特斯拉深度报告：绝尘，极客，高效，妥协，优选

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1、销量霸榜，2019年特斯拉丰收

特斯拉全年销量突破36万辆，Model3是验证最充分的单一车型。

2019年，特斯拉全球销量达36.75万辆，创造新记录；2019年第四季度，公司生产10.48万辆电动车，交付11.2万辆；Model3是年度最佳销量单品，2019年全年实现销量30万余辆，其中第四季度9.25万辆；全年销量超过中国2020年全年纯电动乘用车单品销量前五名之和，同比2018年实现翻倍增长，而且对同等定位的燃油车型也形成了一定程度威胁。

2、性能霸榜，Model3续航电耗表现出色

销量之外，以续航-电耗为主要评价标准，特斯拉Model3表现出色。

以我国2021-2023年“双积分”政策（《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案）征求意见稿的积分计算方式评估（纯电动整车积分由在CLTC工况下的续航里程决定基准值，由整备质量对应的理论电耗和实际电耗的商决定调整系数，在积分基础值-EC系数XY图上，续航越长、同等整备质量情况下电耗越低的车型越处于右上角），特斯拉的主要产品（Model3、已公布部分技术参数的ModelY）续航长、电耗低；国产版Model3受限于相对保守的电池方案技术指标有所降低，但仍然在与主要国际竞争对手、leaf、iX3的竞争中占据上风，遑论工况续航不足300km的Golf电动版；和自主车企产品相比，Model3国产版的主要竞争优势在于更低的电耗、验证更充分的辅助驾驶以及部分品牌溢价；双电机长续航版续航最佳之一，同时电耗控制出色。

以我国2021-2023年“双积分”政策（《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案）征求意见稿的积分计算方式评估（纯电动整车积分由在CLTC工况下的续航里程决定基准值，由整备质量对应的理论电耗和实际电耗的商决定调整系数，在积分基础值-EC系数XY图上，续航越长、同等整备质量情况下电耗越低的车型越处于右上角），特斯拉的主要产品（Model3、已公布部分技术参数的ModelY）续航长、电耗低；国产版Model3受限于相对保守的电池方案技术指标有所降低，但仍然在与主要国际竞争对手、leaf、iX3的竞争中占据上风，遑论工况续航不足300km的Golf电动版；和自主车企产品相比，Model3国产版的主要竞争优势在于更低的电耗、验证更充分的辅助驾驶以及部分品牌溢价；双电机长续航版续航最佳之一，同时电耗控制出色。

以我国2021-2023年“双积分”政策（《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》修正案）征求意见稿的积分计算方式评估（纯电动整车积分由在CLTC工况下的续航里程决定基准值，由整备质量对应的理论电耗和实际电耗的商决定调整系数，在积分基础值-EC系数XY图上，续航越长、同等整备质量情况下电耗越低的车型越处于右上角），特斯拉的主要产品（Model3、已公布部分技术参数的ModelY）续航长、电耗低；国产版Model3受限于相对保守的电池方案技术指标有所降低，但仍然在与主要国际竞争对手、leaf、iX3的竞争中占据上风，遑论工况续航不足300km的Golf电动版；和自主车企产品相比，Model3国产版的主要竞争优势在于更低的电耗、验证更充分的辅助驾驶以及部分品牌溢价；双电机长续航版续航最佳之一，同时电耗控制出色。

1、电子电气架构，直达行车电脑级别

和传统车企不同，没有历史包袱的特斯拉可以尝试相对激进的电子电气架构，走上“软硬件解耦-软件定义汽车”之路。

特斯拉ModelS、ModelX的电子电气架构近似。中央控制DCU（Domaincontrollerunit）、动力域、车身域、底盘域划分明显，保留了诊断接口，且大量使用CAN/LIN用作主干网/支线网。72个ECU控制器节点包括44个CAN节点和28个LAN节点。中央控制DCU横跨多个网段，接入多个节点并具备诸多功能，可以说ModelS、ModelX前瞻性地初步实现了行车电脑级别的电子电气架构：将分散的ECU集成到有限的几个DCU中，传统的ECU-促动器一对一关系变成DCU-促动器一对多的关系；在DCU中实现算力资源和程序的集中管理，而不是像传统OEM，所有零部件的软件对整车厂都是black-box，OEM不能直接、便利的管理各部分代码；DCU本身更类似于通用计算机，而非专用微控制器。

Model3则更进一步，将整个电子电气架构划分为三个部分：中央控制DCU、左车身控制DCU、右车身控制DCU。其中中央控制DCU整合了驾驶辅助系统（ADAS）、信息娱乐系统、外部连接和车内通信系统功能；车身与便利系统、底盘与安全系统和部分动力系统分属车身控制模块。其中Model3的信息娱乐系统采用了X86架构的intelAtomA3950处理器，并运行特斯拉自己打造的车载linux系统。

Model3的电子电气架构突出地体现了硬件标准化、后续用软件弥补漏洞的思路。这样，整车开发周期得以缩短，整车潜力也可以更有效地得到挖掘。

随着整车电子电气架构的进化，相应线束长度也有望缩短。ModelS的线束长度约3km，Model3缩短至1.5km。特斯拉在相应领域的专利布局了新的布线架构，布线围绕电池和中央控制DCU，按照子系统进行划分，使得其长度进一步缩短，而且相应子系统组件的组装和验证工作也可以得到简化，有利于提升汽车生产效率。我们预计ModelY的整车线束长度有望进一步缩短。

总之，在特斯拉的产品中，硬件和软件逐步实现解耦，硬件资源通过操作系统抽象为可调度的资源，程序设计更加容易，新硬件、传感器的添加更加灵活，更容易实现ADAS和自动驾驶的相关功能；算力的统筹集中使得特斯拉更容易利用传统汽车的算力功耗，实现高算力的ADAS算法；许多重大缺陷可以通过OTA升级解决，而非必须召回返厂修理。

OTA（OverTheAir-空中升级更新）是智能手机固件、系统、APP更新的主要方式。对乘用车而言，OTA要求受方有通讯模块（最好支持高速通讯方式），还要求相关电子件带有bootloader（引导装入）功能。OTA功能既可以用于“解决部分问题”（免于召回），也可以用于“解锁新功能”（而非推出中改款车型等），从而使得整车的综合吸引力得到强化。

燃油车的发动机、变速箱控制单元比电机控制单元的固件和软件都要复杂，性能提升多需要整体调教，OTA引发的风险相比于纯电动车型更大，所以燃油车企OTA主要针对非安全部分，起到诸如车机UI、导航、音乐更新，对智能设备的新支持、WiFi优化等“锦上添花”式作用。

作为OTA+乘用车的鼻祖，特斯拉的OTA服务依托其先进的电力电子架构，已经实现了诸如强化加速性能、优化刹车表现、沿途电池预热、甚至是解锁电池冗余容量应急等功能，而非仅仅娱乐应用更新。美国飓风“艾尔玛”、中国台风“山竹”袭来时，特斯拉均为车主提供了相应OTA支持。

特斯拉在2016年加入了“代码签名”安全机制，并对所有FOTA升级固件进行强制完整性校验，以强化OTA的安全性。自诞生至今，特斯拉通过OTA方式已更新系统版本至10.0。

可见，硬件架构先进、软件日趋进步，特斯拉在软硬件系统方面堪称极客。其他企业在不彻底重构硬件架构的情况下，产品迭代速度将显著慢于Tesla。

充能-储能-用能的能量流是新能源汽车有效应用的关键基础。用能主要依赖于电机、电控，储能依赖于电池（用能、充能也部分受电池影响），充能主要依赖于电网及充电桩。和燃油车型相比，新能源汽车在用能环节优势明显，而在储能、充能环节仍有不足。

1、电机：从交流异步包打天下到技术路线按需选择

电机是新能源汽车相比于传统燃油车的主要优势部件。新能源乘用车电机主要包括交流异步/永磁同步电机两种应用相对广泛的技术路线。

特斯拉ModelS/X的电机采用交流异步电机技术路线，前后电机最大功率分别为202/285（高性能版375）kW。

ModelS/X的主电机、电控、减速器集成于后轴。

和ModelS/X不同，Model3定位中端，受限于有效空间对电机效率和体积功率密度要求更高，故将交流异步电机更新为优化了磁场排布的永磁同步电机，兼顾动力性、能效和体积需求。RWD、AWD、AWDPerformance三个车型的电机功率（不同信息源数据稍有区别）分别为211kW、274kW(188+147)、353kW(211+147)。双电机版本的两个电机功率相加并不等于实际总功率，这是因为双电机版本中每个电机的外特性不同，峰值点不重合。

Model3的主电机、电控、减速器同样高度集成，而且整体体积功率密度进一步获得了提升。这一方面是因为永磁同步电机的贡献，另一方面是因为电控的功率半导体器件经历了较大革新。

2、电控：从硅基IGBT到高效碳化硅基MOSFET

特斯拉产品的电控系统（以核心逆变器为主要评判标准）使用的功率半导体器件经历了从硅基IGBT到碳化硅基MOSFET的转型。

半导体功能的实现受到基体材料理化性质的限制。首先，基体材料需要有一个较宽的能隙，以确保在没有掺杂的情况下，本征载流子浓度低于最轻掺杂区掺杂浓度的温度上限较高，且临界击穿场强较高；能隙也不应过宽，致使自建电势和门槛电压过高。其次，基体材料在禁带中的能级应尽可能少，使得阻断电压高、漏电流低。再次，基体材料需要有足够高的自由载流子迁移率（电子迁移率高于空穴，故以电子迁移率为准），使得相应功率半导体器件的最大允许电流密度较高。而且，基体材料需要有足够高的载流子饱和漂移速度（同样以电子迁移率为准），使得相应功率半导体器件的最大允许频率较高。最后，稳定的化学性质、较高的热导率等对高性能器件的实际应用也具有重要作用。

锗因为能隙太小，允许的工作温度上限仅为70℃，不是主流的功率器件材料；硅综合性能均衡、单晶生产成本低、易制备二氧化硅绝缘层，是最广泛应用的半导体、功率器件材料；碳化硅（晶体结构多样，其中4H晶型综合性能最优越）禁带宽，击穿场强大，虽然电子迁移率稍低但可进行更重的掺杂，也可制备二氧化硅绝缘层，且热导率高便于散热，故耐高压大电流、有更低的导通和开关损耗，性能优越，成本高；氮化镓高频特性好，但以碳化硅为衬底外延是主要生产方法，成本更高，且热导是短板。综合各种因素，硅和碳化硅最适于作为新能源汽车功率半导体的基础材料。

常用的功率半导体器件包括功率二极管（PowerDiode，含pin二极管/肖特基二极管）、双极型晶体管（BJT）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。不同类型功率半导体器件的对电信号可控程度、驱动信号、有效信号波形、载流子参与导电情况可能不同。

对使用同样基材的半导体器件而言，其能达到的开关功率和开关频率的乘积近似为常数。如对硅而言，该常数约为109VA/s：

Psw-hardfsw=Vmax-hardImax-hardfaw≈109VA/s

上述经验公式指导下，不同器件的工作电流、工作电压和开关频率范围有所不同。

MOSFET的开关速度快、开关损耗低、工作频率高、所需驱动功率小、驱动电路简单，不存在二次击穿问题。但硅基MOSFET在高压应用时，导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，故额定电流和额定电压较小，采用经典拓扑条件下只适用于不超过10kW的电力电子装置（对应于汽车应用领域的12V或48V系统），而对大功率的纯电驱动不适用。

所以，对于仍然采用硅基材的纯电动车型电控用功率半导体，有必要以较低的开关速度、较高的驱动功率与开关损耗、较复杂的驱动电路和二次击穿危险为代价，将栅极（即图中门极）通过一层氧化膜（p+层）与发射极实现电隔离，应用相当于MOS和BJT组合的，耐压能力、电流密度及最大功率更高，高压条件下导通电阻更低的IGBT器件。

对于试图利用MOSFET器件诸多优势的纯电动车型电控用功率半导体，则需改变基础材料，以相对昂贵的碳化硅为基材，控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数，最终获得更高的工作电压及最大功率以及综合效率。当前碳化硅基MOSFET系统的综合效率（以逆变器效率计）约98%，高于硅基IGBT的约92%。可以说在应用层面碳化硅基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征优势。

特斯拉ModelS/X的电控系统采用的是传统硅基IGBT。后电机功率更高，所需IGBT芯片数量更多。

特斯拉Model3是碳化硅基MOSFET在新能源汽车上面应用的成功案例。其搭载的意法半导体碳化硅基MOSFET器件基本结构如下：芯片焙银连接至氮化硅基板；芯片门极采用标准铝线键合技术进行电气互联；采用铅焊料回流焊工艺连接引线框架；塑封电镀等完成最终封装。

Model3双电机版的电控共搭载了24个650V、100A碳化硅基MOSFET功率模块，每个模块为2芯片并联。

特斯拉在设计电控过程中，充分考虑了回路电感对开关速度、开关损耗、电气可靠性和功率密度的影响。以碳化硅基MOSFET为核心的高效电控是整车低电耗的有力保障之一。

3、快充：全球布局的超级快充站400V-250kW第三代快充

自2012年开始，特斯拉超级快充站为纯电动乘用车提供了相对较好的充电使用体验。

截至2020年初，特斯拉在全球范围内已有逾1600座超级充电站和1.44万个超级充电桩，北美、欧洲、东亚是布局重点。

特斯拉超级快充技术依托400V直流电，其最新的V3超级快充技术峰值功率达到250kW，超过V2超级快充技术峰值功率（145kW），也超过我国高速公路快充网络单桩峰值功率（120kW）、常规快充功率（60kW）。

特斯拉基本的快充策略是低荷电状态（SOC）时充电功率较大，随SOC增加功率逐步降低。以V3充电桩为Model3长续航版充电估计，基本满功率对应3C充电（约10%-25%SOC范围），随后降至约2C充电倍率（约25%-50%SOC范围），继续充电降至约1C倍率（约50%-70%SOC范围），充电末期功率进一步降低。根据充电曲线估计，从10%SOC到70%SOC的充电时间在15分钟，增加工况续航约350km。为了实现超级快充的功能，整车还需要在电池包温度方面加以控制，保证到达超级充电站时电池包温度处在适宜区间。

新能源汽车快充需要在电池、整车、充电桩和电力系统中充分挖潜、弥补短板，保证便利性和安全性的统一。我国对新能源汽车充电的要求是慢充为主、快充为辅，超级快充的合理分布、有效使用可期。

综上所述，特斯拉Model3在用能、充能方面表现出色。

动力电池是新能源汽车的心脏。特斯拉创立伊始，可供选择的高性能动力电池较少，故立足相对成熟、良品率高的圆柱电池打造电池包及对应纯电平台。

1、18650圆柱电池，成熟的单体和配套热管理

ModelS/X使用的松下18650电池，其质量48.5g，最大能量11.8Wh，对应容量3.35Ah。该电池单体的质量能量密度约为243Wh/kg，体积能量密度约为646Wh/L。

相对较小的电池导致成组所需电池单体数量较多，电池系统复杂度较高。ModelS/X（85kWh版本）使用的动力电池数量高达7104节。为了保证性能发挥，特斯拉采用被动均衡电池管理系统技术。

ModelS的BMS采用了主从架构，主控制器（BMU）负责高压、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。从控制器（BMB）负责单体电压、温度检测，并上报BMU。主控制器具备主副双微型单片机（MCU）设计，副MCU可检测主MCU工作状态，一旦检测其失效可获取控制权限，进一步保证安全性。承担热管理具体任务的是蛇形软管及配套零部件，水-乙二醇混合液在管道内部流动。当电池在低温状态下需要加热时，BMS检测并发出指令，使得电机冷却回路与电池冷却回路串联，电机余热为电池加热。当动力电池处于高温时，BMS同样检测并发出指令，使得电机冷却回路与电池冷却回路并联，两套冷却系统独立散热。最终电池单体及电池包温度得到有效控制。

2、21700电池，渐进式工程创新

Model3同样使用圆柱电池，但电池单体的体积有所增加。为其配套的松下21700电池质量69g，最大能量17.5Wh，对应容量4.78Ah；配套正极为高镍含量镍钴铝：；负极为含硅（3.5%）石墨，从扫描电镜图像及粒度分布统计来看，硅以微米晶形式存在，掺杂均匀性一般；隔膜为氧化铝涂覆聚丙烯，基膜厚度10微米左右。

该21700电池单体的质量能量密度为约254Wh/kg，体积能量密度为约722Wh/L。和ModelS/X使用的18650电池相比，其质量能量密度略有提升（+4.5%），而体积能量密度提升稍多（+6.8%）。

电池包/整车层面，Model3标准续航版和长续航版在整备质量、工况续航、百公里电耗、可用电量（实际带电量稍高）、电池单体数量等方面均有区别。总体而言长续航版可用电量、电池单体数量约为标准续航版的1.5倍，但增加的整备质量使得工况续航（本文均使用WLTP续航）提升幅度不及可用电量提升幅度；各个版本的电池单体数量均远低于ModelS/X。

Model3长续航双电机版的电池包拆解信息较详尽。电池包尺寸为2148*1444*120mm（不含向z轴突出部分），总质量473.94kg，内包括4个电池模组。

综合上述信息可以计算得到，对Model3长续航双电机版而言，其电池系统质量能量密度约为162Wh/kg，质量成组效率约为64%，国产标准续航版的电池系统能量密度和长续航双电机版差距不大；电池系统体积能量密度约为207Wh/L，体积成组效率约为28%。可见圆柱电池的最大问题是体积成组效率偏低，在电池包层面抵消了相对高化学活性的正负极材料带来的能量密度积极影响。

相比于其他部分的优秀表现，圆柱电池包一定程度上已经成为了特斯拉产品的短板。偏弱的体积能量密度“软肋”使其应该不会是新能源汽车的长期主流选择。

如前所述，电子电气架构、用能充能等方面特斯拉产品技术先进，但储能方面的圆柱电池技术路线一定程度上已经成为了优质整车产品的短板。加之特斯拉电气工程技术水平高、电池技术路线切换门槛相对较低，更换更有竞争力的动力电池、进一步提升续航等整车性能、强化产品竞争力是合理的选择。采用三元正极材料、方形电池的宁德时代CTP电池包（CelltoPack，无模组动力电池包）或有较大机会。

1、Celltopack，宁德时代撒手锏

宁德时代的全球首款CTP电池包亮相于2019年10月，首秀车型为北汽新能源EU5。这是继宁德时代在法兰克福车展披露CTP电池包技术后的首个乘用车项目落地。由于CTP电池包省去了电池模组组装环节（不需要335、390、590等规格模组），较传统电池包而言，其体积利用率提高，零部件数量减少，生产效率提升，投入应用后可能相当程度降低动力电池的制造成本，并提升电池包的质量/体积能量密度。

电芯和BMS连接方面，根据宁德时代有关专利，其电芯和电池管理系统BMS通过固定结构固定在电池包壳体中，BMS壳体内部和电芯与电芯之间都填充导热胶，用于散热和减震。电芯内置在上下壳体中，壳体里面填充导热胶，电芯侧壁和电芯壳体间内置压力或者温度传感器，压力传感器用于检测电芯外形的变化，温度传感器用于检测电芯温度的变化，两个传感器主要作用是能够排查不良电芯，并且提前探测到电芯发生热失控等安全事故。BMS和电芯的连接方式有三种：其一，BMS和电芯上带有导电弹片，用导电螺栓将两者固定连接；其二，采用弹性抵接方式；其三，采用公母对接导电连接器。

电芯的装配以及冷却方式方面，根据宁德时代有关专利，采用塑料的电池壳体集成散热板，散热板与塑料壳体底部凸台形成电芯收容空间，电芯侧壁贴上导热硅胶垫片，导热硅胶片可压缩，电芯与导热硅胶片一起可直接插入到散热板中间。电池壳体外壁与散热板连通（通过钎焊和密封圈密封），塑料壳体通过注塑成型，注塑时将散热板嵌入箱体的成型模具内，可以实现散热板与壳体一次成型。散热板内部有贯穿的筋条相互隔开的通孔，形成沿着壳体宽度方向的散热通道，散热通道可以直接与外部冷却管路连通。电池壳体侧壁有保护罩以及风机，风机可向散热板内部散热通道吹风，电池壳的上盖与下壳体通过发泡胶密封。

2、如宁德CTP牵手特斯拉Model3，近200km续航提升或可期

为了推断宁德CTP电池包如登陆Model3（及ModelY）可能获得什么实际效果，我们进行如下基本假设：

以Model3长续航双电机版为比较平台，电池包体积在现有条件和方形CTP电池条件下保持不变；电池包除模组外适当减重。

电池包体积成组效率有较大提升，原因为方形电池单体相比于圆柱电池单体的空间利用率提升，以及取消模组带来的空间利用率提升。

电池包质量成组效率有一定程度提升，原因为取消模组带来安置电池的有效空间等。

电池包最终增重对百公里电耗有一定负面影响。

同时我们还考虑不同的未来情景：

1、CTP技术对高能量密度电池单体的兼容性有限，所以电池单体的质量/体积能量密度较保守，电池系统质量能量密度为160Wh/kg（特斯拉对单晶523/622正极长寿命电池也有专利布局，对应图表6，并非固守高镍NCA唯一技术路线）。

2、CTP技术对高能量密度电池单体的兼容性良好，电池单体的质量/体积能量密度和前述松下圆柱电池基本等同，电池系统质量能量密度为180Wh/kg。

3、在2的基础上，整车三电系统、传动系、风阻滚阻和制动能量回收等进一步优化，抵消电池包增重带来的负面影响。

核心结论：

电池包体积保持不变，在保守的电池单体能量密度（218Wh/kg）情景下，特斯拉Model3采用宁德时代CTP技术可以获得约12.3%的工况续航提升；在高电池单体能量密度（245Wh/kg）情景下，可以获得约26.4%的工况续航提升；在高电池单体能量密度低电耗情景下，工况续航增幅高至32.1%。

再考虑到CTP技术电池包体积利用率提高，零部件数量减少，生产效率提升，对整车成本的降低、车内空间的提升都有积极意义，整车设计的自由度或有所增加。

我们估计，特斯拉方面，整车系统架构，用能、充能系统等已有很高技术水平，但动力电池包受限于较低的体积能量密度仍有相当提升空间；马斯克已宣布了特斯拉ModelY的中国量产计划，未来销量可期；特斯拉中国市场重要性持续提升，后续产品大概率将采用“中国芯”动力电池且动力电池技术路线切换对特斯拉而言门槛较低；宁德时代方面，CTP电池体现出了将整车续航再提升25%以上的潜力，2020/2021年动力电池总产能或达70/90GWh，且CTP电池占比有望高速增长。可见，宁德时代进入特斯拉供应链，两家公司携手是大概率事件。如以2021年Model3、ModelY中国销量30万辆，宁德时代供应其中10万辆车型估计，带来的电池销量增量达6-10GWh。

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