中國乘用車輕量化水平發展趨勢研究

李 軍，周 佳，王利剛，馮 毅，江海濤，萬鑫銘

（1.北京科技大學，北京 100083；2.奇瑞汽車股份有限公司 汽車節能環保國家工程實驗室，安徽，蕪湖 241009；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.中國汽車工程學會，北京 100055）

輕量化對于汽車節能減排和各項性能改善具有積極的意義，因此受到政府、行業和汽車企業的高度重視。汽車輕量化是在確保汽車各項性能不變或提升的前提下，通過結構優化設計和/或輕量化材料應用以及輕量化制造工藝的實施，實現整車整備質量最大限度地減少或保持在可接受范圍[1]。近年來，我國汽車輕量化結構設計、輕量化材料、先進成形與連接工藝等技術得到了快速發展，與之相適應的原材料供應和零部件生產體系逐步完善，支撐了中國品牌汽車產品市場競爭力的提升。

如何評價汽車的輕量化技術水平是行業或汽車企業制定輕量化目標的重要前提，近年來，汽車輕量化評價方法和評價指標的研究成為行業輕量化領域的熱點課題之一[2-9]。目前行業的共識是：“脫離汽車性能的提升，而僅僅開展單一維度的重量降低，用簡單的減重指標衡量一個汽車產品的輕量化水平是不科學和不合理的”[1]。文獻[1]、[9]、[10]中提出的整車輕量化系數被行業確定為乘用車整車輕量化水平評價指標。

開展輕量化趨勢研究對于科學制定行業的輕量化目標，以及企業產品開發有重要的指導價值。然而基于大數據、系統化的輕量化水平趨勢研究卻較為少見。本文通過采集近10年國內市場銷售的燃油和電動乘用車的整車參數，研究中國市場不同類別、不同能源類型乘用車的輕量化水平、整備質量的變化趨勢，以期為汽車行業制定合理的輕量化目標提供數據化決策依據。便于汽車企業產品開發時綜合考慮產品的市場定位、用戶需求、性能與成本、產品效益和供應鏈體系的能力等因素，進而將汽車整備質量控制在一個合理范圍。

1 輕量化評價指標及樣本

1.1 整車輕量化水平評價指標介紹

（1）輕量化與汽車的動力性和經濟性關聯最強。因此，輕量化水平評價指標中，除了整備質量（或稱重量）維度，還需考慮汽車動力性和經濟性相關的指標。

（2）輕量化對主動和被動安全有不同的影響。汽車的整備質量與被動安全性密切相關，在被動安全測試中，較重的車輛（相同的材料和設計時，承載能力增加）在側碰和柱碰等工況中表現會更好，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（動能小）的車，其碰撞變形小（相同的材料和設計），車輛顯示出更好的耐撞性能。因此，很難量化汽車質量與被動安全性之間的關系。此外，更輕的汽車顯示出更好的主動安全性。文獻[9]中根據2018年版C-NCAP數據分析得到：主動安全、行人保護等評價項目在五星安全評級結果中的比例已上升至30.2%[9]。主動安全主要通過電子控制系統來實現，而電子控制系統與質量的相關性較低。中國保險汽車安全指數（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）中也大量增加了主動安全、行人保護和碰撞維修等與汽車質量關聯小的評價項目。因此，安全性能指標不宜作為評價輕量化的參數。汽車安全性作為汽車用戶最基本的性能需求，有相應的安全基礎法規保障。一個合格的輕量化汽車產品，一定是符合國家相關安全法規評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，無論質量如何，都必須滿足這些指標。

基于上述分析，建立了一個乘用車整車輕量化水平評價指標——整車輕量化系數，并發布了中國汽車工程學會的行業團體標準[10]。燃油和電動乘用車整車輕量化系數的計算方法如下[1,9-10]。

燃油乘用車整車輕量化系數Lv的計算公式為：

電動乘用車輕量化系數Lev的計算公式為：

式中：Lv、Lev分別為燃油和電動乘用車的整車輕量化系數；M、Mev分別為燃油和電動乘用車整備質量，kg；P為發動機最大功率，kW；Pev為電機峰值功率，所有驅動電機功率之和，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。

上述參數可通過汽車產品公告或公開信息獲取，保證該評價結果的公正性、權威性和計算便利性。整車輕量化系數由名義密度（W/V）、重量比功率（W/P）、腳印油耗或腳印電耗（Q/A，Y/A）3個二級指標的乘積構成。其中名義密度代表相對重量，用于表征汽車重量水平；重量比功率表征動力性能；腳印油耗（或腳印電耗）表征汽車的油耗或電耗水平。該系數體現了汽車輕量化的核心價值，即在保證汽車綜合性能指標的前提下，重量相對輕（控制在合理范圍）的車型動力性能更好，更加節能。整車輕量化系數數值越小，代表該車型的輕量化水平越高。

LI Jun等[9]采用統計多元回歸的標準偏回歸系數和彈性系數等統計學參數，證明了該指標的合理性和普遍適用性。目前，整車輕量化系數已被《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》采用，作為行業2020～2035年的輕量化發展指標[1]，采用該指標并基于行業大樣本的輕量化趨勢研究有重要的指導價值。

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）考慮驅動形式對整備質量的影響較為明顯，僅選取主流的前置前驅、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）發動機類型的差異體現在功率參數上，所以不做區分自吸燃和渦輪增壓等發動機類型。

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

本文采集國內市場近10年約1.9萬個燃油乘用車樣本，根據上述條件篩選14 425個。目前，國內對乘用車的級別分類尚無統一的標準，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 電動乘用車

由于2017年之前，國內電動乘用車市場尚不成熟，上市車型數量較少，本文僅選取2017～2020年的665個電動乘用車樣本。考慮到國內市場電動車的產品結構、銷量數據等因素，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類車型樣本合計為578個，占總樣本的87%，具有較強的代表性，見表2。

表2 電動乘用車樣本分布

2 燃油乘用車輕量化趨勢

2.1 燃油乘用車輕量化總體趨勢

為全面了解國內市場燃油乘用車的整車輕量化水平變化趨勢，對國內市場近10年汽油乘用車（14 425個車型）按照年度計算整車輕量化系數均值進行分析。車型為前置前驅、承載式車身的燃油乘用車，不區分車型級別、變速器類型和車系等。國內市場燃油乘用車整車輕量化系數變化趨勢如圖1所示，由圖可知，近10年燃油乘用車的整車輕量化系數總體呈下降趨勢，均值由2010年的3.47，降低至2020年的2.39，降幅達30%。

圖1 國內市場燃油乘用車年度輕量化系數變化趨勢

2.2 典型級別燃油乘用車輕量化趨勢

選取銷售占比較高的典型乘用車樣本，分析其整備質量和輕量化水平的變化情況，具有一定的典型性和代表性。根據中國乘聯會的數據[13]計算可知，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類車型數據具有很強的代表性。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，詳細按年度分布見表3。

表3 2010～2020年典型級別燃油乘用車樣本分布

2.2.1 典型級別燃油乘用車整備質量變化趨勢

隨著國內汽車安全法規的日益嚴格，以及消費者對于智能化配置需求的增加，汽車的零件不斷增加，導致整車質量也不斷增大。在此情況下，汽車廠商迫切需要通過各類輕量化技術的應用，來抵消相應的質量增加，有效控制汽車新產品的整備質量。

圖2為歷年緊湊型SUV和緊湊轎車整備質量的變化趨勢，其中自動擋車型為搭載雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）、自動變速器（Auto Transmission，AT）和無級變速器（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的整備質量變化趨勢保持相對平穩，部分年份整備質量略有增加。其中，同類緊湊SUV的整備質量比緊湊型轎車的整備質量高200 kg以上。這是由于兩種產品的市場定位存在差異，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，由于乘坐空間的需求，SUV的高度會大于轎車，整備質量也會相應增加。

圖2 歷年緊湊型SUV和緊湊型轎車整備質量變化趨勢

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

圖3 歷年中型SUV/中型轎車整備質量變化趨勢

2.2.2 典型級別燃油乘用車輕量化趨勢

在樣本篩選時已經考慮到驅動形式對整車輕量化系數的影響，但如上節所述，變速器的類型也是影響汽車整備質量的一個重要因素，因而需首先研究變速器類型對整車輕量化系數的影響。

首先以緊湊型SUV為例，分析變速器類型對整車輕量化系數的影響。圖 4為國內市場近10年緊湊型SUV的整車輕量化系數變化趨勢。由圖可知，緊湊型SUV的整車輕量化系數均呈逐年降低趨勢，其中緊湊型SUV的整車輕量化系數（不區分變速器類型）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與不區分變速器類型車型趨勢相近，并且差異也逐步縮小，尤其是近3年的輕量化系數基本一致。因此，在不同類型的乘用車輕量化水平對比時，不再區分變速器類型。

圖4 近10年緊湊型SUV車型整車輕量化系數的變化趨勢

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，進行輕量化趨勢研究。圖5為4類典型燃油乘用車整車輕量化系數變化趨勢（2010～2020年），乘用車樣本共10 041個。由圖可知，無論是緊湊型車還是中型車，無論是轎車還是SUV車型，整車輕量化系數都呈持續下降的趨勢。此外，同級別SUV車型的整車輕量化系數略高于轎車，這與SUV車型的整備質量高于相應轎車的整備質量有關。隨著汽車技術的發展，SUV車型和轎車的整車輕量化系數的差值也在不斷縮小。由圖2和圖3可知，一方面同類型SUV的整備質量降低幅度大于轎車，另一方面由于汽車油耗法規的要求日趨嚴格，整備質量大的車型也需要通過使用節能技術降低油耗。在整備質量和油耗均下降的趨勢下，導致整車輕量化系數差異不斷縮小。

圖5 四類車型整車輕量化系數變化趨勢

2.3 不同級別和車系的燃油乘用車輕量化現狀

由圖 5可知，2017～2020年的4類車型整車輕量化系數變化較小。為了獲取更多的有效樣本來分析不同級別、不同系別燃油乘用車的輕量化水平差異，選取此時間段的上市車型樣本，4類典型車型樣本數為4 950個。以此樣本為對象，計算各類樣本的整車輕量化系數均值，來評估不同級別和不同車型的燃油車整車輕量化水平的發展現狀。

2.3.1 不同級別車型輕量化現狀

圖6為2017～2020年國內市場各類乘用車整車輕量化系數均值對比情況。由圖可知，由于各類車型產品定位的差異，整車輕量化系數數值上也存在較大差異。其中，跑車的整車輕量化系數最小，中大型SUV車型的整車輕量化系數最大。輕量化的概念最早來源于跑車，因此，在各類車型中，跑車的輕量化水平也應該是最高的（即整車輕量化系數小）。SUV車型的輕量化水平比同級別的轎車要低，這是由于同級別SUV車型比轎車的整備質量更大，相應的油耗也會增加，油耗和整備質量的增加都會增大該車型整車輕量化系數的數值（輕量化水平低）。

圖6 2017～2020年國內市場各類乘用車整車輕量化系數均值

2.3.2 不同車系乘用車輕量化現狀

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年國內市場不同系別燃油乘用車整車輕量化系數對比

由于不同級別車型的輕量化系數特征（圖 6）和樣本數量（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累加作為車系間的輕量化水平差異比較。為了更科學地反映各系別車型的輕量化水平的差異，將各級別車型的整車輕量化系數進行歸一化處理，即將同級別車型輕量化系數除以該級別的均值得到相對值，然后將各車系對應4個級別車型的整車輕量化系數相對值求均值，作為各系乘用車的輕量化水平評價指標。處理后的各系車型整車輕量化系數相對量對比如圖8所示。由圖可知，其中自主品牌的整車輕量化系數相對量最大，歐系、日系、美系、韓系次之，德系車最小，數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相對量（無量綱）

3 電動乘用車輕量化趨勢

依據式（2）計算得到各類型電動乘用車的整車輕量化系數，如圖 9所示。由圖可知，電動乘用車的整車輕量化系數呈下降趨勢，但微型轎車呈微增趨勢。這主要是由于微型車作為電動乘用車的入門車型，整車企業更關注其基本的續駛里程，作為城市代步的電動車，其動力性不是主要考慮的因素，更多偏向經濟性的設計。所以為滿足續駛里程增加的整備質量，并未通過增加電機的功率來匹配動力性。

圖9 近幾年不同類型電動乘用車的整車輕量化系數對比

4 電動/燃油乘用車輕量化水平差異

圖10為2017～2020年國內市場不同類型燃油/電動乘用車整車輕量化系數均值對比。由圖可知，燃油乘用車輕量化系數各車型級別之間差異較小，而電動乘用車的各級別之間波動較大，最高的達到6倍。這充分體現了目前電動乘用車產品的特征：即產業發展初期，技術上尚不及燃油乘用車成熟，所以整車參數分布較為分散。電動乘用車產品尚需市場和消費者的進一步檢驗，以推動電動汽車技術的平衡發展。

圖10 2017～2020年不同類型燃油/電動乘用車整車輕量化系數對比

近兩年，隨著國內市場電動汽車競爭的加劇，以造車新勢力為代表的車型，其上市電動緊湊型轎車和緊湊型SUV產品也開始日趨關注用戶的實際駕駛體驗，在續駛里程增加的同時也會通過增加電機功率去提升動力性，以滿足汽車用戶的駕駛需求。

對于電動乘用車，由于樣本數量少，現階段尚不宜開展基于整車輕量化系數歸一化方法的不同車系電動乘用車輕量化水平差異的分析和研究工作。

5 結論

本文采用整車輕量化系數作為輕量化水平的評價指標，根據國內市場2010～2020年間的乘用車樣本特征參數，對乘用車的整車輕量化水平趨勢和現狀進行了研究，得到以下主要結論：

（1）近10年燃油乘用車整車輕量化系數總體呈下降趨勢，均值由2010年的3.47降低至2020年的2.38，降幅為30%，行業整體輕量化水平不斷提高，但幅度趨緩。同級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）電動乘用車的整車輕量化系數也呈下降趨勢，但不同級別電動乘用車之間的輕量化系數差異較大，最高的達到6倍，而燃油乘用車的差異最大不到50%。