下游企业合作，突破产业化应用“死亡谷” 一是丰富合作形式。鼓励由汽车主机厂牵头发起，与钢铁、 有色、碳纤维等企业开展战略合作，比如组建轻量化材料联合实 验室、开展车型和样件开发合作、共建集中采购平台、共建零部 件制造基地等，密切上下游技术对接和供需链接。二是强化联盟 作用。汽车轻量化联盟是跨产业、跨学科机构，应进一步增强联 盟的活力建设，切实发挥其组织共性技术开发、组织技术交流、 开展产业研究、组织产学研合作等作用。三是加强政策引导。用- 9 -好首台套首批次保险补偿、创新产品政府首购首用等政策，引导 国内轻合金、碳纤维、复合材料、先进成型工艺等突破市场瓶颈， 让部分性能稳定、品质过硬的国产轻质材料以及国内首创的轻量 化技术工艺等，优先用于汽车产业链。本文作者：赛迪工业和信息化研究院 联系方式：13691293979 电子邮件：zhanX @ccidthinktank.com张昕嫱 谢振忠- 10 -- 11 -编 辑 部：赛迪工业和信息化研究院 通讯地址：北京市海淀区万寿路27号院8号楼12层 邮政编码：100846 联 系 人：王乐 联系电话：010-68200552 13701083941 传 真：010-68209616 网 址：www.ccidwise.com 电子邮件：wangle@ccidgroup.com- 12 -