向马斯克学创新 | 特斯拉结构化电池创新背后的思维方式
2021年10月初，特斯拉在德国柏林举办了“Giga Fest”开放日活动，着重展示了即将在柏林工厂投产的Model Y的相关信息，包括一体式压铸车身、4680电芯、结构化电池、以及可变身投影仪的车灯等黑科技。
作为产品结构设计工程师，结构化电池引起我的极大兴趣，马斯克夸张地说结构化电池是工程领域的革命。
本文将试着分析结构化电池的结构和创新过程，并从中总结出可供借鉴和学习的创新规律、原理和思维方式：
1）跨行业思维
2）DFA思维“减少零件数量，简化产品设计”
3）TRIZ向超系统进化法则
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特斯拉结构化电池
1.1 传统动力电池包
在开始分析结构化电池之前，我们先了解什么是传统动力电池包。
目前，电动汽车都是采用将电芯或者模组封装成电池包，然后嵌入到车身内的设计，电池包与车身是分别独立的组件，如下图所示。
▲特斯拉传统2170电池包
传统动力电池包具有两个特点：
1）与车身分离
传统动力电池包与汽车车身分离，作为一个单独模组，通过螺栓等紧固方式组装在汽车车身上。
▲电池包与车身分离
2）不能作为车身结构件
传统动力电池包本身强度有限，仅限于为电池提供保护，无法承受额外较大载荷、以及作为一个受力结构件使用（例如成为汽车车身的一部分，承受冲击和扭曲载荷）。
所以，当我们把传统动力电池包组装在汽车车身上时，这不但会增加紧固工序，还需要额外增加结构件补强，以保证整个车身的结构强度满足要求。
这样的后果就是零部件数量多，制造复杂，占用空间大，成本高，电动车的续航里程也会相应的受到影响。
▲传统电池包需额外补强（红色所示）
例如，在当前的特斯拉Model 3车身结构中，就增加了额外的补强。
▲特斯拉复杂的Modle 3车身结构
而如图款燃油汽车的复杂底盘结构，更能体现出车身补强的重要性。
▲燃油车的复杂底盘结构
1.2 结构化电池
基于传统动力电池的缺点，很多企业正在研发CTC（Cell to Classic）技术。
CTC技术取消PACK设计，直接将电芯或模组安装在车身上，以车身结构充当电池包外壳。
特斯拉的结构化电池（Structure battery）就是CTC技术的一种实现，结构化电池不仅仅是用于存储电芯，同时起着结构化的作用，用于替代原来的部分汽车车身。
马斯克认为，结构化电池是工程领域的一个重大突破。
1）电池即底盘
结构化电池不再有电池模组，而是直接铺满4680电芯，使电池内的零部件大幅减少，提高了电池的体积利用率。
▲特斯拉结构化电池
结构化电池，取消了电池上盖，把电池上盖与车身底盘合二为一，电池即底盘。
在这样的设计下，前排座椅可以直接固定在电池上。
从下图可以看出，座椅是直接安装在电池上的，座椅和电池之间设计了几根方钢来进行垫高和加强。
▲前排座椅直接固定在电池上
2）结构胶补强
特斯拉结构化电池，在电芯上下和电芯之间的间隙通过环氧树脂胶灌封，起到了结构连接的作用。
众多电芯与电池上下盖以及侧边在胶水的连接下，形成蜂窝状的结构，从而提供足够高的结构强度。
这相当于使用蜂窝状的胶水粘接结构，来替代原来汽车车身上的复杂结构补强件。
▲蜂窝状的胶水粘接结构
1.3 结构化电池和一体式车身
结构化电池和车身合体之后，就组成了一个史无前例、完全为电动车开发的承载式车身。
新结构拥有很高的结构强度和刚度，马斯克说采用这样结构的敞篷车可以拥有比非敞篷硬顶车更好的刚性，并且在电芯布置得更为集中之后还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% 的续航提升潜力以及非常难得的一点——减少了 370 个车身零部件。
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启示1：跨行业的思维方式
马斯克谈及结构化电池时，他表示这种灵感源于飞机油箱。
“没必要往盒子里再装一个盒子”
早期的飞机是在机翼之中放一个油箱，这种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。
▲飞机油箱的创新
“将机翼作为油箱，而不是将油箱建在机翼内”，受到飞机领域这一创新的启发，特斯拉决定制造出一个能够作为车身结构的电池包，该电池包能够将车身底部前后的部件都连接起来。
或者换句话说就是，车身底盘即电池，将底盘做成一个可以容纳电池的部件。
那么，从特斯拉的灵感来源，我们又得到什么创新的启示呢？
这个启示就是：
产品结构设计的技术在不同行业存在发展不平衡，有的行业比较领先，有的行业比较落后。
当我们想要创新时，我们需要具备跨行业思维，借鉴其它行业的先进经验和现成结构，站在巨人的肩膀上，快速高效地创新。
跨行业思维非常适用于以下三种情形：
- 当我们处于一个行业的领先者地位时，没有同行业公司可以对标和学习时，我们可以对标其它行业的领先者；
- 当我们在一个行业内寻找解决方案时，黔驴技穷，无法取得满意的创新思路，那么我们可以看看其它行业，是否有类似解决方案；
- 当我们处在一个新兴行业时，毫无疑问，我们必须向其它行业学习。
我为什么如此推崇跨行业思维？
这是因为过去十几年培训和咨询的关系，我常常面对各行各业的客户，他们经常会向我咨询困扰已经的疑难杂症。
这些问题如何解决？
仅仅靠本行业内的知识和经验基本上难以解决，否则企业早已经解决。
我往往是利用我在多个行业的经验，进行跨行业思维，从而找到解决思路和方案。
因此，跨行业思维绝对是解决行业疑难杂症的利器。
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启示2：DFA思维“减少零件数量，简化产品设计”
DFA的思维方式，更具体地说是DFA中“减少零件数量，简化产品设计”的思维方式。
在特斯拉的各种创新中，DFA“减少零件数量，简化产品设计”的思维方式一次又一次的得到体现。
例如，一体化压铸车身，就是该思维方式的体现，我在之前的文章中曾经分享过，详情请见：
向特斯拉学习：如何把70多个零件减少为1个零件
而结构化电池，则从两个方面来减少零件数量：
1）电池即底盘，去掉额外的底盘零部件及其紧固件；
2）电池具有结构强度，去掉原本车身中用于结构补强的零部件。
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启示3：TRIZ向超系统进化
根据TRIZ理论， 一个产品或物体都可以视为一个工程系统，简称为系统。系统是由多个子系统组成的, 并通过子系统间的相互作用来实现一定的功能。系统处于超系统之中，超系统是系统所在的环境，环境中其他相关系统可视为超系统构成部分。
例如，以新能源汽车作为一个系统，轮胎、方向盘、动力电池包等是汽车的子系统；交通系统就是汽车的一个超系统，因为每辆汽车都是整个交通系统的一个组成部分。当然，气候、车库等也是汽车的超系统。
而如果以动力电池包为一个系统，电芯、上盖、下盖和液冷管等是动力电池包的子系统，而汽车车身则是超系统。
向超系统进化是TRIZ技术进化路线之一。
向超系统进化法则是指在系统自身进化资源消失时，系统转向超系统，也就是说同其它系统联合使资源进一步发展。
主要有两种方式：
- 使系统和超系统的资源结合
- 让系统的某子系统容纳到超系统中
根据TRIZ向超系统进化的法则，传统动力电池包有着向车身集成进化的趋势。
目前新能源汽车正在研究和推进的CTC技术就是该趋势的一个体现。
特斯拉的结构化电池也是如此。结构化电池把原本系统中存在的上盖与车身底盘合并为一体，电池即底盘，同时作为结构补强件，实现了电池与车身的集成。
最后的话
任何一项创新，从最初概念产生，到最后量产落地，中间会克服形形色色难以想象的困难。
特斯拉一系列创新和颠覆的背后，并不能简简单单归功于几个创新规律和思维方式。
然而，我们丝毫不能怀疑它们在特斯拉成功中当居首功。
毕竟，思路就是出路，思路就是方向，方向不对，努力全费。
向特斯拉学创新，就是向他们学习创新的原理、规律和思维方式：
1）跨行业思维
2）DFA思维“减少零件数量、简化产品设计”
3）TRIZ向超系统进化
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作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》
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