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铝、镁助跑汽车业轻量化

2017-06-21 13:42:42 厦门天研仪器有限公司 阅读

1、汽车业蓬勃发展,轻量化趋势明朗 

1.1、汽车业飞速发展,节能减排成重中之重 

 近几年汽车行业发展迅速。2011 年全球汽车产量为仅 8000 万辆,2016 年达 到近 9500 万辆,年均复合增长率约 3.5%。2011 年全球汽车销量为 7793 万辆, 2016 年达到 9386 万辆,年均复合增长率达到 3.8%。其中我国产销量一直位 于世界前列且增速明显,根据中汽协数据,2016 年我国的汽车产量为 2812 万辆,同比增长 14.46%,汽车销量为 2803 万辆,同比增长 13.65%,成为推 动全球汽车产销量增长的中坚力量。同时,美国、日本、印度、德国等国家 汽车销量也居世界前列且销量表现不俗。

 

汽车行业发展迅速,使得燃油消耗和 CO2排放量不断增加。工信部 2016 年 数据中,95 家国内乘用车企业中有 42 家企业的平均油耗实际值大于油耗限 值 6.9 规定,27 家进口乘用车企业中有 23 家企业的平均燃油消耗实际值大于 6.9L/km。现行汽油车的 CO2 排放量接近 200g/km,混合动力车的 CO2 排放量 达 130g/km。随着汽车销量的增加,总的燃油消耗持续加大,CO2 排放量也 随之不断增加,已经占到 CO2 排放总量的 20%以上。我国 CO2 排放量已经居 世界首位,且远高于其他国家。

 

 

 

各国纷纷制定节能减排目标,以减轻碳排放对环境的影响。我国、欧盟、日 本均制订了 2020 年油耗限值目标,分别为 5L/100Km、4L/100Km、

4.93L/100Km,美国制订了 2025 年油耗限值降到 4.3L/100Km 的目标。

2014 年 12 月,我国国家质检总局正式公布新版 GB 19578-2014《乘用车燃料 消耗量限值》和 GB 27999-2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》,整体 上对车型燃料消耗量限值和企业平均燃料消耗量目标加严了 20%。2016 年, 《节能与新能源汽车发展技术路线图》发布,提出至 2030 年,乘用车新车油 耗 3.2 升/百公里,商用车油耗同步国际先进水平,新能源汽车销量占汽车总 体销量的比例达到 40%以上,完全自动驾驶车辆市场占有率接近 10%。

 

 

在 CO2 排放方面,欧洲 2014 年设定的法案要求,从 2020 年起,欧盟范围内 销售的 95%的新车的 CO2 排放平均水平必须达每公里不超过 95 克,到 2021 年,这一标准要覆盖所有新车。油耗限值和 CO2 排放目标彰显了各国对节能 减排的迫切需求。 

 我国“碳配额”&“双积分”制度出台,加速汽车业向低油耗低碳排放发展。2016 年 8-9 月,《新能源汽车碳配额管理办法》和《企业平均燃料消耗量与新 能源汽车积分并行管理暂行办法》征求意见稿相继发布,分别被称为“碳配 额”和“双积分”制度。“碳配额”制度为企业制定了一年的碳配额指标,而 企业则可以通过生产和销售新能源汽车的方式生成碳配额,也可通过交易市 场进行买卖,通过奖惩分明的方式鼓励企业由高油耗高碳排放的传统燃油汽 车更多地向低油耗低碳排放转型。“双积分”制度提出了平均燃料消耗量+新 能源汽车生产比例两种积分,使得企业不得不向低油耗车型抓紧布局。

1.2、轻量化已经成为全球汽车业发展的共识 

 整车轻量化是实现汽车节能减排的最优措施。汽车轻量化是在保证汽车功能 的前提下,汽车自制重量的下降。分析比较不同的整车优化方案的节油率, 汽车质量每降低10%,能够降低油耗6-8%,相较于其他优化措施,对降低油 耗、减少CO2排放的优势更加明显。此外,汽车减重10%,能够使加速时间减 少8%,制动距离减少5%,轮胎寿命提高7%,电池能量密度提升9%,疲劳寿 命明显提升,转向力明显降低,对汽车的环保性、燃油经济性、动力性、制 动性、耐久性、安全性等均有十分明显的提升作用。因此,汽车轻量化也成 为目前整车优化的最主要趋势。

图 6、不同措施的节油率

 

在汽车轻量化趋势推动下,国外汽车轻量化发展如火如荼。1993-2013 年, 欧洲、日本等的汽车平均重量已降低了 25%,未来 10-15 年,将追求平均车 重再降 20%-25%。美国计划到 2020 年,汽车整备质量相较于 2010 年实现 25% 的下降。很多国外知名企业均制订了轻量化阶段性目标,其中福特的轻量化 目标是到 2020 年大幅推进车辆轻量化,新款轿车及卡车将采用轻质材料, 减重幅度将在 110-340Kg。

 

我国已将汽车轻量化提上日程,并制订了汽车轻量化三步走计划。我国计划 于 2020 年达到单车用铝量 190kg、单车用镁量 15kg,于 2025 年达到单车用 铝量 250kg、单车用镁量 25kg,于 2030 年达到单车用铝量 350kg、单车用镁 量 45kg。从汽车轻量化目标可以看出,我国对汽车轻量化的重视,这有望带 动汽车轻量化进入新的阶段。

 

 

材料是实现汽车轻量化的重要方式之一,主要汽车轻量化材料包括:高强度 钢;镁合金、铝合金等轻金属;碳纤维、陶瓷、塑料等非金属。常用的轻量 化材料与汽车用材的构成密切相关,通常家庭乘用车用材构成为:钢为54%, 铸铁为10%,塑料为8%,铝合金为8% 镁合金为1% 橡胶玻璃为7%,其他为 12%。

 图 8、汽车轻量化材料

 

1.3、新能源汽车产业蓬勃发展,对轻量化提出新需求 

 新能源汽车相较于普通汽油车,碳排放量更低,清洁环保性更高。纯电动客 车只在发电阶段有 CO2 排放,柴油车和插电式客车的 CO2 排放则主要集中在 车辆行驶阶段。比较现行汽油车、混合动力车、氢燃料电池车、电动汽车每 运行 1 公里时的 CO2 排放量,新能源汽车要显著的少于现行的汽油车,特别 是电动汽车,每运行 1 公里的 CO2 排放量要较汽油车低 70%,清洁环保优势 明显。

 

近两年新能源汽车产销两旺,未来仍有望保持高增长。根据中汽协数据,2016 年新能源汽车产量 51.7 万辆,同比上涨 52%,销量达到 50.7 万辆,同比上涨 53%,产销量上涨幅度均超过 50%。其中纯电动汽车销量为 40.9 万辆,同比 上涨 65.3%,插电式混动汽车销量为 9.8 万辆,同比上涨 17.2%。在节能减排、绿色环保的倡导下,未来的 10 年,预计新能源汽车的产销量仍将保持高速的 增长,到 2020 年,新能源车销量有望达到 140 万辆。

 

新能源车的发展对轻量化提出了新的要求。新能源汽车销量增加,带动动力 电池需求,但是电池的重量也使得电动车比同级汽油车更笨重一些,所以, 十分有必要进行车体的轻量化,以及电池和容器的轻量化,才能实现整车性 能的提升。此外,轻量化还能够有效解决新能源车的续航能力不足的问题。

2、铝:“铝代钢”步伐不停,汽车用铝空间广阔 

2.1、铝合金量轻质优,掀起“铝代钢”新革命 

 铝合金量轻质优,是汽车应用的理想材料。铝合金比重只有 2.68g/cm3,仅为 钢的 30%,较钢质量更轻,且在抗腐蚀性、硬度、韧度等方面特点更为突出, 因此,已经成为汽车工业的理想材料。

 第一,铝合金能够促进轻量化和节能减排的实现。据美国铝业公司数据,汽 车中典型的铝质零件的一次减重效果可达 30~40%,二次减重可进一步提高 到 50%。汽车使用期内,多用 1kg 铝,轿车、载重汽车、公交客车分别减少 CO2 排放 20kg、28kg 和 45kg,且铝合金回收率高达 85%以上,90%的汽车用 铝合金均来资源回收的废料,在资源回收再利用方面优势大。 

 第二,铝合金抗腐蚀性能优异。铝及铝合金在空气中,其表面能够生成一层 致密的氧化膜,耐腐蚀性和耐氧化性能均优于钢铁材料。且铝合金具有卓越 的成型性。 

 第三,铝合金的使用有助提升车辆驾驶的平衡及安全性能。一方面,铝合金 对整车的减重是在不减小汽车容积的前提下实现的,汽车因此将更加稳定, 受到冲击时,铝合金还能够实现能量吸收和分散,使得驾驶更加安全。

 

以加工形式分,汽车用铝主要分为压铸、挤压和压延三种形态,其中压铸件 在汽车领域的用量占比最高,达到 80%左右,挤压件和压延件在汽车上的应 用占比各约 10%左右。压铸件主要用于发动机、车轮等部位,挤压件主要用 于座架、行李架、门梁等,而压延件主要是生产车身用铝板等。

2.2、全铝车身备受宠爱,“四门两盖”有望成最大增长点 

 目前铝合金铸件、型材在汽车上的应用也较多,但最受关注的是板材。汽车 板在覆盖件方面,主要的应用是 4 门(车门)2 盖(引擎盖、货舱盖)1 顶 (顶棚),此外,一些结构件也用到板材。

全铝车身在汽车的减重及减排方面表现十分出色。铝车身可使汽车整体减重 10%~15%,特别是对于商用车而言,全铝车身的骨架可减重 30%~45%,蒙 皮可减重 50%~60%,减重效果将更加明显。根据研究显示,使用 1kg 铝, 能够使汽车减重 2.25kg,使汽车生命周期内减少废气排放 20kg。奥迪 A8L Hybird 的电机等组件给整车增加了额外 130kg 的负重,其全铝车身框架结构 (ASF)的使用使得整备质量仅 2035kg;而东风全铝车身混合动力公交车, 车身相较于同类钢制车身减重 40%,整车质量较钢制车减少 15.2%,燃油经 济性更加出色;近年来大热的特斯拉 Model S 为了较长的续航能力,搭载了 500kg 电池组,其车身 95%以上均采用铝材,以减轻整车重量。 

 乘用车:捷豹XFL——全铝车身打造捷豹独特标签。捷豹XFL是于去年上市 的国产车型,以“全铝车身”为宣传点,整备质量仅1705kg,作为同级别的最 轻车型,掀起了一股全铝车身热潮。轻量化带动了改车型燃油效率的提升, CO2排放量降低至104g/km。XFL在质量大大减轻的同时,韧性和强度也均有 提高。此外,铝合金在车身两侧、前后悬架、发动机舱盖和前翼部分得到完 美应用,整车的操控性、舒适性、瞬时响应能力均得到大大提升。

商用车:福特F150——全铝车身的首次尝试。福特的F150车型,首次采用了 全铝车身的设计,实现了约400公斤的减重,整车动力性能和燃油经济型均得 到了大大提升。F150在实现轻量化的同时,全铝的车身为其刚性指数的提高 也贡献了极大力量,在北美等市场的销售成绩也是十分亮眼。

2.3、汽车用铝需求有望加速增长 

 纵观全球,乘用车当中使用全铝车身的比例仍很低,全铝客车的发展更是处 于萌芽阶段。目前仅有不足5%的汽车采用全铝车身。除了全铝的车身以外, 铝合金在发动机、车轮、座驾等方面代替钢制构件的趋势也逐渐明朗。未来 铝合金在汽车工业的应用有望迎来黄金发展期。 

 我国汽车用铝市场提升空间很大。根据 2014 年的统计结果,北美的单车用铝 量已达到约 158kg,约占 9%。2015 年有望达到 10.4%,约 179kg。2014 年北 美汽车中使用铝合金引擎盖的比例从 2008 年的 8%提升到了 30%,欧洲汽车 中使用铝合金引擎盖的比例从 2008 年的 18%迅速提升至了 40%。海外市场 铝合金在汽车工业的应用近几年已经实现了高速的发展。而目前我国每辆汽 车平均用铝仅约为 115kg,与汽车工业发达的北美、欧洲等地区的单车用铝 量差距较大。 

 特别是商用车方面,从全球的铝合金货车分布来看,日本、欧洲和北美的铝 合金半挂车保有量占比分别高达 80%、54%和 54%,均达到了半数以上,铝 合金货车市场发展已经较为成熟,而我国的铝合金商用车保有量占比甚至不 足千分之二,因此,我国在汽车用铝市场上还有非常大的提升空间。

 

 

2020 年乘用车用铝合金板需求有望超过 26 万吨。随着汽车的产量的逐年增 长,以及铝材在汽车工业渗透率的加速抬升,根据测算,到 2020 年,我国仅 乘用汽车用铝合金板的需求量就有望超过 26 万吨,加上铝板在其他结构件方 面的应用,以及更为庞大和具备极高的成长性的商用车市场,到 2020 年,我 国的汽车用铝合金板需求量有望达到 100 万吨。

 

 

3、镁:资源得天独厚,汽车“镁化”前景可期 

3.1、镁资源丰富,原材料易取 

 我国探明的镁总储量占世界总产量的 2/3,镁资源丰富。目前我国的镁金属 主要来自于菱镁矿、白云石、蛇纹石、盐湖卤水和沿海盐场卤水几大类。其中菱镁矿已探明的储量有 29.7 亿吨,白云石探明的储量大于 40 亿吨,蛇纹 石已探明的储量达 30 亿吨,盐湖卤水已探明储量达 48 亿吨。丰富的镁资源 是我国进行汽车轻量化的一大优势。

 

 

3.2、镁合金轻量化效果优异,汽车工业应用广泛 

镁合金作为绿色环保材料,是极具前景的汽车轻量化材料。镁合金具有阻尼 减震性能高,比强度、比刚度高,回收率高,回收无污染,易于加工等优点,在汽车上应用时,能够有效减轻汽车质量,提高载荷及有效承载能力,降低 废气排放以及燃油成本,提高燃油经济性综合指标,降低汽车噪音及震动, 对整车性能的提升效果明显。

镁合金在汽车上应用的轻量化效果显著。在汽车不同的系统中,镁合金潜在 取代重量不同。其中最为显著的取代效果体现在壳体和悬挂件上,可减轻取 代之前重量的 58%,其次是刹车和框架,分别可以减轻重量的 54%和 50%.。 合计所有可取代配件,镁合金大体可以减轻原配件 45%的重量,轻量化效果 非常显著。

 

现阶段镁合金在汽车上的应用主要集中于车身、发动机和内饰三大部分。具 体的,包括底盘(如刹车支架和支架总成、刹车踏板支架、安全气囊机架、 离合器踏板支架和总成);动力传动系统(如交流发电机支架、阀盖、凸轮盖 和变速箱);内部设施(如座椅基座、IP 支撑柱和支架、方向盘骨架、转向 柱支架和轮毂);外部设施(如天窗盖总成、外后视镜骨架和顶棚框架);车 轮、底盘前端框架、坐垫和靠背,以及动力传动系统的齿轮箱等等。

 

3.3、我国单车用镁尚低,汽车用镁合金市场前景可期 

 北美、欧洲、日本等地汽车用镁持续增长,我国成长空间大。目前北美地区单车用镁量已经达到 3.8kg,使用和研发中的镁合金零部件达 100 多种;日本 单车用镁量高达 9.3kg,越来越多的在汽车的变速杆、座椅架等部位采用镁合 金材料;欧洲车用镁合金铸件的使用量以年均 25%的速度增长,PASSAT 和 Audi A4 的单车用镁量甚至已经达到 14kg。奔驰、通用、宝马的部分车型, 镁合金用量已经超过了 20kg。而与此同时,我国单车用镁量约为 1.5kg,因 此我国汽车用镁合金需求成长空间很大。

 

预计 2020 年汽车业对镁合金需求将超过 40 万吨。2015 年国内汽车产量达到 2450 万辆,同比小幅增长了 3.3%,若未来国内汽车销售按照 3%的复合增长 率计算,到 2020 年,2025 年,2030 年汽车产量将分别达到 2840 万辆,3293 万辆,3817 万辆。根据最新发布的节能与新能源汽车技术路线图,2020 年、 2025 年和 2030 年国内单车用镁量目标分别 15kg、25kg 和 45kg,则预计到 2020 年,2025 年,2030 年该领域对镁合金的需求量达到 42.6 万吨,82.3 万 吨和 171.8 万吨。与此同时,2015 年我国镁合金产量仅 24.16 万吨,同比缩减 6.17%。