新能源汽车|电动车减肥三部曲新能源汽车

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钛媒体注：本文来源于微信公众号远川研究所（ID：caijingyanjiu），作者 | 陈至罗松松，编辑 | 周哲浩，钛媒体经授权发布。

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。

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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。
【新能源汽车|电动车减肥三部曲】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。

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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，而是在一点一滴中从量变实现质变的。