产业深度：一体化技术：实现智能汽车更高能效与产效的重要选择

产业研究中心 产业深度 2024.05.16 财阀经济和竞争格局的稳定性 2024.04.19 2024年春季策略会PPT-高度竞争时代已至技术创新与量产能力为王 2024.04.16 智能汽车：未来汽车最佳赛道 2024.04.12 智能座舱：车型换代带来六大板块加速发展机会——智能汽车产业研究系列 （六） 2024.04.11 800V推动超快充与能耗革命成为纯电发展分水岭，引发产业空间全面升级 2024.03.21 往期回顾 作者：朱峰 电话：021-38676284 邮箱：zhufeng026011@gtjas.com资格证书编号：S0880522030002 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 一体化技术：实现智能汽车更高能效与产效的重要选择 摘要：智能汽车产业前瞻研究（7）——智能汽车一体化技术产业研究 通过一体化技术实现“轻量化”是智能汽车提续航、降能耗的重要技术发展方向。“车身重量”是影响汽车能效的重要指标，通过“轻量化”技术降低车重可以满足智能汽车增加续航的迫切需求。整车车身轻量化的主要实现途径包括材料、结构、工艺三个方向。一体化压铸作为三种技术方向的综合应用，大幅降低车身重量，缩短制造流程，成为当前整车制造端实现轻量化的重要技术方向。一体化电池发力于三电系统降重，形成提高续航、量产能力、降低制造成本的明确优势。 产业上中下游齐发力，一体化压铸拓展汽车“轻量化”潜力空间。一体化压铸由特斯拉首先提出，国内整车厂自2022年开始大规模落地应用。一体化压铸以高压压铸为基础，将多个分散的零部件高度集成，通过大型压铸机一次压铸成型，存在大型压铸机、免热处理材料、压铸模具和压铸工艺方法共四个主要技术壁垒。与传统压铸相比，一体化压铸取代传统车身制造过程中的冲压和焊接环节，减少车身制造所需要的零部件数量，同时提高零部件复用性，降低制造人员和场地面积需求，使车 身集成度更高，进而带来更轻量化与更安全的车身、更高的规模量产效率和更低制造成本。当前产业链上中下游合作研发，整车厂自研与采购模式并行。上游免热处理材料、压铸机与模具供应商之间合作与竞争并存，与中游压铸商和下游整车厂联系日益密切。中游压铸厂商向上游延伸布局，向下游合作拓展，深化上下游战略协同体系。下游整车厂陆续布局一体化压铸技术，目前已拓展向前机舱、中地板和下车体总成研究。一体化压铸应用考验制造端工艺研发和量产把握能力、材料研发能力以及资源能力，来自供应链、设备投入和材料研发上的优势将不断推动一体化压铸技术在国内深入应用。 电池厂与整车厂殊途同归，一体化电池助力整车“轻量化”与更好经济性。动力电 池历经标准化模组的1.0时代、CTP大模组的2.0时代与最新CTC的3.0时代，以提升空间利用率为出发点，结合安全性与经济性的核心需求，在电池包精简一体化、集成化方向上层层深入，当下主要的一体化电池技术有CTP、CTC和CTB。CTP技术将电芯直接组成模组集成于电池包，随产品迭代逐步走入成熟应用阶段。以宁德时代CTP产品系列和比亚迪刀片电池为代表，电池厂与整车厂双端发力。CTB技术将车身底板面板与电池包上壳合二为一，为电芯车身一体化技术。CTC技术将电芯一体冲压成型于车架底盘，为电芯底盘一体化技术。CTC与CTB技术作为CTP电池进一步发展的不同方向，由整车厂引领自研设计，在技术创新与量产能力进步下将培育产业链的增量空间和新的商业机遇。 风险提示：智能汽车市场整体发展不及预期、一体化技术进步与量产落地不及预期、 市场竞争加剧的风险。 目录 1.汽车“轻量化”推动产业增效3 1.1.“轻量化”是智能汽车降低能耗、提升续航的紧迫需求3 1.2.材料、结构、工艺三方向协同推动整车轻量化4 1.3.车身结构部件：一体化压铸拓展“轻量化”增量空间5 1.4.三电系统：电池一体化推动三电系统降重6 2.一体化压铸拓展汽车“轻量化”潜力空间7 2.1.一体化压铸是设备、材料模具和工艺的综合应用7 2.2.一体化压铸助力整车轻量化、高效率、低成本9 2.3.特斯拉引领，整车厂商与汽车零部件厂商加速入场10 2.4.一体化压铸上中下游合作研发，整车厂自研与采购并行12 2.4.1.产业链上游：合作与竞争并存，与整车厂联系日益密切.12 2.4.2.产业链中游：压铸厂商上游延伸、下游合作拓展，深化上下游战略协同体系14 2.4.3.产业链下游：整车厂陆续布局一体化压铸技术，引发高质量 “军备竞赛”14 3.一体化电池：助力整车“轻量化”与更好经济性16 3.1.动力电池发展历史：电池包精简一体化的层层递进16 3.2.一体化电池技术原理：模块化与集成化的交相推进16 3.3.一体化电池应用：电池商与整车厂协同发力，CTP走向成熟， CTC/CTB整车厂引导18 4.风险提示20 1.汽车“轻量化”推动产业增效 1.1.“轻量化”是智能汽车降低能耗、提升续航的紧迫需求 “轻量化”是节能减排的指引方向。顺应节能减排政策的指引，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》对整车的油耗和轻量化水平提出了更高要求。针对油耗提出乘用车（含新能源汽车）的新车平均油耗，要求在2025 年、2030年和2035年要分别达到百公里4.6升、3.2升和2.0升。路线 图2.0要求从工程材料、模具结构和工艺设计三方面关键技术入手，至 2025年将燃油乘用车整车轻量化系数降低10%，至2035年降低25%。新能源汽车整车增加的200-300kg三电系统带来的高基数，使得纯电动乘用车有更高的轻量化系数要求，至2025年降低15%，2035年降低35%。 2025年 2030年 2035年 乘用车（含新能源） 4.6 3.2 2.0 油耗（L/km） 传统能源乘用车 5.6 4.8 4.0 混合动力乘用车 5.3 4.5 4.0 燃油乘用车 降低10% 降低18% 降低25% 纯电动乘用车 降低15% 降低25% 降低35% 表1：《节能与新能源汽车技术路线图2.0》政策指引 轻量化系数 数据来源：中国汽车工程学会 “车身重量”是影响汽车能效的重要指标。汽车的行驶即是由能量驱动发动机转化为动能，并经过传动系统、轮胎变成运动的过程，在这个过程中存在大量的能量损失，主要由发动机效率损失、传动系统损失、轮 胎滚动阻力损失、空气阻力损失、制动摩擦力阻力损失导致，其中燃油车约35%的动能在轮胎滚动的阻力下损失。汽车滚动阻力计算公式为：Fp1=W*f，f为滚阻系数，W为下压力，下压力在水平形式状态下等于车身重量，车身越重、滚动阻力则越大。根据汽车工程学会与零碳汽车研究院，每减重1%分别对A级、B级、C级汽车对应的节油率为0.6%、0.7%和0.9%。此外，世界铝业协会的报告指出，汽车的自身质量每减少 10%，燃油消耗可降低8%，轻量化对节油的影响明显。 图1：轮胎滚动阻力是汽车阻力重要来源之一图2：降低车重从而降低滚阻对节油效率影响明显 数据来源：吉利汽车研究院，极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司新能源开发中心 数据来源：中国汽车工程学会，零碳汽车研究院 “轻量化”是智能汽车增加续航的迫切需求。由于智能汽车多为新能源 车，沉重的三电系统使其轻量化系数较传统燃油车高1.5-4倍（系数越高，轻量化程度越低），亦造成更高的滚动阻力进而影响续航。根据吉利汽车研究院仿真结果，整车重量每下降100kg，续驶里程约增加3.7%。以ID4.X为例，其长续航版由于配备83.4kWh大电池，整备质量为2120kg，电耗为14.6kWh/100km；而低配纯净版由于采用更小的57.3kWh 电池包，整备质量降低至1960kg，电耗降至14kWh/100km。国家新能源汽车技术创新中心的对比实验结果显示，如果车重减轻10%，能耗减少5%~8%；电动车可节省电量4%~5%，续航里程也会提升。轻量化对提升智能汽车使用经济性有重要影响，除使用碳纤维等更加轻量化的材料外，通过一体化压铸、电池一体化（CTP、CTB、CTC）等新技术减少零部件使用亦是当前产业正在整车制造端加速应用以降低车重的有效手段。 图3：新能源汽车续航对整车重量较为敏感图4：轻量化促进车辆的生产和使用成本的下降 数据来源：吉利汽车研究院，极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司新能源开发中心 数据来源：中国汽车工程学会，零碳汽车研究院 1.2.材料、结构、工艺三方向协同推动整车轻量化 车身轻量化的主要实现途径包括材料、结构、工艺三个方向。其中，材料轻量化是当前汽车轻量化的主流技术手段，在各类轻量材料中，铝合金的性价比最高。 材料轻量化，即在汽车制造中，采用密度较低的轻量化材料替代传统的密度较高的材料，同时具备良好的成型性和耐久性，如高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等，四者之间减重效果和成本呈递增态势； 结构轻量化，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在不影响车身基本状态的情况下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化四种； 工艺轻量化中，激光拼焊技术是汽车制造商的常用技术，采用不等 厚度轧制板，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获得沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板料。此外还包括内高压成形（液压成形）、超高强度钢热冲压成形、辊压成形、高压铸造成型、低（差）压铸造成型和汽车轻量化连接技术等。 表2：汽车轻量化技术途径 技术途径种类应用部件 高强度钢十字构件、轨、防撞杆等 铝合金转向节、副车架、控制臂等 材料轻量化 结构轻量化 工艺轻量化 镁合金转向盘、气门室覆盖、前段结构件等碳纤维材料车身、车顶、座椅骨架等 拓扑优化车身结构件、发动机辅助支架、横向连杆等尺寸优化驾驶式结构件、发动机盖、底盘悬架支架等形状优化涡轮增压器、进气管、排气管等 形貌优化后尾板、地板加强件、雨刮器支架等激光拼焊板前风窗骨架、A柱加强板、B柱等液压成型门板加强筋、车顶侧梁、后保险杠等 热成型车身纵梁、发动机支架、侧面支架等轻量化连接门盖、前后地板、侧围支架等 数据来源：头豹研究院 不同国家在汽车轻量化上各有侧重，国内材料、结构、工艺轻量化协同发展助力汽车轻量化。国内汽车轻量化的始于开发和应用高强度钢、铝合金、复合材料等新材料，材料、设计、工艺三共同作用逐步实现汽车 减重的目标。2016年中国汽车工程学会牵头发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出截至2025年扩大铝、镁合金与碳纤维增强复合材料在 车身上的应用。在2030年实现以纤维符合材料为主、轻合金和高强度钢为辅；结合制造工艺和成本控制要求进行集成化设计；热塑性纤维材料成形、挤压成型、弯曲成型为主，温成型、热成型为辅的轻量化技术。美国汽车轻量化以材料进步为驱动，综合考虑材料的成本、性能、可回收性以及使用量。欧洲汽车轻量化瞄准多材料应用技术，以先进的钢铁材料、轻金属镁铝、碳纤维强化复合材料三类先进轻量化材料应用为基础发展。日本汽车轻量化从材料和工艺研究开始，通过材料进步促进汽车轻量化发展。 表3：全球主要国家和地区汽车轻量化技术路线 国家和地区汽车轻量化技术路线 中国材料-结构-工艺协同发展美国以材料进步为驱动 欧洲瞄准多材料应用技术 日本材料和工艺实用化 数据来源：AI汽车制造业 1.3.车身结构部件：一体化压铸拓展“轻量化”增量空间 车身是整车质量的重要组成部分。车身重量占整车质量的25%，车身轻 量化将有效降低整车重量。经过多年新材料及新工艺发展，车身用材从普通钢车身发展到高强钢车身、钢铝混合车身、多材料混合车身、全铝车身、全碳纤维车身等多种选择。综合考虑轻量化效果、成本及强度等多方面因素，多材料车身轻量化技术是目前的主要发展方向。以哪吒S为例，车身的材料应用占比为：软钢16.5%，普通高强钢10.7%，先进高强钢37.1%，热成形钢29.3%