汽車輕量化這一概念最先起源于賽車運動，它的優勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。由于車輛輕，起步時加速性能更好，剎車時的制動距離更短。
汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經濟上的壓力。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。
汽車輕量化技術目的。采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行優化設計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產品自身重量，以達到減重、降耗、環保、安全的綜合指標。
一、汽車保有量持續上升，節能減排成各國重中之重
經過十余年的快速發展，汽車保有量持續上升。2010-2016年我國汽車保有和產量快速上升。2016年國內汽車產量2819萬臺，同比增長13.5%，汽車產量仍處于逐步上漲趨勢中。另2017年8月末我國民用汽車保有量達到2.05 億輛，汽車千人保有量為144 輛/千人，與發達國家每千人汽車保有量500輛左右相比，國內汽車保有仍會持續上升。
2011-2017H1國內汽車產量(萬臺)
2010-2017國內汽車保有量（億輛）
伴隨汽車保有量的增多，汽車排放污染引起注意。機動車大多是以汽油發動機和柴油發動機為動力，這兩類發動機均直接排放細顆粒物，其中汽油機排放的顆粒物相對較少，而柴油機排放量多，是城市PM2.5污染的主要排放源之一。北京市環保局發布的PM2.5來源解析報告顯示，在霧霾所有來源中，區域傳輸貢獻占28%~36%，本地污染貢獻，其中機動車污染占到31%，為主要來源。
北京PM2.5來源占比解析（2017年）
各國為控制汽車排放量，紛紛提出汽車能耗和排放目標。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產與消費國家和地區對乘用車燃油油耗的要求都將嚴格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴格（國內在2020將采用國Ⅵ的排放標準）。
汽車輕量化將成節能減排主攻方向。汽車行業的節能減排主要是指通過汽車制造商一些技術措施配合相應的國家政策，建立起完善的機制等來減少能源浪費和降低廢氣排放。主要技術措施為汽車輕量化技術、發動機關鍵技術、改善油品品質和排放控制技術。其中，發動機技術與油品改善需要較長時間技術積累才能提升，而輕量化技術是目前最容易實現的技術，將成為減排主攻方向。
汽車排放與汽車重量高度相關。在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低汽車尾氣排放。汽車整備質量降低100Kg，汽車每百公里油耗將減少0.3~0.6L，汽車重量減低1%，油耗可減低0.7%，減排效果明顯。
二、新能源汽車為大趨勢，汽車輕量化助推續航里程
我國新能源汽車銷量快速增長。當前我國的新能源汽車發展主要由政策扶持，得到了飛速的發展。2016年，我國新能源汽車銷量為50.7萬輛，同比增長53%。截止2017年11月，新能源汽車11月當月銷量11.9萬輛，同比增長106.7%。
新能源汽車銷量前景廣闊。到2020年，我國將形成新能源汽車200萬輛的年產銷量規模，平均年復合增長率達到41%，市場前景廣闊；預計2020年我國新能源汽車產量將達到242萬輛，CAGR達到46.88%；2020年新能源汽車車型將達244款，較2016年55款增增加189款。
新能源汽車11月銷量11.9萬輛，同比+106.7%
2014-2020年我國新能源汽車產量(單位：萬輛)
迫于環境的壓力部分國家出臺禁售燃油車時間表。荷蘭、德國、法國和英國等在內等多個國家都給出了禁售燃油汽車的時間表，新能源汽車的發展已經勢不可擋。國際上已經有多個國家表態將在不久的將來全面禁售燃油車從。目前工信部也啟動了停止生產銷售傳統能源汽車時間表的相關研究，也將會同相關部門制訂我國的時間表。這也是工信部針對燃油汽車禁售的首度表態。
雖然新能源汽車銷量在各個國家持續走高，但是“里程焦慮”一直成為消費者購買新能源汽車的關鍵阻礙。在目前的鋰電池技術限制下，如果是低價位電動車，續航只有100多公里；而續航里程大的，則價格較高，如特斯拉的續航達480公里，價格達約70萬元，遠超普通消費者的購買能力。普通新能源汽車續航能力350公里以上，才能顯著消除消費者的焦慮。
電池占汽車總重已達40%。通過加裝電池組數量來獲得里程數的提升，電池組總重達900Kg，已占總車質量的42.7%，達到汽車總重的小半，想要繼續增加電池組數以至較為困難階段。
新能源汽車電池能量密度短期內較難提升。電池廠商欲通過提升動力電池密度提升從而提升電池里程數，目前，松下、三星、LG、CATL等第一梯隊動力電池廠商，電池能量密度在240-250Wh/kg區間，各家也在積極研發300Wh/kg以上動力電池處于測試研發階段，距離量產還有一定時間，短期內顯著難以實現。
ModelS電池組占總重
各家三元動力電池密度對比（Wh/kg）
輕量化是解決新能源汽車續航難題的最有效途徑。通過汽車自身減重成為車場關注的新方向。純新能源汽車每減少100Kg重量，續航里程可提升10%-11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本。由于汽車輕量化可顯著提高電池續航能力，已形成量產的產品有：乘用車、商用車的外覆蓋件、內結構件等汽車輕量化車身件和新能源汽車電池盒的外覆蓋件等。
2.4. “限制排放”疊加“里程焦慮”，汽車輕量化成必然趨勢
汽車輕量化優勢明顯。所謂“汽車輕量化”，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，大幅降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性及續航里程，減少燃料消耗，降低排氣污染，甚至提升汽車操作性以及安全性。汽車輕量化優勢凸顯，降低油耗和排放，汽車每減重10%，可減少油耗8%~10%，排放減少10%；操控性更強，汽車質量降低，提升汽車轉向、加速及制動的靈活性；續航里程提升，電車每減重10%，續航能力增加5%~8%；提升安全性，有效減少事故時汽車勢能對外物的沖擊力。
政策逐步落地推進國內汽車輕量化產業發展。自2015年以來國內接連頒布汽車輕量化產業規劃政策與支持政策。其中2015年頒布的《中國制造2025》中，提出掌握汽車低碳化、輕量化材料等核心技術產業化，從關鍵零部件到整車的完整工業體系，推進輕量化產業發展；2016年發布的《新材料產業發展指南》，指出應加快調整先進基礎材料產品結構，擴展高性能復合材料應用范圍，支撐汽車輕量化發展。
汽車輕量化發展路線與目標已確定。根據2016年10月26日，中國汽車工程學會節能與新能源汽車技術路線圖發布會中，指出汽車輕量化技術將成為汽車行業未來重點發展目標之一。其中要在2025年，力爭整車質量平均減輕20%，汽車鋼鐵比例占汽車總重的30%，單車用鋁合金達到250kg，單車用鎂量達到25kg，碳纖維使用量占車輛比重的2%。
節能與新能源汽車技術路線圖
三、汽車輕量材料的發展
輕量化材料的開發和應用是當前汽車輕量化技術的主要研究方向。汽車輕量化技術分為結構優化、材料升級和工藝創新。其中，結構優化和工藝創新側重于汽車前期設計與制造工藝層面，以目前國內的技術水平來看，汽車輕量化程度提升空間不大，研發周期較長；而對汽車材料的更換和升級，能從根源減少汽車總重量，可行性更強，成為汽車輕量目前階段最主要方向。
輕量化材料有著不同的特性。車身輕量化材料主要的技術路徑主要包括超強度鋼、鋁部件、復合材料玻纖碳纖等，不同國家選用的方向不同。歐洲選用的技術路徑主要是采用復合材料玻纖碳纖進行替代，美國基本是用鋁，比如特斯拉，國內剛起步，技術路徑還未確定。不同材料在強度、質量、耐蝕、抗熱、抗震和加工性等均有自身不同的優勢，也決材料在不同汽車零件上的應用。參考國外的技術路徑，復合材料與鋁合金將成為未來汽車輕量化的兩個主要材料方向。
1、鋁合金汽車輕量化特性優于鋼材
鋁合金作為輕量化代表材料在整車制造上廣泛應用基于如下優點：
1）重量大幅減輕。在強度、剛性滿足安全要求的同時，使用鋁合金可大大減輕車輛的自重，一般來說鋁合金車輛比鋼質車輛輕30%～50%。
2）優良的耐火、耐蝕。鋁合金材料與鋼鐵相比具有優良的導熱性，其散熱性比鋼更好。鋁合金表面易形成一層致密的氧化膜，因此鋁合金比鋼質車體具有更好的耐腐蝕性能。
3）吸收沖擊力好。鋁的吸收沖擊能力是鋼的2倍，在碰撞安全性方面有明顯優勢。
4）便于加工、制造、維修。鋁合金件的易于更換,不需除銹,適用于各種表面處理,便于維護,還可以回收的特點使制造工藝大大簡化,制造所需工作量也較鋼質車體大大減少。
鋁金屬用于汽車零件及車身技術已發展成熟。特斯拉、BMW以及Audi等皆運用了大量鋁材在整車設計中，大幅減輕了汽車的總重；國內比亞迪、江淮、北汽等也將鋁材用于動力總成箱中，以降低汽車重量。
2、 復合材料汽車輕量化較傳統金屬材料優勢明顯
復合材料是由兩種以上不同性質的材料經過一系列物理、化學變化各種工藝進行復合的一種材料，它具有輕質、高強、耐腐蝕、絕緣、耐溫、可設計性強、工藝性好等一系列特點。復合材料經過70年的發展，在全球范圍內已形成一個重要的技術產業。碳纖維復合材料、玻纖維復合材料等先進材料和技術都在汽車復合材料中得到應用。
復合材料在汽車許多部件上已實現替代。輕量、安全、節能、環保是汽車工業的發展趨勢，而傳統的汽車金屬材料發展變化較小，已越來越難以滿足這些要求。復合材料特性可以適應這種變化的趨勢，因而發達國家汽車制造業一直把復合材料視為理想的汽車輕量化材料。復合材料以其高性能及適應性強的特點，滿足汽車部件的不同需要，已在許多部件上替代原來的鋼、鋁等傳統材料。
復合材料曲面零件可設計性。汽車的形狀從節能的角度考慮應當設計成空氣阻力最小的結構，但必須兼顧其美觀性。具有一定厚度的鋼板沖壓成型時，其曲面的形狀往往受到限制，而使用復合材料時利用它的流動性，比較易于制成各種形狀的曲面，容易達到按空氣動力學設計的要求以及滿足美觀方面的需要。
復合材料的零件性能可設計性強。通過調整纖維結構、排列可以制成各向異性和不同厚度的制品，還可以實現夾芯結構，以達到最佳輕量化方案。把纖維按照受力方向進行排布，可充分發揮復合材料強度不等向性來達到節約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于屬性均勻，在滿足受力最大方向上的技術要求后，另一個方向強度就會過剩。
零部件一體化，縮短開發周期。復合材料制品一般是材料制造和產品成型同時完成。復合材料通過合理的模具設計，可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型，適合于制造用金屬板難于制造、生產效率低、難于保證精度的汽車零件。例如日產“布爾巴特”汽車前端板，用鋼板制造時由20多個零件組成，而用復合材料用7個零件就可以。總成、整體化則是汽車結構的一種發展趨勢。
四、中國輕量化材料發前景預測
1、碳纖復合材料有望成為汽車結構件輕量化材料主線
1）、碳纖維復合材料汽車輕量化
碳纖維復合材料應用將成未來車身結構輕量化的主要途徑。碳纖維復合材料之前主要應用在航空航天領域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復合材料，碳纖維復合材料占結構重量的50%。伴隨航空技術向乘用車領域轉移，碳纖維復合材料在很多特性上超越傳統材料，將成為汽車車身機構輕量化中材料的主要方向。
在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復合材料具有質輕、高強、抗沖擊和耐腐蝕等優異特點。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的車身重量是鋁合金等材料減重的2倍；同時，碳纖維復合材料比重不到鋼的1/ 5但比強度卻是鋼的8倍，但擁有比金屬材料高5倍的能量吸收能力使其具有優越的安全性能。用碳纖維復合材料結構取代目前的鋼體車身，可大幅減重高達60%，進而提高30%以上的燃油效率，新能源汽車上能平衡多裝電池所帶來的重量。
汽車材料屬性對比
德國引領世界汽車碳纖維材料發展。由于歐洲在能耗和排放的政策上越發嚴格，使得汽車減重減排成為必然趨勢；并且，德國是目前豪華品牌車型最多的國家，新材料、新技術對于高端車型也會有著科技豪華感的加持作用，所以德國以為代表的車企對于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是寶馬在碳纖維車身方面都處于行業領先地位。
2015年德國新生產汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國家，到2020年新材料的使用趨勢會繼續上漲，將達到35%左右；同時，進一步降低低碳鋼在汽車車身中的使用比例至原來的一半20%，提升高強鋼的占比至45%。
德系：汽車車身不同材料組成占比
寶馬新能源汽車引領全碳纖維車身發展大潮。寶馬新能源電動車i3與i8整備質量1224kg與1540kg，明顯領先雪佛蘭Volt、比亞迪e6、Tesla Mode S與Model X。寶馬i3與i8的超輕體重的核心技術就是大量使用碳纖維增強復合材料（CFRP）。
寶馬i3上，寶馬采用創新的LifeDrive模塊構架，將車體分成Life和Drive兩個部分。車身不再負責傳遞承載的重任，這樣代表Life部分的乘坐模塊就有了更大的發揮空間，正好給寶馬i3的減重提供了機會：Life模塊采用的正是碳纖維增強復合材料CFPR構成。通過大量使用CFRP，寶馬i3減輕了300kg，在很大程度上彌補了電池帶來的重量，這也是寶馬i3比別的電動汽車輕很多的原因。
新能源車型質量對比（kg）
碳纖維復合材料車身結構給汽車帶來的好處不僅僅是減重。
全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩定性，車輛的運行將更加安全、穩定。碳纖維復合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車的安全性。
舒適度。碳纖維復合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復合材料2秒就能停止，故碳纖維應用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。
可靠性。碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。
2）、碳纖維復合材料總裝環節少，規模化應用具備產業可行性
碳纖維復合材料價格高和加工效率低是阻礙碳纖維復合材料大規模使用的主要因素。使用碳纖維復合材料的成本達到20美元/kg，鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車全屬零件采用沖壓制成，一般需要1分鐘內即可完成，而碳纖維復合材料制品生產的編織、注膠和冷卻工序需要數小時，這也制約碳纖維材料的大規模量產。
汽車輕量化材料成本（美金/kg）
碳纖維復合材料未來空間巨大。2020年之后，碳纖維復合材料的成本在將降至70元/kg，生產效率也大幅提升至2分鐘出一件，良品率也將大幅提升至95%； 2013年以來我國汽車產量保持在2300萬輛以上每年。市場空間測算假設：
假設2020年汽車產量將在2300萬輛每年，同時假設每輛車平均車重約為1500KG，預計碳纖維復合材料在汽車行業滲透率達2%；同時，假設碳纖維復合材每千克成本為70元。測算2020年之后，汽車碳纖維復合材料市場空間達483億元。
碳纖維復合材料市場空間測算
目前國內碳纖維汽車輕量化處于起步階段，主要碳纖維汽車零件廠商為海源機械和康得新；海源機械的復合材料液壓成型技術主要為自己開發，而康德新的復合材料成型技術主要依靠德國技術導入，海源機械擁有顯著技術成本優勢，有望率先啟動規模效應。
2、玻纖維復合材料將成汽車非結構件輕量化主線
1）、玻纖維復合材料汽車輕量化
玻纖復合材料是改性增強塑料，是指在塑料中增加材料來玻璃纖維來提升力學性能，適合在汽車領域中對于部分金屬部件進行替代。玻纖維復合材料具有密度小、易成型、設計靈活美觀、耐腐蝕、耐沖擊、抗振、隔熱、隔電、易于涂裝、強度高、成本低的特點，成為廣泛用于汽車內外裝飾件和功能結構件的主要材料。
玻纖維材料在汽車零件中的使用。在整車制造中改性增強塑料占整車重量的9%；玻纖維增強塑料制造的前翼子板、發動機罩、尾板等在汽車車身上已普遍應用；在座椅骨架、保險杠、電池托架、儀表板、地板、護板、發動機罩蓋、腳踏板、后背門等部件上得到運用。
汽車整車中各種材料占比
玻纖維復合材料較碳纖維價格便宜很多，但玻纖維較脆受到沖擊易斷裂，并且強度達不到碳纖維那么高，受熱較碳纖維變形程度較大，所以玻纖維更適合制成汽車非結構件、裝飾件，而碳纖維運用在車身結構件中較多。
2）、長玻纖復合材料將替代短波纖維，國外整機廠已廣泛使用
長玻纖復合材料強度優勢明顯。在汽車玻纖復合材料玻纖增強材料根據塑料粒子的長度和玻纖維的長度可分為短玻纖增強塑料SFT和長玻纖增強塑料LFT，短玻纖離子長度為0.2-0.4mm，長玻纖長度更長為2-4mm、排列更規律，所以具有更強的強度、剛度。
長玻纖與短玻纖復合材料對比
長玻纖材料汽車部件已被廣泛應用。長玻纖增強塑料已被福特、大眾等知名國外汽車生產商廣泛用于生產汽車前端模塊、車門模塊、電池托架、儀表盤、保險杠梁、噪音屏蔽等汽車零部件；國內自主品牌例如長城、上汽、吉利、奇瑞、長安等乘用車近年也逐步開始涉及玻纖復合材料輕量化領域，部分企業以開始量產并應用。
我國玻纖維復合材料未來有提升空間。我國改性塑料市場， 2016年改性塑料使用量最高的是德系車，其改性塑料的使用率達到22%為300-360kg，歐美國家的平均水平達16%為210-260kg，我國乘用車單車的改性塑料使用率只有8%為100-130kg，未來國內市場有較大提升空間。市場空間測算與假設：
假設我國改性塑料單車使用量將達到16%，按照整車質量1500kg計算達到240kg。2013年以來我國汽車產量保持在2300萬輛以上每年，預計2020年汽車產量將在2300萬輛每年；同時，改性塑料市場均價約為1.8萬元/噸；假設玻纖維材料在改性塑料中占比50%。測算2020年，玻纖維復合材料在國內汽車領域市場空間達496.8億元。
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