汽车轻量化背景及趋势

1一、汽车轻量化背景及趋势1）汽车行业能耗法规和标准2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势3）轻量化与整车性能及生产成本的关系4）国内外汽车轻量化发展现状2在汽车市场，对更高汽车效率的持续监管是促使车辆减重设计的主要动力。关于轻型汽车的燃油效率和限制碳排放的标准被世界认可。标准的出台是为了减少汽油的使用和与汽车相关的二氧化碳排放。1）汽车行业能耗法规和标准概述每个地方都有相应的标准法规，欧洲（(gCO2/km）,美国(gCO2/mile,mile/gallon)，中国(km/L），日本(km/L)，加拿大(gCO2/mile)，韩国(km/L,gCO2/km)，台湾(km/L),澳大利亚(L/100km)（国际清洁交通委员会，2009）.这些举措促进一系列新技术新策略用于实现汽车轻量化。RegulationsStandards31）汽车行业能耗法规和标准美国•当前美国汽车构成→2008年的车型，每加仑汽油大概行驶26英里，每英里排放339克二氧化碳→2016年的新标准，汽车每加仑汽油要行驶34英里，每英里排放250克二氧化碳41）汽车行业能耗法规和标准美国•美国运输系统-消耗美国68%的石油-造成30%-80%的城市空气污染（CO,NOx,HC,PM）-消耗国家能源的25%-排放国家总体中大约25%的温室气体（如CO2）-数量增加量远大于其他经济主体•轻型车辆在美国使用-轻型车辆里程占客运车辆里程的85%左右-消耗道路交通能源和排放温室气体占公路运输的75%左右-大约消耗所有交通能源中的60%的和排放的温室气体也占60%提高车辆效率，减少二氧化碳排放是缓解气候变化(同时也是改善空气质量和减少能源使用)的非常重要的目标5美国政府2009年27日出台提高汽车燃油能耗标准的规定，要求美国汽车工业将2020年车型的燃油能耗标准提高到平均行驶100公里油耗6.7升1）汽车行业能耗法规和标准美国达到行驶100公里油耗9.8升新规定下运动型多功能汽车厢式货车敞篷小货车百公里油耗6.7升2020年，汽车油耗降低40%6美国政府于2010年4月1日颁布了第一个全国性汽车燃油能耗和排放新标准：2012年到2016年（第一阶段），所有在美生产的轿车和轻型卡车必须达到每加仑(1公升约合0.22加仑)汽油行驶35.5英里(1英里约合1.6公里)的平均油耗标准，比现行每加仑25英里的标准提高了42%。同期，每辆车平均尾气排放将从2012年每英里295克降至2016年的250克。1）汽车行业能耗法规和标准美国20122016轿车和轻型卡车达到35.5英里/加仑的平均油耗标准比现行每加仑25英里的标准提高了42%每车每英里尾气排放降低45克7美国政府于2012年8月1日颁布了针对2017-2025（第二阶段）的轻型汽车燃料经济性及温室气体排放规定，要求2025年美国轻型汽车的平均燃料经济性达到56.2mpg。1）汽车行业能耗法规和标准美国201720252020原始(mpg)对应国标L/100km）36.24.866.756.244.8耗油量降幅3.5%3.4%8在欧洲，汽车废气排放的标准一般每四年更新一次。相对于美国和日本的汽车废气排放标准来说，测试要求比较宽泛，因此，欧洲标准也是发展中国家大都沿用的汽车废气排放体系。2013年实行欧6标准。1）汽车行业能耗法规和标准欧洲欧洲卡车和公共汽车废气排放标准标准等级开始实施日期COHCNOXPM烟雾欧洲Ⅵ号2013年1月1.50.130.50.010.5注：欧洲汽车废弃排放标准，单位：克每千瓦时g/kwh（烟雾米-1m-1）9欧盟于2009年通过强制性的法律手段取代自愿性的CO2减排协议，在欧盟范围内推行汽车燃料消耗量和CO2限值要求和标示制度，要求到2015年和2020年乘用车CO2排放分别达到130g/km和95g/km的目标。1）汽车行业能耗法规和标准欧洲2009通过CO2协议2015年CO2排放量130g/km2020年CO2排放量95g/km10日本已经提出了至2020年的轻型汽车燃料经济性标准，预计到2020年，乘用车平均燃料经济性水平达到20.3km/L，与2009年的16.3km/L相比，燃料消耗量下降约20.3%。1）汽车行业能耗法规和标准日本200920152020年降幅平均燃料经济水平（km/L）16.316.820.33.3%参考国标(L/100km)5.94.9日本燃料消耗量于标准目标对比11中国刚刚在2015年全面执行了百公里6.9升的第三阶段油耗限值标准。随即于2016年1月1日起执行了新修订的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》，每年将设置油耗达标值，直至到2020乘用车平均油耗降至5.0升/100公里。1）汽车行业能耗法规和标准中国沿用了第三阶段的评价体系加严单车燃料消耗量限值和企业平均目标值要求增加对天然气、新能源乘用车的考核适度放松运输效率较高的车辆燃料消耗量要求鼓励先进节能技术的应用，鼓励小型轻量化汽车的使用新标准下：12新标准考虑到企业产品开发周期，设定了每年油耗达标值，目标由松至紧。1）汽车行业能耗法规和标准中国6.7升201620176.4升20186升20156.9升新标准每年要求（每百公里耗油量）20205升20195.5升据测算，到2020年，第四阶段标准将节省燃油约3500万吨，减少CO2排放1.13亿吨！13为巩固和提高汽车工业未来国际竞争力，欧美日等汽车工业发达国家都在采取积极措施，推动和促进汽车节能技术发展、提高汽车燃料经济性水平，相继完成新一轮针对2020年甚至更长远的各年度乘用车燃料消耗量标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求。。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势降低燃油消耗量图：主要国家和地区燃料消耗量状态及标准对比尽管各国乘用车保有结构和技术特征存在一定差别，对乘用车节能指标的要求也不同，但从整体来看，各国都在通过技术标准和法规不断加严乘用车燃料消耗量要求，整体趋势是到2020年乘用车平均燃料消耗量达到5L/100km左右。图片来自乘用车燃料消耗量第四阶段标准解读，中国汽车燃料消耗量网站14针对2020年我国乘用车产品平均燃料消耗量达到5L/100km的目标，汽标委从整车、发动机、变速器、车轮/轮胎等几个方面，组织开展较大规模的节能技术发展及应用状态调查，对特定技术的成本、节能效果进行调查，组织开展验证试验。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势节能技术发展图2020年乘用车节能标准技术选项从减少车辆行驶所需阻力、提高热动能量转换效率、减少能量传输过程损失、减少辅助能量消耗、优化车辆能量管理等5个方面，提出应对2020年节能标准的技术选项图片来自乘用车燃料消耗量第四阶段标准解读，中国汽车燃料消耗量网站15随着关于汽车燃料经济性、节能减排方面的法规和标准愈发严格，汽车行业着力于开发研究新的能源汽车，可以预见，新能源汽车会成为汽车行业未来一段时间内发展的重点。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势新能源汽车的发展新能源汽车发展趋势对于动力电池的开发研究纯电动汽车的超微型发展驱动电机的多样化发展电池供电技术的发展图：新能源汽车16作为汽车动力源，目前没有任何一种电池能与石油相提并论，动力电池已经成为限制电动汽车发展的瓶颈。因此，开发出环境友好、成本低廉、性能优良的动力电池，是电动汽车发展的前提。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势对于动力电池的开发研究图：新能源汽车动力电池动力电池蓄电池燃料电池铿离子电池17驱动电机是新能源电动汽车的核心部件，因此电动汽车的发展直接取决于驱动电机的多样化发展。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势驱动电机的多样化发展图：奥迪Q5混合动力汽车驱动电机美国采用交流感应电机，结构简单、可靠、质量小但控制技术复杂日本采用永磁无刷直流电机，效率高、起动转矩大但质量小，但成本高德国英国大力开发开关磁阻电机，结构简单、成本低但是质量大，噪声大18由于受续驶里程的影响，纯电动车向超微型发展，它是小排量大功率的发动机技术和车身材料技术发展的结果。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势纯电动汽车的超微型发展图：超微型电动车超微型汽车的发动机多是由小排量发动机行业提供的。底盘部件则是从汽车零部件厂选用。超微型车厂只抓总布置设计、车身制造和整车装配。19目前较成熟的电动汽车供电技术为传导充电和换电，但这两种方式都需要汽车停车，造成时间和空间的占用，因此无线供电技术成为新的发展趋势。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势电池供电技术的发展磁耦合共振无线供电技术和微波供电技术都经过了实验室验证，并且已经开发出基于磁耦合共振技术的汽车无线充电技术。图：无线供电技术20汽车相关法规和标准对于燃油经济性的要求，直接推动了汽车轻量化的发展。这个方向的主要趋势是在不影响汽车安全和性能的前提下整合零件，减少零件数量，减小总成零件的体积。2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势汽车轻量化的发展汽车轻量化发展趋势结构的改变---变速器轻量化材料冲压理论和工艺的研究效率的增加---发动机小型化轻量化结构优化设计研究图：全铝车身213）轻量化与整车性能及生产成本的关系燃料能量分配及消耗-空气阻力-滚动阻力-加速惯性阻力223）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与整车性能的关系提升汽车性能•燃油经济性•加速性•爬坡性•操纵稳定性•安全性提高运输效能•限重时运输效率•容积受限时燃油效率电动车性能提升•提高现存电池行驶里程•维持小电池的性能•完善其他需求233）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与整车性能的关系减重10%环保：减少4-10%尾气排放燃油经济性：减少6-8%的燃油消耗量动力性：百公里加速时间减少8%制动性：刹车距离减少5%耐久性：使用寿命增加50%安全性：节省10%的动能243）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与环保的关系由关系图可知，车重大致与排放成正比关系，整车质量每减少10%，则汽车的碳排放减少大约8%。车辆的轻量化有利于环保。美国碳排放与整车质量关系图（FTP）图表来源于《Reviewoftechnicalliteratureandtrendsrelatedtoautomobilemass-reductiontechnology》253）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与燃油经济性的关系由相关试验可得：车辆质量与燃油经济性的关系如右图所示，汽车越轻，燃油经济性也越好。汽车轻量化能提高燃油经济性。图表来源于《汽车理论》，余志生263）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与燃油经济性的关系传统中型轿车：车重降低10%时，燃油经济提升6.8%。273）轻量化与整车性能及生产成本的关系轻量化与燃油经济性的关系重型货车：牵引车/拖车减重50%，整体重量降低23%货物重量无法降低，运输效率可以提升28轻量化与动力性的关系3）轻量化与整车性能及生产成本的关系美国颁布的汽车总质量与加速时间关系图（U.S.EPA,2009adata）由图可知，随着整车质量的下降，车辆的加速时间在不断缩短，汽车动力性越好。图表来源于《Reviewoftechnicalliteratureandtrendsrelatedtoautomobilemass-reductiontechnology》29轻量化与动力性的关系3）轻量化与整车性能及生产成本的关系图表来源于《Reviewoftechnicalliteratureandtrendsrelatedtoautomobilemass-reductiontechnology》传统中型轿车：车重降低10%时，0~60公里加速性能提升7%。传统中型轿车：车重降低10%时，爬坡性提升25%。加速性与车重的关系爬坡能力与车重的关系30轻量化与安全性的关系3）轻量化与整车性能及生产成本的关系汽车在发生碰撞时，碰撞的动能𝑬𝒌=𝟏𝟐𝒎𝒗𝟐若减少质量，则碰撞能量减少，