基于第一性原理的新能源汽車車身設計研究

肖濤

（美智光電科技股份有限公司，佛山 528000）

第一性原理是指基于基本原則的邏輯推理和分析思維模式，從基本原理出發，通過邏輯推理和分析得出結論。第一性原理是普遍的、客觀的，是人類認知和思維的基礎。在工程中，第一性原理通常用于構建理論模型和計算模擬，可以幫助工程師了解物理現象的本質，研發設計新的材料、技術與系統[1]。在新能源汽車領域，新能源汽車在市場上的成功離不開其創新的設計。例如，全封閉的前臉和低風阻車身設計，具有科技感的極簡內飾設計，安全高效的一體化壓鑄的車身等，這些創新設計得益于的第一性原理的思維方式[2]。這種思維方式突破了傳統汽車設計思維的邊界，實現了顛覆式的創新，為新能源汽車與產品設計帶來了新的思路和方向。

1 第一性原理概述

第一性原理是古希臘哲學家亞里士多德提出的一個哲學術語。在每一系統的探索中，存在第一原理，它是一個最基本的命題或假設，不能被省略或刪除，也不能被違反。第一性原理是事物的“元點”或者稱之為事物的本質，簡單的說就是把一個復雜的事物不斷簡化，去找到這些復雜事物背后的根。人們在生活中常用的解決問題的基本邏輯思維方式有兩種：一種是歸納法；另一種是演繹法[2]。歸納法是指通過歸納、參照以往的經驗和規律得出結果，歸納法受到固有思維的束縛，只能得到較小進步的結果，甚至錯誤的結果。演繹法是指在解決問題之前先設立一個“假設”，然后將這個“假設”用邏輯推演出來得到結果。符合第一性原理的演繹法思維就是第一性原理思維，指的是從事物的“元點”或者事物的本質出發設立正確的“假設”，再用演繹法對這個“假設”進行理性的邏輯推演，得到最終的結果，目的是解決事物最本源的問題。第一性原理是基本的命題或假設，不受固有思維的和認知的束縛，通過第一性原理思維去解決問題可以得到創新的結果或方案。

2 新能源汽車的車身設計要點

2.1 車身外觀設計

在新能源汽車造型設計過程中，汽車的作用和目的是高效、快速且安全的將人或者物從A 點送到B 點，續航能力首當其沖。有關測試得出當車輛速度達到 100 km/h 時，發動機輸出功率的80%將被用來克服空氣阻力。因此低風阻車體是新能源汽車造型設計的關鍵，應當推敲每一個造型細節，挖掘改進空氣動力學的潛能[3-4]。在前臉設計中，傳統燃油汽車因發動機散熱需求，不同品牌將進氣格柵設計為車輛較直觀的辨識部位，這一設計幾乎貫穿了整個汽車的設計歷史，例如寶馬的“雙腎”格柵，奔馳的鍍鉻格柵等[5]。由于電機驅動不需要散熱，新能源汽車造型可摒棄進氣格柵的設計，將前臉設計為簡潔的、具有極小風阻系數的封閉式前臉，是非常大膽的創新。如圖1 所示的新能源汽車的車身外觀進行了一系列低風阻的創新設計。

圖1 特斯拉Model 3 低風阻外觀設計

2.2 汽車內飾設計

汽車內飾設計指的是車輛內部空間的系統設計，包含方向盤、中控臺、空氣系統、頂棚設計、軟裝內飾等，在汽車內飾研發時，應保證其先進性和實效性[6-7]。眾所周知，新能源汽車的內飾設計應是極簡的，其根本原因是擁有與傳統燃油車截然不同的設計理念。傳統燃油車內飾設計強調奢華感，用昂貴的材質和工藝堆疊一些炫酷的按鍵和功能，做的是加法；而新能源強調內飾以駕駛員為中心進行設計，聚焦用戶的本質需求以及核心的功能，做的是減法，追求極簡的設計、更加科技智能的系統，以及寬敞的空間，如圖2 所示。

圖2 傳統燃油車（圖左）與新能源車（圖右）的內飾對比

2.3 車身結構設計

安全和高效是新能源汽車結構設計的要點，安全是新能源汽車研發的首要目標[8]。傳統汽車制造包括沖壓、焊接、涂裝、總裝等四個主要工序，其中沖壓和焊接是將鋁板沖壓成零部件，再將多個零部件焊接成一個大型部件，多達幾千個焊點，工藝復雜且帶來了不安全性。新能源汽車可聚焦安全和高效設定一個隱含性假設：直接制作一體化大型部件，利用巨大的重型壓鑄機將這個大型部件一次性壓鑄出來，這種制造工藝被稱為一體化壓鑄。以特斯拉汽車的車身為例，如圖3 中標注的是前車身部件和后車身底板部件，早期的Model 3 是由171 個金屬件焊接在一起，而Model Y 采用一體化壓鑄工藝后只需要2 個壓鑄件，并且減少了1 600 個焊點。在新能源汽車使用一體化壓鑄技術，可為汽車的制造帶來重大的革新[9]。

圖3 新能源汽車的沖壓焊接部件（圖左）與一體化壓鑄部件（圖右）

3 基于第一性原理的新能源汽車設計原則

3.1 低風阻的車身形態第一性設計原則

低風阻的車身形態是新能源汽車造型設計的重要原則。流暢的車身線條和平滑的曲面，從車身側面看去，車身輪廓呈流線型，簡潔順暢的線條從低平的車頭開始一直延伸到車尾部，可以展現出連貫一體化設計的視覺感受。不僅要對車頭降低風阻系數，還要考慮車尾外觀對風阻系數的影響[10-12]。從車頂后沿的切線開始為傾斜角較大的溜背造型，可以有效減少尾部渦流的產生，尾部為微微上翹的“鴨尾”設計，能產生向下的壓力，平整的底盤使氣流快速通過，這些設計保證了車輛在高速行駛時的空氣動力學表現與穩定性。

此外，局部細節也應進行低風阻的設計，車門把手的本質是開門的機關，在行駛當中是不需要存在的，新能源汽車造型可打破傳統，設計無風阻的隱藏式把手。傳統汽車會特別注重輪轂設計，但新能源汽車在輪轂上加裝了一塊渦輪形塑料罩，這不是為了裝飾，其目的是在行駛中減少氣流在輪轂附近的集結。隱藏式門把手和低風阻輪轂罩可以減少車輛5%的風阻。基于低風阻的第一性原理設計的封閉式前臉、流線型車身、隱藏式門把手、輪轂罩等創新為產品的卓越性能提供了必要條件，是功能與形式的完美融合。

3.2 極簡風格的內飾第一性設計原則

極簡風格的內飾是新能源汽車造型設計的關鍵原則。極簡設計并不是單純的設計簡單化[13]，以方向盤和中控臺為例，傳統德系豪車的設計思維是在上面堆砌十幾個鍍鉻按鍵和旋鈕，認為按鍵越多就代表越豪華。在新能源車智能化快速發展的今天，這種設計如同老舊的諾基亞。根據第一性原理，用戶的本質需求其實是通過按鍵控制更多的功能，而不是控制更多的按鍵。將減法做到極致，方向盤上僅保留球形滾輪，通過滾動或者按壓就可以10 余種功能控制；中控臺上沒有保留任何物理按鍵和旋鈕，顯得十分理性和簡約[14]，高度集成的15 寸中控大屏，可以實現車輛的全部功能控制，并可以不斷升級獲得新功能。

中控臺核心目的是讓駕駛員更關注駕駛本身，同時擁有更好的視野，這就需要中控臺設計是極簡的，高度是低平的。通過取消組合儀表盤，使駕駛員的視線專注于前方路況，而不是在儀表盤和前方路況來回切換。傳統的柵格空調出風口和內部風道占用空間會提高中控臺的高度，新能源車將出風口設計為橫向貫通中控臺的隱藏式出風口，寬闊的二維平面氣流可以快速改善車內的氣候環境。去掉儀表盤和柵格出風口之后，使整個中控臺連貫整潔，這在傳統車企看來是無法想象的，由此可見，第一性原理思維是直觸本質需求。

3.3 安全高效的結構第一性設計原則

安全高效的結構是新能源汽車造型設計的基本原則。基于第一性原理思維設計的一體化壓鑄車身帶來的優勢是多方面的，首先是為用戶帶來高度的安全性，一體化壓鑄結合鋼鋁混合材質的車身結構擁有很高的強度和剛度，在翻滾測試中，在配置全景玻璃車頂的情況下，仍成功抵御了四倍于其自身質量的重壓，大約相當于兩只成年非洲象的重量。其次是降本增效，傳統焊裝車間要配200-300 名工人，而一體式壓鑄車間只需要20-30 名工人，通過規模化生產對核心部件的成本進行了有效的控制。更重要的是一體式壓鑄車身減輕了車身20%的重量，將續航里程提升了10%，性能得到重大提升。

安全高效的結構能夠極大提升新能源汽車的產品競爭力，結構設計應充分考慮為駕駛員提供寬敞物理空間和視覺空間。新能源車可從實用性出發，采用懷擋設計，將中央扶手區設計成為大容量儲物格和兩個無線充電區，同時避免雜亂的充電線束。結合極簡的中控臺和超薄一體化座椅為駕駛員提供了更多活動空間；車頂設計為全景玻璃，整塊玻璃從前艙蓋一直延伸至車頂后方，天空和星辰一覽無余，特殊處理的玻璃可以阻隔99%紫外線，相對于復合材料的車頂，全景玻璃也實際拓展了頭部空間。

4 基于第一性原理的新能源汽車設計思路

4.1 從“元點”出發確定設計目標

新能源汽車的外觀、內飾、車身結構以及材質工藝沒有參照傳統車企的設計思維定式，而是從交通工具的空氣動力學、駕駛體驗、安全和高效等基本的原理出發去思考設計的可能性和創新方案。創新的基礎就是要打破慣性思維的束縛與局限[15]，設計師通過歸納、參照以往的設計案例或者其它企業正在做的產品進行借鑒設計，得到的設計結果只具有較小的迭代創新，另外所參照的案例或競品具有時間和空間的局限性，并不具備連續的正確性。第一性原理強調獨立思考和質疑，從“元點”出發設立正確的設計目標，經過嚴謹理性的邏輯推導和驗證，最終將這個設計目標呈現出來。第一性原理沒有在事物問題的系統之內，而是在問題系統之外，并且是事物客觀的基本原理，所以基于第一性原理所設立的設計目標不受以往經驗和認知的束縛，更容易打破固有設計思維的邊界進行顛覆式創新。

根據第一性原理，電動皮卡車的“元點”或本質屬性包括堅固耐用、適應各種惡略的環境、長距續航能力、更大的裝載空間等。設計師從這些本質的問題出發，用全新的方式打造了一款令人印象深刻的電動皮卡車，如圖4 所示。Cybertruck 電動皮卡車中與其他新能源車型的設計語言迥然不同，極具未來感的三角造型令人驚嘆。沒有具體的設計風格來限定車輛的外觀設計，在展開皮卡車的設計之前，行業內已有眾多明星車型，如福特猛禽、道奇RAM、通用GMC 等全球著名的皮卡車，這些皮卡的外觀設計風格造型威猛，線條渾厚而粗獷，如果采用歸納法很難與經過幾十年迭代的成熟專業的皮卡車相競爭。因此，應打破固有的造型設計思維，造型的第一要素不是美學因素，而是遵循高效率、能解決問題的設計。正如包豪斯之父瓦爾特·格羅皮烏斯所說：“一輛車美的標準并不取決于它的裝飾配件，而是取決于整個有機組織的和諧，取決于它的功能邏輯性”[16]。

圖4 Cybertruck 皮卡車的設計語言

4.2 聚焦解決表象之下的本質問題

第一性原理思維強調從事物的“元點”或事物的本質出發，目的是解決表象之下的本質問題和需求。特斯拉外觀的每一個設計點都是聚焦低風阻這一本質問題進行突破創新；內飾設計聚焦駕駛員的本質需求，摒棄不必要的元素，呈現出極簡科技內飾，為駕駛本身創造價值；車身結構聚焦安全的本質需求，帶來的是安全和高效的一體化壓鑄車身；皮卡車的本質要求是堅固耐用，冷軋不銹鋼的材質應用帶來了極具差異化的外觀和性能創新。聚焦本質問題和需求，帶來的不僅是顛覆性創新，也帶了高品質的產品，并重新定義了設計美學。

傳統汽車的設計思維定式是車身外觀要豪華大氣，內飾設計需要奢華炫酷，這也是目前新能源汽車常見的設計表達方式，這種設計思維著重于表象，并不能為駕駛本身創造價值，會使成本顯著增加并且造成設計資源的浪費，應轉變思維聚焦本質問題和用戶的本質需求進行創新。Cybertruck 電動皮卡車的堅固耐用是客戶需求的本質，它革新性的采用了冷軋不銹鋼的材質，擁有卓越的強度和耐用性，并且可有效保護駕乘者安全。恰恰是因為使用了冷軋不銹鋼材質，不容易制造復雜的曲面，所以皮卡車的外觀由平面和幾何三角造型組成，融入了機甲元素，造型渾然一體，表現出強烈的未來科技感。

4.3 注重產品的核心技術與性能

汽車基本的屬性是載人載物的交通工具，應遵循第一性原理，在汽車設計中注重核心技術和性能，內飾設計注重的是智能科技和簡潔的操作體驗，車身制造研究的是核心的一體化壓鑄工藝，皮卡車的重點突破的是堅固的車身材料。目前，國內的造車新勢力更注重外觀設計和軟實力的表現，快速迭代車型以迎合市場需求，這樣的設計需要龐大的設計研發投入，消耗大量的資源。隨著新能源汽車對核心技術與性能的突破，使得生產效率大幅提高，產品成本持續不斷的降低，形成了強大的產品競爭力，給國內車企業帶來嚴峻的考驗。

在商品經濟時代，產品設計重要的是對核心技術和性能的突破創新，應該摒棄過度的表象設計，讓產品設計回歸核心。因此，新能源汽車造型設計應注重產品的核心技術與性能。如圖5 所示，三角造型符合空氣動力學，風阻系數僅為0.30Cd，風阻測試中可以看到空氣動力極大優于其它品牌的皮卡車，結合出色的電機性能使其零百加速時間只需2.9 秒，續航里程高達800 公里。堅固的冷軋不銹鋼材質和實用的三角造型，既打破了傳統皮卡車設計思維與形象，也提高了皮卡車的核心性能，這都是從第一性原理思維出發進行的創新。

圖5 Cybertruck 皮卡車風阻分析與對比（作者：航空工程師Justin Martin）

5 結語

第一性原理思維是從事物本質或問題的本源出發去思考設計的可能性和創新方案，強調打破固有的設計思維，對產品的本質問題和核心功能進行破界創新，是一種高效率、可持續發展的設計創新思維。第一性原理在新能源汽車設計中的應用突破了傳統汽車設計思維的束縛，能夠洞察用戶更深度的需求和產品本質，從而打造出具有差異化和獨特創新性的產品，鑄就產品在市場上的核心競爭力。