基于第一性原理的新能源汽车车身设计研究

肖涛

（美智光电科技股份有限公司，佛山 528000）

第一性原理是指基于基本原则的逻辑推理和分析思维模式，从基本原理出发，通过逻辑推理和分析得出结论。第一性原理是普遍的、客观的，是人类认知和思维的基础。在工程中，第一性原理通常用于构建理论模型和计算模拟，可以帮助工程师了解物理现象的本质，研发设计新的材料、技术与系统[1]。在新能源汽车领域，新能源汽车在市场上的成功离不开其创新的设计。例如，全封闭的前脸和低风阻车身设计，具有科技感的极简内饰设计，安全高效的一体化压铸的车身等，这些创新设计得益于的第一性原理的思维方式[2]。这种思维方式突破了传统汽车设计思维的边界，实现了颠覆式的创新，为新能源汽车与产品设计带来了新的思路和方向。

1 第一性原理概述

第一性原理是古希腊哲学家亚里士多德提出的一个哲学术语。在每一系统的探索中，存在第一原理，它是一个最基本的命题或假设，不能被省略或删除，也不能被违反。第一性原理是事物的“元点”或者称之为事物的本质，简单的说就是把一个复杂的事物不断简化，去找到这些复杂事物背后的根。人们在生活中常用的解决问题的基本逻辑思维方式有两种：一种是归纳法；另一种是演绎法[2]。归纳法是指通过归纳、参照以往的经验和规律得出结果，归纳法受到固有思维的束缚，只能得到较小进步的结果，甚至错误的结果。演绎法是指在解决问题之前先设立一个“假设”，然后将这个“假设”用逻辑推演出来得到结果。符合第一性原理的演绎法思维就是第一性原理思维，指的是从事物的“元点”或者事物的本质出发设立正确的“假设”，再用演绎法对这个“假设”进行理性的逻辑推演，得到最终的结果，目的是解决事物最本源的问题。第一性原理是基本的命题或假设，不受固有思维的和认知的束缚，通过第一性原理思维去解决问题可以得到创新的结果或方案。

2 新能源汽车的车身设计要点

2.1 车身外观设计

在新能源汽车造型设计过程中，汽车的作用和目的是高效、快速且安全的将人或者物从A 点送到B 点，续航能力首当其冲。有关测试得出当车辆速度达到 100 km/h 时，发动机输出功率的80%将被用来克服空气阻力。因此低风阻车体是新能源汽车造型设计的关键，应当推敲每一个造型细节，挖掘改进空气动力学的潜能[3-4]。在前脸设计中，传统燃油汽车因发动机散热需求，不同品牌将进气格栅设计为车辆较直观的辨识部位，这一设计几乎贯穿了整个汽车的设计历史，例如宝马的“双肾”格栅，奔驰的镀铬格栅等[5]。由于电机驱动不需要散热，新能源汽车造型可摒弃进气格栅的设计，将前脸设计为简洁的、具有极小风阻系数的封闭式前脸，是非常大胆的创新。如图1 所示的新能源汽车的车身外观进行了一系列低风阻的创新设计。

图1 特斯拉Model 3 低风阻外观设计

2.2 汽车内饰设计

汽车内饰设计指的是车辆内部空间的系统设计，包含方向盘、中控台、空气系统、顶棚设计、软装内饰等，在汽车内饰研发时，应保证其先进性和实效性[6-7]。众所周知，新能源汽车的内饰设计应是极简的，其根本原因是拥有与传统燃油车截然不同的设计理念。传统燃油车内饰设计强调奢华感，用昂贵的材质和工艺堆叠一些炫酷的按键和功能，做的是加法；而新能源强调内饰以驾驶员为中心进行设计，聚焦用户的本质需求以及核心的功能，做的是减法，追求极简的设计、更加科技智能的系统，以及宽敞的空间，如图2 所示。

图2 传统燃油车（图左）与新能源车（图右）的内饰对比

2.3 车身结构设计

安全和高效是新能源汽车结构设计的要点，安全是新能源汽车研发的首要目标[8]。传统汽车制造包括冲压、焊接、涂装、总装等四个主要工序，其中冲压和焊接是将铝板冲压成零部件，再将多个零部件焊接成一个大型部件，多达几千个焊点，工艺复杂且带来了不安全性。新能源汽车可聚焦安全和高效设定一个隐含性假设：直接制作一体化大型部件，利用巨大的重型压铸机将这个大型部件一次性压铸出来，这种制造工艺被称为一体化压铸。以特斯拉汽车的车身为例，如图3 中标注的是前车身部件和后车身底板部件，早期的Model 3 是由171 个金属件焊接在一起，而Model Y 采用一体化压铸工艺后只需要2 个压铸件，并且减少了1 600 个焊点。在新能源汽车使用一体化压铸技术，可为汽车的制造带来重大的革新[9]。

图3 新能源汽车的冲压焊接部件（图左）与一体化压铸部件（图右）

3 基于第一性原理的新能源汽车设计原则

3.1 低风阻的车身形态第一性设计原则

低风阻的车身形态是新能源汽车造型设计的重要原则。流畅的车身线条和平滑的曲面，从车身侧面看去，车身轮廓呈流线型，简洁顺畅的线条从低平的车头开始一直延伸到车尾部，可以展现出连贯一体化设计的视觉感受。不仅要对车头降低风阻系数，还要考虑车尾外观对风阻系数的影响[10-12]。从车顶后沿的切线开始为倾斜角较大的溜背造型，可以有效减少尾部涡流的产生，尾部为微微上翘的“鸭尾”设计，能产生向下的压力，平整的底盘使气流快速通过，这些设计保证了车辆在高速行驶时的空气动力学表现与稳定性。

此外，局部细节也应进行低风阻的设计，车门把手的本质是开门的机关，在行驶当中是不需要存在的，新能源汽车造型可打破传统，设计无风阻的隐藏式把手。传统汽车会特别注重轮毂设计，但新能源汽车在轮毂上加装了一块涡轮形塑料罩，这不是为了装饰，其目的是在行驶中减少气流在轮毂附近的集结。隐藏式门把手和低风阻轮毂罩可以减少车辆5%的风阻。基于低风阻的第一性原理设计的封闭式前脸、流线型车身、隐藏式门把手、轮毂罩等创新为产品的卓越性能提供了必要条件，是功能与形式的完美融合。

3.2 极简风格的内饰第一性设计原则

极简风格的内饰是新能源汽车造型设计的关键原则。极简设计并不是单纯的设计简单化[13]，以方向盘和中控台为例，传统德系豪车的设计思维是在上面堆砌十几个镀铬按键和旋钮，认为按键越多就代表越豪华。在新能源车智能化快速发展的今天，这种设计如同老旧的诺基亚。根据第一性原理，用户的本质需求其实是通过按键控制更多的功能，而不是控制更多的按键。将减法做到极致，方向盘上仅保留球形滚轮，通过滚动或者按压就可以10 余种功能控制；中控台上没有保留任何物理按键和旋钮，显得十分理性和简约[14]，高度集成的15 寸中控大屏，可以实现车辆的全部功能控制，并可以不断升级获得新功能。

中控台核心目的是让驾驶员更关注驾驶本身，同时拥有更好的视野，这就需要中控台设计是极简的，高度是低平的。通过取消组合仪表盘，使驾驶员的视线专注于前方路况，而不是在仪表盘和前方路况来回切换。传统的栅格空调出风口和内部风道占用空间会提高中控台的高度，新能源车将出风口设计为横向贯通中控台的隐藏式出风口，宽阔的二维平面气流可以快速改善车内的气候环境。去掉仪表盘和栅格出风口之后，使整个中控台连贯整洁，这在传统车企看来是无法想象的，由此可见，第一性原理思维是直触本质需求。

3.3 安全高效的结构第一性设计原则

安全高效的结构是新能源汽车造型设计的基本原则。基于第一性原理思维设计的一体化压铸车身带来的优势是多方面的，首先是为用户带来高度的安全性，一体化压铸结合钢铝混合材质的车身结构拥有很高的强度和刚度，在翻滚测试中，在配置全景玻璃车顶的情况下，仍成功抵御了四倍于其自身质量的重压，大约相当于两只成年非洲象的重量。其次是降本增效，传统焊装车间要配200-300 名工人，而一体式压铸车间只需要20-30 名工人，通过规模化生产对核心部件的成本进行了有效的控制。更重要的是一体式压铸车身减轻了车身20%的重量，将续航里程提升了10%，性能得到重大提升。

安全高效的结构能够极大提升新能源汽车的产品竞争力，结构设计应充分考虑为驾驶员提供宽敞物理空间和视觉空间。新能源车可从实用性出发，采用怀挡设计，将中央扶手区设计成为大容量储物格和两个无线充电区，同时避免杂乱的充电线束。结合极简的中控台和超薄一体化座椅为驾驶员提供了更多活动空间；车顶设计为全景玻璃，整块玻璃从前舱盖一直延伸至车顶后方，天空和星辰一览无余，特殊处理的玻璃可以阻隔99%紫外线，相对于复合材料的车顶，全景玻璃也实际拓展了头部空间。

4 基于第一性原理的新能源汽车设计思路

4.1 从“元点”出发确定设计目标

新能源汽车的外观、内饰、车身结构以及材质工艺没有参照传统车企的设计思维定式，而是从交通工具的空气动力学、驾驶体验、安全和高效等基本的原理出发去思考设计的可能性和创新方案。创新的基础就是要打破惯性思维的束缚与局限[15]，设计师通过归纳、参照以往的设计案例或者其它企业正在做的产品进行借鉴设计，得到的设计结果只具有较小的迭代创新，另外所参照的案例或竞品具有时间和空间的局限性，并不具备连续的正确性。第一性原理强调独立思考和质疑，从“元点”出发设立正确的设计目标，经过严谨理性的逻辑推导和验证，最终将这个设计目标呈现出来。第一性原理没有在事物问题的系统之内，而是在问题系统之外，并且是事物客观的基本原理，所以基于第一性原理所设立的设计目标不受以往经验和认知的束缚，更容易打破固有设计思维的边界进行颠覆式创新。

根据第一性原理，电动皮卡车的“元点”或本质属性包括坚固耐用、适应各种恶略的环境、长距续航能力、更大的装载空间等。设计师从这些本质的问题出发，用全新的方式打造了一款令人印象深刻的电动皮卡车，如图4 所示。Cybertruck 电动皮卡车中与其他新能源车型的设计语言迥然不同，极具未来感的三角造型令人惊叹。没有具体的设计风格来限定车辆的外观设计，在展开皮卡车的设计之前，行业内已有众多明星车型，如福特猛禽、道奇RAM、通用GMC 等全球著名的皮卡车，这些皮卡的外观设计风格造型威猛，线条浑厚而粗犷，如果采用归纳法很难与经过几十年迭代的成熟专业的皮卡车相竞争。因此，应打破固有的造型设计思维，造型的第一要素不是美学因素，而是遵循高效率、能解决问题的设计。正如包豪斯之父瓦尔特·格罗皮乌斯所说：“一辆车美的标准并不取决于它的装饰配件，而是取决于整个有机组织的和谐，取决于它的功能逻辑性”[16]。

图4 Cybertruck 皮卡车的设计语言

4.2 聚焦解决表象之下的本质问题

第一性原理思维强调从事物的“元点”或事物的本质出发，目的是解决表象之下的本质问题和需求。特斯拉外观的每一个设计点都是聚焦低风阻这一本质问题进行突破创新；内饰设计聚焦驾驶员的本质需求，摒弃不必要的元素，呈现出极简科技内饰，为驾驶本身创造价值；车身结构聚焦安全的本质需求，带来的是安全和高效的一体化压铸车身；皮卡车的本质要求是坚固耐用，冷轧不锈钢的材质应用带来了极具差异化的外观和性能创新。聚焦本质问题和需求，带来的不仅是颠覆性创新，也带了高品质的产品，并重新定义了设计美学。

传统汽车的设计思维定式是车身外观要豪华大气，内饰设计需要奢华炫酷，这也是目前新能源汽车常见的设计表达方式，这种设计思维着重于表象，并不能为驾驶本身创造价值，会使成本显著增加并且造成设计资源的浪费，应转变思维聚焦本质问题和用户的本质需求进行创新。Cybertruck 电动皮卡车的坚固耐用是客户需求的本质，它革新性的采用了冷轧不锈钢的材质，拥有卓越的强度和耐用性，并且可有效保护驾乘者安全。恰恰是因为使用了冷轧不锈钢材质，不容易制造复杂的曲面，所以皮卡车的外观由平面和几何三角造型组成，融入了机甲元素，造型浑然一体，表现出强烈的未来科技感。

4.3 注重产品的核心技术与性能

汽车基本的属性是载人载物的交通工具，应遵循第一性原理，在汽车设计中注重核心技术和性能，内饰设计注重的是智能科技和简洁的操作体验，车身制造研究的是核心的一体化压铸工艺，皮卡车的重点突破的是坚固的车身材料。目前，国内的造车新势力更注重外观设计和软实力的表现，快速迭代车型以迎合市场需求，这样的设计需要庞大的设计研发投入，消耗大量的资源。随着新能源汽车对核心技术与性能的突破，使得生产效率大幅提高，产品成本持续不断的降低，形成了强大的产品竞争力，给国内车企业带来严峻的考验。

在商品经济时代，产品设计重要的是对核心技术和性能的突破创新，应该摒弃过度的表象设计，让产品设计回归核心。因此，新能源汽车造型设计应注重产品的核心技术与性能。如图5 所示，三角造型符合空气动力学，风阻系数仅为0.30Cd，风阻测试中可以看到空气动力极大优于其它品牌的皮卡车，结合出色的电机性能使其零百加速时间只需2.9 秒，续航里程高达800 公里。坚固的冷轧不锈钢材质和实用的三角造型，既打破了传统皮卡车设计思维与形象，也提高了皮卡车的核心性能，这都是从第一性原理思维出发进行的创新。

图5 Cybertruck 皮卡车风阻分析与对比（作者：航空工程师Justin Martin）

5 结语

第一性原理思维是从事物本质或问题的本源出发去思考设计的可能性和创新方案，强调打破固有的设计思维，对产品的本质问题和核心功能进行破界创新，是一种高效率、可持续发展的设计创新思维。第一性原理在新能源汽车设计中的应用突破了传统汽车设计思维的束缚，能够洞察用户更深度的需求和产品本质，从而打造出具有差异化和独特创新性的产品，铸就产品在市场上的核心竞争力。