汽车轻量化行业研究-趋势明确结构件一体压铸推动制造革命

汽车轻量化行业研究：趋势明确，结构件一体压铸推动制造革命一、汽车轻量化是节能减排的重要技术路径，底盘与车身结构件一体压铸空间广阔1.1、《节能与新能源汽车技术路线图2.0》强化轻量化重要性“碳达峰”、“碳中和”指引下，我国力争于2030年前控制二氧化碳的排放达到峰值，2060年前实现碳中和，汽车产业是推动节能减排的重要领域。中国汽车工程学会主导修订的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》围绕着产业总体+9大技术发展方向制定了“1+9”技术路线图，主要围绕着节能汽车、纯电动与插电混动、氢燃料电池、智能网联、动力电池、轻量化、智能制造等多个分支。根据技术路线图，轻量化领域以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方向，远期以形成多材料混合应用体系为目标。对于轻量化系数总体目标，要求2025年/2030年/2035年燃油乘用车轻量化系数分别降低10%/18%/25%，纯电动乘用车轻量化系数分别降低15%/25%/35%。燃油车方面，轻量化系数降低将有利于整车油耗的降低。汽车整备质量每减少100kg，每百公里油耗可降低0.3—0.6L(二氧化碳排放可减少约6-14克/公里)，以5L/100km为标准，可以降低油耗6%-12%，因此对于传统能源乘用车，轻量化技术将有效减少油耗，有利于油耗标准的达标。新能源汽车方面，提升续航里程，减少电池成本是轻量化的重要贡献。由于三电系统等增量零部件的原因（三电系统增重约200-300kg），同级别的新能源汽车整备质量要高于燃油车，当前纯电动车受到续航里程短、充电时间长的瓶颈问题困扰，对于轻量化系数优化的需求更加强烈。汽车整备质量每减少10%，续航里程将提升5-6%，以整备质量1500kg、续航500km的新能源汽车为计算基准，汽车整备质量每减少150kg，续航里程提升25km。除此之外，轻量化趋势下，整车的制动性能、加速性能以及最大时速等动态参数也会得到较好的表现。1.2、汽车轻量化是综合安全性、力学性能和经济性的系统工程轻量化目标零部件分为簧上零部件质量+簧下零部件质量，其中车身结构件、座椅、乘员等质量均属于簧上质量，底盘结构件、车轮等属于簧下质量。评判整车的轻量化系数主要由白车身骨架质量、车身静态扭转刚度以及由轴距和轮距决定的白车身投影面积决定。提升轻量化系数的实质是在不影响静态扭转刚度（决定了汽车安全、NVH表现、刚度等性能指标）甚至提升静态扭转刚度的前提下减少单位面积的白车身骨架质量（其中白车身骨架质量不包含前风挡、四门两盖覆盖件、副车架等，仅包括白车身框架结构）。因此，汽车轻量化不是简单地减少重量，而是综合汽车耐撞性、刚度强度性能、安全性、经济性的系统工程。优化轻量化系数的主要措施包括：（1）采用轻质的混合材料。当前的探索方向主要包括先进的高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料，替代主流低碳钢，可以分别减重25%/40%/60%。近期目标完善高强度合金钢体系，远期形成多材料混合应用体系。碳纤维复合材料有高性能和低密度的轻量化特点，但是还处于技术探索阶段，技术和成本没有达到平衡，因此近五年或成为铝合金的快速渗透阶段。根据DuckerFrontier预测，北美单车铝净重量2030年可能达到570磅（259kg），以F-150为例，占整备质量的10%左右，铝净重量主要包含铝板、铸造、挤压等工艺，其中铸造占比达到铝净重量的56%。根据华经产业研究院预测，2025年国内单车铝用量也将达到300kg。（2）优化结构设计。通过局部加强设计、提升环状路径接头结构的封闭性，可以有效提升闭合型腔的断面力学性能，改善车辆刚度表现，从而有利于轻量化系数的优化。如一体压铸技术可以减少焊接部位，提升整体结构强度，改善轻量化系数。（3）优化车身整体布局形式。如采用承载式车身取消车架、减薄车身板料厚度、在适合的区域增加减重孔等措施均有助于车重的大幅度降低。1.3、底盘与车身结构件将率先实现一体化压铸

ModelY率先于2021年3月推出一体压铸后底板，70多个零部件减少至2个，相较于传统冲压焊接工艺在成本经济性、工艺流程和生产节拍、材料利用率等方面具备较强优势，形成了示范效应，并计划拓展到前底板、前围模块甚至中底板。国内、小鹏、理想陆续跟进，沃尔沃、奔驰相关外资也陆续推进一体压铸厂房改造和底盘一体化结构件的推出。一体化压铸适用的零部件主要有车身结构件和底盘结构件，车身结构件+底盘结构件的轻量化，将实现簧上+簧下重量的同步减重。车身结构件：车身结构件质量占汽车整备质量的20-30%，是一体压铸轻量化的重点区域。车身结构件、车身加强件、车身覆盖件共同构成汽车框架，其中车身结构件包括前后总成、A/B/C柱、左右减震器悬挂部分、左右纵梁、横梁、上边梁等零部件，起到支撑承载的作用，是支撑车体的“骨骼框架”。主流的车身结构件由普通钢、高强度合金钢、铝合金、镁合金、合成材料等不同材料组成，钢的占比较多，铝用量受到限制主要因为铝的焊接性能较差。零件之间连接方式包括焊接、螺接、胶接、铆接等拼接方式，焊接方式居多，但是铝制零件由于易氧化产生、膨胀系数大易产生焊接变形，因此铝制零件不易焊接，而采用一体压铸铝件可以减少过多的焊接点，从而避开焊接点过多可能产生的问题。由于车身结构件起到了支撑和抗冲击的作用，是整车碰撞安全的重要保障，因此在进行车身结构件轻量化的同时，还需要“因地制宜”，即不同区域的零部件要求不同，采用的材料也应该有所不同，未来车身结构件的趋势是混合材料车身，在力学性能、轻量化和成本方面达成平衡。尤其是车身结构件减重的同