汽车轻量化专题报告:抓住机遇,轻装前进

汽车轻量化专题报告:抓住机遇,轻装前进
2019年12月12日 20:35 新浪财经-自媒体综合

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一、轻量化是降能耗、控成本、重设计的关键体现

经过十年高速增长,截止到 2019年 10 月份,汽车消费增速显著下滑,已经连续十六个月同比负增长,整体进入行业调整期。2019 年前三季度同比下滑-10.2%,消费需求偏低。但是环比来看,从 8 月份开始,8、9、10 月三个月环比增长分别为 8.2%、16%和 0.6%,均实现正增长,但回暖趋势不明显。即使今年以来包括工信部等国务院各部门陆续发布了多项政策指导,但行情未见明显改善,缺少市场增长的有效触发点。

根据对市场上 700 多台不同级别乘用车的重量和尺寸信息汇总,以重量比体积系数作为对比数据,该数据越低,则轻量化水平越高。从数据上可以看出, 37%的 A 级轿车、35%的 B 级轿车以及 45%的 C 级轿车重量比体积系数较高,存在有较大提升空间;而SUV 中同样有 30%~40%的比例期待提升。

(一)整车能耗要求日趋严苛,轻量化是直接关联因素

节能水平历来是汽车企业产品开发需重点面对的焦点,随着汽车电动化的发展,降低整车能耗水平就变得越来越重要。

从政策层面看,目前新能源补贴加快退坡,补贴更加关注续驶里程高、电池质量能量密度大、整车能耗水平低的方面,特别是工信部于 2019 年 7 月发布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案(征求意见稿),同样鼓励企业研发先进低油耗车,推动传统车转型,与新能源车协同发展,避免了单纯依靠纯电动车分担积分压力现象,实现节能目的。

从理论经验上看,汽车在运行时,需要克服一系列阻力, 包括滚动阻力,空气阻力,坡道阻力,加速阻力等,除空气阻力外,其他都跟车重直接关联。此外,从整车能耗来看,影响整车能耗水平的因素除了行驶阻力因素外,还有空调性能、热管理及电子电器附件的影响,而轻量化对能耗影响明显,整车大约有 1/3 的能耗是跟重量密切相关的。对于当前市场上在售的普通汽油机车来说,保守估计,重量每减轻 100Kg,油耗降低3%~5%左右;而纯电动车续驶里程可以提高 3%~5%左右。

(二)轻量化是企业控制成本的主要路径,体现核心设计能力

从整车来看,各大系统所用材料无非就是各种钢材、铸铁、塑料、橡胶、铝制件、镁合金、玻璃和少量其他材料,以及高档车上采用的碳纤维等材料。其中又以各种钢材、塑料及纯电动车的电芯材料所占比例较多。

对于纯电动车,电池包所占比重极大,占比大约在 1/4~1/3,比如特斯拉 MODEL S采用全铝车身,电池组大约占比 1/4。因此,电池包轻量化是重中之重。要实现电池包轻量化,一方面要降低模组箱体的重量,通过改善材料及制造工艺,优化设计实现;另一方面,要降低电芯的重量,通过提升电池能量密度来实现,这部分是目前纯电动车开发的核心所在。工信部在 2017 年 12 月颁布的《促进汽车动力电池发展行动方案》提出,到 2020年新型动力电池的能量密度要达到 300Wh/Kg,2025年要达到 500Wh/Kg,2019年天津力神研制的 NCA 电池已经达到 303Wh/Kg,已经达到方案要求;2018 年 1 月国家制造强国建设战略咨询委员会又发布了《<中国制造 2025>重点领域技术路线图(2017版)》,提出 2020、2025、2030 年单体能量密度分别达到 350、400、500Wh/Kg。

未来,各国普遍看好固态锂电池和三元富锂电池的发展,相比较传统锂电池,固态锂电池在安全性、能量密度上都有明显提高,并且有一定产业化基础条件。目前,蜂巢能源正在开发的全新固态电池能量密度将超越 300Wh/kg。

随着各整车企业对成本的精细化管理、规模效应的体现,国内汽车单车成本逐年降低。从原材料价格来看,虽然镁合金材料呈下降走势,但铝合金、聚丙烯腈、塑料和橡胶的价格近两年相对稳定。当前部分中低端车普遍从设计及集成方面开展轻量化工作,而对于中高端车及纯电动车规模化采用轻量化材料,有助于拉动上游产业加快新材料及工艺开发的突破,形成产业链相互促进发展。

(三)满足消费者对车辆性能的要求

除了能耗、排放、成本因素外,整车重量也影响了车辆的加速、制动、操控、安全、振动噪声等性能,这些性能影响消费者对车辆的属性感知和购车诉求。

我们统计了乘用车市场对购车期望以及满意度的数据,TOP15 中有八项跟轻量化直接相关。这些因素一方面影响了消费者在试乘试驾时对车辆的直观感受,从而影响其购车欲望;另一方面,也影响了已购车用户的口碑传递。因此,一台优秀轻量化水平的车子,是能够兼顾到车辆各个方面的性能要求。

(四)全球范围内轻量化新技术发展及应用

从全球范围内来看,轻量化有如下方向:现有钢制材料优化、成型工艺的轻量化;新型复合材料的替代;碳纤维的推广;铝镁合金件应用范围持续扩大;系统集成化深度发展。

国内市场在售的以铝合金材料为主车型有:蔚来 ES8/ES6,凯迪拉克 CT6、奇瑞捷豹 XEL/XFL、特斯拉 MODEL S、奥迪 A8 等。其中凯迪拉克 CT6 铝合金应用比例 62%,高强钢及热成型钢占比 31%;宝马七系采用了碳纤维、铝合金、高强钢复合材料,白车身大约减重 40Kg;奥迪 A8 也是采用了碳纤维、铝合金、高强钢等混合材料。

(五)国家政策支持

近年来,工信部等陆续出台了一系列相关产业政策,立足于原材料和成型加工,开展高强钢、铝合金/镁合金材料、高性能工程塑料、纤维复合材料的突破开发及产业化应用,特别是固态电池、电池模块、车身、底盘件、部分内饰件和电机电驱等零部件方面,支持拉动轻量化的发展。

二、传统材料和新材料齐驱并进,结合新能源集成能力,实现轻量化

要实现轻量化,需要从整车系统各个维度,结合新材料、新工艺、新设计思路进行深度扩展。

(一)关注整车轻量化重点区域

传统燃油车整个车身系统重量占比大约 30%,而白车身重量大约占整车 15%~18%左右。车身轻量化主要发展了四个阶段:普通钢制车身、高强钢车身、钢铝混合车身和铝合金/碳纤维等多种材料复合车身;目前大部分车身还是采用了钢制材料,混合结构或者全铝车身占比很小,从全球范围来看,大约是 15%和 12%。主要还是当前钢的加工成熟稳定可靠,成本优势大。实现车身轻量化主要是从材料选择、成型方式、钣金件连接方式、阻尼及加强材料方面考虑。

其次,对于配置有传统燃油机的汽车来讲,动力系统对重量的贡献有 20%以上。这里面有内燃机、变速箱、进排气系统、传动轴和供油系统等,涉及到的零件复杂,对材料的要求也高,轻量化集中在发动机、变速箱和传动系统等方面,比如上汽 SGE1.5T 发动机采用铝合金缸体缸盖、集成式排气歧管、塑料进气歧管、冲压件油底壳等,可以实现发动机减重 10%以上。

底盘系统也是实现轻量化的关键路径。一般来讲,底盘由传动、行驶、转向和制动四大系统组成,而行驶系统则是四大系统中重量占比最大的。比如副车架和前下摆臂采用铝合金材料或者高强钢冲压件,转向节采用铝合金材料等,都可以有效实现轻量化。

内外饰系统轻量化也体现在了材料选择和成型工艺上。比如选择低密度材料、不等厚度成型、镁铝合金仪表板骨架等方案。

此外,纯电动汽车的轻量化,更多的焦点集中在电池和电驱系统上,特别是电池系统,一方面是电池模组的重量,一方面是箱体等附件的重量。根据统计,传祺 AION LX,东风启辰 T60EV,广汽丰田 iA5 三款车的能量密度都是比较高的,而且三者都搭载了宁德时代 NCM811 电池,其中传祺 AION LX 电池包能量密度最大为 176Wh/Kg,但是距《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出的 2020 年电池包能量密度达到 260Wh/Kg差距还很明显。所以,需要从上述两个方面同步开展,既要提升电芯能量密度,也要做好箱体等结构优化设计,采用更轻质的高强度材料,更好的集成化设计方案。

(二)从零件实现三个维度入手

1、材料选择实现轻量化

通过选择高强钢、轻质材料,以及不同材料的组合实现。对于钢制材料,提升高强钢、超高强钢应用比例,可以降低材料厚度。一般这类材料用在部分外板件和车身结构件上,比如立柱、车身纵梁、车顶横梁、各防撞梁等。美欧系应用比例较高,大约在 60%以上。

对于轻质材料,有轻合金金属、新型塑料和纤维增强复合材料等,是实现轻量化的重要路径;同时因地制宜,根据功能需要选择合适材料,或者多种材料联合的方案,同时兼顾到成本、售后等方面。铝合金的应用除了上文提到的之外,还有引擎盖、尾门、保险杠横梁等,是除了钢外的应用最广的金属材料;镁合金在方向盘骨架、仪表板骨架、座椅骨架、传动系、底盘系等零件上有应用;而塑料的应用也逐渐增多,比如冷却模块框架、进气歧管、尾门内部结构等,大约有 50%的减重效果。不过碳纤维复合材料由于成本昂贵,目前除了高级豪华车、跑车和部分高端电动车外,其他应用还比较有限。

2、制造工艺优化实现轻量化

选择先进的制造工艺,不仅可以实现轻量化,也有效提高了生产效率,降低了零件成本。成型工艺方面,有热成型、液压成型、内高压成型、辊压成型、变厚度成型方案等;连接技术方面,有激光焊,结构胶粘接等,通过这些方案可以减少零件数量,提高材料利用率,提升零件刚度,实现轻量化。

比如副车架制造方面,对高强钢进行一体液压成型,在不降低零件刚度情况下,减少了零件数量,重量可以减轻 5~10%。而不等厚度工艺,除了钢板外,在内饰件上也有广泛应用,比如前围内部隔音垫采用的 EVA 材料,根据设计需要,不同区域采用不同厚度成型方案,预计可以实现 25%的轻量化。

3、面向轻量化的设计开发是实现轻量化的最主要途径和出发点

轻量化设计开发,不仅包含零件本身的设计,也包括系统和整车的集成开发,这是一个企业的具有自主开发能力的核心体现。一方面既要保证有效的减重,又要考虑到整车和零部件的强度、刚度和耐久等性能不因减重而受影响;另一方面,系统集成水平的提高也有助于提升轻量化水平。比如宁德时代最新的电池集成技术,实现了整车减重250Kg;比亚迪 e2 的电驱技术集成实现了 25%的减重;电动公交车的轮边电机也替代了传动轴等零件,整体重量可以减轻 250~500Kg。

对于车身轻量化设计评价,按照目前汽车行业内比较通用的公式,即轻量化系数计算公式,该公式为轻量化系数=白车身重量/(扭转刚度*正投影面积),能用来对比评价不同厂家的设计水平,即在同级别车型中,白车身重量越低,扭转刚度越高,轻量化系数越小,车身设计越好,反之越差。从欧洲汽车车身会议历年轻量化系数平均值来看,表现出总体趋小的趋势。

面向轻量化的设计,除了车身件外,还有底盘车架等,这些零件的连续拓扑优化,已经比较成熟,但是涉及到整车非线性、离散结构,还需要跟实车实验结合,作进一步完善,这也是跟企业的开发能力和经验积累密切相关。

三、顺势而为,抓住轻量化发展机遇

外资企业持续注入,为新能源产业发展激发了新的活力,是轻量化发展必需增量。随着特斯拉上海临港工厂的投产,上汽大众 MEB 平台的国产化的推进等,作为新能源车关键技术需求的轻量化,是始终绕不开的话题。目前几大车企都已在国内设立合资或者独资新能源项目,将会带动新一轮行业发展。

大众 MEB 平台全称为"电动车模块化平台",是大众汽车集团首款为大规模生产而开发的纯电动车平台。该平台采用平板式电池模组布置方式,使车辆拥有更长轴距与更短前后悬尺寸,轴距和同级别传统燃油车相比有很大提升,车辆内部空间更宽敞;没有中央地台,后排乘客可享受舒适腿部空间;电池包完全嵌入车底,显著降低车辆重心,实现接近 50:50 的前后重量分配;该平台扩展性强,可以根据不同车型用途,配置不同容量电池;支持快速充电,15-30 分钟内可充满 80%电量;动力电池采用轻量化铝制零件,配有集成式冷却系统、电池管理系统,大幅度提高电池防护水平和安全性;智能网联系统集成创新,实时在线。

从国家产业政策上看,《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》征求意见稿,进一步指明了未来十五年发展的思路,2025 年销量要达到整个市场销量的 25%。如果以当前新能源车市场销量来估计,预计每年要有 40%的增长率,空间广阔,不排除后续会有相对应的持续支持。特别是纯电动车,占据了新能源市场销量的 80%。该意见稿在当前新能源销量低迷时发布,无疑是一注强心剂,坚定了"市场主导、创新驱动、协调推进、开放发展"的基本原则。

根据节能与新能源车制造技术路线图,按照到 2025 年铝合金单车用量达到 250Kg来计,叠加其他成本,单车成本大约 5700 元,那么保守估计,五年内铝制件的市场需求量至少为 400 亿元。

支持零部件轻量化的中上游企业比较多,有车身件、底盘件、内饰件以及动力电池零件等,我们重点关注金属件和部分内饰件的标的。

四、投资建议

轻量化作为一项系统工程,集零部件设计及集成、制造、材料为一体,三者缺一不可,是一个企业是否有竞争力的关键体现。所以,我们后续持续关注:

1、 研发能力优质的产业链公司,零部件开发、系统集成能力有优势。比如:华域汽车,宁德时代,拓普集团

2、 制造工艺优质的上游公司,比如精锻科技爱柯迪旭升股份

3、轻质材料开发优势明显的公司。

(报告来源:联讯证券)

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