宝马投巨资生产碳纤维 技术创新助电动车发展

日经技术在线 蛯谷敏

美国华盛顿州摩西湖。这里坐落着宝马与德国大型材料企业西格里集团合资建立的碳纤维工厂。宝马斥资1亿美元建设这座碳纤维工厂后,又于2014年5月宣布追加投资2亿美元,扩大生产线。把碳纤维年产量提高到2015年的9000吨,是现在的3倍。成为世界最大规模的碳纤维生产基地。

量产车决定采用碳纤维

碳纤维的重量只有铁的一半。因为强度大、重量轻,作为铁的替代材料,在汽车行业也一直备受关注。然而,受到成本的限制,碳纤维过去仅仅得到了高档车、跑车等部分车辆的采用,没有跳出“特殊材料”的范畴。

这一次,宝马将投入巨额资金,为量产车生产碳纤维。因为汽车企业涉足碳纤维的生产本就稀奇,宝马的这次决定成为了汽车行业关注的焦点。

生产碳纤维完全是为了宝马2013年11月以德国为起点涉足的EV。现在的产品线包括小型EV“i3”与PHV(插电式混合动力)跑车“i8”两款车型。“i”系列是宝马为EV和PHV专门设立的新品牌。

EV发展的限制在于必须配备沉重的电池。为了抵消重量的增加,i3的特点是汽车骨架以及车门、发动机罩等车体都避免避免铁原料,大量使用由树脂加固碳纤维的CFRP(碳纤维强化塑料),使车体实现了轻量化。

在逾百年的时间里不断推动发动机这种内燃机的进化,对“行驶”精益求精,并借此建立起品牌的宝马在EV领域借助碳纤维减轻重量,实现了舒适的行驶。

宝马于2014年4月在日本和韩国,5月在美国,9月在中国也上市了EV。并且计划在数年内进军世界50个国家和地区,对于材料供应基地——摩西湖工厂的巨额投资体现着宝马全力以赴发展i3的决心。

单纯依靠发动机技术的局限性

拍板让宝马正式涉足EV的是总裁诺伯特·莱特霍夫(Norbert Reithofer)。就任总裁的第二年,也就是2007年,莱特霍夫马不停蹄地宣布启动在内部思考如何在汽车企业中持续领跑的“第一”计划。作为其中的一环,总裁直接领导的“开发可持续发展并着眼未来的交通工具”的“i项目”也随之上马。

在这一行动的背后,是逐年强化的环境规定。

欧洲委员会当时已经要求汽车企业必须在2012年之前,使销售的新车每公里的平均二氧化碳(CO2)排放量减少到120g,而且还在着手强化规定。目前的规定是到2021年之前,排放量必须减少到95g。考虑到丰田2009年推出的第3代“普锐斯”的二氧化碳排放量为89g(欧洲标准),不难看出规定的严格性。

在美国,对制造商具有强大影响力的美国加利福尼亚州的零排放车辆(ZEV)法规也进行了强化,二氧化碳排放量大的高档车和SUV(多功能运动车)销量居多的宝马到2018年以后,将不得不按照这些汽车的销量,销售相应数量的EV。

如果只是抓着发动机技术一根稻草不放,很难接连不断地攻克迟早会强化的环境规定。而且,EV市场已经有企业占得先机,宝马在后续跟进后,如果实现不了具有自身特色的行驶,维持品牌号召力也将变得困难。

肩负公司命运的“开路人”

因此,EV开发必须要取得成功──莱特霍夫正是出于这个原因,把前面的“开发可持续发展并着眼未来的交通工具”作为社长直辖项目,提拔自己信赖的人担任项目负责人,并全权委任其选拔项目成员,彻底下放了权力。

莱特霍夫虽然没有明说“去开发EV”,但通过“社长命令”,向内部下达了开发非发动机类型的新型动力传动系统的指示。借此为项目组建立起了能够施展全力的环境。

这个决定公司命运的命令,落到了当时担任宝马四座小型高档汽车“MINI”总负责人的乌尔里希·克兰茨(Ulrich Kranz)的头上。他曾经成功领导了MINI和如今占据宝马总销量3成的摇钱树SUV“X5”的开发。

“包括成功和失败在内,我把从经验中得到的教训全部运用到了项目中”。说出这番话的克兰茨的确彻底吸取了自己的教训。

首先是项目组起步成员的选择。为了激发不同的视角和创意,他把着力点放在了成员的多样性上面。挑选的工作人员包括设计师、工程师、财务,大家部门各异,唯一的共同点是拥有自主创业或是自由工作的经验。

其中之一、现在担任i系列设计部门负责人的伯诺伊特·雅各布(Benoit Jacob)回顾说:“大家都是面对课题不抱怨‘做不到’,而是能够想‘怎样做才能实现’的人。”

像风险企业一样思考

克兰茨还研究了项目基地的选址。新开发项目的办公室通常设在研发中心内,而这一次却选择在了位于德国慕尼黑总部相邻工厂一角的大杂间。项目组把桌子和白板搬进房间,还开辟出能够制作简单模型的作坊,建立起了宛如风险企业一般的环境。

对于这样的做法,克兰茨解释说:“我们希望不受宝马常规的束缚,融合自由的思维方式。”

而且,项目组成立之后,首先着力的重点,是明确“开发可持续发展并着眼未来的交通工具”究竟应该是怎样的概念。

“任何项目都会多次遭遇困难局面。在那个时候,能否按照当初的设想完成项目,取决于是否在最初阶段制定了明确的概念。

说出这番话的克兰茨开始彻底进行调查。首先调查的对象,是影响未来交通工具的环境。在搜集大量文献和报告阅读的过程中,多数成员都对联合国发布的“2030年世界人口的6成将居住在城市,2050年这一比例将达到7成”预测产生了兴趣。

随着城市化的发展,包括交通堵塞在内的环境问题会愈发严重。显而易见,只提供配备发动机的汽车将很难再继续赢得消费者的支持。

因此,项目组实施了现场调查。收集案头讨论无法得到的消费者的真实声音和数据,从中感受到了探索未来大城市交通工具存在形态的必要性。

成员用半年的时间,前往伦敦、巴黎、纽约、洛杉矶、东京等世界各地的9座城市,访问研究机构、大学、民营企业并进行了交流。收集每座城市基础设施的情况与方向性、生活者的动态、日均驾驶距离等许多定性、定量数据进行了分析。

在接下来的阶段,项目组对600辆利用MINI改造成EV的试制车实施了监测调查。目的是了解用户的充电频率,掌握需要解决的开发课题。

在上述调查中,一份“城市乘用车的日均移动距离为100km左右”的报告浮出了水面。根据这份报告,成员坚定了信念:应当开发的EV,是充电一次可以行驶100km以上、面向大城市的交通工具。他们把这个概念命名为“超大城市汽车”(Megacity Vehicle)。

项目组彻底开展监测调查。在通过为期3年的MINI调查得出课题解决措施后,又将数百辆宝马汽车改造成EV,对解决措施实施追加调查,对理想的EV形态发起了不懈的追求。

问题在于“行驶”

具体研究的内容,是在i3中重现设想的居住空间的基础上,如何使配备的制动器作为再生能源,为电池进行充电。而且,对于之前设想的EV服务,也就是能够通过智能手机远程查看电池充电情况的系统等,项目组也进行了测试。

就这样,应当开发的具体EV形态得到了明确,但项目组直面的最大课题是其商品化。问题还是电池。

EV的电池容量越大,行驶距离越长,但成本也会相应增加。缩小电池容量虽然可以减轻重量,还可以降低成本,但会限制行驶距离。

除了这个相互矛盾的问题,生产设备的问题也令项目组头疼不已。不少企业在量产EV时,采用了从配备发动机的既有款式上去掉发动机和油箱,加装马达和电池的方法。通过沿用原有的生产设备,降低成本。

通过采用这种方式,生产比较容易实现盈利,但对于宝马来说,有一个问题盖过了这些好处:这样做无法实现该公司追求的“行驶”。试制车的调查显示,改造现有款式的方法在轻量化方面存在局限性,无法实现具有宝马特色的行驶。

为了解决这个课题,从项目的较早阶段开始,项目组就产生了使用碳纤维的念头。使用碳纤维可以让车体重量减轻到近一半,在电池容量相同的情况下,不仅可以延长续航距离,更重要的是能够实现宝马风格的“行驶”。

但汽车行业还没有为量产车采用碳纤维的先例。要想从根本上改变材料,工厂和生产体制都需要重新构建,这超越了新车开发的范畴。

“轴心不能摇摆”

在EV发展前景尚不明朗的情况下,可不可以冒这么大的风险?这已经超出了项目组的裁量权。

“单纯开发EV只要利用现有设备就好。但这个项目的宗旨应该是创造出新一代交通工具。必须毫不动摇地把这个轴心坚持到底”。克兰茨向莱特霍夫等管理层进言献策,得到了采用碳纤维的首肯。

宝马除了表示为生产i系列,向德国的多座工厂投资了约4.2亿欧元之外,并没有透露内部关于采用碳纤维开展的讨论的详细过程和投资总额的规模等。

但是,已经认识到单靠内燃机维持宝马品牌号召力存在局限性的莱特霍夫应该是毅然决然地采纳了克兰茨的判断。管理层为碳纤维工厂的投资开了绿灯。

令人感兴趣的是宝马在决定采用碳纤维之后采取的行动。他们向当初的命题“开发可持续发展并着眼未来的交通工具”发起了彻底的追击。

决定从三菱丽阳采购碳纤维材料的宝马首先把材料从日本运输到美国摩西湖的工厂,在那里蒸纱后制成汽车使用的碳纤维。宝马在集团内设立碳纤维工厂是因为蒸纱的火候包含着自主技术经验。

蒸好的碳纤维接着被运送到位于慕尼黑北部的瓦克斯多夫工厂,在那里加工成CFRP,制成部件后运抵莱比锡工厂,组装成i3。

对现有车型也产生良好影响

为什么不直接把纤维从日本运到欧洲,在那里蒸纱?这其实是因为蒸纱需要耗费大量电力。特意在摩西湖湖畔建设工厂,是因为该地区的供电采用水力发电,使用当地的电力可以大幅减少生产过程中排放的二氧化碳。

另一方面,i3的开发也开始影响宝马以外的车型。在摩西湖工厂生产的碳纤维得到了其他款式的车门和车顶的采用。

而且,使用CFRP制作车门可以省去铁板的冲压作业和涂装工序,能够缩短生产时间。涂装时无需大量用水,还能大幅减轻环境负荷。因此,该公司已经明确表示将在未来进一步扩大碳纤维的使用。从这个意义上来说,推出EV正在逐渐成为该公司着眼未来的一大创新。

i3在2014年1~7月的全球销量为6620辆。根据这个数字还无法判断EV项目的成败与否。但这无疑为宝马的开发和生产注入了新的思路。

反复推敲概念,选择信念坚定的人才并充分放权。这一看似简单,但却需要经营高层下定决心的决断是推动新业务走向成功的条件。

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