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中国汽车轻量化材料行业前景预测

  汽车轻量化这一概念最先起源于赛车运动,它的优势其实不难理解,重量轻了,可以带来更好的操控性,发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻,起步时加速性能更好,刹车时的制动距离更短。

  汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响,既要有目标地减轻汽车自身的重量,又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性,同时汽车本身的造价不被提高,以免给客户造成经济上的压力。实验证明,汽车质量降低一半,燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

  汽车轻量化技术目的。采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。

  一、汽车保有量持续上升,节能减排成各国重中之重

  经过十余年的快速发展,汽车保有量持续上升。2010-2016年我国汽车保有和产量快速上升。2016年国内汽车产量2819万台,同比增长13.5%,汽车产量仍处于逐步上涨趋势中。另2017年8月末我国民用汽车保有量达到2.05 亿辆,汽车千人保有量为144 辆/千人,与发达国家每千人汽车保有量500辆左右相比,国内汽车保有仍会持续上升。

  2011-2017H1国内汽车产量(万台)

  

 

  2010-2017国内汽车保有量(亿辆)

  

 

  伴随汽车保有量的增多,汽车排放污染引起注意。机动车大多是以汽油发动机和柴油发动机为动力,这两类发动机均直接排放细颗粒物,其中汽油机排放的颗粒物相对较少,而柴油机排放量多,是城市PM2.5污染的主要排放源之一。北京市环保局发布的PM2.5来源解析报告显示,在雾霾所有来源中,区域传输贡献占28%~36%,本地污染贡献,其中机动车污染占到31%,为主要来源。

  北京PM2.5来源占比解析(2017年)

  

 

  各国为控制汽车排放量,纷纷提出汽车能耗和排放目标。到2020年,除美国之外的全球主要的汽车生产与消费国家和地区对乘用车燃油油耗的要求都将严格限制在5L/100km以下的水平,而且碳排放也更为严格(国内在2020将采用国Ⅵ的排放标准)。

  汽车轻量化将成节能减排主攻方向。汽车行业的节能减排主要是指通过汽车制造商一些技术措施配合相应的国家政策,建立起完善的机制等来减少能源浪费和降低废气排放。主要技术措施为汽车轻量化技术、发动机关键技术、改善油品品质和排放控制技术。其中,发动机技术与油品改善需要较长时间技术积累才能提升,而轻量化技术是目前最容易实现的技术,将成为减排主攻方向。

  汽车排放与汽车重量高度相关。在保证汽车强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低汽车尾气排放。汽车整备质量降低100Kg,汽车每百公里油耗将减少0.3~0.6L,汽车重量减低1%,油耗可减低0.7%,减排效果明显。

  二、新能源汽车为大趋势,汽车轻量化助推续航里程

  我国新能源汽车销量快速增长。当前我国的新能源汽车发展主要由政策扶持,得到了飞速的发展。2016年,我国新能源汽车销量为50.7万辆,同比增长53%。截止2017年11月,新能源汽车11月当月销量11.9万辆,同比增长106.7%。

  新能源汽车销量前景广阔。到2020年,我国将形成新能源汽车200万辆的年产销量规模,平均年复合增长率达到41%,市场前景广阔;预计2020年我国新能源汽车产量将达到242万辆,CAGR达到46.88%;2020年新能源汽车车型将达244款,较2016年55款增增加189款。

  新能源汽车11月销量11.9万辆,同比+106.7%

  

 

  2014-2020年我国新能源汽车产量(单位:万辆)

  

 

  迫于环境的压力部分国家出台禁售燃油车时间表。荷兰、德国、法国和英国等在内等多个国家都给出了禁售燃油汽车的时间表,新能源汽车的发展已经势不可挡。国际上已经有多个国家表态将在不久的将来全面禁售燃油车从。目前工信部也启动了停止生产销售传统能源汽车时间表的相关研究,也将会同相关部门制订我国的时间表。这也是工信部针对燃油汽车禁售的首度表态。

  虽然新能源汽车销量在各个国家持续走高,但是“里程焦虑”一直成为消费者购买新能源汽车的关键阻碍。在目前的锂电池技术限制下,如果是低价位电动车,续航只有100多公里;而续航里程大的,则价格较高,如特斯拉的续航达480公里,价格达约70万元,远超普通消费者的购买能力。普通新能源汽车续航能力350公里以上,才能显著消除消费者的焦虑。

  电池占汽车总重已达40%。通过加装电池组数量来获得里程数的提升,电池组总重达900Kg,已占总车质量的42.7%,达到汽车总重的小半,想要继续增加电池组数以至较为困难阶段。

  新能源汽车电池能量密度短期内较难提升。电池厂商欲通过提升动力电池密度提升从而提升电池里程数,目前,松下、三星、LG、CATL等第一梯队动力电池厂商,电池能量密度在240-250Wh/kg区间,各家也在积极研发300Wh/kg以上动力电池处于测试研发阶段,距离量产还有一定时间,短期内显著难以实现。

  ModelS电池组占总重

  

 

  各家三元动力电池密度对比(Wh/kg)

  

 

  轻量化是解决新能源汽车续航难题的最有效途径。通过汽车自身减重成为车场关注的新方向。纯新能源汽车每减少100Kg重量,续航里程可提升10%-11%,还可以减少20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。由于汽车轻量化可显著提高电池续航能力,已形成量产的产品有:乘用车、商用车的外覆盖件、内结构件等汽车轻量化车身件和新能源汽车电池盒的外覆盖件等。

  2.4. “限制排放”叠加“里程焦虑”,汽车轻量化成必然趋势

  汽车轻量化优势明显。所谓“汽车轻量化”,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,大幅降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性及续航里程,减少燃料消耗,降低排气污染,甚至提升汽车操作性以及安全性。汽车轻量化优势凸显,降低油耗和排放,汽车每减重10%,可减少油耗8%~10%,排放减少10%;操控性更强,汽车质量降低,提升汽车转向、加速及制动的灵活性;续航里程提升,电车每减重10%,续航能力增加5%~8%;提升安全性,有效减少事故时汽车势能对外物的冲击力。

  政策逐步落地推进国内汽车轻量化产业发展。自2015年以来国内接连颁布汽车轻量化产业规划政策与支持政策。其中2015年颁布的《中国制造2025》中,提出掌握汽车低碳化、轻量化材料等核心技术产业化,从关键零部件到整车的完整工业体系,推进轻量化产业发展;2016年发布的《新材料产业发展指南》,指出应加快调整先进基础材料产品结构,扩展高性能复合材料应用范围,支撑汽车轻量化发展。

  汽车轻量化发展路线与目标已确定。根据2016年10月26日,中国汽车工程学会节能与新能源汽车技术路线图发布会中,指出汽车轻量化技术将成为汽车行业未来重点发展目标之一。其中要在2025年,力争整车质量平均减轻20%,汽车钢铁比例占汽车总重的30%,单车用铝合金达到250kg,单车用镁量达到25kg,碳纤维使用量占车辆比重的2%。

  节能与新能源汽车技术路线图

  

 

  三、汽车轻量材料的发展

  轻量化材料的开发和应用是当前汽车轻量化技术的主要研究方向。汽车轻量化技术分为结构优化、材料升级和工艺创新。其中,结构优化和工艺创新侧重于汽车前期设计与制造工艺层面,以目前国内的技术水平来看,汽车轻量化程度提升空间不大,研发周期较长;而对汽车材料的更换和升级,能从根源减少汽车总重量,可行性更强,成为汽车轻量目前阶段最主要方向。

  轻量化材料有着不同的特性。车身轻量化材料主要的技术路径主要包括超强度钢、铝部件、复合材料玻纤碳纤等,不同国家选用的方向不同。欧洲选用的技术路径主要是采用复合材料玻纤碳纤进行替代,美国基本是用铝,比如特斯拉,国内刚起步,技术路径还未确定。不同材料在强度、质量、耐蚀、抗热、抗震和加工性等均有自身不同的优势,也决材料在不同汽车零件上的应用。参考国外的技术路径,复合材料与铝合金将成为未来汽车轻量化的两个主要材料方向。

  1、铝合金汽车轻量化特性优于钢材

  铝合金作为轻量化代表材料在整车制造上广泛应用基于如下优点:

  1)重量大幅减轻。在强度、刚性满足安全要求的同时,使用铝合金可大大减轻车辆的自重,一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻30%~50%。

  2)优良的耐火、耐蚀。铝合金材料与钢铁相比具有优良的导热性,其散热性比钢更好。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜,因此铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性能。

  3)吸收冲击力好。铝的吸收冲击能力是钢的2倍,在碰撞安全性方面有明显优势。

  4)便于加工、制造、维修。铝合金件的易于更换,不需除锈,适用于各种表面处理,便于维护,还可以回收的特点使制造工艺大大简化,制造所需工作量也较钢质车体大大减少。

  铝金属用于汽车零件及车身技术已发展成熟。特斯拉、BMW以及Audi等皆运用了大量铝材在整车设计中,大幅减轻了汽车的总重;国内比亚迪、江淮、北汽等也将铝材用于动力总成箱中,以降低汽车重量。

  2、 复合材料汽车轻量化较传统金属材料优势明显

  复合材料是由两种以上不同性质的材料经过一系列物理、化学变化各种工艺进行复合的一种材料,它具有轻质、高强、耐腐蚀、绝缘、耐温、可设计性强、工艺性好等一系列特点。复合材料经过70年的发展,在全球范围内已形成一个重要的技术产业。碳纤维复合材料、玻纤维复合材料等先进材料和技术都在汽车复合材料中得到应用。

  复合材料在汽车许多部件上已实现替代。轻量、安全、节能、环保是汽车工业的发展趋势,而传统的汽车金属材料发展变化较小,已越来越难以满足这些要求。复合材料特性可以适应这种变化的趋势,因而发达国家汽车制造业一直把复合材料视为理想的汽车轻量化材料。复合材料以其高性能及适应性强的特点,满足汽车部件的不同需要,已在许多部件上替代原来的钢、铝等传统材料。

  复合材料曲面零件可设计性。汽车的形状从节能的角度考虑应当设计成空气阻力最小的结构,但必须兼顾其美观性。具有一定厚度的钢板冲压成型时,其曲面的形状往往受到限制,而使用复合材料时利用它的流动性,比较易于制成各种形状的曲面,容易达到按空气动力学设计的要求以及满足美观方面的需要。

  复合材料的零件性能可设计性强。通过调整纤维结构、排列可以制成各向异性和不同厚度的制品,还可以实现夹芯结构,以达到最佳轻量化方案。把纤维按照受力方向进行排布,可充分发挥复合材料强度不等向性来达到节约材料和减轻重量的目的。而金属材料由于属性均匀,在满足受力最大方向上的技术要求后,另一个方向强度就会过剩。

  零部件一体化,缩短开发周期。复合材料制品一般是材料制造和产品成型同时完成。复合材料通过合理的模具设计,可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一体成型,适合于制造用金属板难于制造、生产效率低、难于保证精度的汽车零件。例如日产“布尔巴特”汽车前端板,用钢板制造时由20多个零件组成,而用复合材料用7个零件就可以。总成、整体化则是汽车结构的一种发展趋势。

  四、中国轻量化材料发前景预测

  1、碳纤复合材料有望成为汽车结构件轻量化材料主线

  1)、碳纤维复合材料汽车轻量化

  碳纤维复合材料应用将成未来车身结构轻量化的主要途径。碳纤维复合材料之前主要应用在航空航天领域,比如,波音787表面的90%都是碳纤维复合材料,碳纤维复合材料占结构重量的50%。伴随航空技术向乘用车领域转移,碳纤维复合材料在很多特性上超越传统材料,将成为汽车车身机构轻量化中材料的主要方向。

  在汽车众多轻量化材料中,碳纤维复合材料具有质轻、高强、抗冲击和耐腐蚀等优异特点。在满足安全前提下,碳纤维车身减少的车身重量是铝合金等材料减重的2倍;同时,碳纤维复合材料比重不到钢的1/ 5但比强度却是钢的8倍,但拥有比金属材料高5倍的能量吸收能力使其具有优越的安全性能。用碳纤维复合材料结构取代目前的钢体车身,可大幅减重高达60%,进而提高30%以上的燃油效率,新能源汽车上能平衡多装电池所带来的重量。

  汽车材料属性对比

  

 

  德国引领世界汽车碳纤维材料发展。由于欧洲在能耗和排放的政策上越发严格,使得汽车减重减排成为必然趋势;并且,德国是目前豪华品牌车型最多的国家,新材料、新技术对于高端车型也会有着科技豪华感的加持作用,所以德国以为代表的车企对于新材料的使用上显得更为热衷,尤其是宝马在碳纤维车身方面都处于行业领先地位。

  2015年德国新生产汽车铝合金和其他新材料在车身和底盘中的占比高达25%,是目前全球汽车轻量化材料使用比例最高的国家,到2020年新材料的使用趋势会继续上涨,将达到35%左右;同时,进一步降低低碳钢在汽车车身中的使用比例至原来的一半20%,提升高强钢的占比至45%。

  德系:汽车车身不同材料组成占比

  

 

  宝马新能源汽车引领全碳纤维车身发展大潮。宝马新能源电动车i3与i8整备质量1224kg与1540kg,明显领先雪佛兰Volt、比亚迪e6、Tesla Mode S与Model X。宝马i3与i8的超轻体重的核心技术就是大量使用碳纤维增强复合材料(CFRP)。

  宝马i3上,宝马采用创新的LifeDrive模块构架,将车体分成Life和Drive两个部分。车身不再负责传递承载的重任,这样代表Life部分的乘坐模块就有了更大的发挥空间,正好给宝马i3的减重提供了机会:Life模块采用的正是碳纤维增强复合材料CFPR构成。通过大量使用CFRP,宝马i3减轻了300kg,在很大程度上弥补了电池带来的重量,这也是宝马i3比别的电动汽车轻很多的原因。

  新能源车型质量对比(kg)

  

 

  碳纤维复合材料车身结构给汽车带来的好处不仅仅是减重。

  全性。车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。

  舒适度。碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼,轻合金需要9秒才能停止震动,碳纤维复合材料2秒就能停止,故碳纤维应用在汽车上,对于整车NVH(噪声、振动与声振粗糙度)的提升贡献同样很大,会大幅增强汽车行驶的舒适性。

  可靠性。碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。

  2)、碳纤维复合材料总装环节少,规模化应用具备产业可行性

  碳纤维复合材料价格高和加工效率低是阻碍碳纤维复合材料大规模使用的主要因素。使用碳纤维复合材料的成本达到20美元/kg,钢的成本是0.8~1.0美元/kg,铝合金的成本2.5美元/kg,镁合金的成本3.75美元/kg。汽车全属零件采用冲压制成,一般需要1分钟内即可完成,而碳纤维复合材料制品生产的编织、注胶和冷却工序需要数小时,这也制约碳纤维材料的大规模量产。

  汽车轻量化材料成本(美金/kg)

  

 

  碳纤维复合材料未来空间巨大。2020年之后,碳纤维复合材料的成本在将降至70元/kg,生产效率也大幅提升至2分钟出一件,良品率也将大幅提升至95%; 2013年以来我国汽车产量保持在2300万辆以上每年。市场空间测算假设:

  假设2020年汽车产量将在2300万辆每年,同时假设每辆车平均车重约为1500KG,预计碳纤维复合材料在汽车行业渗透率达2%;同时,假设碳纤维复合材每千克成本为70元。测算2020年之后,汽车碳纤维复合材料市场空间达483亿元。

  碳纤维复合材料市场空间测算

  

 

  目前国内碳纤维汽车轻量化处于起步阶段,主要碳纤维汽车零件厂商为海源机械和康得新;海源机械的复合材料液压成型技术主要为自己开发,而康德新的复合材料成型技术主要依靠德国技术导入,海源机械拥有显著技术成本优势,有望率先启动规模效应。

  2、玻纤维复合材料将成汽车非结构件轻量化主线

  1)、玻纤维复合材料汽车轻量化

  玻纤复合材料是改性增强塑料,是指在塑料中增加材料来玻璃纤维来提升力学性能,适合在汽车领域中对于部分金属部件进行替代。玻纤维复合材料具有密度小、易成型、设计灵活美观、耐腐蚀、耐冲击、抗振、隔热、隔电、易于涂装、强度高、成本低的特点,成为广泛用于汽车内外装饰件和功能结构件的主要材料。

  玻纤维材料在汽车零件中的使用。在整车制造中改性增强塑料占整车重量的9%;玻纤维增强塑料制造的前翼子板、发动机罩、尾板等在汽车车身上已普遍应用;在座椅骨架、保险杠、电池托架、仪表板、地板、护板、发动机罩盖、脚踏板、后背门等部件上得到运用。

  汽车整车中各种材料占比

  

 

  玻纤维复合材料较碳纤维价格便宜很多,但玻纤维较脆受到冲击易断裂,并且强度达不到碳纤维那么高,受热较碳纤维变形程度较大,所以玻纤维更适合制成汽车非结构件、装饰件,而碳纤维运用在车身结构件中较多。

  2)、长玻纤复合材料将替代短波纤维,国外整机厂已广泛使用

  长玻纤复合材料强度优势明显。在汽车玻纤复合材料玻纤增强材料根据塑料粒子的长度和玻纤维的长度可分为短玻纤增强塑料SFT和长玻纤增强塑料LFT,短玻纤离子长度为0.2-0.4mm,长玻纤长度更长为2-4mm、排列更规律,所以具有更强的强度、刚度。

  长玻纤与短玻纤复合材料对比

  

 

  长玻纤材料汽车部件已被广泛应用。长玻纤增强塑料已被福特、大众等知名国外汽车生产商广泛用于生产汽车前端模块、车门模块、电池托架、仪表盘、保险杠梁、噪音屏蔽等汽车零部件;国内自主品牌例如长城、上汽、吉利、奇瑞、长安等乘用车近年也逐步开始涉及玻纤复合材料轻量化领域,部分企业以开始量产并应用。

  我国玻纤维复合材料未来有提升空间。我国改性塑料市场, 2016年改性塑料使用量最高的是德系车,其改性塑料的使用率达到22%为300-360kg,欧美国家的平均水平达16%为210-260kg,我国乘用车单车的改性塑料使用率只有8%为100-130kg,未来国内市场有较大提升空间。市场空间测算与假设:

  假设我国改性塑料单车使用量将达到16%,按照整车质量1500kg计算达到240kg。2013年以来我国汽车产量保持在2300万辆以上每年,预计2020年汽车产量将在2300万辆每年;同时,改性塑料市场均价约为1.8万元/吨;假设玻纤维材料在改性塑料中占比50%。测算2020年,玻纤维复合材料在国内汽车领域市场空间达496.8亿元。


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