汽车轻量化

的技术发展与应用

1

张 宁2015年11月17日 · 重庆

一．为什么要追求“轻”

二．中国当前“轻”的水平和已经做出的努力

三．美德日如何推动“轻”

四．怎样让中国的车“更轻”

五．结束语

目 录

2

实现汽车节能减排的主要途径

3

汽车技术提升 改善交通和道路 良好的用车习惯

智能交通，驾驶习惯，合理使用，……。

新能源汽车 EV，PHEV，FCV

节能汽车

技术节能

混合动力技术

先进动力系统

轻量化

……

结构设计优化

低摩擦

电子控制

替代能源汽车

CNG，LNG，乙醇，甲醇，……

全球乘用车整备质量与油耗关系图

4

资料来源：根据《全球名车录 2010-2013》统计。

y = 0.0055x - 0.213

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

500 1000 1500 2000 2500 3000

整备质量[curb weight] /kg

油耗

[fue

l co

nsum

ptio

n]/L

/100

km

整备质量（kg）

油耗

（L/

100k

m）

全球乘用车平均整备质量变化趋势及预测

5

资料来源：中国汽车工程学会，《中国汽车轻量化发展 ——战略与路径》。

为满足不断提高的标准和功能要求而导致整备质量上升。

为满足节能减排要求而追求轻，导致整备质量下降。

（kg/车)

大众公司的研究成果

6

重量每减少 100 kg，每百公里可节省燃油 0.3– 0.5升，每公里CO2

排放可减少 8-11克。

重量减轻可以提高车辆的加速度和操控性，使车辆获得更好的响应，缩短制动距离。

车重减轻后，我们就可以选用排量更小的发动机来满足车辆性能需要，油耗自然会进一步下降。

乘用车企业平均燃料消耗量：中国总体状况

7

平均整车整备质量（kg）

企业平均燃料消耗量≤6.9 L/100km

企业数量 产量合计占比

2013年 1327 23家 27.46%

2014年 1340 25家 34.55%

资料来源：工信部等五部委，《中国乘用车企业平均燃料消耗量核算情况公告》。

国务院，节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）

7.23 7.12 6.9

5.0

4.0

5.9

4.5

3

4

5

6

7

8

2013年 2014年 2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 2022年 2023年 2024年 2025年

达标线 节能型车

国产乘用车平均燃油消耗量（L/100km）

现状实际值

未来：应优于

乘用车企业平均燃料消耗量：产量排名前十

8

2014年乘用车产量排名前十企业产量合计占纳入统计企业总销量54.88%，其中

重庆长安、东风有限和上海大众的企业平均燃料消耗量≤6.9 L/100km 。没有车

型达到≤5.9 L/100km的节能型乘用车水平。

资料来源：工信部等五部委《中国乘用车企业平均燃料消耗量核算情况的公告》。

6.5

7.0

7.5

8.0

1100 1200 1300 1400 1500 1600

平均整车整备质量（kg）

2014年企业平均燃油消耗量实际值（L/100km）

上海大众一汽大众

上汽通用五菱 北京现代

东风有限重庆长安

长安福特

神龙

上海通用

东风悦达起亚 6.9 L/100km

轻量化联盟的实践：宗旨和组成

汽车轻量化技术创新战略联盟

成立时间：2007年12月

联盟单位数量： 17＋43=60 （家）

9

联盟的宗旨： 联盟的工作定位：

协同合作

推动创新

共赢共荣

做单个企业做不了的，做单个产业做不了的 。

围绕产业链构建创新链，提升中国汽车轻量化

技术水平，提高产业竞争力。

中国汽车产量的 80%世界500强企业11家国内汽车用钢生产骨干企业悉数加入

轻量化联盟的实践：主要活动

10

共享技术平台建设

联盟标准制定（产品设计，用材，评价）

数据库建设（零件，材料，专利，文献）

轻量化联盟的实践：主要成果

11

8年来，联盟卓有成效的工作使得轻量化理念深入人心，联盟着力推动的各

项技术已经在联盟内整车企业的多个产品得到成功应用，提升了自主品牌

产品的竞争力，扶植了一批轻量化零件生产企业，带动了相关工业企业产

品结构调整。

成功执行国家“十二五”科技支撑计划项目《汽车关键轻量化技术开发与

整车的集成应用》，突破一批汽车轻量化核心技术，填补了我国汽车轻量

化领域的多项技术空白和能力空白，打破跨国企业在相关领域的垄断。

建立了共性技术平台，联盟技术标准和数据库为企业研发活动提供了有力

支持，企业团队和专家团队的形成让联盟成果得以有效扩散。

创建了“联合攻关＋知识转移＋成果共享”的工作模式，探索建立了跨产

业协同创新、产学研用合作创新和自主品牌抱团发展的有效运行机制，为

加快产业自主创新发展提供了可借鉴的经验。

轻量化联盟的实践：协同创新平台建设

国汽轻研院 重点实验室(筹)

创新基地（共10个）

知识共享平台

17家股东

3所高校＋8家整车企业＋4家钢铁企业＋中汽学会＋中汽研究院

国家汽车轻量化重点实验室建设依托单位。

共性技术研究、技术服务、技术推广平台。

中心实验室＋5个分中心

前瞻技术研究的核心机构。

联盟共性平台建设的重要内容之一。

联盟承担国家创新任务的支撑平台。

技术培育、孵化和推动产业化的基地。

人才培养基地。

发展战略研究 技术路线研究 技术标准编制 数据库 研讨 交流 培训

宝钢，鞍钢，武钢，马钢，东北大学

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轻量化联盟的实践：正在进行的工作

自然科学基金汽车产业创新发展联合基金轻量化方向指南编制。

指导产品正向开发、企业决策评价方法研究和关键数据采集筹备：

关键技术攻关前期预研，为国家科技专项的组织奠定基础：

轻量化设计与评价：９项 轻量化技术在新能源汽车上的应用：５项 先进高强度钢应用：10项 铝镁合金应用：７项 复合材料应用：５项 成形工艺与链接技术：５项

国汽轻研院开放课题12项

＋联盟创新基地自立课题21项

载货汽车整备质量与油耗相关性研究；

汽车旋转件重量与油耗相关性研究；

汽车用钢（点焊）焊接数据采集。 希望在政府的支持下更快推进。

乘用车白车身用材状况：中国／用材状况

14

资料来源：汽车轻量化技术创新战略联盟，“中国轻量化车身会议”，2013年，2014年。

上市时间

用材状况（合计＝100%）

钢 铝合金 镁合金 非金属材料 其它

上汽某A00级车 2012-11 96.00% 2.00% 0.00% 2.00% 0.00%

东风某A级车 2012-03 96.40% 3.60% 0.00% 0.00% 0.00%

长安某A级车 2012-03 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

奇瑞某A级车 2013-07 99.50% 0.00% 0.00% 0.50% 0.00%

北汽某A级车 2014-03 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

北汽某B级车 2013-05 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

一汽某C级车 2012-07 98.20% 1.80% 0.00% 0.00% 0.00%

奇瑞某SUV车 2013-12 99.89% 0.00% 0.00% 0.00% 0.11%

东风某SUV车 2014-08 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

江淮某SUV车 2014-05 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

长城某SUV车 2013-04 100.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

长安某HEV车 2013-09 94.20% 3.60% 0.90% 1.30% 0.00%

东风某EV车 2015-03 4.00% 85.00% 0.00% 11.00% 0.00%

乘用车白车身用材状况：中国／用钢结构

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资料来源：汽车轻量化技术创新战略联盟，“中国轻量化车身会议”，2013、2014年。

合计＝100% ／ “—” ＝0.00%

软钢 传统高强钢 先进高强钢 不锈钢 超高强钢 热成形钢

上汽某A00级车 33.00% 34.00% 22.00% —— —— 7.00%

东风某A级车 40.60% 14.40% 31.30% —— 10.10% ——

长安某A级车 55.00% 42.00% —— —— —— 3.00%

奇瑞某A级车 30.58% 47.69% 16.44% —— 4.79% ——

北汽某A级车 49.61% 42.23% 3.96% —— 0.96% 3.24%

北汽某B级车 50.80% 37.60% 8.90% —— 0.70% 2.00%

一汽某C级车 45.70% 37.40% 11.10% —— —— 4.00%

奇瑞某SUV车 31.00% 51.71% 12.59% —— 2.42% 2.17%

东风某SUV车 35.00% 20.00% 35.00% —— 10.00% ——

江淮某SUV车 48.99% 45.45% —— —— 1.54% 4.02%

长城某SUV车 38.80% 31.20% 28.50% —— —— 1.50%

长安某HEV车 58.00% 22.60% 8.50% —— 3.00% 2.10%

乘用车白车身用钢水平：国外

16资料来源： Automotive Circle International，“2014年欧洲车身会议”。

世界汽车车身轻量化技术路线和趋势

轻量化是典型的产业链协同系统工程

产品开发

产品制造

使用维修

回收再利用

整车优化 零部件

设计

装备工艺模具

材料

产品策划

可利用件

不可利用件

可拆解 最大程度利用可回收再利用的材料

性能水平（油耗，安全，NVH，…）

市场定位 成本控制 ……

世界对汽车轻量化的认识

轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制要求的条件

下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技

术集成应用所实现的产品减重。

实现汽车轻量化不能以牺牲车辆安全性和NVH为代价，汽车轻

量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目

标和NVH控制水平的约束下进行。

19

∵

∴

国际共认用材原则

正确的材料用在正确的地方；正确的技术用在正确的地方。

美国《电动汽车普及大挑战蓝图》提出的电动汽车研发投入重点：

电池；

电驱动系统；

车辆的轻量化；

气候控制技术。

轻量化在国家科技战略中的地位：美国

轻量化技术发展目标

到2022年，美国插电式电动汽车的整车重

量减轻约30%，其中：

车身重量需减轻约35%

内饰重量减轻约5%

底盘/悬挂系统重量减轻约25%

轻量化在国家科技战略中的地位：德国

资料来源：德国NPE《 Second Report of the National Platform for Electromobility 》

国家电动汽车发展计划

轻量化材料应用技术路线：美国

成本是不锈钢4倍 成本是不锈钢2倍 成本是不锈钢1.5倍

成本过高 成本降低50% 成本降至铝合金水平

机械性能提升40% 机械性能提升200%

成本降低25% 成本降低40%

碳纤维占车重5% 碳纤维占车重15-25%

耐腐蚀、连接、兼容性差 消除异种材料电化学腐蚀 通用的一步式预处理

合金可用性提升2倍 合金可用性提升4倍

成本是铝的2倍 成本与铝相当 成本与钢相当

拉伸强度1500-2000MPa 拉伸强度2500-3000MPa密度下降5% 密度下降10%模量增加10% 模量增加20%

高性能铝合金无循环利用 高性能铝合金循环利用50% 高性能铝合金循环利用100%

碳纤维12美元/磅 碳纤维5美元/磅 碳纤维2.5美元/磅

玻纤刚度提升30% 玻纤刚度与铝材相当

碳纤25%可再生，碳足迹降25% 碳纤50%可再生，碳足迹降75%

SMC1-2美元/磅 SMC成本与铝材相当

铝

镁

钛合金镍合金

复合材料

高强钢

2010 2025 2050

高强钢

铝

镁

钛合金镍合金

复合材料

2010 2020 2030

1/2

1/3

1/4

2015

轻量化比率

钢铁基础性研究高刚性钢铁材料、纳米纤维钢材根源研究蜂窝结构材料突破性研究高延展性高强钢、

各向异性控制、高冲压成形性钢板实用化高强度高韧性非调

质钢

非铁金属(镁)基础性研究高强度·冷轧成形板材合金设计技术高性能型材的高速挤出技术根源研究 铸造材料组织微细化技术突破性研究 大型材高性能表面处理实用化 铸造材料的生产性创新技术

非铁金属(铝)基础性研究 高强度高延展性铝合金根源研究 铝合金的高刚性化突破性研究多孔铝复合结构材料、线束的铝制化实用化冲压成形技术改良、挤出异型材利用

树脂/复合材料基础性研究透明DLC技术、SP处理纳米粒子合成技术根源研究SP处理纳米粒子表面改性技术

加工技术基础性研究伺服冲压机利用技术、板锻件根源研究净成形技术、智能热冲压突破性研究CFRP成形、镁冷冲压成型技术实用化中空材料的成形技术高强度钢的成形技术

连接不同材料技术基础性研究确认金属、高分子、C-FRP之间的连接原理根源突破性研究金属/金属二维形状连接

体创新技术的确立金属/高分子/C-FRP二维

形状连接体创新技术确立实用化金属/高分子/C-FRP三维

形状连接体创新技术确立

对主要车型设定减重目标

2015年后车型减重15%

2015全部车型平均减重5-10%

2010后车型平均减重10%

投放车型减重100kg 2016年后各车型再减重100kg车企

日本轻量化研究方向

轻量化材料应用技术路线：日本

国外推进轻量化的主要模式：政府推动

主要措施 国家、地区

技术标准

燃油经济性标准 美国、日本、加拿大、澳大利亚、韩国

温室气体排放标准 欧盟、美国加州

技术要求及目标 美国加州

财税政策

高额燃油税 欧盟、日本

重量税 日本

财政补贴 欧盟、日本

经济处罚 美国

科技计划

共性关键技术研发项目 美国、日本、欧盟

鼓励和支持跨产业合作 USCAR，EUCAR

国外推进轻量化的主要模式：各方协同

关键技术 共性

关键技术

• 设计• 评价• ……

• 材料• 工艺• 装备

• 模具• 连接• ……

• 质量、成本控制• 生产一致性• ……

企业＋

高校+

研究机构

轻量化技术

政府支持

社会组织协调

产学研共同参与

25

轻量化在国家科技战略中的地位： 中国

26

1 新一代信息通讯技术产业

2 高档数控机床和机器人

3 航空航天装备

4 海洋工程装备及高技术船舶

5 轨道交通装备

6 节能与新能源汽车

7 电力装备

8 新材料

9 生物医药及高性能医疗器械

10 农业机械装备

《中国制造2025》：重点领域

继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术，提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。

27

实现轻急需解决的问题：与材料的关系

轻量化≠换材料，单纯换材料将会导致一系列的问题：

结论

实现轻，必须在整车设计优化和评价技术、零件设计和评价技术、新材料开发和成型技术等方面下足功夫，缺一不可，否则必然导致车辆性能、质量的劣化和成本的提升。

因缺乏整车和零件优化设计，导致车辆NVH、被动安全性等性能劣化和其他一系列问题；

因缺乏变更材料后零件的测试标准和评价方法，导致车辆可靠性、耐久性出现问题；

因缺乏整车设计优化、统筹及其和与工艺、模具、装备的协调，导致整车生产成本增加。

减重目标

产品开发

产品制造

使用维修

回收再利用

样品 产品 商品

基础理论

开发技术

工程技术

质量控制

成本控制

……

维修技术

拆解技术

再制造技术

……

试验装备

数据库

生产装备

原材料

相关装备

回收体系

维修装备

燃油，润滑油

实现轻急需解决的问题：技术的系统性

28

29

实现轻急需解决的问题：零部件基础

企业关注的焦点不是材料，而是这种材料能否满足零件成型、成本和质量控制、可靠性和生产一致性等要求和对生产组织的影响。

国家零部件工业基础，决定着新材料的利用水平，决定着轻质材料的应用价值。

国家工业基础和综合科技实力，决定着企业选材、用材的方向（如欧洲-热成型，日本-复合材料）。

30

实现轻急需解决的问题：与其他技术的关系

哪个技术更重要？

轻量化

发动机启停

新能源汽车

……

哪个参数更重要？

安全性，NVH，排放

可靠性，耐久性

成本，价格

……

结论

不应把轻量化技术与其他节能减排技术对立起来。

轻量化是各类汽车共同涉及的关键核心技术和基础技术，是世界汽车技术发展的重要方向之一。

对新能源汽车产业化的重要性更加突出。

31

实现轻急需解决的问题：产业间的相互理解

相关工业的烦恼：我们开发了这么多

好的技术、这么多

好的产品，你们为

什么不用？

汽车企业的烦恼：与产品市场定位、性能目标、

开发成本的协调；

新增投资来源和回报；

成本控制、质量控制；

生产工艺、装备、生产节拍、

精度、生产一致性；

零部件供应体系；

与同平台其他产品的协调；

回收再利用；

召回和三包管理；

……。

实现轻急需解决的问题：供应链调整解决方案

四级零件商 四级零件商 四级零件商 四级零件商

总成(系统)商 总成(系统)商 总成(系统)商

三级零件商 三级零件商 三级零件商 三级零件商

关键部件商 关键部件商 关键部件商 关键部件商

整车 A 整车 B 整车 C 整车 D ……

对任何一个整车企业，变更材料供应商都是一个极其慎重的过程。

材料

验证

＋工

艺验

证＋

产品

认证

＋影

响分

析＋

……

会影响到多少款车；使用该零件车型的生命周期；重新进行各种认证周期和代价；对产品性能、市场定位、成本、可靠性、生产一致性和生产组织的影响；……。？

材料供应商装备供应商模具供应商

33

推进建议：恰当的轻量化技术路径

车型 关注点

A级乘用（A00/A0/A级/小型SUV）

成本、性能、油耗

B级和C级乘用车配置、品牌、性能、油耗

豪华乘用车 品牌、舒适性

中大型SUV等越野性、品牌、油耗

MPV等成本、舒适性、油耗、品牌

基本原则：用材所长、因材施用。

近中期用材建议：

低价位（＜10万元）的车，以钢为主+玻璃纤维增强塑料的应用；

中价位（10～20万元）的车，以钢为主+少量铝+玻璃纤维增强塑料的应用；

高价位（20～35万元）的车，以钢为主+多量铝+玻璃纤维增强塑料的应用；

品牌车（＞35万元）的车，以铝为主+钢、塑混合应用（或）碳纤维增强塑料+铝的应用。

推进建议：加快构建轻量化产业链

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证明想法是可实现的。

能够按照一定的质量标准实现大批量生产。

样品产品

商品

能够高质量、高生产一致性、低成本地稳定生产。

推进建议：营造良好产业生态环境

编制规划，出台政策，促进轻量化汽车发展。

开展轻量化技术研究，推动轻量化材料在汽车中的应用。

围绕长期战略需求，协同基础技术、工程技术和产品技术研究。

关注零部件工业发展，建立与产业发展相适应的轻量化零部件供应体系，扶植一批关键零部件企业。

关注基础数据的采集和分析，服务于国家、行业和企业决策。

加强共性技术平台建设，引领行业技术进步。

发挥联盟作用，抱团发展，推动跨产业协同发展。

35

推进建议：近中期发展重点／汽车用钢

1200MPa高延伸率（20%）先进高强度钢在汽车防撞梁上应用。

1500MPa（镀锌）、1800MPa、2200MPa热成形钢在汽车A/B柱上应用。

1500MPa第三代温成形钢在汽车安全件上应用。

1300MPa、1500MPa辊压成形钢在车身门槛梁上应用。

1000MPa先进高强度钢在汽车座椅滑轨上应用。

QP980/TWIP980先进高强度钢在汽车防撞梁上应用。

5%-10%低密度高强度钢材料设计与开发。

抗疲劳破坏2000MPa级弹簧钢在汽车螺旋簧上应用。

600-1000MPa定制锻件用非调质钢在发动机连杆上应用7。

80MPa级复相钢在悬挂件/扭力梁上应用。36

推进建议：近中期发展重点／其他材料

5系/6系汽车高品质铝合金板材在汽车覆盖件上的应用。

铸造铝合金在汽车减震塔、转向节和副车架上的应用。

锻造铝合金在汽车摆臂上的应用。

镁合金在汽车座椅骨架和汽车仪表板横梁上的应用。

高性能聚丙烯(PP）改性或增强材料在车身内外板、保险杠和新能源电池包上应用。

长纤维增强热塑性釜内合金聚丙烯复合材料在1.6L以下自然吸气汽油机进气歧管上应用。

大丝束汽车专用碳纤维材料开发和在汽车车身上应用。

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结束语：

轻量化是实现《节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）》和《中国制造 2025》目标的重要手段之一，是中国现有资源条件、政策环境下可行的、重要的技术路线。钢在轻量化中的作用仍不可替代。

评价轻量化技术，没有绝对的好与不好，企业应根据产品的市场定位、要达到的性能指标、成本控制目标和竞争对手的轻量化水平等，确定所采用的技术。

整车整备质量不是评价车辆轻量化水平的唯一指标，轻量化应以确保车辆各种性能和成本控制指标为前提，综合且系统地考虑各种因素。

实现轻量化是系统工程，必须依靠深度跨产业、跨学科和产学研协作。协同创新、抱团发展是加快提升中国汽车轻量化水平的唯一出路，政府的有力支持将有助于加快这一进程。

面向未来，我们需要更大的信心、耐心和恒心，中国汽车工程学会、轻量化联盟愿意与大家一道努力，共同为《中国制造 2025》目标的实现做出贡献。

谢谢聆听

39