汽车轻量化背景及趋势

图 2020年乘用车节能标准技术选项
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
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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
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。 新能源汽车发展趋势
2012
2016
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
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1）汽车行业能耗法规和标准
美国
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。
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3）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
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3）轻量化与整车性能及生产成本的关系
轻量化与动力性的关系
美国颁布的汽车总质量与加速时间关系图（U.S.EPA,2009a data）
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2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势
节能技术发展
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。
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
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 CO HC NOX PM 烟雾
欧洲Ⅵ号
2013年1月
1.5
0.13
0.5
0.01
0.5
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）
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1）汽车行业能耗法规和标准
欧洲
2009通过CO2协议
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。
图
：无线供电技术
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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。 汽车轻量化发展趋势
结构的改变---变速器轻量化 效率的增加---发动机小型化 材料冲压理论和工艺的研究 轻量化结构优化设计研究
对于动力电池的开发研究 驱动电机的多样化发展 纯电动汽车的超微型发展 电池供电技术的发展
图 ：新能源汽车 15
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
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。 蓄电池
•
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
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1）汽车行业能耗法规和标准
美国
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。
新标准下：
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
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1）汽车行业能耗法规和标准
中国
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。
新标准每年要求
（每百公里耗油量）
2015
6.9升
2016
6.7升
2017
6.4升
2018
6升
2019
5.5升
2020
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！
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2）法规和标准驱动的汽车行业发展态势
降低燃油消耗量
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。。
美国
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 运动型多功能汽车
新规 定下
厢式货车
达到行驶100公里 油耗9.8升
敞篷小货车
2020年，汽车油耗降低40%
百公里油耗6.7升
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1）汽车行业能耗法规和标准
动力电池
燃料电池
铿离子电池
图 ：新能源汽车动力电池 16
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
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。
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
Regulations
Standards
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。
图
：超微型电动车 18
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
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。
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。
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1）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
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1）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
2015年 CO2排放 量130g/km
2020年 CO2排放 量95g/km
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1）汽车行业能耗法规和标准
日本
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 20.3 km/L，与2009年 的16.3 km/L相比，燃料消耗量下降约20.3%。 日本燃料消耗量于标准目标对比
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5 L/100km左右。
图：主要国家和地区燃料消耗量状态及标准对比
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
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《Review of technical literature and trends reduction technology》 related to automobile mass- 28
2009 平均燃料经 济水平 （km/L） 参考国标 (L/100km) 2015 2020 年降幅
16.3
16.8
20.3
3.3%
5.9 4.9
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1）汽车行业能耗法规和标准
中国
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。
2017
2020
2025
原始(mpg) 对应国标 L/100km） 耗油量降幅
36.2 6.7
44.8 6 3.5%
56.2 4.8 3.4%
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1）汽车行业能耗法规和标准
欧洲
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
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3）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
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
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1）汽车行业能耗法规和标准
概述
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。
3）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
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3）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%。
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3）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
美国碳排放与整车质量关系图（FTP）
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。
图表来源于《Review of technical literature and trends related to automobile mass-reduction technology》 24
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
图 ：奥迪Q5混合动力汽车驱动电机
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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
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。
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。
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
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3）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
安全性：节省 10% 的动能 耐久性：使用 寿命增加50%
环保：减少410%尾气排放
减重10%
制动性：刹车 距离减少5% 动力性：百 公里加速时 间减少8% 燃油经济性： 减少6-8%的 燃油消耗量