節(jié)能減排是的核心驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于燃油車，以美國CAFé為代表的標(biāo)準(zhǔn)，要求燃油車的排放不斷降低；對(duì)于電動(dòng)車，則希望用同樣的電量獲得更多的續(xù)航里程（降低單位動(dòng)力的能耗）。事實(shí)上，在城市工況，汽車的能耗大部分都與質(zhì)量有關(guān)，包括滾動(dòng)阻力、加速阻力和爬坡阻力等。一般來說，燃油車的整車重量每降低100 kg，每百公里油耗可降低0.5 L；電動(dòng)車的整車重量每降低100 kg，總續(xù)航里程可增加10 km。另外，從汽車的駕駛性能的角度來看，輕量化會(huì)帶來加速性能、制動(dòng)性能、轉(zhuǎn)向性能和爬坡性能的提升。因此，輕量化很有前景，而且隨著未來自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟和落地，汽車的整體結(jié)構(gòu)和輕量化會(huì)出現(xiàn)顛覆式創(chuàng)新。
當(dāng)然，輕量化的前提是保證汽車的安全性和舒適性。在不犧牲任何安全性和舒適性的前提下，依靠輕量化的技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，才是輕量化的真正目標(biāo)。此外，輕量化和成本的平衡也是主機(jī)廠最關(guān)注的問題。如圖1，從A點(diǎn)到B點(diǎn)是成本控制部門最希望做到的，既減重又降成本；從B點(diǎn)到C點(diǎn)則需要權(quán)衡為了提高輕量化收益可以接受多大的成本增加（除了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，輕量化水平也可以展示主機(jī)廠的技術(shù)和品牌領(lǐng)先性；中高端的汽車，輕量化水平會(huì)比較高，同時(shí)也可以接受輕量化帶來的成本增加；PS：一聽全鋁車身或碳纖維車身，大家就會(huì)覺得車的逼格很高，當(dāng)然也很會(huì)比較貴）。
圖1. 汽車輕量化與成本的關(guān)系。
如何實(shí)現(xiàn)汽車輕量化？
輕量化的方法包括輕量化材料、輕量化工藝和輕量化設(shè)計(jì)。這里針對(duì)提問者的側(cè)重，我主要說一下輕量化材料的應(yīng)用。
對(duì)于輕量化材料，從中國汽車工程學(xué)會(huì)2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》可以看出材料是如何規(guī)劃的。未來十幾年，主要是增加高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的用量。（科普：高比強(qiáng)度的材料在同樣的強(qiáng)度下可以更薄更輕。）
圖2. 節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖。
關(guān)于鋼材料，按屈服強(qiáng)度的大小，大致分為軟鋼、高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼、熱成型鋼和超高強(qiáng)鋼（LSS ≤ 220 MPa、HSS ≤ 590 MPa、AHSS ≤ 1080 MPa、PHS ≤ 1500 MPa、UHSS ＞ 1500 MPa）。目前，鋼材料是大部分汽車的白車身、開閉件（四門兩蓋）和底盤（車架）的主要材料，其中，非重要傳力件用普通鋼，與剛度相關(guān)的用高強(qiáng)鋼或先進(jìn)高強(qiáng)鋼，與碰撞相關(guān)的用熱成型鋼。
關(guān)于鋁材料，重點(diǎn)說一下。目前，大部分汽車的用鋁量不高（低于10%），主要用于白車身（前后防撞梁和吸能盒）和底盤（轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂和輪轂）。當(dāng)然，也有為數(shù)不多的全鋁車身的典型代表，包括捷豹全系列、特斯拉Model S和Model X、蔚來ES8等。全鋁車身是大家公認(rèn)的技術(shù)亮點(diǎn)，相較于全鋼車身，減重在40%左右，但綜合成本會(huì)增加3~5倍（原材料成本和工藝成本）。事實(shí)上，針對(duì)“在國內(nèi)是鋁的大量使用還是其他材料使這一問題得到實(shí)現(xiàn)呢”這個(gè)問題，答案絕對(duì)不是全鋁車身，而是鋼鋁混合（鋁含量占車身的20%以上）再加少部分鎂合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的“多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。舉兩個(gè)例子，2018款?yuàn)W迪A8由全鋁車身變?yōu)殇撲X混合（鋁58%，如圖3），搭配了鎂合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，車身雖然增重54 kg，但剛度大大提高，成本也減低很多。特斯拉的Model 3為了降低成本，也放棄了全鋁車身，改為鋼鋁混合（鋁30%）。
圖3：奧迪A8的白車身材料。
關(guān)于鎂合金，簡單說一下，目前，只有少部分的汽車采用了鎂合金的輪轂及管梁支架（CCB）。未來隨著鎂合金工藝的成熟，用量會(huì)逐漸增加。我本人不太看好鎂合金在車身上的大量應(yīng)用，會(huì)極大的增加工藝的難度（連接和防電腐蝕）。
關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，成本是制約其發(fā)展的主要因素。目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本在300元/kg以上，生產(chǎn)效率也比沖壓節(jié)拍低很多。事實(shí)上，在百萬以下的真正量產(chǎn)車?yán)?，只有寶馬i3和寶馬7系使用了超過10件以上的碳纖維。國產(chǎn)汽車前途K50，幾乎是唯一的使用碳纖維作為全部外覆蓋件的量產(chǎn)車型（當(dāng)然，具體以后能量產(chǎn)多少就不知道了）。2019年，新一代寶馬i3為了擴(kuò)大銷量，減低成本，也放棄了碳纖維車身，改為全鋁車身。此外，除了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其他塑料的用量也會(huì)逐漸增加。“以塑代鋼”和“以塑代玻璃”是塑料行業(yè)從業(yè)人員不懈努力的方向。
輕量化的工藝，主要包括成型工藝和連接工藝，其本質(zhì)就是通過先進(jìn)的工藝實(shí)現(xiàn)輕量化材料的成功應(yīng)用。舉兩個(gè)我認(rèn)為未來很有前景的工藝：關(guān)于成型，我比較看好金屬和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，兩者可以最大程度的發(fā)揮輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低制造成本（主要是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）；關(guān)于連接，先進(jìn)的連接工藝是實(shí)現(xiàn)“多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的前提，除了熔化焊接和機(jī)械連接，我認(rèn)為結(jié)構(gòu)膠會(huì)使用的越來越多（像積木一樣模塊化組裝是未來汽車的發(fā)展方向）。
輕量化的設(shè)計(jì)，主要包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和集成優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過CAE分析，設(shè)計(jì)新的輕量化結(jié)構(gòu)或者是在原有結(jié)構(gòu)上優(yōu)化掉性能冗余的部分（減薄和打孔是比較常用的方法，結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化是比較有挑戰(zhàn)性的）；集成優(yōu)化是通過模塊化和集成化的設(shè)計(jì)，減少零部件的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)功能的集成。舉兩個(gè)例子，前端模塊是比較成熟的集成優(yōu)化，通過塑料的前端框架，將散熱器、前大燈、防撞梁及其他冷卻系統(tǒng)安裝在一個(gè)部件上。另外一個(gè)集成優(yōu)化的例子就是電動(dòng)汽車的“電機(jī)+減速器+電機(jī)”的三合一，既可以實(shí)現(xiàn)輕量化，又節(jié)省了空間。
總之，輕量化是很有前景的，可以通過輕量化材料、輕量化工藝和輕量化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。“多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”是實(shí)現(xiàn)的主要方法。隨著汽車“新四化：電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化”的發(fā)展，模塊和集成化的新材料、新工藝和新設(shè)計(jì)會(huì)帶來意想不到的新潮流。事實(shí)上，關(guān)于汽車，一切都在改變。
