特斯拉超级流水线进化史

树先生

特斯拉最重要的产品不是汽车，而是制造汽车的方式。

文丨李梓楠
编辑丨程曼祺




特斯拉的命运曾不被看好。戴姆勒前董事长 2015 年时评价特斯拉连车门都造不好，无法与德国的伟大汽车公司相提并论。7 年后，特斯拉的成就已无可争辩。它在全球拥有 4 家汽车工厂，每年能生产近 200 万辆汽车，去年卖出了 93 万辆汽车，今年要冲击 140 万销量。特斯拉去年的整车毛利率超过 30%，远超全球销量最大的车企丰田（19.6 %）， 也甩开了对标特斯拉的蔚来（20.1%）、小鹏（11.5%）和理想（21.3%）。


这种变化背后，一个不易被观察的转折点发生在 2018 年春天，特斯拉在它的第一座汽车工厂，加州弗里蒙特工厂的空地上搭建起了一个大帐篷来组装 Model 3。彼时特斯拉正陷入无法大规模交付 Model 3 的产能地狱中。这个大帐篷被嘲笑为 “蔬菜大棚”，还因违建被罚了 2.9 万美元。


也正是在这个帐篷中，特斯拉锻造了日后超级工厂的雏形。它从头探索了一套不同于传统汽车业的生产思路和实践，它由一些自研的自动化设备、复杂的软件系统和创新的工艺构成。它在产线中引入了自动驾驶的理念，让流水线和工位能随物料、订单等环境变化而学习、进化。


对生产效率和能力的极致追求也解释了特斯拉独特的产品设计和由此带来的高毛利。特斯拉多年来致力于减少汽车零部件，这能精简生产步骤、缩短生产时间、降低制造成本。2017 年开始交付的 Model 3 只有 1 万多个零部件，是 2012 年交付的 Model S 的三分之一。特斯拉之前，传统燃油车的零部件数量一般在 3 万个以上。


马斯克对制造能力的重要性有清楚认识。他在特斯拉 2017 年 Q3 的财报电话会上说：制造业竞争的本质就是制造能力的竞争，即工厂的竞争。


这篇文章回顾和拆解了特斯拉工厂进化的历史，和与提升制造能力对应的产品设计的变化。竞争对手已在模仿特斯拉工厂中的创新成果：比如蔚来和小鹏都在引入一体压铸工艺，减少制造白车身的零部件、缩短制造时间。但更重要、也更难被模仿的部分，是特斯拉做到这一切的思考方式。




最难的产品不是车，而是制造车的工厂




“最难的不是设计出 Model T，而是发现福特流水线那样的造车方式并建造胭脂河工厂。” 在 2017 年的一次财报会上，马斯克说，特斯拉把工厂视作一种产品，一种制造机器的机器。


特斯拉的工厂探索，始于 2010 年从通用和丰田手中买下加州弗里蒙特工厂，此后特斯拉陆续建立了内华达电池工厂、上海超级工厂、德国柏林工厂与美国得州奥斯汀工厂。


在特斯拉的工厂进化之路中，关键的转折点是 2017 年到 2019 年交付 Model 3 的阶段。这也是特斯拉陷入产能地狱的时期。


2016 年初 Model 3 发布时，特斯拉本计划先小规模量产，再爬坡至每周生产 5000 台。但暴涨的订单使马斯克将 Model 3 的交付时间从 2017 年底提前到了 2017 年 7 月，寄希望于建造一条高度自动化、不使用工人的流水线，以提升生产速度。


在 2018 年之前，马斯克想通过采购现成的机械臂、AGV（移动机器人，可在产线中运送物料）等设备实现自动化，效果糟糕。


在加州工厂，到 2017 年夏天工程师们还在教机器人识别和抓取不同颜色的电线。在内华达电池工厂，机器人在把数千节电池排到电池包里时，精度、速度远不如人类。特斯拉不得不向松下借调了数十名工人来手动组装电池包。2017 年第四季度，特斯拉只生产了 2425 辆 Model 3。


自动化生产 Model 3 的更大难点是 Model 3 改动频繁，马斯克希望产线也能及时跟上产品迭代，这意味着产线要非常灵活，能快速适应新的零部件和变动的流程。


传统车企的制造方式无法达到要求。在原本的流水线中，每个流程只重复一个固定工艺，机械臂等自动化设备的目标是快速、精准地完成单一步骤，而不是适应变化。


2017 年中，马斯克换了一种思路，他开始招募更多 “外行”。曾在通用做智能驾驶的工程师 Allen Chih Lun Pan 在那时加入了特斯拉的工厂团队。Allen 当时 33 岁，来自中国台湾，偏爱机器人、自动驾驶等被马斯克称为 “真实世界 AI”（Physical AI）的领域。相比特斯拉过去招募的有多年汽车生产经验的技术人员，Pan 和当时一批新加入者年轻、没有生产经验。


这正是马斯克看中的。“你脑子里没有汽车业陈旧的生产理念，你可以用另一种认知解决问题。” 马斯克招募 Allen 时曾说。


半年后，马斯克在 2018 年 4 月写了一封全员邮件，让所有与 Model 3 没有直接关系的研发人员都去工厂帮忙。特斯拉此时开始一件影响深远的事，建造 GA 4。


GA，General Assembly，即总装产线。此前，加州工厂一共有 3 条总装产线，其中 GA 3 负责生产 Model 3。


与前三条产线不同，GA 4 被安置在一个半永久的封闭 “大帐篷” 里。它长久以来被外界嘲笑为 “蔬菜大棚”，是特斯拉生产能力捉襟见肘的证明。


图：特斯拉加州工厂 GA 4 的俯瞰图（上）和内部（下）


但 Allen 告诉《晚点 Auto》，其实正是在 GA 4 里，特斯拉探索出了之后多个超级工厂的基础。


由于马斯克之前的那封邮件，不少本来和 Model 3 生产没关系的团队都聚到了工厂。Allen 此时认识了 Lukas Pankau，一位毕业于美国密歇根大学的 31 岁整车系统架构师，他于 2013 年加入特斯拉，负责 Model X、3、Y 的电子电气架构设计。


这两位背景、经验迥异的工程师开始从系统角度解决生产问题。Allen 称，当时特斯拉内部是一个 “赛马” 的状态，有不同小组提不同的方案。


考虑到 Model 3 的研发到量产的时间被大幅缩短，当时的生产仍伴随着产品的频繁迭代，Allen 和 Lukas 决定以物流物料为中心组织生产，并引入了自动驾驶技术理念。


自动驾驶由感知、决策、控制 3 部分组成，对应人开车时，眼看路（感知）、脑子思考怎么开（决策）、手脚操控车辆（控制）。投射到生产上，是感知、学习、自动化。感知的方法是在产线上部署传感器，监测各工站状态，以及相邻工站间的关系，哪里人员拥挤、哪里速度慢；学习则是在收集到的数据的基础上寻找优化空间，比如整合工站、调整顺序等；自动化是指最后的执行环节，即把新动作发送给工人和机械臂、AGV 等设备，然后再监测新的状态，再学习、执行，螺旋提升。


这套方案的软件载体是 MOS（Material Operation System，物流物料管理系统）和 MES（Manufacturing Execution System，生产执行系统），前者掌握物料情况，是生产的源头；后者调动人员和设备，是生产的实现。硬件载体是传感器和机械臂、AGV 等设备。Allen 在特斯拉最初半年的工作就是优化 AGV 和机械臂的智能控制器。他和同事一起改写了机械臂的底层软件，改装了特斯拉汽车中的控制器、电机，将它们用到了从头设计的 AGV 里。


在 2018 年 5 月的小规模测试后，这一方案得到了马斯克的支持，它被称为 Station Control （工站控制）。


Station Control 的一大特点是帮助特斯拉缩短研发车型到量产之间的周期。这种加快量产交付的方式与软件业的“敏捷开发”类似。在不停线的情况下，当总装车间某一流程的零部件缺失或变化时，这套系统可在数十秒内告诉设备或工人跳过这个环节，在后面合适的地方再接入，产线可继续运转。这打破了传统车企认为量产车型无法在线 “小步迭代” 的认知。


此外，这套方案也能发现哪些工站可被合并、精简，哪些步骤可变换顺序，这有利于提升产线节拍，减少工位数量，整体节省各工序后的质检时间，提升制造速度。


产线由此成为了一个可以学习、进化的整体，而不是被精细分工的相对固定的流程。Allen 称，2018-2019 年特斯拉快速迭代生产计划时， GA 4 的部分工站可能每半天就会调整一次任务。传统汽车工厂中，产线每年只能集中大调一次。


大帐篷里的新实验，帮助特斯拉走出了产能地狱。2018 年 7 月 1 日，马斯克宣布，特斯拉实现了每周生产 5000 辆 Model 3 的目标。这年夏天之前，特斯拉陆续裁掉了 4000 多人，其中不少是有多年传统汽车生产经验的管理和研发人员。特斯拉建立了一套不再依赖他们的生产体系。


GA 4 中被验证的生产方式于 2019 年被复制到了上海超级工厂，这是特斯拉第一个从 0 开始设计的汽车工厂。《晚点 Auto》此前报道，在今年 7 月扩产后，上海工厂可在不扩建厂房的情况下，将产能提升 20% 以上。得益于零部件功能集成、数量减少和产线迭代，Model 3 的总装步骤从 2017 年的 198 个减少到了 2020 年上半年的 43 个。当传统车企要新建工厂以增加产能，而特斯拉只需升级产线时，制造效率的竞争就结束了。


上海工厂同时展现了特斯拉工厂进化的另一脉络：对提升空间利用效率、压缩物流时间的极致追求。


特斯拉加州工厂的布局沿用传统汽车工厂：冲压、装配、喷涂、总装，这四大汽车制造环节各自拥有独立厂房，分散在厂区四处。而在上海工厂，这四大流程被全部整合到了一个占地 80 公顷的超大厂房里，面积相当于 110 个标准足球场。厂房中各环节都采用双层或多层结构，上层做组件制造，下层做组件运输。不仅追求平面空间效率，还追求立体空间效率。


图：加州工厂平面图（上）和为得州工厂平面图（下）


上海工厂设有一百多个道口，当运输零部件的集装箱货车驶进工厂后，会直接停到这些道口，集装箱门打开，零部件直接从集装箱进入产线，省去了卸货、零部件入库、出库、上产线的时间，也省去了一批库房，集装箱就是临时库房。


基于上海工厂的经验，特斯拉又在最近两年 “生产” 了德国柏林工厂和美国得州奥斯汀工厂。它们将共同服务特斯拉未来年产 2000 万台汽车的宏伟目标，这个数字接近中国去年的乘用车总销量（2148 万）。


回顾特斯拉走出产能地狱的过程，是一场没有妥协的胜利。如果放弃让产线跟随 Model 3 快速迭代的想法，特斯拉的工厂能利用更多前人遗产更快达标，但它坚持用自己的方式做到了卓越。他们不是在填补当下的窟窿，而是在积淀长期资产，用足够重的研发，筑起了足够深的护城河。




更容易制造的汽车




打造制造能力的努力不仅发生在工厂内部，也发生在产品设计阶段。2017 年时马斯克曾说，特斯拉的制造能力，很大程度来源于让车辆更容易制造。实现方法是：更少的零部件与更多的软件。


在 2008 年开始开发 Model S 时，特斯拉已在减少汽车零部件、简化制造工艺。


这一方面是新技术产品的宿命：你无法从市场上买到现成的好用、便宜的东西。


这之前，福特汽车时期那种自己买橡胶、造轮胎的高度垂直整合生产模式，已让位于更高效的产业链分工。到 1980 年代，车企承担的主要工序固定为冲压、焊接、涂装和总装。流水线开端是来自供应商的制成品，车企只需从 “货架上” 买零部件再放进车里即可。


但当特斯拉开发 Model S 时，这种方式行不通了。特斯拉想要的，供应商无法满足。特斯拉重回垂直整合，自己开发、制造更多东西。就像 IBM 在 1940 年代开始生产大型计算机时，从晶体管到打孔部件，都自研自产。


在设计 Model S 时，特斯拉为实现更快的加速功能，不得不自研特制的保险丝，以使车辆能承受短时间内激增的电流。特斯拉也会更深的参与供应商的开发过程。2013 年中，特斯拉发现电池冷却系统的一个零部件成本高、良率低，这是因为制造这个零部件需要分别加工焊接两个铝制品。特斯拉后来要求中国铸铝件供应商旭升股份通过一体压铸方式重新制造这个零部件，省去焊接过程。


减少零部件同时是马斯克的主观意愿。


Model S 在车内嵌入了一个 17 英寸的触摸屏，将原本汽车中的空调调节、车内娱乐设备调节等功能集成到一个屏幕中。除了应急灯等法律要求保留的实体开关，其他数十个按钮都被淘汰。


当工程师们想在 Model S 的方向盘外再设置一个车灯开关时，马斯克感到愤怒：“他们竟然想弄个该死的开关，写软件解决，天黑时车灯自动打开，就这么简单。”


Model S 之后的一款车型，是 2012 年开始研发的 SUV Model X，它不在 “容易制造” 的汽车之列。采用鹰翼门设计的 Model X 更像一个艺术品，制造难度极大。2017 年 Q1 的财报电话会上，马斯克承认特斯拉在 Model X 上犯的最大错误就是设计了太多复杂功能。


这之后，第一款肩负起大规模量产目标的特斯拉车型是 2015 年开始研发的 Model 3。


Model 3 的零部件进一步减少。当车主坐到 Model S 中时，除了中控屏外，他们依然可以看到仪表盘。而 Model 3 彻底去掉了仪表盘，把所有控制和包括车速在内的汽车状态显示都放到了中控屏上。


Model 3 上有一个 “超级水壶”，同时负责电池、电机和空调三个系统的冷却。而与 Model 3 同一年上市、初始售价同为 3.5 万美元的雪弗兰 Bolt EV 则是用三个分开的水壶实现了上述功能。


在 Model S 和 X 的基础上，Model 3 更整体性的变化是电子电器架构的集中化，它使用了更少的 ECU（电子控制单元）和更短的线束。


一辆传统汽车上，开灯、空调等功能都需单独的 ECU 来控制，同时需要用线束来连接这些 ECU。Model 3 之前的汽车，一般有约 80 个 ECU，线束可长达数公里。如 2019 年上市的大众新高尔夫有 70 个 ECU，背后是超过两百个供应商；奥迪 A8 的线束长度超过 6 公里。


Model 3 将其他汽车上数量众多的 ECU 控制器替换成了 1 个集成式的计算模块和三个车身控制模块。每一模块负责附近区域的多个 ECU 的数据处理工作，这样能用更少的 ECU、更少的芯片和更短的线束实现同样甚至更多的功能。


最终，Model 3 的 ECU 从过去汽车上的数十个减少到了十多个，零部件总数从 Model S 时的超过 3 万个减少到 1 万多个，线束长度则在 Model S 基础上又少了一半，只有 1.5 公里。


电子电气架构的集中化需要很强的软件能力，在传统车企中，ECU 的软件都由供应商编写。特斯拉减少 ECU 数量意味着要重新开发能控制多个功能的软件，靠软件确保让更少的硬件实现同样的功能。特斯拉的软硬件能力让它减少了对供应链的依赖。在芯片荒的时候，传统车企的工程师在等供应商把芯片送过来，而特斯拉的工程师在重写代码，用通用芯片替代短缺的芯片。


Model Y 的电子电气架构设计大部分延用了 Model 3。它的进步在于，采用一体压铸、CTC（ Cell to Chassis，将电芯直接集成到底盘）、4680 电池等新技术组合，提升了车身和三电动力总成的制造与组装效率。


据《连线杂志》报道，在 Model Y 上采用的一体压铸技术的灵感，来自马斯克办公桌上的一辆锌合金玩具车。英国玩具厂在 1950 年代就用压铸方式制造这种玩具车，工人把模具装进铸造机，舀一勺溶化的锌合金注入机器，几秒钟就能造出一辆玩具车，一台铸造机，每天能造 7000 辆。


马斯克想用这种造玩具车的方式造车，这需要找到合适的材料与设备。


2016 年，马斯克创立的 Space X 挖来了苹果的合金专家查尔斯 · 柯伊曼负责 Space X 的材料工程团队，他是 MacBook 金属外壳的设计者。两年后，柯伊曼研发出了适合高强度压铸的铝合金材料，Space X 将这项技术转让给了特斯拉。


有了专用金属材料后，特斯拉在 2019 年找到香港力劲集团，后者造出了世界首台拥有 6000 吨锁模力（压铸机施加给模具的锁紧力）的压铸机。


2020 年 6 月，特斯拉拆掉加州工厂的一个备用车间，造了一个拱形金属厂房。两个月后，这里矗立起了一台长 19.5 米、高 5.3 米，重达 410 吨的压铸机。


图：特斯拉工厂内的一体压铸机


在这台压铸机中倒入溶化的铝合金，90 秒后，一块全新的 Model Y 后底板就会下线。后车身底板原本的 700-800 个焊接点被减少到了 50 个， 70 个零部件骤减为两个，白车身制造时间由传统工艺（将各种钣金件焊接成车上钢架）的 1-2 小时缩减至 3-5 分钟。


特斯拉接下来计划用 2-3 个大型压铸件替换由 370 个零部件组成的整个下车体总成，这将使总车重量降低 10%，整车续航里程增加 14%。


除一体压铸外，特斯拉在研发电池技术时，也尽力减少零部件。


原本的动力电池生产流程是将电芯模组打包好再放进车里，特斯拉则把电芯模组直接集成到底盘，这就是 CTC 技术，这项改进受飞机机翼油箱的启发，“机翼就是油箱，而不是在机翼里再塞一个油箱。” 马斯克说。


采用 CTC 技术后，Model Y 减少了 370 个零部件，下车体总成重量降低 30%，制造成本下降了 40%。




其它车企在模仿特斯拉的动作，却很难模仿它的思考方式




特斯拉是一家 CEO 个人意志极强的公司。马斯克的思考方式，决定了特斯拉提升制造能力和解决其它问题的方法。


马斯克奉行第一性原理，在解决问题时将事物解构成基本要素，从头开始寻找最优解，不轻易相信已有的做法。特斯拉员工手册的第一句话是：我们是特斯拉，我们正在改变世界，我们愿意重新思考一切。


在特斯拉创业早期，投资人认为锂电池成本过高，当时每千瓦时锂电池售价 600 美元，一台 70 千瓦时的电动车的电池成本高达 4.2 万美元。马斯克的思考方式是，把锂电池拆解成锂、钴、镍等金属材料，得到每千瓦时锂电池所需材料的价格为 82 美元，他认为从原理上看，锂电池成本可以通过大规模制造降低。2010 年以后，锂电池成本以每年约 10% 的幅度下降，2022 年每千瓦时锂电池的售价约为 170 美元。


另一个例子是，2012 年特斯拉在造大电流保险丝时，工程师认为现有工艺造不出来，马斯克却认为只要保险丝的设计没有超越材料的物理极限，就能造出来。特斯拉最后确实设计并制造了这根保险丝。


快速尝试快速失败，不断重复这个过程，是硅谷软件业的方法论，马斯克将这个理念带到特斯拉。


Allen 告诉《晚点 Auto》，特斯拉内部有一套 “333” 工作机制。当工程师有新点子或遇到难题时，他有三天的时间思考研究，三天时间收集解决问题所需的材料，三天时间做出样品或者论证想法的可行性。这之后，特斯拉会给工程师 10- 90 天不等的时间将设想变成 Demo（原型），然后逐步迭代。


在特斯拉，技术研发的失败不是真的失败。一位特斯拉工程师说，当研发人员问马斯克要交付什么时，马斯克会说：“我不在乎你能否成功，重要的是完整记录研发过程。”


特斯拉早期在研发 Model S 时曾设计了一个可以给汽车充电的蛇形机器人，但机器人打开充电盖的效率过低。这个当时被放弃的方案后来被用到了特斯拉工厂里的无人叉车末端，让叉车在拾取托盘、物料时更灵活。马斯克同时经营多家高科技公司，技术会在这些公司之间流通，一个技术如果在特斯拉失败了，也可能被应用到其他方向。


图：特斯拉研发的自动充电机器人


不少车企在模仿特斯拉的动作。大众等车企开始注重软件能力，并发布与特斯拉类似的中央集成式的电子电气架构。沃尔沃、小鹏和蔚来宣布会在 2025 年前使用一体压铸技术。Allen 和 Lukas 去年一起在北京创立了 Industrial Next（英达视）公司，计划改进升级已在特斯拉验证过的产线技术，推广给其它车企。他们看到了中国车企学习特斯拉软件定义制造的需求。


马斯克不会安于现状。即使面对看起来已被解决的问题，特斯拉也在考虑其它解题方式，比如探索一体压铸以外的车身一体成型方案，更好的一体成型方案将来也可能被用作制造 Space X 火箭。


通过改造工厂、改造汽车，也通过把工厂当作产品去打磨，特斯拉从一个大规模量产汽车的门外汉成为了新一代制造方式的引领者。特斯拉最重要的产品不是汽车，而是制造汽车的方法，和发明出这种方法的能力。




题图：Rivista Automobilismo 拍摄的加州工厂涂装车间

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兄弟！莫激动！

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