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汽車行業深度報告: 特斯拉生產制造革命之一體化壓鑄

一、核心提要

汽車產業約每四十年出現一次生產制造革命,特斯拉引領當前新革命。從福特流水線生產到豐田精益生產,再到大眾平臺化模塊化生產,每一次汽車生產革命的領導者均將在之后的市場競爭中占據明顯優勢。憑借4680 CTC和一體化壓鑄兩項重要技術創新,特斯拉正在引領汽車產業新一輪的生產制造革命。

4680 CTC:將電池包集成到車體,并直接與座椅連接,高集成度使車輛降重10%,續航里程增加14%,零件減少370個,單位成本下降7%,單位投資下降8%。目前4680 CTC已經在德州奧斯汀工廠量產落地。

一體化壓鑄:從Model Y一體化壓鑄后地板將零件數量由70個減少至1~2個后,技術應用不斷拓展。目前德州奧斯汀工廠的方案可將前&后地板零部件數量從171個減少至2個,焊接點數量減少超1600個。

新勢力&傳統主機廠跟進一體化壓鑄:

新勢力:1)蔚來攜手文燦股份,ET5采用一體化壓鑄后副車架;2)小鵬汽車攜手廣東鴻圖,6800T底盤一體化結構件下線;3)高合汽車攜手拓普集團,一體化超大壓鑄車身后艙下線,減重15~20%的。

傳統主機廠:1)奔馳全球首發最新科研成果—VISION EQXX,車身后部剛性大幅提高,有望減重15-20%;2)沃爾沃將對其瑞典工廠投資100億瑞典克朗引進新技術和制造工藝,其中包括一體化壓鑄。

滑板底盤成為推動CTC和一體化壓鑄中長期發展的重要推動力?;宓妆P是當前汽車行業最重要的革命性技術之一,涉及到底的技術包括:非承載式車身、線控底盤、集成式電驅系統、高度集成智能化模塊。此外,在有限空間內提升動力電池的質量/體積能量密度,與CTC電池系統集成方案高度契合;高度集成后,底盤的結構更加復雜,一體化壓鑄能夠更好匹配底盤工藝提升的需求。

新能源汽車自重大,續航里程提升倒逼車身輕量化發展。相比同級燃油車,純電動車型重量約+19~32%,插混車型約+12~18%。為了提升能源效率、提升續航里程,新能源汽車的輕量化發展成為必然。2019(第十三屆)汽車輕量化大會中有數據顯示,純電動汽車整車重量每降低10%,平均續航里程將增加5~8%。

鋁合金最具性價比,采用高壓壓鑄更高效。以鋁代鋼可使白車身降重約1/3,但是鋁金屬①導熱系數大,易造成焊縫性能下降、合金表面氧化層污染電極等問題;②熱膨脹系數高易導致零件變形大。高壓壓鑄效率高、加工零件壁厚小,是適用于鋁合金的高效加工工藝。一體化壓鑄以高壓壓鑄為基礎,生產的部件內部不需要額外連接,工序大幅減少。此外,壓鑄廢品材料利用率高達90%,遠高于沖壓&焊接鋼制車身時60%-70%。

一體化壓鑄在汽車中的應用可進一步擴展。我們認為,通過調整強度、拉伸率,壓鑄工藝將應用于更多結構件及覆蓋件,電機和電池包外殼等更多車身之外的零部件將來均可采用壓鑄工藝制造。

一體化壓鑄件的技術壁壘主要體現在4個方面:

1.大型壓鑄機:①系統復雜,對理論、經驗以及制造工藝都有很高的要求;②“設計—試驗—設計”周期長,時間成本高;③造價高昂,風險成本大。

2.材料配方:合金熔液需具備良好的流變性能、較小的線收縮率和較小的凝固溫度區間,免熱處理是關鍵。

3.壓鑄模具:壓鑄在溫度、真空、成型方案、工藝參數、后處理等方面要求更高,模具更復雜。

4.工藝方法:高速充型特征易導致鑄件失效,對全工藝要素均有較高要求。

一體化壓鑄可顯著提升生產效率、降低制造成本。以下車體總成為例,相比傳統沖壓&焊接工藝,一體化壓鑄可大幅減少沖壓、焊接使用量,加工工序從9道下降至2道;配套人工也相應削減,以45萬輛年產能的工廠來算,工人將從120人降至30人;零部件數量從>370個降至2~3個,鏈接點數量下降減少,成本下降;工時從2小時降至180s,5臺壓鑄機即可滿足60萬件年產能。

一體化壓鑄車身市場規模有望于2025年突破200億元。以年產能50萬件的車身后地板生產線來計算,傳統沖壓焊接工藝和一體化壓鑄工藝的成本分別為6.3億元和4.8億元,一體化壓鑄后地板單車可節約成本300元。我們預計2025年一體化壓鑄車身市場規模有望達到215億元,2021-2025年CAGR達132%。

二、報告摘要:

1、特斯拉引領新一輪生產制造革命:4680 CTC+一體化壓鑄

汽車百年工業史,每四十年左右出現一次生產制造革命。從20世紀10年代福特流水線生產,到50年代豐田“多品種,小批量”的精益生產,再到80年代大眾的平臺化、模塊化生產,每一次汽車生產革命的領導者均將在之后的市場競爭中占據明顯優勢。

特斯拉生產制造革命:4680 CTC+一體化壓鑄。特斯拉4680 CTC方案(CTV),將電池包集成到車體,并直接與座椅連接,大幅減少零部件數量,提高總裝生產效率。一體化壓鑄的Model Y車身前&后地板,顛覆傳統沖壓&焊接工藝,相比傳統沖壓&焊接工藝零部件減少169個,成本大幅下降。據特斯拉電池日公布信息顯示,依托兩項革命性技術,整車可減重10%,續航里程增加14%,零件減少370個。

2、4680 CTC:特斯拉電池技術始終作為行業創新的標桿

特斯拉引領動力電池創新趨勢。Model S/X上市時,電池包搭載18650電芯,共14/16個模組;Model 3上市時,電池包搭載2170電芯,共4個模組,引領了行業的大模組CTP方案;目前,搭載4680電芯的CTC方案的Model Y開啟交付。過往十年,特斯拉無論在電芯還是pack上都在持續引領行業的發展。

4680 CTC:率先公布具體方案,引領行業技術方向

特斯拉在2021年6月公開了一份名為INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM的專利,專利中詳細闡述了4680 Structural Battery(CTC)電池系統集成技術。根據專利中公開披露的內容,可以對特斯拉CTC有整體的方向性認知:①電池包上蓋與車輛結構如座椅直接連接在一起,成為乘員座艙地板的結構;②電芯之間填充樹脂材料,特斯拉認為這一方面可以提供熱保護,另一方面可以為電芯提供結構性支撐;③在與“大模組”方案的對比中,CTC方案具有減少支撐件、減輕整車質量、提升整體電池容量。

4680 CTC:正式上車Model Y,德州工廠Q1開啟交付

特斯拉的CTC方案,能夠使車輛續航里程增加14%,單位成本下降7%,單位投資下降8%。

在特斯拉2021年Q4財報中,可以看到在德州超級工廠中工人將Model Y座椅與4680 CTC電池包直接連接,CTC的落地將顯著提高其總裝生產效率。

3、一體化壓鑄:以Y為始,持續推動車身輕量化進階

一體化壓鑄:傾力布局,研發不斷突破

特斯拉在其四大汽車工廠均部署了6000噸級大型壓鑄機-GigaPress。目前,上海工廠已裝配5個大型壓鑄機,用于Model Y后地板的生產。德州工廠3月剛剛開啟量產,在Model Y后地板的基礎上,增加了前地板(前縱梁)的一體化壓鑄。

一體化壓鑄:傾力布局,研發不斷突破

布局一體化壓鑄鋁合金專利,專利名為“用于結構部件的壓鑄鋁合金”,其中描述了一種既堅固又具有出色延展性的鋁合金,該鋁合金無需進一步加工,可以顯著降低生產成本。

特斯拉一體化壓鑄技術持續突破。2019年7月,特斯拉發布新專利,計劃通過一套固定在中心的模具以及四套可以移動的模具,壓鑄成型大型的一體式結構零件。

特斯拉吸能系統將與支撐系統集成。2021年7月5日,特斯拉申請了“集成吸能鑄件”專利,這種能量吸收系統廣泛應用于汽車碰撞結構。通過單一鑄造工藝可將該吸能系統與部分或全部支撐結構集成,從而減少對包括點焊、縫焊、鉚接、螺栓連接、粘合等工藝的需要。

一體化壓鑄:部件拓展至前地板,整體焊點減少1 6 0 0+個

特斯拉一體化壓鑄拓展至前地板。根據特斯拉公告顯示,2020年特斯拉公布Model Y一體化壓鑄后地板方案,可將零件個數由70個減少至1~2個;2022年Q1財報公布德州奧斯汀工廠生產的一體化壓鑄車身方案,可將前&后地板零部件數量從171個減少至2個,焊接點數量減少超1600個。

一體化壓鑄:德州工廠量產,加速技術應用

特斯拉使用的壓鑄機Giga Press由力勁科技生產,占地面積相比于傳統沖壓焊接工藝的生產設備能夠節省35%。根據特斯拉財報信息,上海超級工廠已有5臺大型壓鑄設備用于生產,德州奧斯汀超級工廠Model Y車身前地板(前縱梁)一體化壓鑄也將實現量產。

?蔚來與文燦合作ET5一體化壓鑄車身后地板。蔚來ET5采用一體化壓鑄后地板,一體鑄造工藝使車身后地板重量降低30%,同時后備箱空間增加11L。2021年11月,文燦6000T超大型壓鑄島成功試模,一體化壓鑄的汽車后地板產品成功下線。

4、造車新勢力搶先跟進一體化壓鑄

蔚來與文燦合作ET5一體化壓鑄車身后地板。蔚來ET5采用一體化壓鑄后地板,一體鑄造工藝使車身后地板重量降低30%,同時后備箱空間增加11L。2021年11月,文燦6000T超大型壓鑄島成功試模,一體化壓鑄的汽車后地板產品成功下線。

小鵬汽車攜手廣東鴻圖布局一體化壓鑄。1、目前廣東鴻圖已進入小鵬汽車的配套體系,雙方同步開發一體化壓鑄零部件。2022年1月,廣東鴻圖6800T底盤一體化結構件正式下線。2、武漢基地將建設一體化壓鑄車間,2021年7月該項目正式啟動,占地約1500畝,規劃產能10萬輛,將引進一套以上超大型壓鑄島及自動化生產線。

2022年2月高合汽車與拓普合作的一體化超大壓鑄車身后艙下線。本次7200T壓鑄機生產的超大型結構件長寬分別近1700mm和1500mm,實現15~20%的減重,整個開發周期縮短1/3。材料方面,合作方TechCast?高強韌性免熱處理鋁合金材料可以避免因熱處理帶來的零件尺寸變形及表面缺陷等問題,流動性高于同級別材料15%以上、強塑積高出30%以上,保證了整車碰撞等性能達到更高維度。

5、國際傳統主機廠跟進一體化壓鑄

奔馳發布一體化壓鑄成果,性能提升顯著。奔馳全球首發最新科研成果—VISION EQXX,其中最大的創新在于車身的后部及前部塔頂應用了仿生工程結構部件,整個車身后部是由一塊獨立完整的鋁合金鑄件形成。與傳統工藝相比,車身后部的剛性得以大幅提高,并有望減輕15-20%的重量。

沃爾沃將引入一體化壓鑄。沃爾沃將對其瑞典工廠投資100億瑞典克朗,將在該工廠引進一些新的、更具可持續性的技術和制造工藝,其中包括一體化壓鑄工藝。

6、滑板底盤成為推動CTC和一體化壓鑄中長期發展的重要推動力

滑板底盤是當前汽車行業最重要的革命性技術之一,其最大的特點是上下車體解耦,從而大幅縮短整車研發周期。因此,滑板需要搭載非承載式車身結構和線控底盤;為了便于上裝,底盤不能占據過多縱向空間,“三合一”等集成式電驅系統成為必需;高度集成智能化模塊,需要以集中式EEA為基礎,并實現軟硬件解耦;在有限空間內提升動力電池的質量/體積能量密度,與CTC電池系統集成方案高度契合;高度集成后,底盤的結構更加復雜,一體化壓鑄能夠更好匹配底盤工藝提升的需求。

近幾年眾多國內外廠商陸續推出自研的滑板底盤,技術正在逐步走向成熟。

7、新能源汽車續航提升倒逼車身輕量化發展

新能源乘用車銷量持續高增,2022年預計將超540萬輛。2018年~2021年,新能源乘用車銷量分別為:105、106、120、332萬輛;2021年新能源乘用車滲透率為15.5%。2022年3月新能源乘用車滲透率已達24.7%,再創新高。我們認為,2022年新能源乘用車銷量將超540萬輛。

新能源汽車三電系統增重較大。相比燃油車,新能源汽車雖減少發動機、變速箱系統,但因電池能量密度(約0.1-0.3KWH/KG)低于燃油(12KWH/KG以上),三電系統增重較大。我們選取若干品牌下幾款車型的不同動力版本進行整備質量的對比測算,相比于燃油版車型,純電版重量增加約19%~32%,插混版增加約12~18%。

續航里程提升訴求倒逼汽車輕量化發展。相比傳統燃油汽車,新能源汽車重量大導致續航里程受到嚴重影響。2019(第十三屆)汽車輕量化大會中有數據顯示,純電動汽車整車重量每降低10%,平均續航里程將增加5%-8%。

汽車輕量化可顯著改善新能源汽車各項性能,主要體現在環保性、效用性、動力性、安全性、制動性方面。

8、鋁合金是當前性價比最高的車身輕量化材料

汽車輕量化的實現主要通過輕質材料的運用。汽車輕量化的主要途徑有結構優化設計、輕量化材料應用、輕量化加工制造技術。其中,當前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質材料。

各類輕量化材料中,鋁合金性價比最高。對比多種金屬合金和復合材料,鋁合金在性能、密度以及價格等多方面綜合優勢明顯,是最具性價比的輕量化材料。

9、連接工藝、結構件性能及尺寸制約鋁合金材料在汽車中的應用

鋁合金車身的制造工藝復雜度遠超鋼制車身。若采用鋁合金替代鋼材,白車身通??山抵?/3左右。以奧迪A8為例,因采用全鋁車身,白車身重量僅為215kg。但鋁金屬導熱系數大,易造成焊縫性能下降、合金表面氧化層污染電極的問題,并且鋁的熱膨脹系數高易導致零件變形大。仍以奧迪A8為例,其車身制造需要包括MIG焊、遠程激光焊等在內的14種連接工藝,工藝復雜度遠高于以電阻焊為主的鋼制白車身。

車身結構件對性能要求高,鋁合金材料滲透率受限。通常,車身結構件尺寸大、結構復雜,且壁厚通常只有2-3mm,并需要具有高延伸率及較高強度,以滿足安全性能(碰撞測試)要求和零件連接要求。隨著工藝/材料/設備等重點技術突破,鋁合金車身結構件滲透率有望持續提升。

10、壓鑄工藝持續進步與革新

壓鑄工藝起源于1885年,于1904年以壓鑄連桿軸承的形勢最先應用于汽車工業中。壓鑄機經歷氣壓壓鑄、冷室壓鑄、雙沖頭壓鑄等技術突破,目前壓鑄設備已發展為以壓鑄機/模具為核心、其他外圍設備輔助的壓鑄島。

11、高壓壓鑄是適用于鋁合金材料的高效加工工藝

高壓壓鑄是適用于鋁合金材料的高效加工工藝。壓力鑄造主要分為高壓鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造等。其中,低壓鑄造與差壓鑄造多用于發動機、底盤區域,而高壓鑄造因效率高、加工零件壁厚小等特點,在汽車車身中的運用越來越多,是未來的重要方向。

壓鑄分為冷室壓鑄和熱室壓鑄:冷室壓鑄主要應用于大型零部件的制造,如汽車零部件、通訊基站冷卻部件等;熱室壓鑄則廣泛應用于小型電子或3C產品的生產,比如USB接頭、筆記本殼體等。(報告出品方/作者:國海證券,劉虹辰)

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