電動(dòng)車減肥三部曲

在F1的名人堂里，柯林·查普曼雖然名氣不如恩佐·法拉利，但也是一個(gè)繞不開的風(fēng)云人物，20歲就成立了超跑品牌「路特斯」，名下的車隊(duì)曾七奪F1年度總冠軍，在上世紀(jì)六七十年代可謂是所向披靡。

和恩佐·法拉利不同，查普曼不喜歡以馬力論英雄，而是將工程學(xué)和開戰(zhàn)斗機(jī)的經(jīng)歷用在車身設(shè)計(jì)上，并大獲成功。用他的話說(shuō)就是：「大馬力能讓你在直線上很快，但輕量化能讓你在哪兒都快！」。翻譯成現(xiàn)代漢語(yǔ)：「寧少十馬力，不多一公斤」。

但很可惜，查普曼在1982年因病去世，路特斯這個(gè)品牌也從此顛沛流離，先后輾轉(zhuǎn)于美國(guó)人、意大利人和馬來(lái)西亞人之手，而誰(shuí)都不會(huì)想到，路特斯會(huì)成為特斯拉Roadster的「繆斯」，不是因?yàn)樗碾妱?dòng)化造詣，而是輕量化設(shè)計(jì)。

雖然電動(dòng)車去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，但卻增加了電池這個(gè)大塊頭，反而更重了，對(duì)輕量化需求格外迫切。

以第一代Roadster為例，為了達(dá)到近400公里的續(xù)航能力，它背上了6831顆小圓柱電池，單這些就320公斤，再加上線束、冷卻系統(tǒng)、BMS、托盤以及上殼體，電池包總重量達(dá)到500公斤，要知道，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加上變速箱和冷卻系統(tǒng)也只有300公斤左右。

為了讓Roadster跑得更遠(yuǎn)更快，工程師們從路特斯上找到了不少靈感，比如調(diào)整了車身架構(gòu)和使用碳纖維材料，最終做到了百公里3.6秒的加速度，一掃人們對(duì)電動(dòng)車「非丑即差」的刻板印象。

在汽車行業(yè)，減肥能帶來(lái)立竿見影的效果：車身重量每降低10%，油耗可以減少6-8%，加速時(shí)間減少8%，排放量減少10%，制動(dòng)距離減少5%。但代價(jià)也不菲，需要同時(shí)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)和工藝做出改變，而且牽一發(fā)動(dòng)全身。

在燃油車時(shí)代，只有豪華品牌或者性能車才有資本追求「魔鬼身材」，像是在回答一道奧數(shù)加分題。而到了電動(dòng)時(shí)代，由于身材憑空增重了上百公斤，減肥成了擺在車企面前的一道必答題。

車身：抽脂塑身

1985年，在德國(guó)漢諾威展會(huì)上，兩名身材苗條的女子毫不費(fèi)力地舉起了奧迪100的全鋁車身，推開了車身輕量化的第一道任意門。

在此之前，鋁合金主要是用在航空領(lǐng)域，它的成分一度被德國(guó)視為國(guó)家機(jī)密，之后才慢慢走入了汽車領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的低碳鐵，鋁合金要輕三分之一，伸縮性和可塑性更好，能夠在發(fā)生碰撞的時(shí)候更好地吸收潰縮（即通過(guò)變形分散碰撞動(dòng)能）。

然而，一種新材料想要被量產(chǎn)車所接納，只是性能出色還不夠，換了新的材料就需要新的工藝或者結(jié)構(gòu)，只有三者配合默契才能實(shí)現(xiàn)「質(zhì)量—成本—性能」之間的平衡。

八年之后，奧迪在漢諾威展會(huì)上正式推出了ASF（Audi Space Frame）概念車，這款沒有經(jīng)過(guò)涂裝處理的車閃著耀眼的銀光，它也是A8的雛形。1994年，采用了全鋁車身的第一代奧迪A8正式量產(chǎn)，它的重量比上一代旗艦車輕了248公斤。

這主要得益于ASF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，核心邏輯就是把合適的材料放在合適的位置。比如在A柱、B柱和縱梁等位置，用高強(qiáng)度材料，在其他地方選擇成本較低的鋼材，從而在滿足碰撞要求以及整車性能不受影響的前提下，盡量減輕零部件的重量。

有了全鋁車身和ASF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就差工藝了。

傳統(tǒng)的低碳鋼主要是采用電阻焊接，成本低，速度快，但和鋁合金不匹配。直到1999年，奧迪A2這款車第一次用到了激光焊接，大大解決了鋁合金材質(zhì)的連接困難問題，推動(dòng)了全鋁車身的應(yīng)用。

隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的輕型材料也陸續(xù)上車，包括高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料等。對(duì)車企來(lái)說(shuō)，車身上的材料越豐富，工藝上的連接就越困難，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。

比如最新一代的奧迪A8已經(jīng)不再是全鋁車身，而是用了包括碳纖維、鎂合金在內(nèi)的4種材料，鋁合金占比只有58%，甚至重量都比上一代重了約50公斤。但這并不代表輕量化不再重要，而是另有其因。

一方面是因?yàn)橄裉祭w維這樣的材料依然有些高攀不起，每公斤約為120到200元，相當(dāng)于鋁合金的4倍，而且用在生產(chǎn)上效率也比沖壓低不少。另一方面，車企在結(jié)構(gòu)和連接工藝上不斷取得突破，可以將不同材料用到極致，增強(qiáng)剛度和安全性的同時(shí)也能降低成本，從而獲得一個(gè)「完美身材」，算下來(lái)，比全鋁更劃算。

新一代奧迪A8車身材料構(gòu)成

換句話說(shuō)，工藝可以通過(guò)組合加工的方式，彌補(bǔ)材料本身的缺陷。

隨著電動(dòng)車開始普及，車企不能只追求極致的性能，也要考慮賺錢問題。因此，材料也出現(xiàn)「降級(jí)」，比如，2018年寶馬推出了新款i3，為了擴(kuò)大銷量，車身從碳纖維變成了鋁合金；特斯拉Model 3的車身也從之前的全鋁變成了鋼鋁混合（鋁占比約為20%）。

這時(shí)就輪到工藝發(fā)揮作用了。

壓鑄：八塊腹肌

2020年9月22日，馬斯克宣布Model Y將采用一體式壓鑄后地板總成，零部件從80個(gè)變成2個(gè)，焊點(diǎn)從之前的700-800個(gè)減少到50個(gè)，原料回收利用率可以達(dá)到95%以上。一頓操作下來(lái)，車體總重量降低了30%。

某種程度上，特斯拉選擇一體化壓鑄技術(shù)既是一種無(wú)奈之舉，也是一種冒險(xiǎn)。

壓鑄工藝在汽車制造中早已有之，其原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)類似于將熔融的金屬注入磨具，等待冷卻后就得到一個(gè)成型的金屬鑄件。但因?yàn)樵诔尚瓦^(guò)程中的熱脹冷縮容易出現(xiàn)誤差，應(yīng)用范圍比較有限，傳統(tǒng)車企的壓鑄件往往替代的是非結(jié)構(gòu)件，在大型結(jié)構(gòu)件上試水一體化壓鑄，這還是第一次。

特斯拉這次工藝升級(jí)，相當(dāng)于把一個(gè)圓鼓鼓的肚子直接壓出了八塊腹肌，省掉了健身跑步這個(gè)環(huán)節(jié)。

一體化壓鑄將沖壓和焊接兩個(gè)工藝合并，簡(jiǎn)化了白車身的制造過(guò)程，而且零部件數(shù)量驟減也降低了模具開發(fā)和組裝成本，并且大幅減少了機(jī)器人的使用。同時(shí)，一臺(tái)壓鑄機(jī)占地僅100平方米。根據(jù)馬斯克所述，采用大型壓鑄機(jī)后特斯拉工廠的占地面積減少了30%，算下來(lái)制造成本下降了40%。

這種做法不僅對(duì)沖了Model 3車身從全鋁變成鋼鋁混合之后增重所帶來(lái)的不利影響，而且能進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，擴(kuò)大銷量。

雖然一體化壓鑄是新技術(shù)，設(shè)備、材料、工藝以及成本都存在不確定性和挑戰(zhàn)，但這并不妨礙汽車行業(yè)過(guò)去兩年刮起了一股壓鑄風(fēng)暴，包括蔚來(lái)、小鵬、華人運(yùn)通這樣的新勢(shì)力，也包括電動(dòng)化轉(zhuǎn)型比較激進(jìn)的沃爾沃，都在主動(dòng)擁抱這種新技術(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，一體化壓鑄是對(duì)傳統(tǒng)汽車制造工藝的一次巨大變革。它的作用并不限于給車身減重，而是對(duì)汽車生產(chǎn)效率的一次體系化升級(jí)。

三電：優(yōu)化骨架

在一輛電動(dòng)車中，電池、電機(jī)和電控占了總重量的20-40%，隨著減重需求的迫切，這頭「房間里的大象」來(lái)到了臺(tái)前。

按照傳統(tǒng)思路，第一反應(yīng)就是換材料。比如將電池Pack殼體從鋼材變成鋁材。早在2019年，寧德時(shí)代就宣稱將航空級(jí)別的「7系鋁」用在電池包下箱體，這樣做能讓整車質(zhì)量減少250公斤，電池系統(tǒng)能量密度提升50%[12]。

其次是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，化零為整。比如比亞迪的「八合一」電驅(qū)系統(tǒng)通過(guò)將不同模塊集成化，可以實(shí)現(xiàn)在相同功率下，零部件體積減小20%，重量降低15%。此外，通用的奧特能（Ultium）純電動(dòng)平臺(tái)通過(guò)無(wú)線BMS系統(tǒng)，也能夠減少90%的線束布置。

但這些并沒有觸及電池包減重的核心。電池包有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是電芯重量占據(jù)了六成以上；二則是它的層級(jí)復(fù)雜，不僅包括成百上千的電芯打包成的模組，還有BMS、冷卻系統(tǒng)、高壓線束以及外殼等。

因此，最有效的減肥是對(duì)癥下藥。相比于在殼體和BMS上的邊際改善，改變電芯形狀和整個(gè)pack的成組方式才能優(yōu)化骨架。另外，想要提升系統(tǒng)能量密度，最簡(jiǎn)單有效的辦法就是去中介，減少中間結(jié)構(gòu)件的數(shù)量。

2020年，比亞迪推出刀片電池，又長(zhǎng)又薄的單體電芯形如刀片，直接跳過(guò)了模組環(huán)節(jié)，將電芯集成電池包（Pack），這就是所謂的CTP（Cell To Pack）。寧德時(shí)代、蜂巢能源等其他同行也采取了同樣的設(shè)計(jì)思路。

雖然CTP省掉了模組，但上百公斤重的外殼卻依然存在，這時(shí)候業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一種更大膽的思路：既然電池是平鋪在車輛底部，為何不干脆把車身地板當(dāng)作電池殼，把車身、電池和底盤集成一個(gè)整體，將電池直接做成整車結(jié)構(gòu)件。

這種想法多少有些「第一性原理」的意思，相當(dāng)于把電池看作是汽油，把車身和底盤中間的空間看作是油箱。用馬斯克的話來(lái)說(shuō)就是：「沒必要在盒子里面再裝一個(gè)盒子。」

2020年，特斯拉官宣了CTC技術(shù)。馬斯克表示，采用了這項(xiàng)技術(shù)之后，可以省掉370個(gè)零部件，能為車身減重10%，每瓦時(shí)電池成本也將下降7%。去年10月的柏林超級(jí)工廠發(fā)布會(huì)上，特斯拉對(duì)外亮相了4680的電池組，它可以直接作為車身結(jié)構(gòu)的一部分。

相比于CTP，CTC不僅可以將系統(tǒng)能量密度提升了一個(gè)層次，更重要的是它的出現(xiàn)可以讓電池廠突破電池包的范疇，直接將技術(shù)延伸到底盤開發(fā)，而這是整車最關(guān)鍵的零部件。

國(guó)內(nèi)最早提出這個(gè)想法的則是曾毓群。2021年年初，寧德時(shí)代宣布將于2025年前后推出CTC（Cell To Chassis）技術(shù)，將電芯和底盤集成在一起，能讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程達(dá)到800公里以上。

如果把換材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比作是想辦法讓一個(gè)人的衣服變得更輕，那么已經(jīng)量產(chǎn)的CTP和指日可待的CTC則是在想辦法降低人本身的體脂率。