新能源汽車對車用鋁合金產業發展的影響

牛莎莎，董盈盈

（中國有色金屬工業協會工爐分會，北京 100080）

1 新能源汽車發展背景

我國力爭2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和。為實現碳達峰、碳中和的目標，當務之急是調整能源結構，實現能源體系的低碳轉型，降低碳排放量高的煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的消費比重，提升太陽能、風能、核能、地熱能等零碳清潔能源的消費比重。

汽車是能源消費大戶，發展新能源汽車是實現碳達峰、碳中和的重要手段，也有利于降低我國對化石能源進口的依賴，保障能源安全。以純電動汽車為例，它完全使用電力驅動電機獲得動力，與傳統的內燃機汽車相比，電動機能量轉化效率具有顯著優勢，通常能達到85%以上。除此之外，電動汽車還可以通過將動能轉化為電能來有效制動。通過這種反復制動，續航里程最多可擴展15%。

機動車尾氣排放是影響城市空氣質量的重要因素，機動車尾氣中含有上百種不同的化合物，主要污染物有碳氫化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、含鉛化合物、苯并芘及固體顆粒物等，多集中在離地面1米左右的低空中，正處于人的呼吸帶附近，氣體排放物英國空氣潔凈和環境保護協會曾發表研究報告稱受汽車尾氣污染的人比空氣污染的人要多出10倍。北京市曾在2018年發布《顆粒物源解析研究報告》，其中提到機動車（45%）對霧霾的貢獻比例遠高于工廠（12%）。在車輛不多的情況下，大氣的自凈能力尚能化解車輛排出的化合物，但隨著社會物質水平的不斷提高，近些年我國汽車市場以井噴式的速度發展，機動車已車滿為患，交通擁堵是常有之事，尾氣排放對城市空氣的污染更不容小覷。相比之下，新能源汽車沒有尾氣排放，對空氣的影響則友好得多。電動汽車的普及能有效減少二氧化碳排放，降低對環境的影響。

新能源汽車也存在缺點，比如續航里程受限（里程焦慮），充電沒有機動車加油方便快捷，在跑長途的時候，要提前做好規劃；低溫環境下，電池組性能明顯下降，隨著電池材料、技術不斷研發和充電樁的不斷增建，電池性能已不斷優化，里程焦慮已不斷緩解。

目前，我國新能源汽車產銷量在汽車行業中的占比已超過11%，預計到2025年，全球新能源汽車產銷量將超過2000萬輛，同期我國新能源汽車產產銷量全球占比將達到30%。

2 鋁合金的性能與特點

在內燃機汽車中，90%的燃料用于驅動車輛自身，而只有10%用于乘客。燃油車與電動車能耗與凈重關系見圖1，從圖上可以看到，隨著車輛凈重的減少，無論是燃油車還是電動車，能耗都隨之降低。車重每減輕10%，平均可節省6%～8%的燃料消耗，電動汽車車重每降低100kg，就可以減少0.3～0.6Kwh/km。車輛的重量限制了范圍，增加電池容量需要解決的潛在問題之一是減輕重量。使用輕質材料可以通過減輕重量來提高車輛的性能，并允許遠距離行駛[1]，這些特性對電動汽車很重要。

圖1 燃油車與電動車能耗與凈重關系

常見的輕量化替代材料有鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料等，各材料主要性能對比如表1所示，綜合對比來看，鋁合金為汽車輕量化的首選材料。

表1 主要輕量化材料對比

鋁密度為2.69g/cm3，比鋼材低三倍，由于其低密度，在用于車輛時可以減輕重量。此外，它的回彈力是鋼的三倍，具有抗碰撞能力，能量吸收能力強，耐撞性極佳[2]。

當用于車身時，可以大大減輕重量。鋁合金減重率相比高強度鋼材更加顯著，一般鋁合金零件經過一次減重，效果可達30%～40%；制動系統與懸架等主要零部件經二次減重，效果可達到50%。使用鋁代替傳統鋼可以減輕50%的體重，使整車質量減輕了30%。除了減輕重量外，車輛制造中還需要高強度、可焊接性和可成型性[3]；鋁合金在侵蝕性工作條件下的性能遠高于從傳統鋼獲得的部件，是將腐蝕、強度和剛性等特性結合到同一產品上的最佳材料。例如，本田NSX車身和外板由210公斤鋁制成[4]，電動汽車特斯拉ModelS車身的大部分都是使用鋁材料生產的。

鋁合金因其耐腐蝕、耐磨性強、輕量化效果好、抗撞擊能力強、成本低等多個優勢在汽車工業中被經常使用。

圖2 典型全鋁車身（上:本田NSX;下:特斯拉ModelS）

3 鋁合金在汽車產業中的應用情況

鋁合金可以通過鑄造、擠壓、沖壓等冷加工和熱處理工藝獲得足夠的強度重量比和耐腐蝕性。鋁制零部件可以通過MIG焊接、激光焊接、緊固件、鉚釘和粘合劑進行組裝[5]。

鋁合金按化學結構分為1xxx（＞99%鋁）、2xxx（鋁銅合金）、3xxx（鋁錳合金）、4xxx（鋁硅合金）、5xxx（鋁鎂合金）、6xxx（鋁鎂硅合金）、7xxx（鋁鋅鎂合金）、8xxx（多種材料）等系列[6，7]。在汽車行業，6xxx系列以具有更高強度的優勢[4]，廣泛用于結構外件；5xxx系列高成型能力出眾，主要用于內部零件[2]。

目前鑄造鋁合金是汽車用鋁最多的鋁合金種類，廣泛用于發動機零部件、車輪、減震器、底架及空間框架等鋁化率較高的構件。隨著鋁合金車身的普及，軋制鋁合金板材用料占比快速提升。相比鑄造鋁合金，變形鋁合金的主要使用場景是車身輕量化，因鋁化率相對較低，在傳統汽車中的應用比例較少[8]。據Ducker Worldwide公布的調研數據表明，歐洲地區2019年車用鋁合金制造工藝分類，鑄造鋁合金占比為65%，軋制板材占比為19%，擠壓型材占比為11%，鍛造件占比為5%。但在部分采用全鋁車身的高端車型上，變形鋁合金的占比比鑄造鋁合金高。

相比較內燃機汽車，新能源汽車為追求長續航里程，對車輛減重要求高，因此鋁合金使用占比明顯提高。雖然純電動汽車省去了內燃機汽車動力總成、傳動系統、變速器等用鋁部件，但電池組、電力系統等增加了額外用鋁；同時為提升電動車的里程，車身和車體結構等減重需要，用鋁量大幅度增加，全車用鋁占凈重比達到33.7%。

圖3 車用鋁合金不同制造工藝份額對比

表2 電動汽車不同部件的用鋁量

圖4 電動汽車不同用鋁部件位置

由于鋁及其合金具有強度、密度和制造適用性等優異特性，因此可用于減輕電動汽車的重量。由于重量減輕，油耗降低，電動汽車的續航里程可以增加。此外，由于鋁及其合金的可回收性，可以重復使用。鋁及其合金在電動汽車中的使用不斷增加，并且正在進行各種研究以降低成本并擴大其使用。電動汽車數量的增加，專注于提高節能和續航里程的研究人員將開發方法，使汽車行業更頻繁地使用鋁合金。

4 我國車用鋁合金的現狀

鋁合金的拉伸強度、延伸率等技術性能與鋼材有顯著不同，在沖壓、擠出、焊接等制造過程中面臨諸多技術難題，由此導致全球掌握先進且成熟的車用鋁合金生產技術企業數量不多。

全球鋁合金汽車車身板生產商主要是美國鋁業ALCOA、愛勵國際Aleris、挪威海德魯NorskHydro、諾貝麗斯Novelis、肯聯鋁業Constellium、古河斯凱Furukawa-sky、神戶鋼鐵KobeSteel、住友輕金屬SumitomoLightMetal等。

全球電動汽車制造商中前五大銷量商為特斯拉、雷諾、大眾、現代起亞和比亞迪。大眾和特斯拉的鋁材供應商一般為本土企業，上海特斯拉的供應商就包括常鋁股份和南山鋁業。常鋁股份為特斯拉的二級供應商，提供散熱系統用鋁材，主要用于民用新能源電池散熱系統；南山鋁業為特斯拉供應主要含鋁汽車板和電池托盤用鋁板。其他代表性企業主要還有西南鋁業、東北輕合金、忠旺控股、財發鋁業、三源鋁業等。

我國鋁合金產業雖然發展迅猛，但較為滯后，與國際先進水平存在差距，產品質量及盈利能力較全球龍頭企業尚有差距。目前行業處于產品結構調整和裝備改造升級階段，產品正向高附加值和新應用領域發展，其中交通輕量化成為行業投資熱點和新的利潤增長點。目前南南、叢林、晟通、利源鋁業、麥達斯、忠旺等企業都已開展深加工或近凈成形加工。我國汽車用鋁合金板材面臨三大問題：

（1）缺少自主知識產權，由于鋁合金使用尚不廣泛，缺乏全產業鏈、體系化、專業化的制造企業，鋁合金制造企業與造車企業協同不夠；

（2）車用鋁合金技術研發投入不足，產業發展滯后；在材料成形、異種材料連接、成本控制、表明處理、環保等方面仍與國外先進技術存在較大差距；

（3）產業應用推廣不足。在當前新能源汽車蓬勃發展的情況下，相關鋁合金產品在車身結構、電驅系統、副車架等相關車用部件中應用不足，應加強產學研合作并建設相關技術創新平臺。

5 車用鋁合金的未來需求

（1）市場分析

隨著鋁合金技術進步和新能源汽車產業的發展，汽車行業的鋁合金用量逐年提升。據Ducker Worldwide公布的研究數據表明，歐洲汽車2016年平均用鋁量為150.5Kg，預計2025年增長至198.8Kg；北美汽車2016年平均用鋁量為180Kg，2025年預計將增長至229Kg；中國汽車2016年平均用鋁量為110Kg，2025年預計將增長至187Kg。

圖5 北美汽車單臺汽車平均用鋁量（Kg）

國際鋁業協會對中國內燃機、純電動和混動等三類乘用汽車分車型用鋁量進行了分析預測，三類乘用車用鋁量未來均呈現明顯增長趨勢。分車型看，純電動和混動乘用車明顯高于內燃乘用車，且純電動乘用車增長率最高。預計至2025年，內燃機、純電動、混動乘用車單車用鋁量分別為180kg、227kg、238kg。

圖6 2016～2030年新能源汽車單臺汽車平均用鋁量及預測（Kg）

預計2025年我國汽車行業的鋁用量將達到700萬噸以上，主要由乘用車消耗，占比72%，未來5年年復合增長率將8.9%；乘用車、公共汽車和電動自行車等新能源汽車，將占總車用鋁量的34%左右。

美鋁公司表示：“越來越多的汽車制造企業都開始使用鋁合金來提升汽車的品質和經濟性，預計到2025年車用鋁合金消費將增長10倍”。美鋁、諾威利斯、神鋼集團、凱撒鋁業等鋁業巨頭在板帶市場產能飽和的情況下仍不斷擴增汽車板產能。英國、挪威、奧地利、法國和荷蘭都提議在10到20年內禁止使用內燃機，以減少溫室氣體排放。挪威已經實現了46%的新能源汽車。

汽車用鋁無疑是未來最大的一塊蛋糕，鋁已經成為當今汽車制造中的第二大材料，為了應對全球性的節能減排，鋁合金應用是重要發展方向，目前我國車身用鋁板僅為世界的6%。

（2）政策因素

近日，生態環境部、發展改革委、工業和信息化部、住房城鄉建設部、交通運輸部、農業農村部和能源局7部門聯合印發《減污降碳協同增效實施方案》，在推動交通運輸協同增效措施中提到，加快新能源車發展，逐步推動公共領域用車電動化，有序推動老舊車輛替代為新能源車輛和非道路移動機械使用新能源清潔能源動力，探索開展中重型電動、燃料電池貨車示范應用和商業化運營。到2030年，大氣污染防治重點區域新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售量的50%左右[9]。

受國際局勢不穩定因素影響，油價不斷飆升，燃油汽車的燃油成本快速增加，燃油汽車的不經濟性越來越顯現，新能源汽車在能源方面則更為經濟。由工信部、國家發改委、財政部、生態環境部、國務院國資委、市場監管總局六部門聯合印發的《工業能效提升行動計劃》中提到加快推進終端用能電氣化、低碳化。到2025年，電能占工業終端能源消耗比重達到30%左右[10]。國家對清潔能源應用的重視不斷加大。

未來在市場和政策引導的雙重作用下，新能源汽車的供應將會加快增長，車用鋁量的需求量也會隨之增加。

6 結論與討論

（1）隨著新能源汽車自身的材料需求，車用鋁量因其自身的優勢應用比例將會不斷增加。

（2）在市場需求和國家政策的引導雙重作用下，新能源汽車的供應將會加快增長，車用鋁量的需求量也會隨之增加。

（3）在當下新能源汽車蓬勃發展的情況下，相關鋁合金產品在車身結構、電驅系統、副車架等相關車用部件中應用不足，應加強產學研合作并建設相關技術創新平臺。

（4）我國應加強“產學研”協同創新，提高自主創新能力，加強配套政策引導與支持，優化產業結構，提升產品性能與競爭力；加強國際合作，推進人才隊伍建設，形成持續創新能力。