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特斯拉的另一面:“生产狂魔”

“我认为我比目前地球上活着的任何人都更了解制造业。”

4月14日,特斯拉CEO马斯克与TED的负责人Chris Anderson对谈时,如此回答关于特斯拉制造优势的提问。

马斯克说,“我在弗里蒙特和内华达工厂住了3年,修理生产线,像疯子一样跑遍了工厂的每一个角落。和团队一起生活,睡在地板上。”

马斯克说的这3年,是2017年-2019年。正是在这一时期,特斯拉实现了量产爬坡,人类历史上第一次进入到大规模生产电动汽车的阶段。

之后的2020年、2021年,特斯拉交付量分别逼近50万辆和100万辆关口,今年有望超过150万辆。在电动汽车的生产上,特斯拉的规模一骑绝尘,比第二名要领先很多。

资料来源:特斯拉年报,《电动汽车观察家》整理

与特斯拉的在电动、智能上的研发创新、模式创新相比,特斯拉的另一面——堪称“生产狂魔”的能力一直被低估。

特斯拉不仅能研发设计出最好的电动汽车,而且还能最高效、最低成本地生产电动汽车——2021年,特斯拉汽车业务毛利率30.9%。

这个数字可以让全球车企沉默,也狠狠打脸早期质疑特斯拉不能盈利的人。

有必要充分研究特斯拉的生产制造能力,不仅能帮助我们理解特斯拉,也能让追赶者明白,生产制造的差距,也是必须发力追赶的。

01

美国加州工厂:试验基地

加州工厂俯瞰图

加州工厂重大事件时间轴;《电动汽车观察家》整理制图

生产了北美三分之二的电动汽车的加州工厂,是特斯拉花4200万美元捡的便宜。

2010年,汽车行业还没有从金融风暴的沉重打击中恢复。原本持有加州工厂的丰田和通用急于减负,特斯拉幸运地以4200万美元买下了原本价值10亿美元的工厂。

当时,特斯拉只有Roadster一款车,基于莲花公司的2500个底盘生产。特斯拉买下的这个工厂,经过简单的改造便投入使用,因为量太少,凑合着就能用。

2012年6月,全球第一辆Model S下线,交付给了特斯拉SpaceX董事Steve Jurvetson。那时,加州弗里蒙特工厂每周只能生产60辆汽车。

2012年,特斯拉在加州工厂开始生产Model S;2015年三季度,又开始生产Model X;2017年三季度,又开始生产Model 3;2020年,Model Y也开始在这里生产。

资料来源:特斯拉公告

在2017年之前,特斯拉年产量都在10万辆以下,对于加州工厂而言,没有多少挑战。而且,早期特斯拉对数量没有太多追求,并不去设计太难生产的车。

注:不含Roadster,资料来源:特斯拉公告

不过,在这过程中,加州工厂的一些弊端逐渐暴露。特斯拉也在不断修修补补。

工厂讲究物流运输尽可能优化使路线最短,从而降本增效。但从加州工厂原有工艺布局来看,冲压车间到焊接车间,焊接到涂装,塑料零部件到总装车间的距离都比较远。这样的工艺布局显然是不合理的。

特斯拉一直在升级改造加州工厂,以支持产量增长。

2014年,加州工厂员工人数达到2000人,一半面积的区域经过优化改造后投入使用,工艺布局也更加紧凑,生产效率有所提升。

工艺布局升级改造后的加州工厂

但是,缝缝补补又三年之后,加州工厂遭遇了前所未有的挑战。

2016年4月,特斯拉首款平民车型——Model 3在美国发布,新车型一经发布,20天狂扫订单40万辆。特斯拉迎来幸福的烦恼——这么多的订单。怎么尽快交付?要知道,当年特斯拉的年产量,不过7万多辆。

大规模量产的难度超越想象。前面提到的马斯克睡工厂的2017-2019年,正是特斯拉加州工厂量产爬坡的三年。

马斯克一开始希望工厂极致自动化,用机器制造机器。特斯拉设计了拥有超过1000台机器人及装配机器的高度自动化生产线,机器人参与冲压生产、车身、烤漆与组装中的生产制造工作。而且,Model 3是平民车型,必须大幅降本,减少人力支出。但是,实际效果却远不如预期。

2016年时,马斯克曾表示,到2017年底,特斯拉可以每月生产2万辆。然而到2017年第四季度,加州工厂只生产了2425辆Model 3。

马斯克也不得不承认错误。他在Twitter上回应批评说,“是的,特斯拉的过度自动化是个错误。确切地说,是我的错误。人类被低估了!”

特斯拉做了调整,以一定程度的半自动化以及人工装配取代了部分全自动化。最终,Model 3组装生产线的自动化程度仍然高达95%,包括运输、装载以及零部件焊接。

2018年,马斯克接管了工厂。面对质疑,他说,“作为首席执行官,我的工作是专注于最关键的方面,即目前的Model 3生产。

在CBS一档节目中,马斯克向记者展示他睡觉的沙发。这个沙发太窄,有时马斯克索性睡在地上。图右桌上的就是他的睡袋。

马斯克为了提升Model 3产能,和团队一起生活在工厂里,加班加点、没日没夜地工作。2018年,马斯克还在加州工厂周边搭建简易帐篷总装生产线,终于实现了每周生产5000辆的目标,当年产能达到了20多万辆。

加州帐篷工厂总装车间

不过,周产5000辆并不能满足马斯克。他对生产效率的提升是无止境的。而他的解决方案,是革命性地改变汽车生产方式。

Model Y的推出,承载了特斯拉一次革新。2020年,特斯拉宣布将用创新造车的方式,使用一体化铸造技术,将Model Y后底板原本79个组件直接铸成一体,大幅提升了生产效率。

在传统的冲压工艺中,应用较多的压铸机也就是在2000吨左右。特斯拉设计了堪称世界最大的6000吨压铸机,其在汽车行业的规模是前所未有的。此压铸机率先在加州工厂使用。

IDRA的OL6100CS大型一体式压铸设备

另外,在Model Y上,马斯克持续推动自动化,在生产线上引入更多的机器人。

除了生产汽车,加州工厂还建设了4680电池试产线。

4680电池要比特斯拉此前应用的21700电池体型更大,将提升54%的续航并降低56%的成本。

7号电池、5号电池、18650、21700和46800电池对比

今年1月,第100万块试生产4680电池在加州工厂下线。产品检测报告显示,14条试生产线的良品率达到了92%,基本符合量产最低标准。今年底将在新开业的柏林工厂和德州工厂量产。

还有,特斯拉嫌供应商的座椅不好,还在加州整车工厂附近自建了一个座椅工厂。

加州工厂作为特斯拉第一座超级工厂,承载了太多试验基地的功能,势必存在工程经验、生产经验不足等问题。在马斯克的疯狂技术革新及升级改造下,加州工厂年产能已提升至60万辆,但依然不能满足巨大的市场需求。

但在加州工厂,特斯拉完成了小批量到大批量生产的蝶变。

02

上海工厂:年交付超48万辆

上海工厂俯瞰图

上海工厂重大事件时间轴;《电动汽车观察家》整理制图

特斯拉要继续扩充版图,只在美国设工厂肯定不行。特斯拉走出去的第一站,就是它最看重的市场——中国。

在热切希望招商引资的中国地方政府眼中,特斯拉得万千宠爱于一身。最终,特斯拉花落上海。

上海市政府为了引进特斯拉这条鲶鱼,不仅在土地和税收方面提供特殊优惠政策,在建设方面也大开绿灯。在2019年一年的时间里,工厂完成建设并投产交付,书写了整车工厂建设神话。

特斯拉上海超级工厂位于上海最南端的临港重装备产业区,占地1200亩。虽然只有加州工厂一半面积,2021年竟然交付了48.4万辆电动汽车,占特斯拉全球总交付量的51.7%,生产效率可见一斑。

上海工厂布局图

站在加州工厂的肩膀上,上海工厂可以说顺风顺水。

沿用了加州工厂已经验证过的工艺之后,产量迅速提升。

比如,冲压工艺与加州工厂相同,上海工厂也使用了世界上最大的6000吨高压压铸机。

Model Y一体化后底板

焊装车间仍然追求高度自动化,500多个库卡工业机器人同时作业,高密度的设置缩短了整条生产线的长度,对整体控制程序要求非常高。整个焊装车间的自动化率超过了95%,这样的水平在整个汽车行业都处于领先地位。

上海工厂焊装车间生产线

上海工厂还有一个创新点,特斯拉独特的物流仓储系统,用集装箱当作流动仓库来代替传统的物流车间,各种物料经此可以直接送入到生产现场。这样的物流模式不需占用额外的土地空间且更加灵活高效。

可转运集装箱代替存储仓库

特斯拉上海工厂目前只是一期项目。二期项目已开始兴建,将重点生产Model Y车型,预计2023年4月投产。届时,年产能或将逐步提升至85万辆。

此外,特斯拉上海工厂还极力推进供应链本地化。马斯克曾表示2020年底有望达到80%本地化,成本在不断下降。

近日,有媒体报道说,特斯拉将在上海设立第二工厂,增加45万辆产能,让特斯拉上海工厂成为“世界上最大的汽车出口枢纽”。

上海工厂几乎是汽车工业史上建造最快、量产爬坡最快的工厂。但特斯拉的技术革新一直在路上,今年落成的柏林工厂和德州工厂技术更加先进,生产制造能力将更加强大。

03

柏林工厂:技术大革新

柏林工厂俯瞰图

柏林工厂重大事件时间轴;《电动汽车观察家》整理制图

马斯克又尬舞了。

马斯克在Model Y的交付仪式上跳舞

2021年9月,特斯拉柏林工厂正式开业,马斯克兴奋得在Model Y的交付仪式上跳了一段尬舞。

2021年10月,特斯拉柏林超级工厂举办开放日。之后,一段约3分钟无人机拍摄的工厂影片流传开来,震惊业界。

柏林工厂布局图

除了常规的工艺,有三大技术革新亮点非同一般,分别是一体压铸技术、4680电芯和CTC(Cell to Chassis)底盘结构。

第一大亮点是一体压铸技术,与加州和上海工厂不同的是,Model Y车型前底板生产也实现了一体化压铸生产,进一步提升生产效率。

一体压铸生产的Model Y前底板

后底板一体压铸技术在前面的加州工厂和上海工厂已经应用。

从一体压铸机刚出炉的Model Y后底板

前后一体式压铸车身和电池包合体之后就是下图的状态:一个史无前例,完全为电动车开发的承载式车身。

前底板+电池包+后底板一体式结构

新结构拥有很高的结构强度,且电芯布置得更集中,降低了车辆的转动惯量,更有利于操控和转向响应。三者结合实现了10%的轻量化,14%的续航提升潜力。更为难得的是,该结构减少了370个车身零部件,生产制造环节大幅削减,致使上百个工业机器人下岗。

第二大亮点是4680大圆柱电芯工厂。

特斯拉在加州工厂试生产4680电芯之后,在柏林工厂、德州工厂,都直接规划建设了电芯工厂,直供汽车生产工厂。柏林这个电芯工厂规划产能很大,马斯克表示该电池厂将会成为世界上最大的电池制造工厂之一,产能每年可超过100GWh,甚至有可能达到200GWh到250GWh。

当然,短期内这个电池工厂要先能实现量产。预计二季度能达到,配合柏林汽车产能,预估暂时目标是20GWh。

第三大亮点是首次应用的CTC技术。

“没必要往盒子里再装一个盒子。”马斯克的灵感源于飞机油箱。早期的飞机是在机翼之中放一个油箱,这种设计就像如今电动车是在底盘上放一个电池包,这样的设计对于空间其实并没有利用到极致,在后来的发展中飞机的机翼直接集成了油箱设计,机翼即油箱。

当柏林工厂的CTC技术遇上4680电池,极限制造无限可能,今年底的目标是45秒生产一辆Model Y白车身。

柏林工厂4680+CTC结构展示

对于特斯拉来说,柏林工厂的投产意义重大。马斯克犹如在汽车工业的发源地德国插上了一把尖刀,凭借着激进的技术革新,与大众和BBA等汽车品牌一决高下。

这还没完,最新建成的特斯拉德州工厂将成为宇宙级“生产机器的机器”。

04

德州工厂:世界最大单体建筑

德州工厂俯瞰图

德州工厂重大事件时间轴;《电动汽车观察家》整理制图

2021年12月1日,特斯拉总部撤离加州,搬到了德州。

在特斯拉德州工厂竣工后,特斯拉这一举动顺理成章。德州工厂对于特斯拉而言,实在是非常重要。

2020年5月开始建设,占地12000亩,5倍于加州、10倍于上海、近3倍于柏林的德州超级工厂。

马斯克提到说,德州工厂是全世界最大的单体建筑,大到可以容纳 1940 亿只仓鼠。如果将工厂立起来,它比迪拜塔还要高(迪拜哈利法塔高828米)。

德州工厂立视图:对比迪拜塔和埃菲尔铁塔

2022年4月,德州超级工厂投产交付,开始向外界展示其雄姿。

德州超级工厂的生产制造思路跟 SpaceX 高效制造廉价火箭相近,秘诀在于高度垂直整合。把尽量多的零部件放在一个屋顶下生产制造,不仅减少物流,也方便工艺调整。

德州工厂工艺布局平面图

特斯拉一直把其超级工厂称为“生产机器的机器”,德州工厂是最先进、最高效的“机器”,是其制造能力集大成者。马斯克用上了最极端的词汇——世界最先进的汽车工厂,犹如外星科技。

德州工厂和柏林工厂几乎同期投产,生产工艺仍然有革新趋势。

在车身车间之前,既有冲压件,也有一体压铸件。一体压铸件采用的技术与上个月刚开业的柏林工厂相同,暂时没有技术迭代。不过,据马斯克透露,未来有望使用8000吨的压铸机,压铸更大体积的零部件,将会应用在电动皮卡Cybertruck上。预计到时候,特斯拉可以实现前后车身一次压铸成型。

在德州工厂,特斯拉4680电芯制造工艺及CTC排列技术又有迭代。

首先是4680电芯,电芯底盖的封装方式经过重新设计,有可能是为了在极端情况下方便排气,这样设计安全性更高。同时,在电池报废以后,也方便回收原材料。

左侧柏林工厂4680电芯,右侧是德州工厂4680电芯

另外,德州工厂展示了4680电芯组合成两列挂了起来,一共挂了12组,正好组成一个电池包。

挂起来的4680电芯,1列34或35个。

电池包也挂着进行展示。

德州工厂展示的电池包结构

这里能看出德州工厂4680电池排布相较于柏林工厂改进升级,电芯布置更像是Model 3/Y的结构,纵向分4个区域排列,中间留有间隙。每两列由34+35=69个电芯组成,并布一根温控管。每个分区是69*3=207个电芯,整个电池Pack共有828个电芯。两侧加入了约25厘米宽的缓冲泡沫结构,还有纵向间隙,大大提升了安全性。“《小红书》wayne的生活”视频讲解道。

德州工厂展示的电芯排列结构

另外,值得期待的是,德州工厂将从2023年开始生产特斯拉皮卡Cybertruck、电动卡车Semi和跑车Roadster,将率先满足北美市场的需求。

特斯拉皮卡Cybertruck、电动卡车Semi、跑车Roadster

而且,马斯克在德克萨斯州Cyber Rodeo活动的演讲中说道:“有望在明年开始生产Optimus的第一版”。人形机器人将更好地服务于人类,创造无限可能。

特斯拉人形机器人简介

马斯克在开业典礼上表示,德州工厂2022年主要任务是产能爬坡,而2023年将是特斯拉的新产品大年。随着德克萨斯州工厂的投产,在高效的布局、一体化压铸、CTC以及4680电池的加持下,仅Model Y一款车型规划的年产量就要达到50万辆,未来产能将达100万辆。

05

生产狂魔

特斯拉这四大超级工厂如果全部达产,产能将超过260万辆。在电动车企当中,特斯拉的产能规划和进度,遥遥领先。

但是,不要低估马斯克的胃口。

马斯克在德州工厂开工仪式上表示,特斯拉希望占据全球汽车市场超20%的份额。这个预期,相当于现在全球车企老大——丰田汽车的两倍。

这可能吗?

已成“生产狂魔”的特斯拉,令人不敢小觑。特斯拉必将继续扩产,继续革新生产工艺。

特斯拉已经在考虑建设第五个汽车工厂,可能会在2022年底宣布具体选址。相信,未来还会有第六个、第七个超级工厂,届时的工厂,可能更像外星科技,更加颠覆。

马斯克领导下的特斯拉,为什么能在生产制造上也具备如此的领先优势呢?

(1)特斯拉从设计层面就考虑制造问题,尽量简化设计,方便自动化、模块化生产。

马斯克很爱说的一句话就是“if the process is long, the design is wrong.”如果这个实施的流程太长,那这个设计肯定是错的。

一个典型例子是,为了实现更高的自动化,特斯拉将整车线束的长度,从Model S的约3公里,缩短到Model 3的1.5公里。甚至,马斯克还夸下海口,Model Y的车内线束长度将不到100米。不过,首批Model Y拆解发现,线束长度和Model 3差不多。

另一个典型的例子是还没有量产的Cybertruck。它在设计上极致精简,将打造最容易生产的汽车。它没有雨刷,没有转向灯,没有前保险杠,也没有后视镜。外覆盖件目前都是平面的不锈钢组合,同样非常容易制造。

(2)马斯克基于第一性原理来重新思考汽车制造,绝不循规蹈矩,极力创新。

传统汽车工艺已经运行了近100年,冲、焊、涂、总四大工艺的常规配置流行已久。

但是,马斯克意识到这样的模式下零部件过多,工艺太长。特斯拉几乎凭借一己之力,强力推进一体式压铸技术,将车身部件数量大幅减少。

就车身而言,本质是给汽车提供承载,需要足够的刚度、强度,而如果一次压铸能够做到,没必要分件生产再组装。

在4680电池的设计、生产和组装上,突出体现了第一性原理。4680电池能让动力电池应用去掉所有中间环节,没有了模组,也没有了电池包。这就是 CTC底盘,这一设计下,新车有望减重10%,续航有望增加14%,而车身部件则能够减少370个之多。无疑,这一设计也能大大提升生产效率。

在应用创新技术方面,很多车企基于汽车的安全性考虑,可能会等待技术的成熟。但是马斯克不一样,他敢于大胆应用还未被证明过的技术,推动它的成熟。而多数时候,他都赌对了。

(3)马斯克绝不满足,持续创新。

电芯从18650到21700,再到4680;

一体式压铸机,从能够一次压铸后车身一侧,到整个后车身,再到前车身,还要到整个车身;

加州工厂尝试极致自动化生产失败,上海工厂继续提升自动化率,柏林工厂、德州工厂继续提升……

特斯拉今天是生产狂魔,但它第一款车,基本上是全球大采购,一开始甚至在台湾生产,后来才到加州大组装。特斯拉的生产制造起点很低,但今天傲视全行业,靠的就是不断创新。

(4)马斯克本人对于生产制造极大的热情和投入,引导了特斯拉团队在生产制造上的极致追求。“我们喜欢制造业。”马斯克曾对分析师们说。

马斯克早年在监督工厂新安装的一个机器人

尽管特斯拉一直以颠覆者姿态行事,但实际上马斯克对汽车制造的理解非常深刻,也特别尊重、理解汽车规模化生产的必要和难度。

正因为如此,在加州工厂突破量产之后,马斯克发给员工的邮件说,“我们已经成为一家真正的汽车公司。”

回到特斯拉“生产地狱”的日子,马斯克说,“那时候我睡在地板上,因为这样,那些正在经历困难的团队成员们可以看到我睡在地板上而不是在象牙塔里,他们就会知道,无论他们经历什么痛苦,我都在。”

员工们都知道,老板投入精力做的事,那是确实重要的。与此对比,很多智能电动汽车的老板,仍然睡在象牙塔里。

——END——

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