一、双碳目标下汽车领域碳达峰节点前置

科学证据表明，人类活动产生的温室气体，尤其是工业革命之后产生的大量温室气体，是目前全球气候异常的重要原因。在新版《巴黎协定》的背景下，我国于2020年9月提出了“力争在2030年前达到碳排放峰值，在2060年前实现碳中和”的“双碳目标”。

2020年10月，工信部指导的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布，提出汽车产业碳排放总量要先于国家碳排放总量，于2028年左右提前达到峰值，到2035年排放总量较峰值降低20%以上。

图表1 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》汽车产业碳承诺

二、轻量化是汽车节能减排的关键技术之一

为助推汽车产业双碳达标，各种节能减排技术迅速发展，如发动机效能提升、制动能量回收、尾气净化、新型燃料应用、整车轻量化等等。整车轻量化来源于赛车运动，旨在通过降低赛车重量，获得更优的加速性能和过弯性能。从汽车理论角度分析，当汽车在平直路面行驶时，其受到三个阻碍汽车向前的力，即空气阻力、加速阻力和滚动阻力，只有当动力系统输出的力，超过这三个阻力的合力，汽车才能向前行驶或加速。

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图表2 汽车在平直路面行驶时的阻力分析

由图中公式可知，空气阻力（对油耗的贡献约25%）与整备质量无关，而加速阻力和滚动阻力（合计对油耗的贡献约75%）与整备质量呈线性关系，即汽车整备质量越小，这两个阻力也越小。研究表明，燃油汽车整备质量每下降10%，油耗将降低6~8%，排放将减少10%。电动汽车整备质量每降低100kg，电耗将降低约0.4kWh/100km，续航将增加约25km。

图片来源：《电车资源》

图表3 汽车轻量化的主要效果

三、轻量化可有效降低整车轻量化系数

此外，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》还对不同类型汽车未来的轻量化系数做出指示。对于燃油车而言，到2025年轻量化系数需降低10%，到2030年需降低18%，到2035年需降低25%。对于纯电动汽车而言，三个节点的轻量化系数降低幅度分别增加至15%、25%和35%。

图表4 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》轻量化总体目标

根据中国汽车工程学会发布的标准《乘用车整车轻量化系数计算方法》，轻量化系数计算公式如下：

图表5 轻量化系数计算公式

可以发现，轻量化系数与多个因素有关，V和A体现的是整车的空间属性，P体现的是整车的动力水平，Q体现的是整车的能耗等级，而m体现的是整车的重量情况。由于公式中的两个m均在分子的位置，L与m呈平方关系，要降低轻量化系数L，降低整备质量m是最为有效的途径。

综上所述，在“碳中和”背景下，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》对未来汽车的油耗和轻量化水平提出了要求，而降低整备质量是降低轻量化系数改善整车油耗的最有效途径。

汽车轻量化，就是在性能不弱化和成本可接受的前提下，从材料(Materials)、结构(Structures)、工艺(Processes)三方面入手，降低零部件乃至整车的重量(Weights)。

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图表6 汽车轻量化工作开展方向

一、材料轻量化

在材料方面，可使用比强度更高的轻质材料进行替代，如高强钢、超高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料和碳纤维等，不同材料的关键参数如下。

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图表7 不同轻量化材料的相关参数对比

二、工艺轻量化

材料确定后，需匹配相应的成型工艺进行实现。汽车轻量化常用的先进成型工艺主要有激光拼焊、不等厚轧制、内高压成型、热冲压成型、辊压成型和高压铸造等。

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图表8 不同轻量化工艺对比

三、结构轻量化

材料和工艺决定了零部件的性能基础，在此基础上进行的零部件结构设计，需满足整车由上及下分解的性能指标，而对于超额的性能冗余，应采用结构优化的方式予以去除。结构优化主要通过尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化几种方式开展。

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图表9 结构优化的主要开展方式

在材料、工艺、结构三个轻量化方向中，结构优化不论选取何种材料均需要开展，它体现的是企业的设计水平；工艺优化是随着材料选择的不同而变化的，它体现的是企业的制造水平；而材料选择是另外两个方向的工作基础，因此各大车企都将轻量化重点工作放在轻质材料的开发应用上。

四、铝合金是当前性价比最优的轻量化材料

如前文所述，轻质材料主要指高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料和碳纤维等。工程塑料强度较低，顾客对塑料也有廉价的印象，车型应用较少，故后文分析中暂不考虑工程塑料。以400kg普通钢材所达到的性能为目标，考虑不同材料的平均减重比例，分析其余几种材料满足同等性能所需要的重量；并纳入成本因素，分析单位减重量所需要付出的成本，得出如下图表。

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图表10 不同材料轻量化成本对比

由图可知，高强钢单位减重量成本最低，仅为4元/kg，但其整体减重幅度有限，当前虽已大量应用，但仍无法满足行业迫切的减重需求。铝合金与镁合金的减重幅度和单位减重成本相差不大，是比较理想的轻量化材料。考虑到镁合金的防腐问题仍未解决，其适用范围缩小到车内被包覆部件（如方向盘骨架、座椅骨架等），应用前景不及铝合金。碳纤维的减重比例最大，而且比强度高，是极为优秀的轻量化材料，但其成本过高，只有少部分超跑车型有能力承担。在当前的技术条件下，综合考虑材料性能、成本、工艺和轻量化效果等因素，铝合金是未来一段时间应用前景最广阔的轻量化材料。

铝是地球上最丰富的金属元素，占地壳总量的7.5%。纯铝的延展性好但强度低，一般仅用于常温下的低应力结构。为了改善纯铝的性能，人们在纯铝中添加各种金属元素制成不同品类的铝合金。

一、铝合金按合金添加量分类

根据合金添加量的不同，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。如下二元相图所示，当横坐标合金量超过D点时，在液相线温度以下，不论温度如何变化，材料始终存在α和β两相，该类组织变形阻力大，铸造后不适于变形加工，因此该区间合金只被称为铸造铝合金；反之，当合金含量低于D点时，合金加热至固溶线FD以上，可形成单相α固溶体，该类组织塑性好，适于变形加工，故该区间的合金称为形变铝合金。在形变铝合金中，当合金含量低于F点时，无论温度如何变化，始终只有α相一种组织，其性能不能通过热处理进行强化，被称为热处理不可强化铝合金；而在F点和D点之间的合金，β相会随着温度的上升和下降固溶或者析出，从而改变材料的性能，因此其被称为热处理可强化铝合金。

图片来源：《金属材料学》

图表11 铝合金二元相图

二、铝合金按合金种类分类

按照添加元素的不同，铝合金通常被分为不同系列合金。汽车领域使用较多的是铸造铝合金中的Al-Si系、Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系以及形变铝合金中的5000系、6000系和7000系合金。

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图表12 铝合金按添加合金成分分类

三、铝合金按加工工艺分类

按加工工艺的不同，汽车常用的铝合金则可分为轧制铝合金、挤压铝合金、铸造铝合金以及锻造铝合金。轧制铝合金用于汽车的外覆盖件，如四门两盖和翼子板等（下图绿色件）；挤压铝合金一般用于强度要求较高的部位，如前后防撞梁、左右门槛梁等（下图橙色件）；铸造铝合金一般用于减重需求较大和处于震动传动路径的部位，如减震塔、副车架、轮毂、三电壳体等（下图紫色件）；而锻造铝合金可视为铸造铝合金的升级，它是在铸造铝合金的基础上，给予材料外部锻压，使得材料更加致密，性能更优，重量更轻。当然，锻造铝合金的成本也显著高于铸造铝合金，因此其一般只用于性能车型的轮辋、转向节、悬架摆臂等影响操控品质的簧下部位，常规车型或常规部位一般仅采用铸造铝合金。

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图表13 铝合金在汽车上的主要应用部位

在以上四种不同工艺铝合金中，铸造铝合金用量占据主导地位，占比约80%（高压铸造55%+普通铸造25%）。

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图表14 不同工艺铝合金在汽车上的使用比例

四、铝合金铸造工艺细分

普通铸造基本可理解为重力铸造，由于其主要依靠液体的自重成型，因此产品表面质量不佳，组织致密度低，强度稍差；压力铸造可分为低压铸造和高压铸造，两者的主要差别在于压力的不同，低压铸造的压力大约在kPa级别，而高压铸造的压力一般是MPa级别，因此高压铸造的工艺复杂度、产品品质和生产效率等均优于低压铸造。目前业内常说的“压铸”一般指“高压铸造”。

图片来源：知乎

图表15 常用铸造工艺对比

在压铸过程中，熔融金属在冲头的作用下高压、高速地充填模具型腔，并在模具冷却系统的作用下快速凝固，形成最终的铸件。

图片来源：《第一压铸》

图表16 高压铸造结构原理图

五、压铸工艺核心设备

压铸过程所需装备主要包括压铸岛、压铸机、模具三大部分。

压铸岛是压铸机运行、铝合金浆料浇注、机器人取件、成品检测等步骤的场所。

压铸机是决定产品性能的关键设备，主要完成锁模-开模-压射浆料进模具-保压成型-开模这些过程。压铸机的压力越大，铸件的结晶体越细致，缩孔气泡等缺陷越少，铸件的性能越佳。不同尺寸零部件所需的压铸机吨位等级不同，压铸件尺寸越大，所需的压机吨位也越高。

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图表17 汽车零部件尺寸或重量与压机吨位的关系

模具是强迫金属大批量快速成型的工具，被称为“工业之母”，主要包含成型系统、浇注系统、模架系统、排溢系统、温控系统等部分。模具水平对铸件产品影响巨大，业内素有“七分模具，二分设备，一分工艺”的说法。模具制造的难点主要体现在两方面，一是设计，需综合考虑热平衡、进料方向、排气和脱模等问题；二是模具材料的选取，模具直接与高温金属接触，并反复经受激冷激热，模具材料需具备较高的热稳定性、高温强度、耐磨性、韧性、导热性等。

传统的汽车生产过程，由冲压-焊接-涂装-总装四大工艺组成，其中前三者都是为生产白车身量身定制的，白车身的工艺瓶颈决定了整车的生产节拍，这个规律几十年来从未打破。

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图表18 传统汽车生产工艺与一体化压铸生产工艺

一、特斯拉开启一体化压铸先河

2020年9月，特斯拉在“电池日”宣布，Model Y将采用一体化压铸后地板总成。该总成采用一体化压铸工艺取代原来的钣金冲压+焊接工艺，使零部件数量从70个变成了1个，制造时间从1~2h压缩到3~5min，并且重量降低了30%，刚度提高了20%，成本也改善了40%。一体化压铸的巨大优势，揭开了汽车生产方式变革的序幕。

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图表19 特斯拉一体化压铸后地板

下表详细总结了后地板采用传统冲压拼焊工艺和一体化压铸工艺生产所需的人员及设备方面的差异。

表20 后地板使用传统生产工艺和一体化压铸工艺的差别对比

一体化压铸本质上仍然是高压铸造，它继承了高压铸造表面质量好、精度高的优点，基本上不需要后续的机械加工，容易实现自动化，获得较高的生产效率和经济效益。但一体化压铸的技术含量又显著高于常规的高压铸造，主要体现在“一体化”这个点，也就是多个零部件集成的设计思路上。一方面，一体化要求维持原有的性能不弱化，这就要求设计方对该部分零件的Know-How了然于胸；另一方面，即使设计仿真能满足性能要求，超大型零部件的分模量产也是一大难事。

三、一体化压铸上下游产业链

一体化压铸产业链，主要由上游的材料商、压机商、模具商，中游的压铸件供应商，和下游的主机厂构成。该技术的核心壁垒主要体现在中上游的设备（压机、模具）、材料和工艺三个方面。

图片来源：财信证券

图表21 一体化压铸上下游产业链

（一）上游材料商/压机商/模具商

材料商主要供应免热处理铝合金，这种铝合金通过调整元素成分，可在不进行热处理的情况下达到普通铝合金热处理后的性能水平，从而一方面避免热处理过程中大型铸件释放应力造成的形变，保证产品良率；另一方面精简工艺流程（节省了热处理+整形两个工艺），提升生产节拍，降低生产成本。当前已成功开发免热处理铝合金的主体主要有美国铝业公司、德国莱茵菲尔德公司、特斯拉、上海交大、广东鸿图、立中集团等。

压机商主要供应大型压铸机，由于一体化压铸的特点就是大型化，其所需的压铸机吨位显著高于普通压铸机，一般要达到6000t以上。随着未来一体化压铸件的集成度提高，零部件尺寸增大，压铸机吨位的要求将提升到9000t甚至12000t以上。当前头部压铸机供应商主要有意德拉、力劲科技、伊之密、海天金属等。

模具商主要供应生产压铸件的模具，由于一体化压铸零部件尺寸更大，模具不仅要承受更高的压力，还需要保证更高的真空度以便金属液快速填充成型。此外，模具的热平衡系统、脱模方案等的设计难度也会随着零部件尺寸增大而上升。当前头部模具厂商主要有赛维达、广州型腔、文灿雄邦等。

（二）中游铸件供应商

中游的压铸件供应商主要利用上游提供的材料、压机、模具等进行零部件生产，并供应给下游客户。它不仅要协调上游的生产关系，还需要深入了解下游客户的需求。一般而言，优秀的压铸件供应商，会介入主机厂的研发体系，时时响应并提供能解决客户需求的设计方案。当前主流的压铸件供应商有文灿股份、广东鸿图、爱柯迪、旭升股份等。

（三）下游主机厂

下游的主机厂主要是使用压铸件的整车企业，他们把需求提给中游的零部件供应商，并在研发过程中不断沟通设计细节。当然，由于一体化压铸对传统冲压和焊接工艺的颠覆，不少主机厂也将一体化压铸工艺纳入自身的生产流程，兼具起零部件供应商的角色，比如特斯拉、小鹏、蔚来等车企都自建了一体化压铸线。截至2023年5月，全球正在研发的一体化压铸零部件共计23个，开发成功的有17个，已经量产上车的有4个，一体化压铸工艺整体仍处于非常早期的阶段。

资料来源：公开信息整理

图表22 部分已布局一体化压铸的主机厂

四、一体化压铸对铝合金轻量化的全新阐述

实际上，在一体化压铸流行前，业内早已使用铝合金进行整车轻量化设计，比如奥迪A8就推出过全铝车身。然而当时的设计思路是采用冲压铝板替换原有的冲压钢板，仅在少部分位置有小型的铝铸件应用。由于传统铝合金焊接性能较差，大部分连接都需要采用铆接工艺，这导致整车的成本居高不下，全铝车身基本上就是“豪车”的代名词。

图片来源：汽车之家

图表23 奥迪A8的全铝车身构成

特斯拉推广的一体化压铸打破了这种垄断，它通过集成化设计，实现多个零部件一次性成型，取代了传统汽车制造流程中的冲压和焊接环节，弥补了铝合金结构件在传统汽车生产工艺中的诸多缺陷，是未来汽车提升用铝量追逐轻量化的绝佳机会。

特斯拉的一体化后地板已量产上车，一体化前舱也已完成试制，加上下地板与电池包上盖板复合件，预计整个下车身一体化后可减少370个零部件，重量可降低10%。

图片来源：特斯拉官网

图表24 特斯拉一体化下车身规划

此外，根据特斯拉公布的专利，未来整个车架都将可能使用一体化压铸工艺生产，这将为铝压铸行业带来巨大的市场想象空间。

图片来源：特斯拉专利

图表25 特斯拉专利《用于车架的多向整体式压铸机及其制造方法》

五、一体化压铸当前存在的问题

然而铝合金一体化压铸工艺仍有诸多问题亟待解决：

1)良品率低。据悉，在允许部分缺陷的情况下，特斯拉后地板的良品率仅能达到85~90%左右。良品率与模具设计中的惰性气体保护、真空去孔、温度控制、冷却控制、液流速度控制等因素息息相关。

2)前期投资成本高。一台万吨压铸机售价高达一亿元，与之相匹配的大型模具报价也需一两千万，单条一体化压铸产线的前期设备投入高达数亿元；

3)设备更换周期短，后期投入高。压铸模具的使用寿命大约在6-8万次，大型压铸模具的寿命更短；而传统的冲压模具的寿命可达50万次，两者相差一个量级；

4)零部件降本的销量门槛较高。对于年销量低于10万台的车型，其单车摊销的设备成本过高，零部件不具备降本优势。因此大部分车企暂时没有布局整条一体化压铸产线的意愿，但这也为第三方压铸厂的发展创造了条件；

5)大型一体化压铸零部件事故维修成本过高。据新闻报道某Model Y购置成本为28万元，但倒车碰伤一体化压铸后地板后的维修成本高达20万元，这将导致顾客购买意愿降低，进而影响主机厂布局该技术的积极性。

但是，需要乐观看待的是，当前的一体化压铸工艺仍处于技术早期，存在问题不可避免，未来随着设备价格降低、工艺瓶颈打破、整车驾驶安全性提升，一体化压铸工艺将会进入发展的快车道。尤其是2023年以来，随着各大车企争相降价，车企利润受到严重挤压，部分持续亏损的车企更是岌岌可危。为了确保和特斯拉同台竞技的成本优势，将会有越来越多的车企或供应商布局一体化压铸工艺。

图片来源：36Kr《车百智库》

图表26 一体化压铸发展阶段

一、汽车销量预测

根据国际铝业协会（International Aluminum）预测，到2030年，中国生产的机动车（含二三轮车）总量将增加至9550万辆，年复合增长率1.77%，其中纯电动汽车和混合动力汽车的年复合增速分别高达23%和18.8%。

数据来源：国际铝业协会

图表27 中国市场2030年机动车产量预测

二、单车用铝量预测

对不同车型未来的单车用铝量数据进行预测，如下图所示。预计到2030年，二/三轮车的单车用铝量将增长至11kg；乘用车（含燃油汽车、混合动力汽车、纯电动汽车）单车用铝量将增长至242.2kg；商用车（含客车和卡车）单车用铝量将增长至253.2kg；特种作业车单车用铝量将增长至158.6kg。

图片来源：国际铝业协会数据

图表28 不同种类车型2030年单车用铝量预测

三、汽车整体用铝量及价值量预测

综合未来机动车产量和单车用铝量数据，协会预计，到2030年，中国市场的铝消耗将会达到1070万吨，其中乘用车合计占800万吨左右。按照80%为铸造铝合金计算，2030年的铸造铝合金市场为640万吨，以40000元/吨的价格计算，则中国市场2030年的铸造铝合金市场规模达2560亿元。

图片来源：国际铝业协会

图表29 不同种类车型2030年总用铝量预测

四、电价走低促进铝合金应用下探增量预期明显

此外，风光储行业的迅速发展，将促进电价持续走低，从而为电解铝材料的降价铺平道路，更低的价格将会显著提升铝合金在平价车型上的应用比例。根据乘联会公布的我国乘用车市场销量结构数据，C级车占比约10%，B级车占比约25%，A级车占比约50%。当前铝合金主要在B/C级车型上应用，若下探到A级及以下车型，将会有翻倍的增量空间。

图片来源：乘联会

图表30 中国市场汽车销量结构

具体到一体化压铸方面，2020年9月特斯拉公布Model Y将使用一体化后地板，按照后地板重量55kg，成品单价55元/kg计算，单车一体化压铸价值量在3000元左右。根据特斯拉年报，2021年Model Y车型全球销量40万辆，则一体化后地板的价值量为12亿元。未来随着一体化压铸技术在整车其他零部件的渗透，单车价值有望提升到12000~15000元的水平；另一方面，全球车企积极布局一体化压铸技术，将会显著提升一体化压铸技术在不同车型中的应用比例。据中信建投和天风证券预测，到2025年中国市场一体化压铸零部件市场规模有望达到300~400亿元，到2030年有望达到2000~3000亿元。

一、铝压铸市场格局分散

铝压铸行业为典型的重资产行业，当前铝合金压铸领域虽玩家众多（3000家+），但大多数规模较小，产量在万吨以上的仅几十家。根据各公司年报，国内上市公司中铝压铸业务前五名的广东鸿图、爱柯迪、文灿股份、拓普集团、旭升股份过去三年的CR5约在11%左右，行业集中度呈现小而分散的局面。

图片来源：公开信息整理

图表31 2019年（内圈）和2020年（外圈）铝压铸行业竞争格局

二、铝压铸市场玩家分类

当前与铝合金压铸业务相关的公司，主要可分为以下几类：

1、深耕压铸行业多年，业务集中在汽车领域的领头羊企业，比如文灿股份、广东鸿图、爱柯迪、旭升股份等。他们从事铝合金压铸件业务二十余年，从边缘的小零部件做起，逐渐受到下游客户认可，开始承接核心的发动机、变速箱、底盘等大型压铸件，并在新能源汽车发展的窗口期，顺利获得核心的三电系统压铸件订单，在华丽转身的同时登陆资本市场。值得一提的是，这些头部压铸企业一般还具备模具自研能力或与头部模具厂商深度绑定，比如旭升股份是以模具业务起家，文灿股份拥有文灿雄邦模具子公司，广东鸿图与广州型腔合作深入。当前，这些头部压铸企业正在开展大型车身结构件一体化压铸业务布局。

2、业务范围较广，从工业、半导体、通讯等领域跨入汽车压铸件领域，或在汽车领域从事多系统研究，当前业务营收可能较为分散的企业，比如拓普集团、美利信、泉峰汽车、丰光精密等。拓普集团的业务涵盖减震隔音、饰件、智能驾驶、底盘轻量化以及热管理等系统，泉峰汽车从最开始的电动工具外贸业务转型实业，美利信当前的业务模式为“通讯+汽车”双轮驱动，而丰光精密的营收主要来自于半导体和工业自动化、汽车业务占比仅30%。对于此类公司，涉足汽车压铸业务是在原有业务的基础上探索第二增长曲线，且由于有其他领域经验的加持，其在客户资源、产品开发等方面具备独特优势。

3、在压铸领域持续钻研特定单品成为细分赛道隐形冠军的中小型压铸企业，比如嵘泰股份、博大科工、启新模具等，嵘泰股份产品集中在转向系统，是压铸转向管柱的全国隐形冠军；启新模具从模具业务转型铝合金压铸业务，其车载充电机箱体是全国隐形冠军。在深耕特定单品形成客户口碑之后，这些企业逐步丰富产品线，往汽车三电、底盘、车身结构件等领域扩展。