技术|特斯拉Model 3 三电系统拆解

一、电池

电池包外观对比：集成度领先同时期车型，目前仍然处于领先地位

Model 3(图片|配置|询价) 电池包采用 4 块大模组，与同期的 iD.4 X，宝马 iX3 的电池包相比，采用大模组技术，集成度更高，内部布局更为整洁，电池包技术目前仍处于领先地位。

图1：Model 3 电池包外观资料来源：中城康帕斯科技发展(深圳)有限公司，中信证券研究部

图2：ID.4 X 电池包外观

资料来源：汽车之家

图3：BMW iX3 电池包外观资料来源：汽车之家

集成方式：小模组→大模组→无模组 CTC，集成度不断提提升，降本增效

集成度提升，减少非必要零件，降低成本，提高续航里程。在旧款的 Model S 中，电池包采用 16 个小电池模组，分模组进行电池管理；在 2022 款 Model S 中，电池包采用 5 块大模组方式集成，电池包中结构件数量减少，重量减轻，系统能量密度提升，在同样采用 100kWh 的 1865 电池的情况下，整车续航里程从 335 英里增加至 405 英里，提升 21%；在最新的 CTC 技术中，直接由电芯作为车身的一部分，电池包上盖与车身地板融合，取消模组设计，进一步提高系统集成效率，成本降低 6%，续航里程提高 16%。

图4：旧款 Model S 上的小模组电池包

资料来源：汽车之家

图5：2022 款 Model S 上的大模组电池包

资料来源：Munro & Associates

图6：特斯拉展示的无模组结构化电池包方案

资料来源：特斯拉官网

图7：结构化电池包拆解图

资料来源：Munro & Associates

适配性：兼容不同数量、类型的电芯，多材料体系、多供应商方案共存

当前特斯拉电池包系统，多材料、多供应商、多类型电池共存。目前特斯拉电池包采用多材料体系、多供应商方案。当前，特斯拉的标续版车型中采用磷酸铁锂电池材料体系， 长续航和高性能车型中采用三元锂电池材料体系，形成了多种材料体系并存的格局。供应商方面，北美工厂生产的车型采用松下的圆柱电池，上海工厂生产的车型采用宁德时代的方形电池以及 LGES 的圆柱形电池，多供应商下多种电池类型共存。

图8：特斯拉 Model 3 底盘上电池包总体积为 188L，可分为 4 条小电池包 资料来源：EVTV，中信证券研究部测算

电池包空间灵活排布，兼容多材料体系。铁锂版标续 Model 3 出现之前，三元版标续Model 3 采用不占满电池包的方式，保留长续版 188L 的电池包体积，仅占用约 3/4 的电池包空间，放入 53kWh 电池；切换到铁锂版标续 Model 3 后，用磷酸铁锂电芯将电池包空间全部填满，由于磷酸铁锂电芯的能量密度低于三元电芯，对应带电量 55kWh，达到与此前三元版标续 Model 3 相同的续航能力。

图9：三元电池版标续 Model 3 电池包

资料来源：汽车电子设计微信公众号

图10：磷酸铁锂电池版标续 Model 3 电池包

资料来源：汽车电子设计微信公众号

冷却管路设计：蛇形冷却→直线冷却，缩短冷管长度，更快、更充分冷却

特斯拉早期的 Model S/X 电池模组中，冷却管路采用蛇形布置的冷却管，即长冷却管穿越于整个电池模组中。如图中所示，2013 款 Model S 中采用一条蛇形冷却管，覆盖444 颗电芯；2017 款 Model S 中采用两条蛇形冷却管，每根冷却管覆盖 258 颗电芯。

图11：2013 款 Model S 中一条蛇形冷却管排布示意图

资料来源：Inside EVs

图12：2017 款 Model S 中两条蛇形冷却管排布示意图

资料来源：Inside EVs

图13：旧款 Model S/X 上蛇形布置的液冷管实物图

资料来源：汽车之家

Model 3 开始，特斯拉采用直线冷却。冷却液从模组一侧分 7 根直线冷却管流入，从另一端流出，单根冷却管覆盖 164 颗电芯。单根冷却管覆盖数减少，冷却效果更充分；冷管长度减小，冷却更快。核心原因，一方面 Model 3 升级为大模组方案，模组内需冷却的电芯数增加；另一方面，在快充的需求下，对于电芯更快、更充分的冷却需求提升。

图14：Model 3 中多条直线冷却管排布示意图

资料来源：Inside EVs

图15：Model 3 上直线布置的液冷管流入段实物图

资料来源：中城康帕斯科技发展(深圳)有限公司、中信证券研究部

图16：Model 3 上直线布置的液冷管实物图

资料来源：中城康帕斯科技发展(深圳)有限公司、中信证券研究部

在最新的 2022 款 Model S 上，直线冷却进一步升级为 U 型直线冷却。U 型是指横向来看，每根冷却管在竖直方向 U 型折叠，单侧流入流出；直线是指俯视来看，U 型冷却管直线布置。纵向 U 型排布的好处是，对于不同位置的电芯的冷却效果更加均匀；直线排布则是保持单管更少的电芯覆盖量，2022 款 Model S 模组内布置 11 根 U 型冷却管，单管覆盖电芯数进一步下降至单管 144 颗。

图17：纵向 U 型设置的冷却管

资料来源：Inside EVs

图18：俯视直线排布的冷却管

资料来源：Inside EVs

图19：Model S Plaid 中 U 型直线冷却管实物图

资料来源：Inside EVs

横向对比来看，国内市场电动车方案以方形为主，方形电芯方案下，主流方案是在电池包下方铺设冷板，通过界面导热材料将电芯中的热量导至冷板，实现冷却。随着电池能量密度、充放电功率要求的提升，对于电池冷却的需求提升，宁德时代最新发布的麒麟电池中，将隔热垫、水冷板、横纵梁整合为一体，冷板从水平放置变为类似特斯拉冷却管的竖直、间隔放置，换热面积扩大 4 倍，支持 4C 快充，同时起到冷却与支撑作用。

图20：大众 MEB 平台电池包下方的冷板

资料来源：大众集团官网

图21：宁德时代麒麟电池中多功能弹性夹层面冷

资料来源：宁德时代麒麟电池发布会

导热阻燃设计：增加灌封胶与防火泡棉，导热阻燃升级

灌封胶加发泡泡棉，导热阻燃设计升级。早期 Model S/X 中依靠液冷及热管理系统对电池包热失控进行软防控。随着电动车自燃事故的发生以及法规层面对热失控要求趋严， 特斯拉采用了灌封胶加发泡泡棉的阻燃方案。类似于电子元件中灌封的概念，特斯拉在动力电池包中采用灌封胶填充圆柱电池间的空隙，起到避免电芯间传热、提高对冲击的稳定性，提高电池包整体的热稳定性和机械稳定性。同时，特斯拉在上盖中加入隔热发泡泡棉， 将热量阻绝在客舱外。

图22：特斯拉电池包中的防火泡棉

资料来源：凌志新材料官网

图23：特斯拉电池包中采用的灌封胶

资料来源：中城康帕斯科技发展(深圳)有限公司，中信证券研究部

市面上多种阻燃设计方案共存，尚未达成共识。当前防火阻燃方案众多，例如凯迪拉克 Lyriq 和广汽埃安采用气凝胶薄片隔绝电芯之间传热，同时达到轻量化的效果；极狐在电池包上覆盖陶瓷纤维防火毯；Rivian 中采用金云母板覆盖在电池包上放；岚图的“琥珀” 和“云母”电池系统，分别对应在电池包内加入气凝胶和层状云母的方式达到隔热阻燃效果。

图24：弹匣电池阻燃设计——气凝胶

资料来源：广汽埃安官网

图25：极狐阻燃设计——陶瓷纤维防火毯

资料来源：北汽极狐官网

图26：Rivian 电池阻燃设计——金云母

资料来源：Sandy Munro

电芯：从 18650 到 2170 再到 4680，成本降低、续航里程提升

4680 电池，续航里程提升下的降本最优解。最早特斯拉采用直径 18mm，高 65mm 的 1865 电池，后续采用直径 21mm，高 70mm 的 2170 电池，相较于 1865 电池能量密度提升，成本下降。2020 年特斯拉电池日上，特斯拉发布 4680 电池，相较于此前采用的2170 电池，4680 电池的电芯容量是其 5 倍，能够提高相应车型 16%的续航里程，输出功率 6 倍于 2170 电池。其中电池直径为 46mm 是做大电池后成本降低和续航里程提升同时达到最优得出。

图27：18650、2170、4680 电池尺寸及能量密度对比

资料来源：特斯拉电池日

图28：圆柱电池尺寸与性能变化

资料来源：特斯拉电池日

4680 搭配全极耳，提升能量密度的同时，为功率密度提升打开空间。由于全极耳比单极耳多出两块集流盘，而小电池中集流盘占到电池体积比例更高，影响能量密度，因此大电池更适配全极耳。在产热方面，全极耳结构的电池由于电流在集流体上流过的电流路径更短，电阻减小而产热减小为单极耳结构的 20%；散热方面，全极耳结构电池沿径向形成强导热路径，热管理难度与能耗降低。因此 4680 电池扩大尺寸提升容量的同时，全极耳结构减小了电阻发热和电池冷却所带来的损耗，最终电池的有效能量及能量密度增加。

另外，由于全极耳产热小、散热快，为 4680 电池实现大功率快充创造了物理条件。

图29：全极耳相比单极耳能效提升

资料来源：《Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection》(Thomas George Tranter 等)，联赢激光微信公众号，中信证券研究部

4680 电池通过新结构、新材料应用，实现“能量密度高、倍率高、成本低”的不可能三角。在实现高能量密度、高倍率的情况下，4680 的大电芯摊薄非活性物质成本，尽可能做高能量密度摊薄总体单Wh 成本，生产过程简化节省成本。

图30：特斯拉围绕 4680 电池料将搭配多种新材料、结构

资料来源：特斯拉电池日，中信证券研究部

二、电机电控

总成：驱动单元集成度高，系统效率提升

Model 3/Y 搭载驱动电机、电机控制器、单挡变速箱三合一驱动系统，集成度高。电机方面，标准续航版后轮搭载永磁同步电机，四驱高性能版后轮搭载永磁同步电机，前轮搭载交流异步电机，采用定子+转自复合油冷系统，Model Y 还采用扁线电机，电机功率密度较大程度改善，成本亦有降低。电控方面，Model 3/Y 搭载 SiC MOSFET，较 Model X/S Si IGBT 方案逆变器功率密度显著提高。同时受益于驱动系统集成化提高、电机电控等关键零部件升级，Model 3/Y 驱动系统效率达 89%，较 Model S/X 提高了 6pcts。

图31：特斯拉 Model 3 电驱动总成

资料来源：Munro & Associates，特斯拉官网，中信证券研究部

表1：Model 3/Y 与 Model S/X 电驱动总成参数对比

资料来源：特斯拉官网，汽车之家，中信证券研究部

电机：向高功率、低能耗演进，性能和成本持续优化

Model S/X→Model 3：由感应电机转向永磁同步电机。2012 年特斯拉 Model S 上市，该车型定位高性能（197kW），彼时大功率车用永磁电机尚未成熟。而大功率感应电机相对成熟、成本低，且不受稀土资源制约，亦无高温下退磁的担忧。因此 Model S 搭载的是感应电机而没有选择永磁电机。感应电机具备成本低、功率高等优势，但同时也存在体积大、效率低而影响续航等缺点。随着电动化推进，在 2017 年推出的 Model 3 中开始转向使用永磁同步电机。相比感应电机，永磁同步电机体积小更紧凑，效率高而有利于续航且更易控制，在 Model Y 中，特斯拉继续亦采用永磁同步电机方案。

图32：特斯拉 Model Y 双电机版本采用前感应电机/后永磁电机的动力总成布局

资料来源：Munro & Associates，特斯拉官网，中信证券研究部

表2：交流异步电机和永磁同步电机参数对比