中国乘用车轻量化水平发展趋势研究

2021-11-12王利刚江海涛万鑫铭

汽车工程学报 2021年5期

李军，周佳，王利刚，冯毅，江海涛，万鑫铭

（1.北京科技大学，北京 100083；2.奇瑞汽车股份有限公司汽车节能环保国家工程实验室，安徽，芜湖 241009；3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；4.中国汽车工程学会，北京 100055）

轻量化对于汽车节能减排和各项性能改善具有积极的意义，因此受到政府、行业和汽车企业的高度重视。汽车轻量化是在确保汽车各项性能不变或提升的前提下，通过结构优化设计和/或轻量化材料应用以及轻量化制造工艺的实施，实现整车整备质量最大限度地减少或保持在可接受范围[1]。近年来，我国汽车轻量化结构设计、轻量化材料、先进成形与连接工艺等技术得到了快速发展，与之相适应的原材料供应和零部件生产体系逐步完善，支撑了中国品牌汽车产品市场竞争力的提升。

如何评价汽车的轻量化技术水平是行业或汽车企业制定轻量化目标的重要前提，近年来，汽车轻量化评价方法和评价指标的研究成为行业轻量化领域的热点课题之一[2-9]。目前行业的共识是：“脱离汽车性能的提升，而仅仅开展单一维度的重量降低，用简单的减重指标衡量一个汽车产品的轻量化水平是不科学和不合理的”[1]。文献[1]、[9]、[10]中提出的整车轻量化系数被行业确定为乘用车整车轻量化水平评价指标。

开展轻量化趋势研究对于科学制定行业的轻量化目标，以及企业产品开发有重要的指导价值。然而基于大数据、系统化的轻量化水平趋势研究却较为少见。本文通过采集近10年国内市场销售的燃油和电动乘用车的整车参数，研究中国市场不同类别、不同能源类型乘用车的轻量化水平、整备质量的变化趋势，以期为汽车行业制定合理的轻量化目标提供数据化决策依据。便于汽车企业产品开发时综合考虑产品的市场定位、用户需求、性能与成本、产品效益和供应链体系的能力等因素，进而将汽车整备质量控制在一个合理范围。

1 轻量化评价指标及样本

1.1 整车轻量化水平评价指标介绍

（1）轻量化与汽车的动力性和经济性关联最强。因此，轻量化水平评价指标中，除了整备质量（或称重量）维度，还需考虑汽车动力性和经济性相关的指标。

（2）轻量化对主动和被动安全有不同的影响。汽车的整备质量与被动安全性密切相关，在被动安全测试中，较重的车辆（相同的材料和设计时，承载能力增加）在侧碰和柱碰等工况中表现会更好，但在正面碰撞（100%正面碰撞、40%偏置变形壁障或25%偏置碰撞）工况下，低重量（动能小）的车，其碰撞变形小（相同的材料和设计），车辆显示出更好的耐撞性能。因此，很难量化汽车质量与被动安全性之间的关系。此外，更轻的汽车显示出更好的主动安全性。文献[9]中根据2018年版C-NCAP数据分析得到：主动安全、行人保护等评价项目在五星安全评级结果中的比例已上升至30.2%[9]。主动安全主要通过电子控制系统来实现，而电子控制系统与质量的相关性较低。中国保险汽车安全指数（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）中也大量增加了主动安全、行人保护和碰撞维修等与汽车质量关联小的评价项目。因此，安全性能指标不宜作为评价轻量化的参数。汽车安全性作为汽车用户最基本的性能需求，有相应的安全基础法规保障。一个合格的轻量化汽车产品，一定是符合国家相关安全法规评定才能允许上市销售。

（3）耐久性、NVH等是车辆的基本性能指标，无论质量如何，都必须满足这些指标。

基于上述分析，建立了一个乘用车整车轻量化水平评价指标——整车轻量化系数，并发布了中国汽车工程学会的行业团体标准[10]。燃油和电动乘用车整车轻量化系数的计算方法如下[1,9-10]。

燃油乘用车整车轻量化系数Lv的计算公式为：

电动乘用车轻量化系数Lev的计算公式为：

式中：Lv、Lev分别为燃油和电动乘用车的整车轻量化系数；M、Mev分别为燃油和电动乘用车整备质量，kg；P为发动机最大功率，kW；Pev为电机峰值功率，所有驱动电机功率之和，kW；A为脚印面积，m2；V为名义体积，m3；Q为百公里综合燃油消耗量，L/100 km；Y为电能消耗量，kWh/100 km。

上述参数可通过汽车产品公告或公开信息获取，保证该评价结果的公正性、权威性和计算便利性。整车轻量化系数由名义密度（W/V）、重量比功率（W/P）、脚印油耗或脚印电耗（Q/A，Y/A）3个二级指标的乘积构成。其中名义密度代表相对重量，用于表征汽车重量水平；重量比功率表征动力性能；脚印油耗（或脚印电耗）表征汽车的油耗或电耗水平。该系数体现了汽车轻量化的核心价值，即在保证汽车综合性能指标的前提下，重量相对轻（控制在合理范围）的车型动力性能更好，更加节能。整车轻量化系数数值越小，代表该车型的轻量化水平越高。

LI Jun等[9]采用统计多元回归的标准偏回归系数和弹性系数等统计学参数，证明了该指标的合理性和普遍适用性。目前，整车轻量化系数已被《节能与新能源汽车技术路线图2.0》采用，作为行业2020～2035年的轻量化发展指标[1]，采用该指标并基于行业大样本的轻量化趋势研究有重要的指导价值。

1.2 乘用车样本信息

1.2.1 燃油乘用车

燃油乘用车样本的选择主要考虑以下因素：

（1）考虑驱动形式对整备质量的影响较为明显，仅选取主流的前置前驱、承载式车身的乘用车。

（2）燃油类型为汽油，不包含燃料柴油乘用车。

（3）发动机类型的差异体现在功率参数上，所以不做区分自吸燃和涡轮增压等发动机类型。

（4）同款车型搭载不同类型变速器时，其整备质量可能存在一定的差异，某一类型乘用车轻量化水平趋势研究是否需区分变速器类型，需研究比较差异后确定。

本文采集国内市场近10年约1.9万个燃油乘用车样本，根据上述条件筛选14 425个。目前，国内对乘用车的级别分类尚无统一的标准，一般参考主流媒体的车型分类方式[11-12]，各类车型样本分布见表1。

表1 汽油乘用车样本分布

1.2.2 电动乘用车

由于2017年之前，国内电动乘用车市场尚不成熟，上市车型数量较少，本文仅选取2017～2020年的665个电动乘用车样本。考虑到国内市场电动车的产品结构、销量数据等因素，选取微型车、小型车、小型SUV、紧凑型车和紧凑型SUV等5类车型。上述5类车型样本合计为578个，占总样本的87%，具有较强的代表性，见表2。

表2 电动乘用车样本分布

2 燃油乘用车轻量化趋势

2.1 燃油乘用车轻量化总体趋势

为全面了解国内市场燃油乘用车的整车轻量化水平变化趋势，对国内市场近10年汽油乘用车（14 425个车型）按照年度计算整车轻量化系数均值进行分析。车型为前置前驱、承载式车身的燃油乘用车，不区分车型级别、变速器类型和车系等。国内市场燃油乘用车整车轻量化系数变化趋势如图1所示，由图可知，近10年燃油乘用车的整车轻量化系数总体呈下降趋势，均值由2010年的3.47，降低至2020年的2.39，降幅达30%。

图1 国内市场燃油乘用车年度轻量化系数变化趋势

2.2 典型级别燃油乘用车轻量化趋势

选取销售占比较高的典型乘用车样本，分析其整备质量和轻量化水平的变化情况，具有一定的典型性和代表性。根据中国乘联会的数据[13]计算可知，2019年轿车和SUV车型占乘用车总销量的91%，其中紧凑型和中型轿车占81.4%，紧凑和中型SUV车型占SUV车型总销量的76.3%，因此选择此4类车型数据具有很强的代表性。其中销量占比较高的凑型轿车、紧凑型SUV、中型轿车和中型SUV等4类车型样本为10 041个，详细按年度分布见表3。

表3 2010～2020年典型级别燃油乘用车样本分布

2.2.1 典型级别燃油乘用车整备质量变化趋势

随着国内汽车安全法规的日益严格，以及消费者对于智能化配置需求的增加，汽车的零件不断增加，导致整车质量也不断增大。在此情况下，汽车厂商迫切需要通过各类轻量化技术的应用，来抵消相应的质量增加，有效控制汽车新产品的整备质量。

图2为历年紧凑型SUV和紧凑轿车整备质量的变化趋势，其中自动挡车型为搭载双离合自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）、自动变速器（Auto Transmission，AT）和无级变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）3类变速器车型样本之和。由图可知，近10年紧凑型轿车和紧凑型SUV的整备质量变化趋势保持相对平稳，部分年份整备质量略有增加。其中，同类紧凑SUV的整备质量比紧凑型轿车的整备质量高200 kg以上。这是由于两种产品的市场定位存在差异，轿车偏向城市代步，SUV车型兼顾越野驾驶，底盘操控等性能需求更高。同时，由于乘坐空间的需求，SUV的高度会大于轿车，整备质量也会相应增加。

图2 历年紧凑型SUV和紧凑型轿车整备质量变化趋势

图3为历年中型SUV和中型轿车的整备质量变化趋势。由图可知，近10年中型轿车的整备质量变化较小，但中型SUV车型的整备质量下降明显，由最高的1 788 kg下降至1 648 kg，降低了约8%。中型SUV的整备质量相对较大，若不降低整备质量，即使采用节能技术，也将面临燃油消耗量限值和企业平均油耗的双重压力。中型SUV的平均整备质量比同类型的中型轿车重100～150 kg左右。中型轿车的整备质量相对较小，变化趋势相对较为平缓。

图3 历年中型SUV/中型轿车整备质量变化趋势

2.2.2 典型级别燃油乘用车轻量化趋势

在样本筛选时已经考虑到驱动形式对整车轻量化系数的影响，但如上节所述，变速器的类型也是影响汽车整备质量的一个重要因素，因而需首先研究变速器类型对整车轻量化系数的影响。

首先以紧凑型SUV为例，分析变速器类型对整车轻量化系数的影响。图 4为国内市场近10年紧凑型SUV的整车轻量化系数变化趋势。由图可知，紧凑型SUV的整车轻量化系数均呈逐年降低趋势，其中紧凑型SUV的整车轻量化系数（不区分变速器类型）由2010年的4.18，降低到2020年的2.58，降低了38.6%。图 4中搭载不同类型变速器的燃油乘用车整车轻量化系数与不区分变速器类型车型趋势相近，并且差异也逐步缩小，尤其是近3年的轻量化系数基本一致。因此，在不同类型的乘用车轻量化水平对比时，不再区分变速器类型。

图4 近10年紧凑型SUV车型整车轻量化系数的变化趋势

不考虑变速器类型的差异，选取紧凑型轿车、紧凑型SUV、中型轿车和中型SUV等4类车型作为燃油乘用车典型车型，进行轻量化趋势研究。图5为4类典型燃油乘用车整车轻量化系数变化趋势（2010～2020年），乘用车样本共10 041个。由图可知，无论是紧凑型车还是中型车，无论是轿车还是SUV车型，整车轻量化系数都呈持续下降的趋势。此外，同级别SUV车型的整车轻量化系数略高于轿车，这与SUV车型的整备质量高于相应轿车的整备质量有关。随着汽车技术的发展，SUV车型和轿车的整车轻量化系数的差值也在不断缩小。由图2和图3可知，一方面同类型SUV的整备质量降低幅度大于轿车，另一方面由于汽车油耗法规的要求日趋严格，整备质量大的车型也需要通过使用节能技术降低油耗。在整备质量和油耗均下降的趋势下，导致整车轻量化系数差异不断缩小。

图5 四类车型整车轻量化系数变化趋势

2.3 不同级别和车系的燃油乘用车轻量化现状

由图 5可知，2017～2020年的4类车型整车轻量化系数变化较小。为了获取更多的有效样本来分析不同级别、不同系别燃油乘用车的轻量化水平差异，选取此时间段的上市车型样本，4类典型车型样本数为4 950个。以此样本为对象，计算各类样本的整车轻量化系数均值，来评估不同级别和不同车型的燃油车整车轻量化水平的发展现状。

2.3.1 不同级别车型轻量化现状

图6为2017～2020年国内市场各类乘用车整车轻量化系数均值对比情况。由图可知，由于各类车型产品定位的差异，整车轻量化系数数值上也存在较大差异。其中，跑车的整车轻量化系数最小，中大型SUV车型的整车轻量化系数最大。轻量化的概念最早来源于跑车，因此，在各类车型中，跑车的轻量化水平也应该是最高的（即整车轻量化系数小）。SUV车型的轻量化水平比同级别的轿车要低，这是由于同级别SUV车型比轿车的整备质量更大，相应的油耗也会增加，油耗和整备质量的增加都会增大该车型整车轻量化系数的数值（轻量化水平低）。

图6 2017～2020年国内市场各类乘用车整车轻量化系数均值

2.3.2 不同车系乘用车轻量化现状

不同车系乘用车轻量化水平的比较选取紧凑型轿车、紧凑型SUV、中型轿车和中型SUV等4类典型车型，样本范围为2017～2020年的燃油乘用车。车系分类为：韩系、日系、美系、德系、欧系（除德系外）和自主品牌等6大类。

图7 2017～2020年国内市场不同系别燃油乘用车整车轻量化系数对比

由于不同级别车型的轻量化系数特征（图 6）和样本数量（表1）存在一定的差异，不能直接将4类车型的整车轻量化系数累加作为车系间的轻量化水平差异比较。为了更科学地反映各系别车型的轻量化水平的差异，将各级别车型的整车轻量化系数进行归一化处理，即将同级别车型轻量化系数除以该级别的均值得到相对值，然后将各车系对应4个级别车型的整车轻量化系数相对值求均值，作为各系乘用车的轻量化水平评价指标。处理后的各系车型整车轻量化系数相对量对比如图8所示。由图可知，其中自主品牌的整车轻量化系数相对量最大，欧系、日系、美系、韩系次之，德系车最小，数值上比最小的自主品牌车低约10%。

图8 归一化后各系车型的轻量化系数相对量（无量纲）

3 电动乘用车轻量化趋势

依据式（2）计算得到各类型电动乘用车的整车轻量化系数，如图 9所示。由图可知，电动乘用车的整车轻量化系数呈下降趋势，但微型轿车呈微增趋势。这主要是由于微型车作为电动乘用车的入门车型，整车企业更关注其基本的续驶里程，作为城市代步的电动车，其动力性不是主要考虑的因素，更多偏向经济性的设计。所以为满足续驶里程增加的整备质量，并未通过增加电机的功率来匹配动力性。

图9 近几年不同类型电动乘用车的整车轻量化系数对比

4 电动/燃油乘用车轻量化水平差异

图10为2017～2020年国内市场不同类型燃油/电动乘用车整车轻量化系数均值对比。由图可知，燃油乘用车轻量化系数各车型级别之间差异较小，而电动乘用车的各级别之间波动较大，最高的达到6倍。这充分体现了目前电动乘用车产品的特征：即产业发展初期，技术上尚不及燃油乘用车成熟，所以整车参数分布较为分散。电动乘用车产品尚需市场和消费者的进一步检验，以推动电动汽车技术的平衡发展。