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  • 電動汽車觀察家
  • 2022年5月05日07時

    特斯拉的另一面:“生產狂魔”

    作者 | 王慈
    編輯|邱鍇俊

    “我認為我比目前地球上活著的任何人都更了解制造業?!?/span>

    4月14日,特斯拉CEO馬斯克與TED的負責人Chris Anderson對談時,如此回答關于特斯拉制造優勢的提問。

    馬斯克說,“我在弗里蒙特和內華達工廠住了3年,修理生產線,像瘋子一樣跑遍了工廠的每一個角落。和團隊一起生活,睡在地板上?!?/span>

    馬斯克說的這3年,是2017年-2019年。正是在這一時期,特斯拉實現了量產爬坡,人類歷史上第一次進入到大規模生產電動汽車的階段。

    之后的2020年、2021年,特斯拉交付量分別逼近50萬輛和100萬輛關口,今年有望超過150萬輛。在電動汽車的生產上,特斯拉的規模一騎絕塵,比第二名要領先很多。

    資料來源:特斯拉年報,《電動汽車觀察家》整理

    與特斯拉的在電動、智能上的研發創新、模式創新相比,特斯拉的另一面——堪稱“生產狂魔”的能力一直被低估。

    特斯拉不僅能研發設計出最好的電動汽車,而且還能最高效、最低成本地生產電動汽車——2021年,特斯拉汽車業務毛利率30.9%。

    這個數字可以讓全球車企沉默,也狠狠打臉早期質疑特斯拉不能盈利的人。


    有必要充分研究特斯拉的生產制造能力,不僅能幫助我們理解特斯拉,也能讓追趕者明白,生產制造的差距,也是必須發力追趕的。

    【福利:《電動汽車觀察家》為讀者們精心制作了41頁PPT“特斯拉整車工廠研究”,包括特斯拉歷年交付量、四大超級工廠對比研究等內容。轉發此文到朋友圈或者三個微信群,截圖為證,即可向電觀小編(微信號:ev_observer)索取PPT原版】

    01
    美國加州工廠:試驗基地

    加州工廠俯瞰圖


    加州工廠重大事件時間軸;《電動汽車觀察家》整理制圖

    生產了北美三分之二的電動汽車的加州工廠,是特斯拉花4200萬美元撿的便宜。

    2010年,汽車行業還沒有從金融風暴的沉重打擊中恢復。原本持有加州工廠的豐田和通用急于減負,特斯拉幸運地以4200萬美元買下了原本價值10億美元的工廠。

    當時,特斯拉只有Roadster一款車,基于蓮花公司的2500個底盤生產。特斯拉買下的這個工廠,經過簡單的改造便投入使用,因為量太少,湊合著就能用。

    2012年6月,全球第一輛Model S下線,交付給了特斯拉SpaceX董事Steve Jurvetson。那時,加州弗里蒙特工廠每周只能生產60輛汽車。

    2012年,特斯拉在加州工廠開始生產Model S;2015年三季度,又開始生產Model X;2017年三季度,又開始生產Model 3;2020年,Model Y也開始在這里生產。

    資料來源:特斯拉公告

    在2017年之前,特斯拉年產量都在10萬輛以下,對于加州工廠而言,沒有多少挑戰。而且,早期特斯拉對數量沒有太多追求,并不去設計太難生產的車。

    注:不含Roadster,資料來源:特斯拉公告

    不過,在這過程中,加州工廠的一些弊端逐漸暴露。特斯拉也在不斷修修補補。

    工廠講究物流運輸盡可能優化使路線最短,從而降本增效。但從加州工廠原有工藝布局來看,沖壓車間到焊接車間,焊接到涂裝,塑料零部件到總裝車間的距離都比較遠。這樣的工藝布局顯然是不合理的。

    特斯拉一直在升級改造加州工廠,以支持產量增長。

    2014年,加州工廠員工人數達到2000人,一半面積的區域經過優化改造后投入使用,工藝布局也更加緊湊,生產效率有所提升。

    工藝布局升級改造后的加州工廠


    但是,縫縫補補又三年之后,加州工廠遭遇了前所未有的挑戰。

    2016年4月,特斯拉首款平民車型——Model 3在美國發布,新車型一經發布,20天狂掃訂單40萬輛。特斯拉迎來幸福的煩惱——這么多的訂單。怎么盡快交付?要知道,當年特斯拉的年產量,不過7萬多輛。

    大規模量產的難度超越想象。前面提到的馬斯克睡工廠的2017-2019年,正是特斯拉加州工廠量產爬坡的三年。

    馬斯克一開始希望工廠極致自動化,用機器制造機器。特斯拉設計了擁有超過1000臺機器人及裝配機器的高度自動化生產線,機器人參與沖壓生產、車身、烤漆與組裝中的生產制造工作。而且,Model 3是平民車型,必須大幅降本,減少人力支出。但是,實際效果卻遠不如預期。

    2016年時,馬斯克曾表示,到2017年底,特斯拉可以每月生產2萬輛。然而到2017年第四季度,加州工廠只生產了2425輛Model 3。

    馬斯克也不得不承認錯誤。他在Twitter上回應批評說,“是的,特斯拉的過度自動化是個錯誤。確切地說,是我的錯誤。人類被低估了!”

    特斯拉做了調整,以一定程度的半自動化以及人工裝配取代了部分全自動化。最終,Model 3組裝生產線的自動化程度仍然高達95%,包括運輸、裝載以及零部件焊接。

    2018年,馬斯克接管了工廠。面對質疑,他說,“作為首席執行官,我的工作是專注于最關鍵的方面,即目前的Model 3生產。

    在CBS一檔節目中,馬斯克向記者展示他睡覺的沙發。這個沙發太窄,有時馬斯克索性睡在地上。圖右桌上的就是他的睡袋。

    馬斯克為了提升Model 3產能,和團隊一起生活在工廠里,加班加點、沒日沒夜地工作。2018年,馬斯克還在加州工廠周邊搭建簡易帳篷總裝生產線,終于實現了每周生產5000輛的目標,當年產能達到了20多萬輛。

    加州帳篷工廠總裝車間


    不過,周產5000輛并不能滿足馬斯克。他對生產效率的提升是無止境的。而他的解決方案,是革命性地改變汽車生產方式。

    Model Y的推出,承載了特斯拉一次革新。2020年,特斯拉宣布將用創新造車的方式,使用一體化鑄造技術,將Model Y后底板原本79個組件直接鑄成一體,大幅提升了生產效率。

    在傳統的沖壓工藝中,應用較多的壓鑄機也就是在2000噸左右。特斯拉設計了堪稱世界最大的6000噸壓鑄機,其在汽車行業的規模是前所未有的。此壓鑄機率先在加州工廠使用。

    IDRA的OL6100CS大型一體式壓鑄設備


    另外,在Model Y上,馬斯克持續推動自動化,在生產線上引入更多的機器人。

    除了生產汽車,加州工廠還建設了4680電池試產線。

    4680電池要比特斯拉此前應用的21700電池體型更大,將提升54%的續航并降低56%的成本。

    7號電池、5號電池、18650、21700和46800電池對比


    今年1月,第100萬塊試生產4680電池在加州工廠下線。產品檢測報告顯示,14條試生產線的良品率達到了92%,基本符合量產最低標準。今年底將在新開業的柏林工廠和德州工廠量產。

    還有,特斯拉嫌供應商的座椅不好,還在加州整車工廠附近自建了一個座椅工廠。

    加州工廠作為特斯拉第一座超級工廠,承載了太多試驗基地的功能,勢必存在工程經驗、生產經驗不足等問題。在馬斯克的瘋狂技術革新及升級改造下,加州工廠年產能已提升至60萬輛,但依然不能滿足巨大的市場需求。

    但在加州工廠,特斯拉完成了小批量到大批量生產的蝶變。

    02
    上海工廠:年交付超48萬輛

    上海工廠俯瞰圖



    上海工廠重大事件時間軸;《電動汽車觀察家》整理制圖

    特斯拉要繼續擴充版圖,只在美國設工廠肯定不行。特斯拉走出去的第一站,就是它最看重的市場——中國。

    在熱切希望招商引資的中國地方政府眼中,特斯拉得萬千寵愛于一身。最終,特斯拉花落上海。

    上海市政府為了引進特斯拉這條鯰魚,不僅在土地和稅收方面提供特殊優惠政策,在建設方面也大開綠燈。在2019年一年的時間里,工廠完成建設并投產交付,書寫了整車工廠建設神話。

    特斯拉上海超級工廠位于上海最南端的臨港重裝備產業區,占地1200畝。雖然只有加州工廠一半面積,2021年竟然交付了48.4萬輛電動汽車,占特斯拉全球總交付量的51.7%,生產效率可見一斑。

    上海工廠布局圖


    站在加州工廠的肩膀上,上海工廠可以說順風順水。

    沿用了加州工廠已經驗證過的工藝之后,產量迅速提升。

    比如,沖壓工藝與加州工廠相同,上海工廠也使用了世界上最大的6000噸高壓壓鑄機。

    Model Y一體化后底板


    焊裝車間仍然追求高度自動化,500多個庫卡工業機器人同時作業,高密度的設置縮短了整條生產線的長度,對整體控制程序要求非常高。整個焊裝車間的自動化率超過了95%,這樣的水平在整個汽車行業都處于領先地位。

    上海工廠焊裝車間生產線


    上海工廠還有一個創新點,特斯拉獨特的物流倉儲系統,用集裝箱當作流動倉庫來代替傳統的物流車間,各種物料經此可以直接送入到生產現場。這樣的物流模式不需占用額外的土地空間且更加靈活高效。

    可轉運集裝箱代替存儲倉庫


    特斯拉上海工廠目前只是一期項目。二期項目已開始興建,將重點生產Model Y車型,預計2023年4月投產。屆時,年產能或將逐步提升至85萬輛。

    此外,特斯拉上海工廠還極力推進供應鏈本地化。馬斯克曾表示2020年底有望達到80%本地化,成本在不斷下降。

    近日,有媒體報道說,特斯拉將在上海設立第二工廠,增加45萬輛產能,讓特斯拉上海工廠成為“世界上最大的汽車出口樞紐”。

    上海工廠幾乎是汽車工業史上建造最快、量產爬坡最快的工廠。但特斯拉的技術革新一直在路上,今年落成的柏林工廠和德州工廠技術更加先進,生產制造能力將更加強大。

    03
    柏林工廠:技術大革新

    柏林工廠俯瞰圖


    柏林工廠重大事件時間軸;《電動汽車觀察家》整理制圖

    馬斯克又尬舞了。

    馬斯克在Model Y的交付儀式上跳舞


    2021年9月,特斯拉柏林工廠正式開業,馬斯克興奮得在Model Y的交付儀式上跳了一段尬舞。

    2021年10月,特斯拉柏林超級工廠舉辦開放日。之后,一段約3分鐘無人機拍攝的工廠影片流傳開來,震驚業界。

    柏林工廠布局圖


    除了常規的工藝,有三大技術革新亮點非同一般,分別是一體壓鑄技術、4680電芯和CTC(Cell to Chassis)底盤結構。

    第一大亮點是一體壓鑄技術,與加州和上海工廠不同的是,Model Y車型前底板生產也實現了一體化壓鑄生產,進一步提升生產效率。

    一體壓鑄生產的Model Y前底板


    后底板一體壓鑄技術在前面的加州工廠和上海工廠已經應用。

    從一體壓鑄機剛出爐的Model Y后底板


    前后一體式壓鑄車身和電池包合體之后就是下圖的狀態:一個史無前例,完全為電動車開發的承載式車身。

    前底板+電池包+后底板一體式結構


    新結構擁有很高的結構強度,且電芯布置得更集中,降低了車輛的轉動慣量,更有利于操控和轉向響應。三者結合實現了10%的輕量化,14%的續航提升潛力。更為難得的是,該結構減少了370個車身零部件,生產制造環節大幅削減,致使上百個工業機器人下崗。

    第二大亮點是4680大圓柱電芯工廠。

    特斯拉在加州工廠試生產4680電芯之后,在柏林工廠、德州工廠,都直接規劃建設了電芯工廠,直供汽車生產工廠。柏林這個電芯工廠規劃產能很大,馬斯克表示該電池廠將會成為世界上最大的電池制造工廠之一,產能每年可超過100GWh,甚至有可能達到200GWh到250GWh。

    當然,短期內這個電池工廠要先能實現量產。預計二季度能達到,配合柏林汽車產能,預估暫時目標是20GWh。

    第三大亮點是首次應用的CTC技術。

    “沒必要往盒子里再裝一個盒子?!瘪R斯克的靈感源于飛機油箱。早期的飛機是在機翼之中放一個油箱,這種設計就像如今電動車是在底盤上放一個電池包,這樣的設計對于空間其實并沒有利用到極致,在后來的發展中飛機的機翼直接集成了油箱設計,機翼即油箱。

    當柏林工廠的CTC技術遇上4680電池,極限制造無限可能,今年底的目標是45秒生產一輛Model Y白車身。

    柏林工廠4680+CTC結構展示


    對于特斯拉來說,柏林工廠的投產意義重大。馬斯克猶如在汽車工業的發源地德國插上了一把尖刀,憑借著激進的技術革新,與大眾和BBA等汽車品牌一決高下。

    這還沒完,最新建成的特斯拉德州工廠將成為宇宙級“生產機器的機器”。

    04
    德州工廠:世界最大單體建筑

    德州工廠俯瞰圖


    德州工廠重大事件時間軸;《電動汽車觀察家》整理制圖

    2021年12月1日,特斯拉總部撤離加州,搬到了德州。

    在特斯拉德州工廠竣工后,特斯拉這一舉動順理成章。德州工廠對于特斯拉而言,實在是非常重要。

    2020年5月開始建設,占地12000畝,5倍于加州、10倍于上海、近3倍于柏林的德州超級工廠。

    馬斯克提到說,德州工廠是全世界最大的單體建筑,大到可以容納 1940 億只倉鼠。如果將工廠立起來,它比迪拜塔還要高(迪拜哈利法塔高828米)。

    德州工廠立視圖:對比迪拜塔和埃菲爾鐵塔


    2022年4月,德州超級工廠投產交付,開始向外界展示其雄姿。

    德州超級工廠的生產制造思路跟 SpaceX 高效制造廉價火箭相近,秘訣在于高度垂直整合。把盡量多的零部件放在一個屋頂下生產制造,不僅減少物流,也方便工藝調整。

    德州工廠工藝布局平面圖


    特斯拉一直把其超級工廠稱為“生產機器的機器”,德州工廠是最先進、最高效的“機器”,是其制造能力集大成者。馬斯克用上了最極端的詞匯——世界最先進的汽車工廠,猶如外星科技。

    德州工廠和柏林工廠幾乎同期投產,生產工藝仍然有革新趨勢。

    在車身車間之前,既有沖壓件,也有一體壓鑄件。一體壓鑄件采用的技術與上個月剛開業的柏林工廠相同,暫時沒有技術迭代。不過,據馬斯克透露,未來有望使用8000噸的壓鑄機,壓鑄更大體積的零部件,將會應用在電動皮卡Cybertruck上。預計到時候,特斯拉可以實現前后車身一次壓鑄成型。

    在德州工廠,特斯拉4680電芯制造工藝及CTC排列技術又有迭代。

    首先是4680電芯,電芯底蓋的封裝方式經過重新設計,有可能是為了在極端情況下方便排氣,這樣設計安全性更高。同時,在電池報廢以后,也方便回收原材料。

    左側柏林工廠4680電芯,右側是德州工廠4680電芯


    另外,德州工廠展示了4680電芯組合成兩列掛了起來,一共掛了12組,正好組成一個電池包。

    掛起來的4680電芯,1列34或35個。


    電池包也掛著進行展示。

    德州工廠展示的電池包結構


    這里能看出德州工廠4680電池排布相較于柏林工廠改進升級,電芯布置更像是Model 3/Y的結構,縱向分4個區域排列,中間留有間隙。每兩列由34+35=69個電芯組成,并布一根溫控管。每個分區是69*3=207個電芯,整個電池Pack共有828個電芯。兩側加入了約25厘米寬的緩沖泡沫結構,還有縱向間隙,大大提升了安全性?!啊缎〖t書》wayne的生活”視頻講解道。

    德州工廠展示的電芯排列結構


    另外,值得期待的是,德州工廠將從2023年開始生產特斯拉皮卡Cybertruck、電動卡車Semi和跑車Roadster,將率先滿足北美市場的需求。

    特斯拉皮卡Cybertruck、電動卡車Semi、跑車Roadster


    而且,馬斯克在德克薩斯州Cyber Rodeo活動的演講中說道:“有望在明年開始生產Optimus的第一版”。人形機器人將更好地服務于人類,創造無限可能。

    特斯拉人形機器人簡介


    馬斯克在開業典禮上表示,德州工廠2022年主要任務是產能爬坡,而2023年將是特斯拉的新產品大年。隨著德克薩斯州工廠的投產,在高效的布局、一體化壓鑄、CTC以及4680電池的加持下,僅Model Y一款車型規劃的年產量就要達到50萬輛,未來產能將達100萬輛。

    05
    生產狂魔

    特斯拉這四大超級工廠如果全部達產,產能將超過260萬輛。在電動車企當中,特斯拉的產能規劃和進度,遙遙領先。

    但是,不要低估馬斯克的胃口。

    馬斯克在德州工廠開工儀式上表示,特斯拉希望占據全球汽車市場超20%的份額。這個預期,相當于現在全球車企老大——豐田汽車的兩倍。

    這可能嗎?

    已成“生產狂魔”的特斯拉,令人不敢小覷。特斯拉必將繼續擴產,繼續革新生產工藝。

    特斯拉已經在考慮建設第五個汽車工廠,可能會在2022年底宣布具體選址。相信,未來還會有第六個、第七個超級工廠,屆時的工廠,可能更像外星科技,更加顛覆。

    馬斯克領導下的特斯拉,為什么能在生產制造上也具備如此的領先優勢呢?

    (1)特斯拉從設計層面就考慮制造問題,盡量簡化設計,方便自動化、模塊化生產。

    馬斯克很愛說的一句話就是“if the process is long, the design is wrong.”如果這個實施的流程太長,那這個設計肯定是錯的。

    一個典型例子是,為了實現更高的自動化,特斯拉將整車線束的長度,從Model S的約3公里,縮短到Model 3的1.5公里。甚至,馬斯克還夸下???,Model Y的車內線束長度將不到100米。不過,首批Model Y拆解發現,線束長度和Model 3差不多。

    另一個典型的例子是還沒有量產的Cybertruck。它在設計上極致精簡,將打造最容易生產的汽車。它沒有雨刷,沒有轉向燈,沒有前保險杠,也沒有后視鏡。外覆蓋件目前都是平面的不銹鋼組合,同樣非常容易制造。

    (2)馬斯克基于第一性原理來重新思考汽車制造,絕不循規蹈矩,極力創新。

    傳統汽車工藝已經運行了近100年,沖、焊、涂、總四大工藝的常規配置流行已久。

    但是,馬斯克意識到這樣的模式下零部件過多,工藝太長。特斯拉幾乎憑借一己之力,強力推進一體式壓鑄技術,將車身部件數量大幅減少。

    就車身而言,本質是給汽車提供承載,需要足夠的剛度、強度,而如果一次壓鑄能夠做到,沒必要分件生產再組裝。

    在4680電池的設計、生產和組裝上,突出體現了第一性原理。4680電池能讓動力電池應用去掉所有中間環節,沒有了模組,也沒有了電池包。這就是 CTC底盤,這一設計下,新車有望減重10%,續航有望增加14%,而車身部件則能夠減少370個之多。無疑,這一設計也能大大提升生產效率。

    在應用創新技術方面,很多車企基于汽車的安全性考慮,可能會等待技術的成熟。但是馬斯克不一樣,他敢于大膽應用還未被證明過的技術,推動它的成熟。而多數時候,他都賭對了。

    (3)馬斯克絕不滿足,持續創新。

    電芯從18650到21700,再到4680;

    一體式壓鑄機,從能夠一次壓鑄后車身一側,到整個后車身,再到前車身,還要到整個車身;

    加州工廠嘗試極致自動化生產失敗,上海工廠繼續提升自動化率,柏林工廠、德州工廠繼續提升……

    特斯拉今天是生產狂魔,但它第一款車,基本上是全球大采購,一開始甚至在臺灣生產,后來才到加州大組裝。特斯拉的生產制造起點很低,但今天傲視全行業,靠的就是不斷創新。

    (4)馬斯克本人對于生產制造極大的熱情和投入,引導了特斯拉團隊在生產制造上的極致追求?!拔覀兿矚g制造業?!瘪R斯克曾對分析師們說。

    馬斯克早年在監督工廠新安裝的一個機器人

    盡管特斯拉一直以顛覆者姿態行事,但實際上馬斯克對汽車制造的理解非常深刻,也特別尊重、理解汽車規?;a的必要和難度。

    正因為如此,在加州工廠突破量產之后,馬斯克發給員工的郵件說,“我們已經成為一家真正的汽車公司?!?/span>

    回到特斯拉“生產地獄”的日子,馬斯克說,“那時候我睡在地板上,因為這樣,那些正在經歷困難的團隊成員們可以看到我睡在地板上而不是在象牙塔里,他們就會知道,無論他們經歷什么痛苦,我都在?!?/span>

    員工們都知道,老板投入精力做的事,那是確實重要的。與此對比,很多智能電動汽車的老板,仍然睡在象牙塔里。

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