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电动车减肥三部曲

首席商业评论

2022-05-06 14:51

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作者:陈至/罗松松 

来源:远川研究所(ID:caijingyanjiu)


在F1的名人堂里,柯林·查普曼虽然名气不如恩佐·法拉利,但也是一个绕不开的风云人物,20岁就成立了超跑品牌“路特斯”,名下的车队曾七夺F1年度总冠军,在上世纪六七十年代可谓是所向披靡。


和恩佐·法拉利不同,查普曼不喜欢以马力论英雄,而是将工程学和开战斗机的经历用在车身设计上,并大获成功。用他的话说就是:“大马力能让你在直线上很快,但轻量化能让你在哪儿都快!”。翻译成现代汉语:“宁少十马力,不多一公斤”。


但很可惜,查普曼在1982年因病去世,路特斯这个品牌也从此颠沛流离,先后辗转于美国人、意大利人和马来西亚人之手,而谁都不会想到,路特斯会成为特斯拉Roadster的“缪斯”,不是因为它的电动化造诣,而是轻量化设计。


虽然电动车去掉了发动机和变速箱,但却增加了电池这个大块头,反而更重了,对轻量化需求格外迫切。


以第一代Roadster为例,为了达到近400公里的续航能力,它背上了6831颗小圆柱电池,单这些就320公斤,再加上线束、冷却系统、BMS、托盘以及上壳体,电池包总重量达到500公斤,要知道,一台发动机加上变速箱和冷却系统也只有300公斤左右。


为了让Roadster跑得更远更快,工程师们从路特斯上找到了不少灵感,比如调整了车身架构和使用碳纤维材料,最终做到了百公里3.6秒的加速度,一扫人们对电动车“非丑即差”的刻板印象。


在汽车行业,减肥能带来立竿见影的效果:车身重量每降低10%,油耗可以减少6-8%,加速时间减少8%,排放量减少10%,制动距离减少5%。但代价也不菲,需要同时对材料、结构和工艺做出改变,而且牵一发动全身。


在燃油车时代,只有豪华品牌或者性能车才有资本追求“魔鬼身材”,像是在回答一道奥数加分题。而到了电动时代,由于身材凭空增重了上百公斤,减肥成了摆在车企面前的一道必答题。


01

车身:抽脂塑身


1985年,在德国汉诺威展会上,两名身材苗条的女子毫不费力地举起了奥迪100的全铝车身,推开了车身轻量化的第一道任意门。


在此之前,铝合金主要是用在航空领域,它的成分一度被德国视为国家机密,之后才慢慢走入了汽车领域。相比于传统的低碳铁,铝合金要轻三分之一,伸缩性和可塑性更好,能够在发生碰撞的时候更好地吸收溃缩(即通过变形分散碰撞动能)。


然而,一种新材料想要被量产车所接纳,只是性能出色还不够,换了新的材料就需要新的工艺或者结构,只有三者配合默契才能实现“质量—成本—性能”之间的平衡。



八年之后,奥迪在汉诺威展会上正式推出了ASF(Audi Space Frame)概念车,这款没有经过涂装处理的车闪着耀眼的银光,它也是A8的雏形。1994年,采用了全铝车身的第一代奥迪A8正式量产,它的重量比上一代旗舰车轻了248公斤。


这主要得益于ASF的结构设计,核心逻辑就是把合适的材料放在合适的位置。比如在A柱、B柱和纵梁等位置,用高强度材料,在其他地方选择成本较低的钢材,从而在满足碰撞要求以及整车性能不受影响的前提下,尽量减轻零部件的重量。


有了全铝车身和ASF结构设计,就差工艺了。


传统的低碳钢主要是采用电阻焊接,成本低,速度快,但和铝合金不匹配。直到1999年,奥迪A2这款车第一次用到了激光焊接,大大解决了铝合金材质的连接困难问题,推动了全铝车身的应用。


随着时间的推移,越来越多的轻型材料也陆续上车,包括高强度钢、镁合金、钛合金以及碳纤维复合材料等。对车企来说,车身上的材料越丰富,工艺上的连接就越困难,结构设计就越复杂。


比如最新一代的奥迪A8已经不再是全铝车身,而是用了包括碳纤维、镁合金在内的4种材料,铝合金占比只有58%,甚至重量都比上一代重了约50公斤。但这并不代表轻量化不再重要,而是另有其因。


一方面是因为像碳纤维这样的材料依然有些高攀不起,每公斤约为120到200元,相当于铝合金的4倍,而且用在生产上效率也比冲压低不少。另一方面,车企在结构和连接工艺上不断取得突破,可以将不同材料用到极致,增强刚度和安全性的同时也能降低成本,从而获得一个“完美身材”,算下来,比全铝更划算。



新一代奥迪A8车身材料构成


换句话说,工艺可以通过组合加工的方式,弥补材料本身的缺陷。


随着电动车开始普及,车企不能只追求极致的性能,也要考虑赚钱问题。因此,材料也出现“降级”,比如,2018年宝马推出了新款i3,为了扩大销量,车身从碳纤维变成了铝合金;特斯拉Model 3的车身也从之前的全铝变成了钢铝混合(铝占比约为20%)。


这时就轮到工艺发挥作用了。


02

压铸:八块腹肌


2020年9月22日,马斯克宣布Model Y将采用一体式压铸后地板总成,零部件从80个变成2个,焊点从之前的700-800个减少到50个,原料回收利用率可以达到95%以上。一顿操作下来,车体总重量降低了30%。


某种程度上,特斯拉选择一体化压铸技术既是一种无奈之举,也是一种冒险。


压铸工艺在汽车制造中早已有之,其原理简单来说类似于将熔融的金属注入磨具,等待冷却后就得到一个成型的金属铸件。但因为在成型过程中的热胀冷缩容易出现误差,应用范围比较有限,传统车企的压铸件往往替代的是非结构件,在大型结构件上试水一体化压铸,这还是第一次。


特斯拉这次工艺升级,相当于把一个圆鼓鼓的肚子直接压出了八块腹肌,省掉了健身跑步这个环节。


一体化压铸将冲压和焊接两个工艺合并,简化了白车身的制造过程,而且零部件数量骤减也降低了模具开发和组装成本,并且大幅减少了机器人的使用。同时,一台压铸机占地仅100平方米。根据马斯克所述,采用大型压铸机后特斯拉工厂的占地面积减少了30%,算下来制造成本下降了40%。


这种做法不仅对冲了Model 3车身从全铝变成钢铝混合之后增重所带来的不利影响,而且能进一步提升生产效率,扩大销量。


虽然一体化压铸是新技术,设备、材料、工艺以及成本都存在不确定性和挑战,但这并不妨碍汽车行业过去两年刮起了一股压铸风暴,包括蔚来、小鹏、华人运通这样的新势力,也包括电动化转型比较激进的沃尔沃,都在主动拥抱这种新技术。


总的来说,一体化压铸是对传统汽车制造工艺的一次巨大变革。它的作用并不限于给车身减重,而是对汽车生产效率的一次体系化升级。


03

三电:优化骨架


在一辆电动车中,电池、电机和电控占了总重量的20-40%,随着减重需求的迫切,这头“房间里的大象”来到了台前。


按照传统思路,第一反应就是换材料。比如将电池Pack壳体从钢材变成铝材。早在2019年,宁德时代就宣称将航空级别的“7系铝”用在电池包下箱体,这样做能让整车质量减少250公斤,电池系统能量密度提升50%[12]。


其次是结构设计,化零为整。比如比亚迪的“八合一”电驱系统通过将不同模块集成化,可以实现在相同功率下,零部件体积减小20%,重量降低15%。此外,通用的奥特能(Ultium)纯电动平台通过无线BMS系统,也能够减少90%的线束布置。


但这些并没有触及电池包减重的核心。电池包有两个显著的特点:一是电芯重量占据了六成以上;二则是它的层级复杂,不仅包括成百上千的电芯打包成的模组,还有BMS、冷却系统、高压线束以及外壳等。


因此,最有效的减肥是对症下药。相比于在壳体和BMS上的边际改善,改变电芯形状和整个pack的成组方式才能优化骨架。另外,想要提升系统能量密度,最简单有效的办法就是去中介,减少中间结构件的数量。


2020年,比亚迪推出刀片电池,又长又薄的单体电芯形如刀片,直接跳过了模组环节,将电芯集成电池包(Pack),这就是所谓的CTP(Cell To Pack)。宁德时代、蜂巢能源等其他同行也采取了同样的设计思路。


虽然CTP省掉了模组,但上百公斤重的外壳却依然存在,这时候业内出现了一种更大胆的思路:既然电池是平铺在车辆底部,为何不干脆把车身地板当作电池壳,把车身、电池和底盘集成一个整体,将电池直接做成整车结构件。


这种想法多少有些“第一性原理”的意思,相当于把电池看作是汽油,把车身和底盘中间的空间看作是油箱。用马斯克的话来说就是:“没必要在盒子里面再装一个盒子。”


2020年,特斯拉官宣了CTC技术。马斯克表示,采用了这项技术之后,可以省掉370个零部件,能为车身减重10%,每瓦时电池成本也将下降7%。去年10月的柏林超级工厂发布会上,特斯拉对外亮相了4680的电池组,它可以直接作为车身结构的一部分。



相比于CTP,CTC不仅可以将系统能量密度提升了一个层次,更重要的是它的出现可以让电池厂突破电池包的范畴,直接将技术延伸到底盘开发,而这是整车最关键的零部件。


国内最早提出这个想法的则是曾毓群。2021年年初,宁德时代宣布将于2025年前后推出CTC(Cell To Chassis)技术,将电芯和底盘集成在一起,能让电动车续航里程达到800公里以上。


如果把换材料和结构设计比作是想办法让一个人的衣服变得更轻,那么已经量产的CTP和指日可待的CTC则是在想办法降低人本身的体脂率。


04

尾声


知乎上有人提过一个问题:“100 米短跑提高 0.1 秒有多难?”


国内最有资格回复这个问题的苏炳添亲自作答:“那太难了。0.1秒可厉害啦,提高0.01秒都有点难。我从9.99到9.91(提高0.08秒)用了3年时间吧。”


同样的道理也可以适用于电动车系统能量密度和减重问题上,续航从300公里到600公里相对容易,但越往后技术突破难度就越大,边际改善的成本也就越高。


但这不意味着就不用再啃这根硬骨头了,相反,越难的事越要去做,因为新能源车革命从不可能一蹴而就


参考资料:

[1] 汽车轻量化及一体化压铸件行业分析,东方证券

[2] 一个很多人都关心的问题:纯电动车和汽油车开起来到底有啥区别?,纯电车EV

[3]【拆车】讲真,铝制车身是新技术?你可以去打脸了,拆车坊

[4] 奥迪A8牛叉的轻量化技术,严说一点

[5] 特斯拉改变汽车行业的“一体化压铸”是什么 ,睿格资产

[6] 中鼎股份深度报告:智能底盘业务发力,橡胶件龙头迎全新成长期,西部证券

[7] 滑板底盘太火,拓普集团也欲入局,盖世汽车社区

[8] Tesla Model S Weight Distribution,Teslarati

[9] 汽车行业一体化压铸专题铝压铸向大型化一体化发展,国信证券

[10] 冲产量?不!「铸」产量才性感!42号车库

[11] 制造是第一生产力,一体压铸是成本密码,你掌握了吗?汽车之心

[12] Pack轻量化 宁德时代选择“7系战斗铝”,高工锂电

# 新能源车
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