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特斯拉上海超级工厂演进史丨深度
2019/5/21 16:07:51      信息来源:42号车库

  今天,特斯拉的超级工厂翻开了全新的一页。

  自1 月17 日奠基以来,特斯拉上海超级工厂 Giga 3 以日新月异的速度拔地而起;很多人好奇,为什么上海要以土地、政策资源倾斜来争取特斯拉独资的工厂?上海超级工厂的职能是什么?为什么工厂还会「迭代」?

 

  我们梳理了自2013 年以来特斯拉在内华达州建设超级工厂 Giga 1 的设计理念和建设进展,尝试就上述问题给出答案。

 

  Giga 1:可复制、快速迭代、可扩展的巨型机器


  Elon Musk 最早公开筹建特斯拉超级工厂 Giga 1 的想法是在 2013 年。2013 年 11 月,Elon 告诉分析师,为了确保 Model S 和即将发布的 SUV Model X 以及特斯拉第三代车型(Model 3 尚未确定产品名称)有稳定的电池供应,他正在设想「一个真正巨大的设施,一个产能与全球锂电池生产规模相当的工厂」(a really giant facility,comparable to all lithium-ion production in the world in one factory.)。

 

 

 

  当时特斯拉 Model S 的产能只有 550 辆/周,但特斯拉在提交给 SEC 的文件中指出:限制我们的不是市场需求,供应商的电芯供应是限制我们产能爬坡的关键因素。

 

  这里的供应商说的就是松下。实际上早在 2011 年,特斯拉就和松下签订了总计 6.4 亿颗 18650 电芯的供应协议。到了2013 年10 月,双方续签协议将供应量提升到了 18 亿颗,规模增加 200%。

  当然,18 亿也只是权宜之计,Giga 1 已经在路上了。

  2014 年7 月31 日,在对北美和亚洲大约 100 个区域进行综合考察后,特斯拉最终与松下达成历史性合作,在美国内华达州建设超级工厂 Giga 1。

 

 

 

  根据协议,特斯拉负责筹备、提供和管理土地、建筑和公用事业。松下负责生产和供应圆柱形电芯,并在双方批准的基础上投资设备、机械和其他制造工具,特斯拉将基于电芯和其他组件来制造电池模组和 Pack。

  Giga 1 由特斯拉管理,松下的定位是特斯拉锂电池的主要合作伙伴。松下将占据工厂生产面积的一半,而特斯拉的模组和与 Pack 组装产线相关的关键供应商将占据这个垂直整合的工业综合体的另一半。

  特斯拉 CTO JB Straubel 表示,Giga 1 代表了大规模电池生产方式的根本性变革,Giga 1 不仅能够满足 Model 3 的电池需求,还为更广泛的各种储能应用成本的降低创造了条件。

  JB Straubel 在 Giga 1JB Straubel 在 Giga 1

 

 

  特斯拉在公告中指出,电池成本的降低将通过制造过程的优化来实现,而这一优化是当前任何电池制造商都不具备的规模经济驱动的。

  进一步降低成本的方法是:针对汽车使用场景重新设计优化电芯的规格和性能,通过供应商进驻工厂,消除包装、运输和关税以及库存调度成本,并在公用事业和运营费用低廉的工厂进行制造。

 

 

 

  也就是说,早在 2014 年工厂筹建之初,Elon 和 JB Straubel 就在筹备 2170 电池的研发了。

  虽然和松下的联合建设合同 7 月 31日才签订,但特斯拉的施工团队早在 6 月就开进了内华达州 Spark 郊区。下面是最早的施工照片。

 

 

 

  2017 年1 月4 日,特斯拉在 Giga 1 召开了 Tesla Gigafactory 1 投资者日,Elon 向投资人介绍了关于 Giga 1 的设计理念和建设进展。

 

 

  Giga 1 是全球领先的电池生产设备(注意这个表述,Giga 1 不是工厂,而是生产设备)。能在保持高产能和高效率的同时实现每 GWh 最低的设备资本投入和每 kWh 电池最低的制造成本支出。Giga 1 将生产电芯、电池组、储能产品和汽车零部件。

  二期工程建设完成后,Giga 1 电芯产能将达到 35 GWh/年,电池 Pack 产能达到 50 GWh/年,超过 2013 年全球所有其他动力电池供应商的总产能之和。支撑特斯拉 50 万辆汽车和储能产品的电池需求。

 

 

 

  特斯拉对 Giga 1的设计理念阐述让人印象深刻。

  作为一款单一的产品,Giga 1 被设计为一个高度自动化的、集成的系统未来将在世界各地复制;Giga 1 设计高度灵活,可适应能源存储化学品和组件的迭代;Giga 1 是可扩展的,支持随着需求的增长进一步追加设备资本投入推动产能增长。

  模块化快速迭代模块化快速迭代

 

 

  捕捉关键词:可复制、快速迭代、可扩展。最重要的是,特斯拉将 Giga 1 视为一款产品。在 2017 年特斯拉财报会议上,Elon 和 JB Straubel 更详细地解释了「以产品思维打造工厂」的重要性。

  最根本的差异化在于真正把工厂当作一款产品,一款相当垂直整合的产品去打造。把工厂建设中遇到的问题更多地看成工程或技术挑战去解决。

  那么,产品思维如何深入地影响工厂的建设,以实现在保持高产能和高效率的同时「实现每 GWh 最低的设备资本投入」呢?

  Elon 列出了以下四点:

  自主设计和搭建施工流程
  增加设备生产密度,提升生产速度
  周到的设施系统和设备设计、布局和实施
  创新施工技术,降低土地、建筑、基础设施、材料和劳动力成本
  如何实现每 kWh 电池最低的制造成本支出?JB Straubel 列出了六条方案。
  尽可能国产化以降低关税和投入成本(原材料、部件、劳动力、能源、水)
  重新设计整个供应链,以满足更高的产能和定制的组件需求,同时降低运输成本
  改进电芯设计,提升电芯能量密度,优化电芯规格(2170 vs 18650)
  改进模组和 Pack 设计,提升 Pack 能量密度
  提升自动化率和工艺设计,提高成品率,降低报废成本,提高现场可靠性
  降低单位设备资本投入,降低折旧成本
  所以什么是产品思维呢?我们可以这么解释,Model 3 是如何打造的,Giga 1 就是如何打造的。

  Giga 1 的「快速迭代」特性反应了产品开发中经典的「设计-建立-测试」循环流程,而「可扩展」特性则是详细设计阶段结束从小规模生产走向增量生产的体现。

  Elon 和 JB Straubel 给出的十条工厂建设策略,和 Model 3 围绕设计、工程、三电、电子电器架构等方面做的创新和改进在产品思维的角度没有本质的区别。

  2014 年7 月,特斯拉公布 Giga 1 设计投资额 50 亿美元,最大产能为 50 GWh/年;但截至 2018 年底,特斯拉和松下及供应商集群已经在 Giga 1 投资了 60 亿美元,但年化产能只有 24 GWh/年。

  为什么会有这么大的出入呢?

  今天的 Giga 1,有 2170 电芯、模组和 Pack 自动化产线;有 Model 3 电机、差速器和电驱动总成产线;有储能电池和太阳能电池板产线;还有金属和塑料精密成型零件供应商 H&T 的 Model 3 组件产线和 Tier 1 法雷奥的 Model 3 车灯产线。

  

 

 

  所以,它的职能和最初的「超级电池工厂」的定位相比发生了非常大的变化,这也是「快速迭代」思维的体现。

  我们要真正将 Giga 1 作为特斯拉自主设计、研发、制造的最大的产品,作为一台巨型机器来看待,这一点非常重要。

  2017 年 11 月 29 日,2170 电池模组产线成为 Model 3 产能爬坡的拦路虎。在接下来的两个季度,位于德国的特斯拉自动化工厂连续推出新版本的模组产线空运到 Giga 1 提升产能。这里的特斯拉德国自动化工厂前身是 Grohmann Engineering,是特斯拉在 2016 年底收购的工程公司,长期以来致力于自动化生产制造系统的设计与研发,由特斯拉 CTO JB Straubel 直接领导。

  我的意思是,砸在 Giga 1 身上的 60 亿美元,除了物料、人力、设备、公用事业等基本建设费用,更多是内核的自动化系统的研发费用。电池模组产线是这个巨型机器的一个组成部分,特斯拉致力于提升模组制造的自动化,也是在提升 Giga 1 这个巨型机器的自动化。

 

 

  将工厂视为产品去打造的结果就是,除了建设投入,还会有巨大的研发投入。

  上海 Giga 3 的新征程
  2019 年 1 月 7 日,Elon Musk 和上海市市长应勇一起出席了特斯拉上海超级工厂 Gigafactory 3 的奠基仪式。

 

 

  为什么要引进特斯拉?与其问上海市政府,不如先问内华达州州府。毕竟 2014 年的特斯拉,有着远超 2019 年特斯拉的不确定性。

  Giga 1 原定于 2020 年完工,产能达到 35 GWh/年,预计雇佣员工 6500 名。但到了 2017 年 2 月 27 日,内华达州州长经济发展办公室宣布:特斯拉 Giga 1 的最终员工规模将比最初预测高 54%,最终员工数量将超过 13000 名。

  截至 2018 年底,特斯拉 Giga 1 的员工规模已经达到了 7059 名,而 Giga 1 的预计总投资达到了 88 - 100 亿美元之间。

  其次是供应商集群生态。正如前面提到的,作为一家奉行垂直整合战略的公司,特斯拉正在越来越多的自主研发生产汽车零部件,而对于那些不必自主研发的组件,特斯拉已经推动了松下、H&T、法雷奥等供应商入驻内华达州。

  包括 Switch、Jet.com 和 Blockchains 也都因为特斯拉提升的知名度和基础设施便利性而进驻内华达州。

  新就业又将推动住房、消费、基础设施的繁荣。州长经济发展办公室在「特斯拉经济影响研究」中指出,特斯拉的重大投资已经永久性地改变了当地的经济格局,在未来 20 年,特斯拉将创造 2.2 万个工作岗位和 1000 亿美元的新经济规模。

  内华达州和上海临港不可直接照搬,但工厂对就业和经济的拉动在两地却不会有本质的区别。单从这一点看,上海市政府争取特斯拉也存在合理性。

  除此之外,Giga 1 工厂本身,也会给上海的 Giga 3,给上海其他工厂带来更多值得学习的设计理念和建设经验。比如说,作为特斯拉的工厂,Giga 1 靠什么能源驱动?

  Giga 1 是一家纯电动工厂,不直接消耗任何化石燃料(天然气或石油)。特斯拉通过一个 70 MW 的太阳能屋顶和太阳能地面装置的组合,实现 100% 的可持续能源供给。该太阳能屋顶阵列比目前最大的屋顶太阳能系统大 7 倍。此外,纯电动工厂在零碳排放的同时也提升了自身效率。建筑供暖的很大一部分是由生产过程中回收的余热提供的。

  Giga 1 的闭环供水系统使用六种不同的处理系统,有效地再循环约 150 万升水。与标准流程相比,淡水使用量减少了 80%。

 

 

  最后,特斯拉在 Giga 1 建立了二手、不达标电池回收产线,可以安全将所特斯拉所有类型的电芯、模组和 Pack 分解,在新电芯的生产中得到再利用。

  所以,抛开对就业和经济的拉动,工厂本身的先进性,就是引进 Ta 的理由。

  当然,Elon Musk 为了上海工厂 Giga 3 落地曾经两进中南海,与国家领导人会谈。这种级别的项目,上海市政府的诉求当然不会仅仅为了「引进一个先进的工厂」。

  以特斯拉当今智能电动汽车领头羊的市场地位,带动长三角乃至中国的三电产业链迈上更高的台阶才是最核心的诉求。

  早在 2018 年 11 月,Elon 就在 Twitter 上说明了 Giga 3 的电池供应细节:特斯拉负责制造模组和 Pack,电芯生产将由包括松下在内的几家公司本土化供应。为的是尽快投产。

 

 

 

 

  但在特斯拉和松下貌合神离的谣言传开后,松下总裁津贺一弘道出了多供应商的真相。

  现在因为中国业务的推进,特斯拉正在考虑多供应商结构。这对特斯拉来说是有意义的,因为(特斯拉)在中国开展业务的性质非常特殊。也许他们需要这样的结构以便获得中国当局的批准。所以对于特斯拉来说,他们更愿意开始考虑多供应商模式,但这并不意味着我们的关系受到了伤害变得不稳定,我们与特斯拉保持着非常非常牢固的关系。

  所以,上海市政府为什么要争取特斯拉工厂?因为全球汽车行业正在转向电气化,而特斯拉是智能电动汽车市场的领头羊,上海需要特斯拉。

  从 Giga 1 到 Giga 3
  作为特斯拉海外第一座超级工厂,特斯拉会怎样建设 Giga 3?

  回到前面 Giga 1 的产品特性:可复制、快速迭代、可扩展。Elon 曾经说过,我们会生产和制造工厂。所以,   Giga 3 首先在很多层面会是 Giga 1 的复制,你也可以理解为这是第二座 Giga 1。

  JB Straubel 曾在 2018 年 Q2 的财报会议上提过特斯拉对 Giga 3 的策略:我们将 Giga 1 视为公司打造的最大产品,所以产品研发过程中学到的所有知识将与 Giga 3 工厂建设团队共享,以实现投入不到一半的支出建设同等产能规模的工厂。

  Giga 3 的投资额为 20 亿美元,设计产能为 50 万辆/年。与 Giga 1 一致的「可复制、快速迭代、可扩展」的产品思维,这是 Giga 3 与 Giga 1 一致的部分。

  当然,Giga 3 还有一些区别于 Giga 1 的部分。首先是前面提到的多供应商结构,松下在 Giga 3 中会扮演什么样的角色?

  可以确定的是,Giga 3 的电芯供应商一定有松下,松下是特斯拉「非常核心的合作伙伴」——这是松下执行副总裁山田佳彦的表述。

  我想特别说明一下松下和特斯拉的关系,在五六年前我们是供应商和客户的关系,这是传统的业务关系。但当我们投资 Giga 1 后,我们的关系是密切而独特的。今天的电池产能是以前的三倍,为什么?这是特斯拉和松下员工一起工作的结果。我们不是简单的买方和供应商关系,这种关系在商业上是很新的。

  津贺一弘在财报和后续的采访中提到,松下正在和特斯拉讨论中国的电池生产。松下可能在特斯拉的领导下进行任何必要的投资,但尚未确定详细的时间表。特斯拉会在中国本土化生产,松下可以共同生产(we could produce jointly)。

  Giga 3 之于 Giga 1 的第二个差异化,是工程基建能力的巨大差异。

  在Giga 1 破土动工五年后,到今天 Giga 1 的完成度只有 30%,事实上自 2017 年 5 月后,工厂实体建设进度再没有重大更新。截至目前,Giga 1 一共建成了 13 条电池 Pack 产线,3 条新版本的产线未运行。剩余 10 条产线正常运行时间率 40%,年化产能 24 GWh/年。随着 Model 3 产能的增长,产能可以提升至 35 GWh/年。

  那上海Giga 3 呢?1 月奠基,12 月投产,这是特斯拉制定的时间表。

  或许我们可以做一个更具体的对比。下面是 2014 年 7 月 Giga 1 奠基的样子。

 

 

 

  下面是时隔 7 个月后 2015 年 2 月 Giga 1 的建设进度。

 

 

  下面是 2019 年 1 月上海 Giga 3 奠基的样子。

 

 

 

 

  下面是时隔 4 个月后 2019 年 5 月 Giga 3 的建设进度。

  图自杨聪图自杨聪

  在中国基建狂魔的土地上,特斯拉会演绎出哪些新的故事?让我们一起期待第一辆国产 Model 3 的下线。

  以特斯拉对双方合作关系的描述来结尾:

  自2006 年特斯拉与松下达成合作以来,松下带来了资金和大批量电池制造的经验,而特斯拉提供了创造性的第一性原理思维、清晰的愿景、快速的执行力和最终的产品设计和需求。

  今天,特斯拉的超级工厂翻开了全新的一页。

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