中國(guó)乘用車輕量化水平發(fā)展趨勢(shì)研究

李 軍，周 佳，王利剛，馮 毅，江海濤，萬(wàn)鑫銘

（1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.奇瑞汽車股份有限公司 汽車節(jié)能環(huán)保國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽，蕪湖 241009；3.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，北京 100055）

輕量化對(duì)于汽車節(jié)能減排和各項(xiàng)性能改善具有積極的意義，因此受到政府、行業(yè)和汽車企業(yè)的高度重視。汽車輕量化是在確保汽車各項(xiàng)性能不變或提升的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和/或輕量化材料應(yīng)用以及輕量化制造工藝的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)整車整備質(zhì)量最大限度地減少或保持在可接受范圍[1]。近年來(lái)，我國(guó)汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量化材料、先進(jìn)成形與連接工藝等技術(shù)得到了快速發(fā)展，與之相適應(yīng)的原材料供應(yīng)和零部件生產(chǎn)體系逐步完善，支撐了中國(guó)品牌汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。

如何評(píng)價(jià)汽車的輕量化技術(shù)水平是行業(yè)或汽車企業(yè)制定輕量化目標(biāo)的重要前提，近年來(lái)，汽車輕量化評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究成為行業(yè)輕量化領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一[2-9]。目前行業(yè)的共識(shí)是：“脫離汽車性能的提升，而僅僅開展單一維度的重量降低，用簡(jiǎn)單的減重指標(biāo)衡量一個(gè)汽車產(chǎn)品的輕量化水平是不科學(xué)和不合理的”[1]。文獻(xiàn)[1]、[9]、[10]中提出的整車輕量化系數(shù)被行業(yè)確定為乘用車整車輕量化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)。

開展輕量化趨勢(shì)研究對(duì)于科學(xué)制定行業(yè)的輕量化目標(biāo)，以及企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)有重要的指導(dǎo)價(jià)值。然而基于大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)化的輕量化水平趨勢(shì)研究卻較為少見。本文通過采集近10年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售的燃油和電動(dòng)乘用車的整車參數(shù)，研究中國(guó)市場(chǎng)不同類別、不同能源類型乘用車的輕量化水平、整備質(zhì)量的變化趨勢(shì)，以期為汽車行業(yè)制定合理的輕量化目標(biāo)提供數(shù)據(jù)化決策依據(jù)。便于汽車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)綜合考慮產(chǎn)品的市場(chǎng)定位、用戶需求、性能與成本、產(chǎn)品效益和供應(yīng)鏈體系的能力等因素，進(jìn)而將汽車整備質(zhì)量控制在一個(gè)合理范圍。

1 輕量化評(píng)價(jià)指標(biāo)及樣本

1.1 整車輕量化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹

（1）輕量化與汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性關(guān)聯(lián)最強(qiáng)。因此，輕量化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)中，除了整備質(zhì)量（或稱重量）維度，還需考慮汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的指標(biāo)。

（2）輕量化對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)安全有不同的影響。汽車的整備質(zhì)量與被動(dòng)安全性密切相關(guān)，在被動(dòng)安全測(cè)試中，較重的車輛（相同的材料和設(shè)計(jì)時(shí)，承載能力增加）在側(cè)碰和柱碰等工況中表現(xiàn)會(huì)更好，但在正面碰撞（100%正面碰撞、40%偏置變形壁障或25%偏置碰撞）工況下，低重量（動(dòng)能小）的車，其碰撞變形?。ㄏ嗤牟牧虾驮O(shè)計(jì)），車輛顯示出更好的耐撞性能。因此，很難量化汽車質(zhì)量與被動(dòng)安全性之間的關(guān)系。此外，更輕的汽車顯示出更好的主動(dòng)安全性。文獻(xiàn)[9]中根據(jù)2018年版C-NCAP數(shù)據(jù)分析得到：主動(dòng)安全、行人保護(hù)等評(píng)價(jià)項(xiàng)目在五星安全評(píng)級(jí)結(jié)果中的比例已上升至30.2%[9]。主動(dòng)安全主要通過電子控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而電子控制系統(tǒng)與質(zhì)量的相關(guān)性較低。中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）中也大量增加了主動(dòng)安全、行人保護(hù)和碰撞維修等與汽車質(zhì)量關(guān)聯(lián)小的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。因此，安全性能指標(biāo)不宜作為評(píng)價(jià)輕量化的參數(shù)。汽車安全性作為汽車用戶最基本的性能需求，有相應(yīng)的安全基礎(chǔ)法規(guī)保障。一個(gè)合格的輕量化汽車產(chǎn)品，一定是符合國(guó)家相關(guān)安全法規(guī)評(píng)定才能允許上市銷售。

（3）耐久性、NVH等是車輛的基本性能指標(biāo)，無(wú)論質(zhì)量如何，都必須滿足這些指標(biāo)。

基于上述分析，建立了一個(gè)乘用車整車輕量化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)——整車輕量化系數(shù)，并發(fā)布了中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)的行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[10]。燃油和電動(dòng)乘用車整車輕量化系數(shù)的計(jì)算方法如下[1,9-10]。

燃油乘用車整車輕量化系數(shù)Lv的計(jì)算公式為：

電動(dòng)乘用車輕量化系數(shù)Lev的計(jì)算公式為：

式中：Lv、Lev分別為燃油和電動(dòng)乘用車的整車輕量化系數(shù)；M、Mev分別為燃油和電動(dòng)乘用車整備質(zhì)量，kg；P為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW；Pev為電機(jī)峰值功率，所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率之和，kW；A為腳印面積，m2；V為名義體積，m3；Q為百公里綜合燃油消耗量，L/100 km；Y為電能消耗量，kWh/100 km。

上述參數(shù)可通過汽車產(chǎn)品公告或公開信息獲取，保證該評(píng)價(jià)結(jié)果的公正性、權(quán)威性和計(jì)算便利性。整車輕量化系數(shù)由名義密度（W/V）、重量比功率（W/P）、腳印油耗或腳印電耗（Q/A，Y/A）3個(gè)二級(jí)指標(biāo)的乘積構(gòu)成。其中名義密度代表相對(duì)重量，用于表征汽車重量水平；重量比功率表征動(dòng)力性能；腳印油耗（或腳印電耗）表征汽車的油耗或電耗水平。該系數(shù)體現(xiàn)了汽車輕量化的核心價(jià)值，即在保證汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，重量相對(duì)輕（控制在合理范圍）的車型動(dòng)力性能更好，更加節(jié)能。整車輕量化系數(shù)數(shù)值越小，代表該車型的輕量化水平越高。

LI Jun等[9]采用統(tǒng)計(jì)多元回歸的標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)和彈性系數(shù)等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，證明了該指標(biāo)的合理性和普遍適用性。目前，整車輕量化系數(shù)已被《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》采用，作為行業(yè)2020～2035年的輕量化發(fā)展指標(biāo)[1]，采用該指標(biāo)并基于行業(yè)大樣本的輕量化趨勢(shì)研究有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

1.2 乘用車樣本信息

1.2.1 燃油乘用車

燃油乘用車樣本的選擇主要考慮以下因素：

（1）考慮驅(qū)動(dòng)形式對(duì)整備質(zhì)量的影響較為明顯，僅選取主流的前置前驅(qū)、承載式車身的乘用車。

（2）燃油類型為汽油，不包含燃料柴油乘用車。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)類型的差異體現(xiàn)在功率參數(shù)上，所以不做區(qū)分自吸燃和渦輪增壓等發(fā)動(dòng)機(jī)類型。

（4）同款車型搭載不同類型變速器時(shí)，其整備質(zhì)量可能存在一定的差異，某一類型乘用車輕量化水平趨勢(shì)研究是否需區(qū)分變速器類型，需研究比較差異后確定。

本文采集國(guó)內(nèi)市場(chǎng)近10年約1.9萬(wàn)個(gè)燃油乘用車樣本，根據(jù)上述條件篩選14 425個(gè)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)乘用車的級(jí)別分類尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般參考主流媒體的車型分類方式[11-12]，各類車型樣本分布見表1。

表1 汽油乘用車樣本分布

1.2.2 電動(dòng)乘用車

由于2017年之前，國(guó)內(nèi)電動(dòng)乘用車市場(chǎng)尚不成熟，上市車型數(shù)量較少，本文僅選取2017～2020年的665個(gè)電動(dòng)乘用車樣本?？紤]到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)電動(dòng)車的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、銷量數(shù)據(jù)等因素，選取微型車、小型車、小型SUV、緊湊型車和緊湊型SUV等5類車型。上述5類車型樣本合計(jì)為578個(gè)，占總樣本的87%，具有較強(qiáng)的代表性，見表2。

表2 電動(dòng)乘用車樣本分布

2 燃油乘用車輕量化趨勢(shì)

2.1 燃油乘用車輕量化總體趨勢(shì)

為全面了解國(guó)內(nèi)市場(chǎng)燃油乘用車的整車輕量化水平變化趨勢(shì)，對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)近10年汽油乘用車（14 425個(gè)車型）按照年度計(jì)算整車輕量化系數(shù)均值進(jìn)行分析。車型為前置前驅(qū)、承載式車身的燃油乘用車，不區(qū)分車型級(jí)別、變速器類型和車系等。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)燃油乘用車整車輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)如圖1所示，由圖可知，近10年燃油乘用車的整車輕量化系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，均值由2010年的3.47，降低至2020年的2.39，降幅達(dá)30%。

圖1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)燃油乘用車年度輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 典型級(jí)別燃油乘用車輕量化趨勢(shì)

選取銷售占比較高的典型乘用車樣本，分析其整備質(zhì)量和輕量化水平的變化情況，具有一定的典型性和代表性。根據(jù)中國(guó)乘聯(lián)會(huì)的數(shù)據(jù)[13]計(jì)算可知，2019年轎車和SUV車型占乘用車總銷量的91%，其中緊湊型和中型轎車占81.4%，緊湊和中型SUV車型占SUV車型總銷量的76.3%，因此選擇此4類車型數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的代表性。其中銷量占比較高的湊型轎車、緊湊型SUV、中型轎車和中型SUV等4類車型樣本為10 041個(gè)，詳細(xì)按年度分布見表3。

表3 2010～2020年典型級(jí)別燃油乘用車樣本分布

2.2.1 典型級(jí)別燃油乘用車整備質(zhì)量變化趨勢(shì)

隨著國(guó)內(nèi)汽車安全法規(guī)的日益嚴(yán)格，以及消費(fèi)者對(duì)于智能化配置需求的增加，汽車的零件不斷增加，導(dǎo)致整車質(zhì)量也不斷增大。在此情況下，汽車廠商迫切需要通過各類輕量化技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)抵消相應(yīng)的質(zhì)量增加，有效控制汽車新產(chǎn)品的整備質(zhì)量。

圖2為歷年緊湊型SUV和緊湊轎車整備質(zhì)量的變化趨勢(shì)，其中自動(dòng)擋車型為搭載雙離合自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）、自動(dòng)變速器（Auto Transmission，AT）和無(wú)級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）3類變速器車型樣本之和。由圖可知，近10年緊湊型轎車和緊湊型SUV的整備質(zhì)量變化趨勢(shì)保持相對(duì)平穩(wěn)，部分年份整備質(zhì)量略有增加。其中，同類緊湊SUV的整備質(zhì)量比緊湊型轎車的整備質(zhì)量高200 kg以上。這是由于兩種產(chǎn)品的市場(chǎng)定位存在差異，轎車偏向城市代步，SUV車型兼顧越野駕駛，底盤操控等性能需求更高。同時(shí)，由于乘坐空間的需求，SUV的高度會(huì)大于轎車，整備質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加。

圖2 歷年緊湊型SUV和緊湊型轎車整備質(zhì)量變化趨勢(shì)

圖3為歷年中型SUV和中型轎車的整備質(zhì)量變化趨勢(shì)。由圖可知，近10年中型轎車的整備質(zhì)量變化較小，但中型SUV車型的整備質(zhì)量下降明顯，由最高的1 788 kg下降至1 648 kg，降低了約8%。中型SUV的整備質(zhì)量相對(duì)較大，若不降低整備質(zhì)量，即使采用節(jié)能技術(shù)，也將面臨燃油消耗量限值和企業(yè)平均油耗的雙重壓力。中型SUV的平均整備質(zhì)量比同類型的中型轎車重100～150 kg左右。中型轎車的整備質(zhì)量相對(duì)較小，變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩。

圖3 歷年中型SUV/中型轎車整備質(zhì)量變化趨勢(shì)

2.2.2 典型級(jí)別燃油乘用車輕量化趨勢(shì)

在樣本篩選時(shí)已經(jīng)考慮到驅(qū)動(dòng)形式對(duì)整車輕量化系數(shù)的影響，但如上節(jié)所述，變速器的類型也是影響汽車整備質(zhì)量的一個(gè)重要因素，因而需首先研究變速器類型對(duì)整車輕量化系數(shù)的影響。

首先以緊湊型SUV為例，分析變速器類型對(duì)整車輕量化系數(shù)的影響。圖 4為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)近10年緊湊型SUV的整車輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)。由圖可知，緊湊型SUV的整車輕量化系數(shù)均呈逐年降低趨勢(shì)，其中緊湊型SUV的整車輕量化系數(shù)（不區(qū)分變速器類型）由2010年的4.18，降低到2020年的2.58，降低了38.6%。圖 4中搭載不同類型變速器的燃油乘用車整車輕量化系數(shù)與不區(qū)分變速器類型車型趨勢(shì)相近，并且差異也逐步縮小，尤其是近3年的輕量化系數(shù)基本一致。因此，在不同類型的乘用車輕量化水平對(duì)比時(shí)，不再區(qū)分變速器類型。

圖4 近10年緊湊型SUV車型整車輕量化系數(shù)的變化趨勢(shì)

不考慮變速器類型的差異，選取緊湊型轎車、緊湊型SUV、中型轎車和中型SUV等4類車型作為燃油乘用車典型車型，進(jìn)行輕量化趨勢(shì)研究。圖5為4類典型燃油乘用車整車輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)（2010～2020年），乘用車樣本共10 041個(gè)。由圖可知，無(wú)論是緊湊型車還是中型車，無(wú)論是轎車還是SUV車型，整車輕量化系數(shù)都呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。此外，同級(jí)別SUV車型的整車輕量化系數(shù)略高于轎車，這與SUV車型的整備質(zhì)量高于相應(yīng)轎車的整備質(zhì)量有關(guān)。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，SUV車型和轎車的整車輕量化系數(shù)的差值也在不斷縮小。由圖2和圖3可知，一方面同類型SUV的整備質(zhì)量降低幅度大于轎車，另一方面由于汽車油耗法規(guī)的要求日趨嚴(yán)格，整備質(zhì)量大的車型也需要通過使用節(jié)能技術(shù)降低油耗。在整備質(zhì)量和油耗均下降的趨勢(shì)下，導(dǎo)致整車輕量化系數(shù)差異不斷縮小。

圖5 四類車型整車輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)

2.3 不同級(jí)別和車系的燃油乘用車輕量化現(xiàn)狀

由圖 5可知，2017～2020年的4類車型整車輕量化系數(shù)變化較小。為了獲取更多的有效樣本來(lái)分析不同級(jí)別、不同系別燃油乘用車的輕量化水平差異，選取此時(shí)間段的上市車型樣本，4類典型車型樣本數(shù)為4 950個(gè)。以此樣本為對(duì)象，計(jì)算各類樣本的整車輕量化系數(shù)均值，來(lái)評(píng)估不同級(jí)別和不同車型的燃油車整車輕量化水平的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.3.1 不同級(jí)別車型輕量化現(xiàn)狀

圖6為2017～2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)各類乘用車整車輕量化系數(shù)均值對(duì)比情況。由圖可知，由于各類車型產(chǎn)品定位的差異，整車輕量化系數(shù)數(shù)值上也存在較大差異。其中，跑車的整車輕量化系數(shù)最小，中大型SUV車型的整車輕量化系數(shù)最大。輕量化的概念最早來(lái)源于跑車，因此，在各類車型中，跑車的輕量化水平也應(yīng)該是最高的（即整車輕量化系數(shù)?。?。SUV車型的輕量化水平比同級(jí)別的轎車要低，這是由于同級(jí)別SUV車型比轎車的整備質(zhì)量更大，相應(yīng)的油耗也會(huì)增加，油耗和整備質(zhì)量的增加都會(huì)增大該車型整車輕量化系數(shù)的數(shù)值（輕量化水平低）。

圖6 2017～2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)各類乘用車整車輕量化系數(shù)均值

2.3.2 不同車系乘用車輕量化現(xiàn)狀

不同車系乘用車輕量化水平的比較選取緊湊型轎車、緊湊型SUV、中型轎車和中型SUV等4類典型車型，樣本范圍為2017～2020年的燃油乘用車。車系分類為：韓系、日系、美系、德系、歐系（除德系外）和自主品牌等6大類。

圖7 2017～2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不同系別燃油乘用車整車輕量化系數(shù)對(duì)比

由于不同級(jí)別車型的輕量化系數(shù)特征（圖 6）和樣本數(shù)量（表1）存在一定的差異，不能直接將4類車型的整車輕量化系數(shù)累加作為車系間的輕量化水平差異比較。為了更科學(xué)地反映各系別車型的輕量化水平的差異，將各級(jí)別車型的整車輕量化系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即將同級(jí)別車型輕量化系數(shù)除以該級(jí)別的均值得到相對(duì)值，然后將各車系對(duì)應(yīng)4個(gè)級(jí)別車型的整車輕量化系數(shù)相對(duì)值求均值，作為各系乘用車的輕量化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)。處理后的各系車型整車輕量化系數(shù)相對(duì)量對(duì)比如圖8所示。由圖可知，其中自主品牌的整車輕量化系數(shù)相對(duì)量最大，歐系、日系、美系、韓系次之，德系車最小，數(shù)值上比最小的自主品牌車低約10%。

圖8 歸一化后各系車型的輕量化系數(shù)相對(duì)量（無(wú)量綱）

3 電動(dòng)乘用車輕量化趨勢(shì)

依據(jù)式（2）計(jì)算得到各類型電動(dòng)乘用車的整車輕量化系數(shù)，如圖 9所示。由圖可知，電動(dòng)乘用車的整車輕量化系數(shù)呈下降趨勢(shì)，但微型轎車呈微增趨勢(shì)。這主要是由于微型車作為電動(dòng)乘用車的入門車型，整車企業(yè)更關(guān)注其基本的續(xù)駛里程，作為城市代步的電動(dòng)車，其動(dòng)力性不是主要考慮的因素，更多偏向經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)。所以為滿足續(xù)駛里程增加的整備質(zhì)量，并未通過增加電機(jī)的功率來(lái)匹配動(dòng)力性。

圖9 近幾年不同類型電動(dòng)乘用車的整車輕量化系數(shù)對(duì)比

4 電動(dòng)/燃油乘用車輕量化水平差異

圖10為2017～2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不同類型燃油/電動(dòng)乘用車整車輕量化系數(shù)均值對(duì)比。由圖可知，燃油乘用車輕量化系數(shù)各車型級(jí)別之間差異較小，而電動(dòng)乘用車的各級(jí)別之間波動(dòng)較大，最高的達(dá)到6倍。這充分體現(xiàn)了目前電動(dòng)乘用車產(chǎn)品的特征：即產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，技術(shù)上尚不及燃油乘用車成熟，所以整車參數(shù)分布較為分散。電動(dòng)乘用車產(chǎn)品尚需市場(chǎng)和消費(fèi)者的進(jìn)一步檢驗(yàn)，以推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的平衡發(fā)展。

圖10 2017～2020年不同類型燃油/電動(dòng)乘用車整車輕量化系數(shù)對(duì)比

近兩年，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的加劇，以造車新勢(shì)力為代表的車型，其上市電動(dòng)緊湊型轎車和緊湊型SUV產(chǎn)品也開始日趨關(guān)注用戶的實(shí)際駕駛體驗(yàn)，在續(xù)駛里程增加的同時(shí)也會(huì)通過增加電機(jī)功率去提升動(dòng)力性，以滿足汽車用戶的駕駛需求。

對(duì)于電動(dòng)乘用車，由于樣本數(shù)量少，現(xiàn)階段尚不宜開展基于整車輕量化系數(shù)歸一化方法的不同車系電動(dòng)乘用車輕量化水平差異的分析和研究工作。

5 結(jié)論

本文采用整車輕量化系數(shù)作為輕量化水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)2010～2020年間的乘用車樣本特征參數(shù)，對(duì)乘用車的整車輕量化水平趨勢(shì)和現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）近10年燃油乘用車整車輕量化系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，均值由2010年的3.47降低至2020年的2.38，降幅為30%，行業(yè)整體輕量化水平不斷提高，但幅度趨緩。同級(jí)別的轎車輕量化水平高于SUV車型。

（2）自主品牌燃油乘用車的整車輕量化系數(shù)最大，歐系、日系、美系、韓系次之，德系車最小，比自主品牌燃油乘用車整車輕量化水平高約10%。

（3）電動(dòng)乘用車的整車輕量化系數(shù)也呈下降趨勢(shì)，但不同級(jí)別電動(dòng)乘用車之間的輕量化系數(shù)差異較大，最高的達(dá)到6倍，而燃油乘用車的差異最大不到50%。