如何搭上“雙碳”的順風車？汽車輕量化材料和部件的創業機會值得關注

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如何搭上“雙碳”的順風車？汽車輕量化材料和部件的創業機會值得關注

昆仲資本

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汽車輕量化的技術方向包括：“結構輕量化、材料輕量化、工藝輕量化”三個維度。

如何搭上“雙碳”的順風車？汽車輕量化材料和部件的創業機會值得關注

圖片來源@視覺中國

文｜昆仲資本

隨著“雙碳”目標持續推進使得汽車行業節能環保需求日益迫切，各國對汽車節能和排放環保已經達成共識，倒逼汽車朝著輕量化的方向發展。汽車輕量化的技術方向包括：“結構輕量化、材料輕量化、工藝輕量化”三個維度，經過研究，我們發現輕量化材料和結構部件擁有更高技術壁壘。

安·蘭德(Ayn Rand)在她最著名的小說《阿特拉斯聳聳肩》（Atlas Shrugged）中描繪了一款跨時代的“里爾登”合金產品——使用這款產品造出的火車，時速可以由60公里/時，提高到100公里/時，車身重量是原來的1/5，效率可以提升10倍。

這本小說所預測的趨勢正在六十多年后逐漸成為現實：隨著“雙碳”目標持續推進使得汽車行業節能環保需求日益迫切，各國對汽車節能和排放環保已經達成共識，倒逼汽車朝著輕量化的方向發展。

有研究顯示：燃油車可通過提高輕量化減少燃料消耗以及降低排氣污染（若整車重量降低10%，燃油效率可提高6%到8%）；新能源車則可通過提高輕量化提升新能源車加速性能及續航里程（車身減少100kg重量，動力電池續航能力就會增加 10-11%）。

那么輕量化的產品和技術路線有哪些？輕量化趨勢下的行業發展邏輯和機會是什么？市場空間怎么看？

01 車用鋁合金潛力：下一個千億市場

從目前國際通行的研究方向來看，輕量化的技術方向包括：“結構輕量化、材料輕量化、工藝輕量化”三個維度，但是整體是在圍繞車用材料進行升級與完善：

結構輕量化是找到有效載荷傳遞路徑、最佳材料分布，提高整體結構性能和結構設計效率；

材料輕量化是通過汽車材料選型，實現多材料混合，在正常結構中的合理分布，實現自重的減低；

工藝輕量化是通過工藝實現材料性能的提升、形狀和形貌的優化等。

當前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質材料。在各類輕量化材料中，鋁合金的成本僅高于高強度鋼，但遠低于鎂合金、塑料及碳纖維。同時，鋁合金密度約為高強度鋼的1/3，與鎂合金相當，能夠實現有效的輕量化。

由此，考慮到成本、減重性價比及安全性能等綜合因素，鋁合金材料成為了當前應用最為廣泛、滲透最快的材料之一。

此外，使用鋁合金材料也更為環保。根據頭豹研究院數據，采用鋁制材料為主的汽車，所排放的溫室氣體總量為30371kg，低于常規材料的33270kg和高強度鋼的31189kg。

但是，目前車身結構件鋁合金滲透率相對較低，主要原因包括:

零部件體積較大，對于設備/工藝/模具等技術要求門檻高;
產品價值量高，增加整車制造成本;
鋁合金車身拼接難度高，焊接復雜度高于鋼車身。

但如果說未來鋁合金結構件滲透有望從底盤+三電提升到整個白車身的話，則單車提升價值約在16000元。

由此可見，乘用車鋁合金市場空間廣闊，2025年車均用量接近翻倍（139kg-350kg）。那么根據測算，2025年國內車用鋁合金市場空間約為1362億元，2020-2025年CAGR為17.1%，其中三電系統/輕量化底盤/車身結構件2020-2025年CAGR分別為62%/25%/72%。

數據來源: 《鋁合金在新能源汽車工業的應用現狀及展望》，國際鋁業協會，東吳證券研究所測算

但是鋁合金的制約也很明顯：如果采用鋁合金替代鋼材，白車身確實可降重1/3左右。以奧迪A8為例，因采用全鋁車身，白車身重量僅為215kg。但由于鋁金屬導熱系數大，易造成焊縫性能下降、合金表面氧化層污染電極的問題，并且鋁的熱膨脹系數高易導致零件變形大。

仍以奧迪A8為例，其車身制造需要包括MIG焊、遠程激光焊等在內的14種連接工藝，工藝復雜度遠高于以電阻焊為主的鋼制白車身。

由于壓鑄件在汽車領域的用量占比最高，因此，在鋁合金的大趨勢下，壓鑄工藝也有待變革。

02 未來新看點：一體化壓鑄

在說在壓鑄之前，我們簡單介紹下汽車制造傳統四大工藝：沖壓、焊裝、涂裝、總裝。

沖壓：作為首個工序，沖壓工序把來料板材通過專用模具加工成特定形狀的零件。

焊裝：沖壓加工出來的白車身零件被人工或者設備自動放入特定的焊接工裝上，焊接機器人或者工人通過焊接設備把不同的沖壓零件焊接成分總成，然后將分總成焊接成總成，最后總成被焊接成完整的白車身。

涂裝：白車身從焊裝車間出來之后將會進入涂裝車間，白車身在涂裝車間會經過電泳、中漆、面漆3個處理工序。

總裝：總裝是汽車四大工藝的最后一個工藝。總裝線主要有內飾線、底盤線、外飾線等。油漆車身從涂裝車間出來之后會進入總裝線，會進行車門、線束、安全氣囊、儀表板、前后橋、發動機、輪胎等各種外飾、內飾、電子部件等零部件的安裝。

可見，相比較傳統的沖壓+焊接工序而言，如果采用一體化壓鑄的方式，那么部件就能一次成型，內部不需要額外連接，因此焊接、鉚接、涂膠工藝的使用大幅減少，從而就能降低生產線上的人工成本，及焊接、涂膠機器人的成本。

一體化壓鑄車身是輕量化技術的升級，可以減少車身零件數量、簡化供應鏈環節、提升原材料利用率，進而使得汽車組裝效率大幅提升。

當前一體化壓鑄變革主要應用于新能源汽車型開發，特斯拉是一體化壓鑄車身應用的先鋒，大型壓鑄機將 Model 3后底板所需的70個零部件，通過一體壓鑄，整合成 Model Y上只需要2個零件。同時，一體化壓鑄在電驅動系統上也有所體現，隨著電驅系統集成更多功能，電驅動殼體的設計也將從獨立式走向集成式一體化設計。如今，蔚來、小鵬、理想也緊隨特斯拉布局一體化壓鑄。

資料來源:汽車之家，中信建投

此外，一體化壓鑄不僅可以應用在車身和底盤結構件，在電驅動系統上也有所體現。電驅動系統設計經歷了獨立式、二合一、三合一和多合一的發展階段。

目前，比亞迪E平臺3.0上采用了前驅感應異步電機+后驅永磁同步電機的技術方案，實現了全球首個八合一動力總成；華為也推出了DriveONE多合一電驅動系統，集成了電機控制器（MCU）、電機、減速器、車載充電機（OBC）、電壓變換器（DC/DC）、電源分配單元（PDU）及電池管理系統主控單元（BCU）七大部件。電驅系統集成更多功能是大勢所趨，電驅動殼體的設計也將從獨立式走向集成式設計: 從分體式簡單集成，即減速器、電機和電控有各自獨立的殼體設計，到三大件殼體一體化。

一體化壓鑄技術的壁壘主要在大型壓鑄機、壓鑄模具、材料配方和壓鑄工藝這幾方面。

大型壓鑄機行業進入門檻高，其“設計—試驗—設計”周期非常長，前期需投入大量時間成本，目前掌握此類重型壓鑄機的產商只有以國內力勁、伊之密，國外布勒為代表的為數不多的壓鑄機生產商。

材料配方是一體化壓鑄技術的核心競爭點。一體化壓鑄對鋁合金材料的性能提出更高要求，壓射的合金熔液需具備良好的流變性能、較小的線收縮率和較小的凝固溫度區間。復雜的材料配方大幅提升了一體化壓鑄的技術門檻，成熟掌握合金原料配方的企業在一體化壓鑄市場具備明顯優勢。

一體化壓鑄對模具的強度及韌性要求更高。與其他鑄造工藝相比，壓鑄工藝特性主要體現在“高速充型與高壓凝固”上，在溫度、真空、成型方案、工藝參數、后處理等方面都比傳統鑄造工藝存在更高要求。相比普通壓鑄的模具，一體化壓鑄模具更復雜，對強度和韌性要求更高。

一體化壓鑄工藝復雜，全工藝要素均有較高要求。壓鑄工藝對生產合格的汽車結構件十分重要，正確地選擇壓射模式、壓射參數等有利于減少壓鑄件中的缺陷。壓鑄件中的氣體有相當一部分來自金屬液在壓室中的預充填階段，所以應充分注意優化慢壓射階段的壓射模式，避免金屬液在壓室中卷入氣體。