汽车行业深度研究：轻量化势在必行，一体压铸点燃热潮-

报告出品方：华泰证券

以下为报告原文节选

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研判赛道景气度：汽车轻量化势在必行，一体压铸加速进程

需求端：排放政策要求高+新能源车里程焦虑强，倒逼车企推进轻量化应用

节能减排政策设置紧迫，倒逼车企加快轻量化以降本提效。我们认为整体来看，当前我国环保政策对乘用车的油耗和轻量化系数标准要求较高，路线图 2.0 在油耗上要求乘用车2025 年和 2030 年相比 2020 年分别下降 17%和 42%，在轻量化上要求到 2025 年内燃机的设计优化、材料选择和零件数量减少带来的燃油车重量减少将达到 10%，到 2035 年将达到 25%，而纯电动汽车的重量减少率将更高，到 2025 年底将达到 15%，到 2035 年底将达到 35%。新能源车由于增加了三电系统导致整车较燃油车增重了 200kg-300kg，政策对电动车的轻量化系数减少率的要求比燃油车更高，因此电动车有更强的轻量化需求。

新能源车存在较大的里程焦虑问题，轻量化需求更为迫切。根据罗兰贝格 2022 年的调研结果，里程焦虑仍是影响消费者购买电动车的首要原因。轻量化通过降低整车重量，可全面降低能耗和提升续航，若新能源车减重 100kg，续航里程将提升 10%-11%，同时降低 20%的电池成本和日常损耗成本。我们认为，在新能源车补贴政策退坡、补贴对续航里程门槛逐渐提升、终端用户里程焦虑较重的趋势下，新能源车的轻量化需求更为迫切。

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汽车轻量化应用优势显著，解决汽车能源消耗+续航焦虑+提高性能的痛点需求。我们认为轻量化兼顾提升续航和汽车性能，迎合了驾驶舒适性/安全性/经济性的要求，在需求端刺激下有望打开市场广阔空间。电动车质量比燃油车高 100-300kg，将消耗更大比例的能量用于负荷自重，而每减重 10kg 可提升 2.5km 的续航，并可降低 20%的电池成本和日常损耗成本。同时轻量化显著优化了汽车操作性能及安全性能，并缩短了汽车开发时间。整车开发需针对噪声、振动与声振粗糙度等 NVH 问题优化设计，而铝合金零件较钢制零件降低了汽车对减震消音部件的要求，从而缩短了因针对 NVH 问题的调试时间。我们以铝合金轻量化为例，在能耗方面，单车使用 60kg 铝，可降低 0.69L/100km 的油耗，降低 0.75Kwh/100km的电耗。

供给端：一体化压铸突破铝合金连接工艺限制，加快汽车轻量化进程

铝合金性能优越且工艺成熟，应用性价比、量产难度、性能表现的综合表现好，中短期具有大规模使用可能性。汽车轻量化手段包括结构优化设计、制造工艺优化、轻量化材料应用，应用轻量化材料实现减重的同时兼顾了汽车综合性能的稳定，目前为主流方案。而综合考虑性价比、技术工艺、性能表现等因素，铝合金在现阶段的可行度最高，是当前最成熟、最多应用的方案。较其他材料，铝合金性能优越，减重效果好，且成本适中，在做到同等减重效果情况下，单位成本最低。同时其轻质高强，成型性强，通过挤压成型即可满足复杂架构的一次成型，符合量产需要，中短期看具备大规模使用的条件。
路线图 1.0 提出 2020 年、2025 年、2030 年车辆整备质量最终将实现较 2015 年分别减重10%/20%/35%，路线 2.0 进一步提高要求，2025 年、2030 年、2035 年燃油乘用车轻量化系数降低 10%/18%/25%、纯电动乘用车轻量化系数降低 15%/25%/35%，技术方案变化不大。轻量化主要减重手段是使用轻量化材料，具体而言，先重点发展超高强钢技术，再重点发展铝合金技术、实现铝合金零件的批量生产和产业化应用，远期重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术并实现大范围应用。

连接技术混用带来产品成本增加和效率降低，限制了铝合金在汽车的应用范围。铝合金是目前性价比较优的汽车轻量化材料，其较普通钢材可达到 40%的减重率且生产工艺较成熟，根据赛瑞研究，2020 年铝合金在汽车轻量化市场的占比在 65%左右。但由于当前汽车材料连接工艺以冲压+机器人焊接为主，与钢材料相比，铝材料存在导热系数大易导致焊缝性能下降、合金表面氧化层污染电极、热膨胀系数高导致零件变形大等问题，制造端的冲焊工艺较困难且拼接效率低，进而导致其连接成本为钢制车身的 2-3 倍。
同时，随着钢、镁铝合金、碳纤维等多种材料在汽车上加速应用，材料连接工艺更为复杂，一方面加大了设备投入、增加了生产成本，一方面大量的焊接、铆接和胶接工艺大幅增加了作业时间、降低生产效率，使得减重性能更好的全铝车身在现有冲压+机器人焊接的工艺模式下难以普及。以第四代奥迪 A8 车身为例，其使用铝合金白车身较钢制车身降重了近30%，但需要包括点焊、激光焊、涡流焊、铆接、自切削螺钉联接、卷边等 14 种连接工艺，其激光焊接焊缝 4.75 米、包边 22.01 米、胶接 152.94 米、MIG 焊点 5892 个、铆接 2976个等，工艺复杂度远高于电阻焊为主的钢制白车身，整体工艺成本较高。

一体化压铸突破铝合金连接工艺限制，加速汽车轻量化发展进程。汽车制造的传统工艺分为冲压-焊装-涂装-总装四步骤，其中车身需要将各车身冲压零件焊接为发动机舱、侧围、前后底板、顶盖等分总成线，再最后合装为主焊生产线，而一体化压铸技术通过一次高压压铸成型，合并了冲压和焊装环节，将除了外覆盖件和部分悬架件以外的白车身一次压铸为大型零件。我们认为，一体化压铸工艺本质上革新了汽车轻量化工艺和材料使用，首先在制造工艺上，一体化压铸合并冲压和焊装工艺，显著简化生产流程、提高生产效率，我们看好其他主机厂在特斯拉的示范作用下不断引进一体压铸工艺，合并传统的冲压焊装工艺。其次在材料使用上，钢板易于冲压和焊装，过去广泛应用于传统的汽车制造中，铝合金是压铸的主要材质，随着一体化压铸的逐步引进，我们看好其突破材料连接工艺的限制，加速在汽车轻量化中的应用。

产业端：造车新势力引领传统车企跟进，轻量化产业进程加快

梳理当前各大车企的轻量化布局看，轻量化产业主要由特斯拉引领、造车新势力紧跟、传统车企加大力度布局，合力推进轻量化的产业化进程。
（1）特斯拉：作为新能源车头部持续加码新能源车轻量化，电池包和车身轻量化为重点。
以 Model 3 为例，其轻量化从电池包开始逐步拓展到车身、底盘、电子电器，整车轻量化指数在竞品中较突出。具体措施包括，采用高集成化的 E 平台、提升电池密度减少电芯数量、优化电池连接工艺来减少铝片用量、采用大模组设计减少组件连接件、优化电池包箱体结构、使用钢铝结合的车身、使用全铝线束、开发一体化压铸车身结构件等。

（2）造车新势力：蔚来主攻全铝车身，小鹏发力电池车身一体化技术。蔚来 ET5 对车身后地板使用一体化压铸工艺，后纵梁的吸能盒、轮拱等易损部位保留了单独零件设计，车身后地板减重 30%；定位于豪华纯电中大型轿车的 ET7 采用了超高强度钢铝混合白车身，包含 42%的铝/57%的钢/1%的复合材料，白车身重量约 420kg，占车重 1/6；ES8 采用了全铝车身+7 种先进连接技术，白车身仅重 335kg，减重 40%，底盘/悬挂/轮毂/刹车系统/电池组外壳也为全铝材质。小鹏 23 年发布扶摇架构采用电池车身一体化技术，节省 5%的垂向车内空间。
（3）传统车企：积极布局新能源车轻量化。如大众在其全新新能源车平台 MEB 中使用全新车身，把电池和电机融入了车身底架，电池壳采用铝合金；比亚迪在其 e 平台集成了电机电控，实现了车身重量下降 25%、功率密度提升 20%。

透视产业化路径：材料应用为主，结构设计与工艺优化为辅汽车轻量化的产业化途径包括材料应用、结构设计和制造工艺，材料轻量化路线是当前的主流技术方案。具体而言，材料应用旨在开发高强度钢、铝合金、镁合金以及复合新材料，目前主要在不同汽车部件应用不同轻量化材料，往后看随着工艺突破和材料成本降低，有望实现从铝合金到镁合金的应用拓展。结构设计轻量化主要为开发全新汽车架构、使零部件薄壁化/中空化/小型化/复合化、优化车身的空间结构或创新车身的造型。制造工艺轻量化旨在优化材料的成型工艺，在实际应用中一般结合轻量化材料的特性来选择合适的工艺。

全球各国轻量化路径各有侧重，我国材料、结构、工艺三路径并行。美国的汽车轻量化路线以材料进步驱动为主，不断提高材料的应用性价比和性能；欧洲轻量化路线重在应用多元化轻量化材料，主要发展先进钢铁材料、轻金属镁铝、碳纤维强化复合材料，并围绕材料进行制造工艺和结构设计优化；日本轻量化重在突破材料和工艺的基础性研究，积极推进轻量化材料的实用化；我国的轻量化思路为重点发展高强度钢、铝、复合材料，协同发展材料开发、结构设计、工艺优化来实现轻量化。

轻量化材料应用：工艺和结构轻量化的基石，铝合金为核心应用方向钢铁在车内应用超 50%，为轻量化材料的主要替代对象。汽车主要材料为钢材，应用占比55%，其次是铸铁，应用占比 12%。钢铁制造技术成熟、成本低、强度高且耐磨性好，但密度较高，为轻量化材料的主要替代对象。

目前汽车轻量化材料主要包括超高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料(CFRP)等，已得到产业化应用，轻量化效果良好。奇瑞的纯电微型车小蚂蚁采用全铝空间结构和全复合材料外覆盖件，且在车身应用了 93%+的高强度镁铝合金，其全铝车身较传统汽车减重了40%且刚性提高了 60%+；大众宝来车型利用轻量化材料减重了 104.2kg；某车型的外饰件采用轻量化材料减重，合计减重 61kg+。

（1）高强度钢板的抗拉强度和屈服强度性能高，主要应用于关键结构件中。其具有高抗拉强度和高屈服强度的特性，可以在打薄钢板、减少车身重量的基础上保持性能不减，近年来主要应用在 AB 柱、地板、门槛等车辆的关键结构件中，如宝马在部分车型的中通道、地板、B 柱、车门防撞杆应用了高强度钢；凯迪拉克在部分车型的 AB 柱内板、地板中通道、横梁等关键部件应用了先进的高强钢，使钢制下车体结构相较原铝制车体减重了 6kg。
（2）铝合金耐腐蚀、耐磨性强，应用由内部零件罩体向全铝车身过渡。其密度小、强度及刚度高、弹性和抗冲击性能良好、有优异的耐腐蚀性和耐磨性，是汽车轻量化的理想材料。铝合金初期用于汽车发动机罩和行李箱盖，现已应用到全铝车身和新能源车电池外壳，2021年国外已可达车身 80%以上的铝合金和铝复合材料应用。

（3）镁合金抗弯强度和隔音性能好，车体结构件和零件中均有应用。弯曲刚度不变下，镁代替钢可减重 60-70%。目前欧洲研发并使用的镁合金车用零部件超过 60 种，单车镁合金用量在 9.3-20.3kg，北美的镁合金汽车零部件超过 100 种，用量 5.8-26.3kg，而国内研发并使用的镁合金汽零仅 20 余种，技术水平还有较大提升空间。此外受制于加工成本和技术工艺，镁合金量产条件不充分，目前商业应用的平均单车中用镁量不足 1kg，个别车型的发动机罩盖、转向盘、座椅支架、车内门板、变速器外壳上有应用。
（4）车用碳纤维复合材料性能强但成本高，目前多用于赛车等领域。碳纤维的复合材料质量轻(不及钢材料的 1/5)、强度高(5 倍钢强度)、耐高温和耐腐蚀性能好，综合性能强于原有材料性能的总和，且可满足不同的车用部件要求，是理想的汽车轻量化材料，宝马 i8 车型使用了全碳纤维的座舱，采用了类似F1赛车的设计。但限制于加工成本和原材料价格较高，主要在赛车、超跑等豪华车型有小批量应用，随着制造成本的下降，已逐渐向汽车车身、底盘、轮毂等部件渗透。
整体看铝合金综合性价比高，为主流材料。从减重幅度来看，高强度钢<铝合金<镁合金<CFRP；从成本来看，高强度钢<铝合金<镁合金<CFRP。对于轻量化材料的选择，需要考虑重量、成本、工艺等多个方面，综合来看铝合金性价比较高且技术相对成熟，是现阶段汽车减重的首选材料，其耐腐蚀性强，能有效延长汽车的使用寿命；成本适中，可回收利用且再生料工艺成熟，能有效降低能源浪费，经济性能凸显。

远期看，随着镁合金加工技术成熟、生产成本降低，轻量化效果更优的镁合金未来或得更多应用。镁的密度为铝的 2/3、钢的 1/5，是目前较轻的金属结构材料，车身/动力总成/底盘/内饰使用镁合金替代铝材最高可减重约 50%。往后看我们认为，高性能镁合金加工工艺的日趋成熟或降低镁合金的生产成本，同时现有镁合金铸件应用范围与铝合金铸件的重叠度不断扩大，远期看镁合金有望替代铝合金成为重要的汽车轻量化材料。

车用铝合金具有多种加工工艺，铸铝为汽车主流铝合金材料。铸造铝合金成品质量稳定、适合大批量生产，主要用于变速器、发动机气缸盖、发动机气缸体、轮毂、摇臂、制动盘等汽车构件制造。轧制材、挤压材、锻压材属于变形铝合金，成品质量稳定、强度较高、塑性较高、成分性能比较均匀、内部组织紧密，应用于车门、轮毂罩、热交换器、保险杠、座位、行李箱、保护罩、消声罩等汽车结构件、悬挂件、装饰件制造。根据 2017 年《铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望》，各类铝合金在汽车上使用比例大致为铸铝 77%，轧制材 10%，挤压材 10%，锻压材 3%。

高压压铸是未来铝合金工艺的主流方向，部分零部件可用多种工艺生产。铸造工艺可按金属液的浇注技术分为重力铸造和压力铸造。重力铸造是指金属液在重力效果下导入铸型的技术，压力铸造是指金属液在压力作用下导入铸型的技术。压力铸造中，低压铸造与差压铸造多用于发动机、底盘区域，而高压铸造因效率高、加工零件壁厚小，在汽车车身中运用逐渐广泛，是未来的重要方向。此外，部分汽零也可用多种工艺生产，如电池壳原用挤出件，在 CTC 结构下一体化压铸电池壳或将替代挤出工艺；底盘和轮毂的锻造件多用于中高端车型，而铸造件的壁垒低且成本低，部分中低端车型应用底盘和轮毂铸造件。

铝合金凭借优秀的性价比优势用量快速渗透，单车用铝量呈增长趋势。目前铝合金件在汽车中的应用已覆盖电池箱体、液冷板、汽车前后防撞梁、减震件、新能源汽车电器支架、CCB 仪表盘支架等，根据国际铝协，2016-2019 年我国乘用车市场中，燃油车、纯电车、混动车单车用铝量的增幅分别为 15.7%、33.6%、28.1%，其中纯电动汽车单车用铝量增速明显高于传统燃油车，且根据 DuckerFrontier 数据，纯电车的用铝量一般比燃油车高 101kg，主要系电车虽节省了内燃机动力总成的用铝部件、传动系统和变速器中的用铝部件（该部分零件单车铝用量约 62kg，且多为铸造材），但电车的电池外壳、电力牵引系统、车身和开闭件等部件需要额外用铝约 163kg，该部分铸造材占比不到 30%，以铝型材为主。
往后看单车用铝量有较大增长空间，根据中国汽车工程学会 2017 年编制的《节能与新能源汽车发展技术路线图 1.0》，我国汽车轻量化计划于 2025 年、2030 年单车重量分别较 2015达到年减重 20%、35%的目标，乘用车单车用铝量分别达到 250kg 和 350kg。路线 2.0 则细化了车型轻量化 要求， 指 出 2025/2030/2035 年燃油乘用车轻量化系数降低10%/18%/25%、纯电动乘用车轻量化系数降低 15%/25%/35%。

较海外相比，我国单车用铝量仍有较大的提升空间，有望随新能源车发展快速提高。根据国际铝业协会数据，2020 年国内传统乘用车单车用铝量约 138.6kg，纯电和混动车的单车用铝量分别为 157.9kg 和 198.1kg，而根据 Ducker Frontier，2020 年北美非纯电车的单车用铝量为 206kg，纯电车的单车用铝量为 292kg，对标海外单车用铝量水平，我国仍有较大的提升空间。

单车用铝渗透路径或遵循底盘先行渗透、车身快速推广。考虑到簧下质量（如底盘）减重性价比远高于簧上质量（如车身），且车身轻量化由于耗材量大、成本高、工艺难等限制，短时间内渗透率较难快速提升，我们认为我国汽车单车用铝量扩张或遵循底盘先行渗透、车身加速推广的路径。底盘结构件上，目前我国主流车型开始在底盘领域加速铝合金材料的应用，新能源轿车如比亚迪汉、Model 3、埃安 AionS、小鹏 P7 已在底盘结构件应用铸铝件，新能源 SUV 中底盘结构件的铝材料应用更广泛，如 Model Y、比亚迪唐、理想 ONE、极氪 001、蔚来 ES6 等主流车型。

车身结构件上，铝制车身轻量化效果明显，应用在新能源车兼顾提升续航和经济性，往后看有望随新能源车发展加速推广。传统燃油车方面，奥迪 A8 通过铝板材替代钢板材、用铝压铸件作为接头结构（铝材料在白车身材料的占比达 58%），取得了显著的轻量化效果，其轻量化系数为 1.31，略优于宝马 7 系的 1.53 和奔驰 S 的 1.73，白车身质量为 282kg，低于宝马 7 系 13%（323kg）、并低于奔驰 S 22%（362kg）。
新能源车方面，整备质量每降低 100kg，NEDC 工况百公里耗电量可下降 5.5%、续航里程提升 7.97km、电池容量节省 0.885kW/h，分车型来看，A 级车和 C 级车的续航里程可增加12.3km 和 13.0km。若整备质量不变，动力电池以外的部件每降重 10kg，并将质量分给动力电池，动力电池能量密度按 138Wh/kg 计，A 级车和 C 级车的续航里程可增加 12.5km 和9.3km。就铝制车身轻量化效果而言，据我们测算新能源车采用铝制车身较普通钢制车身可减重 40%，用材成本增加 1855 元，假设每减重 100kg 可减少 1.1kWh 电量下，采用铝制车身可减少动力电池成本 2368 元，则铝制车身综合节省成本 513 元。综上，铝制车身对新能源车的轻量化效果明显，且有较强的综合经济性，我们看好其随新能源车渗透加速应用。

结构设计轻量化：拓扑优化是主流，多学科优化是发展方向结构轻量化是通过采用先进的优化设计方法和技术手段，使整车各系统合理布局达到轻量化，主要围绕零部件小型化、薄壁化、精简化、中空化、冗余度处理等设计方法，分为车身结构优化设计和汽车实体结构布局设计 2 种思路，按照设计变量和优化问题的不同，又可以分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化 4 种手段。如神龙汽车变更了其车型的三角臂结构，减重了近 50%，制造能耗降低了 65%。

拓扑优化为目前汽车主要结构优化方案。汽车结构优化设计经历了：尺寸优化、形状优化、拓扑优化、多学科设计优化等阶段，目前采用最多是拓扑优化，其在给定负荷情况、约束条件和性能指标的情况下,优化指定区域的材料,其精确性较高。尺寸优化及形状优化可以拓扑优化的基础上，进一步调整局部的材料分布、形状、形貌等详细设计，以获得最终的结构方案。

未来结构优化技术方案将向多学科优化发展。现代工程发展迅速，各个工程系统规模逐步扩大，系统间交互紧密，传统的优化方法已经不再能满足对工程领域发展的需求，多学科设计优化由此发展。它主要是指掌握各系统相互间的协调机制，优化复杂系统设计以寻求整个工程系统最优解的耦合系统设计方法，目前尺寸优化、形状优化以及连续体拓扑优化日趋成熟。在多目标、多学科、离散结构的优化还要进一步研究，包括遗传算法、量子粒子群算法等算法进行改进，以便结构优化技术的发展。

制造工艺轻量化：热成型工艺应用较广，一体化压铸革新制造工艺

轻量化工艺是实现材料选择及结构设计的纽带，也是实现轻量化的必由之路。制造工艺轻量化在一定程度上直接决定轻量化能否实现。目前汽车轻量化相关的工艺技术主要有热冲压成形、液压成形、激光焊接、一体化压铸等。
热冲压主要用于钢铁材料加工，产生零件强度高。热冲压成形工艺是基于高强钢冷冲压成型存在的问题而发展出的板材成型技术，将热冲压成形用钢加热至奥氏体化，在奥氏体温度区间保温一段时间后，快速转移至热冲压模具中进行成形和淬火，最终零件组织一般为完全的马氏体组织，热冲压成形工艺结合了冲压和热处理过程，奥氏体组织塑性好、变抗力小，在零件成形后奥氏体变为马氏体，零部件回弹小、强度高。目前，成形件主要应用在汽车安全部件上，如车门防撞梁、B 柱加强板地板纵梁、门槛梁等零部件。由于热成型工艺技术有轻量化、高强度的优势，已在汽车工业有广泛应用。

液压成形减少焊接工序，主要应用于汽车管类零部件。其通过对管形件内腔施加液压力，使其在模具型腔内发生塑性变形，从而得到所需形状，与冲压成形零部件相比，液压成形件可以直接得到具有封闭内腔结构的零部件，减少了焊接工序，可以达到减少零部件数量的效果，同时能提高零件强度和刚度，轻量化效果明显，目前主要应用于前后悬架、副车架、门槛梁、防撞梁等管类零部件。

激光焊接节约成本，且轻量化效果明显。轻量化连接技术包括铆接、中频电阻点焊、MIG焊、搅拌摩擦焊等，其中激光焊接采用先进的激光技术及设备，将一定数量的不同材质、厚度、涂层的钢材、铝合金等材料通过自动拼合和焊接组成一块整体板材，通过冲压制造成为零部件。激光拼焊技术在汽车车身上的应用，包括拼焊板板材、冲压成形、激光三维切割、激光焊接分总成、总装白车身零部件加工及总成和在线检测，可节省样车和模具、夹具的费用，生产周期缩短，白车车身质量减少 20%，同时焊点数量减少，白车身刚度、强度显著提高。

一体化压铸替代冲压和焊装工序，促进制造工艺变革。传统汽车制造有四大工艺为冲压、焊装、涂装和总装。冲压为首要步骤，运用中小型压力机和模具，将板材等原材料加工为所需形状和尺寸的冲压零部件；焊装是利用多个焊接机器人或工人将冲压零部件焊接为分总成，再焊接为白车身；涂装包括涂装前对被涂物表面的处理、涂布工艺和干燥三个工序；总装是将白车身、动力总成、电控系统、内外饰等零部件装配成整车。一体化压铸通过将原本设计中需要组装的多个独立的零件经重新设计，并使用超大型压铸机一次压铸成型，直接获得完整的零部件。一体化压铸给压铸界带来一场变革，包含着压铸机制造、压铸材料和压铸模制造变化，给超大型压铸模制造产业链带来了新机遇。

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