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耗时2个月特斯拉Model 3被拆解扒出了很多秘密之线束、连

发布时间:2022-09-27 05:23:05 来源:顺博体育在线登入 作者:顺博体育官网

  车结构日益复杂,功能日益多样,导致线束长度与复杂度提升。线束是汽车电路的网络主体,其连接车上的各个组件,负责相关电力与电信号的传输,被誉为“汽车神经”。汽车智能化与电气化程度的提升,依赖于汽车传感器、ECU(电子控制单元)数量的增加, 90 年代一辆车的 ECU 数量大约为十几个,而目前单车 ECU 数量已增至上百个。控制单元的数量的增加使得网线结构日益复杂,大大增加了车辆中的线束长度。

  降低线束复杂程度,依赖电子电气架构的革新。根据博世的电子电气架构战略图,汽 车的电子电气架构主要分为三大类:分布式电子电气架构、域集中式电子电气架构与车辆 集中式电子电气架构。传统汽车主要采用分布式架构,该架构由多个相对独立的 ECU 组 成,各个 ECU 与功能一一对应。而线束则负责将不同的 ECU 进行连接,以实现信息的交 互。因此在传统的分布式架构下,ECU 模块数量的增多与分散化的布局,不可避免地会导 致线束长度的增加,提高制造成本。目前传统分布式架构汽车的线km。

  特斯拉早期的Model SModel X对架构进行改革,根据功能划分域控制器,整体 架构介于分布式和域集中式之间。Model S 与 Model X 车内仅由驾驶域、动力域、底盘域、座舱域、车身域等域控制器构成,因此极大减少 ECU 的数量并同步缩短了 CAN 总线的长 度,Model S 线km。

  而 Model 3 对“域”进行重新划分,在 Model S 与 Model X 的基础上进行跨域融合。各个 ECU 不再按功能进行划分,而是以物理位置直接分为 CCM(中央处理模块)、BCM LH (左车身控制模块,LBCM)、FBCM(前车身控制模块)、BCM RH(右车身控制模块, RBCM)四大部分。CCM 负责原本驾驶域与座舱域的功能需求,包括自动驾驶模块、信 息娱乐模块、车内外通信连接等;BCM LH 负责左侧车身转向、制动、稳定控制等;FBCM 负责电源分配、逻辑控制等;BCM RH 负责动力系统、热管理等。利用少量的高性能计算 单元替代分散的 ECU,把需要实现的功能通过软件迁移到几大模块中,从而进一步提升集 成度,因此,Model 3 的线km。

  缩短线束长度是提升产品续航与制造效率的共同需求。传统汽车线束的重量约占整车 的 5%,长度的缩短能够为汽车设计让出更多的物理空间,并能减轻汽车总重从而减少油 耗提升续航。同时,线束种类多样、布局复杂且质地较软,因此线束的生产与安装都主要 依赖于人工。根据佐思汽研数据,95%的线束需要人工生产,线束低自动化的生产模式限 制了车厂进一步扩大产能。针对这一问题,Model 3 通过革新架构缩短线束长度,减少其 对产能提升的阻滞。

  除了架构调整缩短线束长度,拆解发现,Model 3 在高压线束中采用铝导线代替传统 的铜导线,进一步实现轻量化。铝与铜的密度分别为 2.7kg/m³、8.9 kg/m³,且铝料的成本 较铜便宜一半以上。即使考虑铝在导电性能上的劣势,增大线 倍) 依旧可以进一步减少车身重量(约 21%),降造成本。

  但使用铝导线代替铜导线也会面临诸多问题,使得此前车厂不敢轻易尝试高压铝导线。首先,铝的导电率明显低于铜如若要达到相同的导电性能,需要进一步加大导线线径;铝 的抗拉强度更低,影响机械性能;铝和铜在膨胀系数的差异,也会使得铝导线与铜端子在 结合界面产生空隙,导致阻抗的增加;铝极易氧化,且绝缘的氧化铝可能影响接触性能。虽然铝导线在汽车领域中应用广泛,但基本都在低压领域,Model 3 在高压导线领域使用 铝导线,是其利用自身技术禀赋实现成本管理与技术提升的重要表现。

  从行业看,线束行业的单车价值量相对稳定,单价主要受车型的不同、项目定价的差 异及结构影响。在新车型和改款车型上市的初期,由于车辆的售价较高,相应的零部件定 价也相应较高。而随着推出时间的增长及新车型的推出,整车厂会对原有车型进行降价, 同时也要求汽车零部件生产商降价,从而降低公司产品的销售价格。根据沪光股份招股说 明书,2019 年公司成套线束(构成车身的主要线束组合,不包括发动机相关的线束)、发 动机线 元/件。相同车型的线束单价 相对稳定,单价差异主要取决于车型的不同,2019 年,公司不同车型成套线 元之间。

  Model 3 等新能源车发展方兴未艾,量价提升打开线束行业成长空间。目前线束行业 为存量市场,市场规模依赖下游汽车的销售情况,汽车“新四化”趋势下 2021 年我国汽 车产销量分别为 2608.2 万辆与 2627.5 万辆,结束了 2018 年以来连续三年的下降局面。同时,高压线束的增量需求与轻量化趋势提升单车价值量,行业空间进一步打开。根据华 经产业研究院数据,传统低、中、高端汽车的线 元, 而新能源车线束单车价值平均提升至 5000 元左右。若以 3000 元的单车价值量计算,2021 年线 亿元。

  从盈利上看,成本冲击使得行业毛利率表现不佳。线束行业属于劳动密集型行业、产 品成本受铜等原材料价格影响严重,因此行业内公司毛利率较低。在人力成本与原料成本 的负面冲击下,近年来线束行业毛利率呈现下降趋势。

  而从格局上看,线束行业与整车厂商合作稳定,市场集中度较高。汽车线束行业发展 高度依赖汽车行业,大部分品牌车厂拥有较成熟稳定的汽车配套体系。长期以来,对零部 件的高标准要求使得线束供应商与汽车企业的合作相对稳定。目前,全球汽车线束市场主 要由日本的矢崎、住友电气、藤仓,韩国的欲罗、京信以及欧美的莱尼、安波福、科仑伯 格舒伯特公司、德克斯米尔、李尔等线束厂商主导。根据前瞻产业研究院,2018 年前五 大厂商矢崎、住友电气、德尔福、莱尼、李尔分别占比 29.81%、24.38%、16.71%、6.05%、 4.70%,CR5 为 81.65%。

  就国内市场而言,大型自主品牌车厂大多拥有稳定配套生产的本土线束厂,而外资以及合资整车厂,对线束的要求较高,选择的线束厂家大多为国际零部件厂商在国内的独资 或者合资厂商,例如住润电装主要为广州本田、东风本田配套。近年来,由于国际汽车厂 商越发重视成本控制,汽车零部件的本土化采购日益加强,国内厂商正逐步进入国际汽车 厂商的供应链。

  连接器常在导线的两段,同样用于两个有源器件之间的连接,其形式和结构多样,但 通常由接触件、绝缘件、壳体、附件组成。接触件是连接器完成功能的核心零件,其通过 阴、阳两个接触件的插合完成电连接;壳体是汽车连接器的外罩,提供机械保护与固定连 接器的作用;绝缘体的作用是使接触件按规定的位置和间距排列,并提供绝缘保护;附件 可进一步分为结构附件和安装附件,结构附件包括卡圈、定位键、定位销、导向销、联接 环等,安装附件包括螺钉、螺母、螺杆、弹簧圈等。按照性能及应用场景的不同,车用连 接器可以分为高速连接器、低压连接器和高压连接器。

  高压连接器是汽车电气化背景下的关键组件。根据线束世界资料,一台现代车辆包含 的连接器数量多达 700 个。而在汽车电气化趋势下,车内 60V 电压以上的场景迅速增加。车辆的驱动离不开高电压大电流电路的驱动,这为高压连接器提供巨大的增量需求。拆解发现,Model 3 中的高压连接器数量也线性增加,功能与形态也有相应的变化。

  在高压快充连接器上,Model 3 使用的是由 TE(泰科)定制的插片式高压连接器 HC Stak 35,其作用是连接汽车电池与充电线束。插片结构是特斯拉一贯的选择,其能够增 加铝导线的焊接选择,与同等的圆柱式端子相比,其尺寸更小,载流更好(提升约 20%), 能为电气系统布局尽可能地节约空间。

  从设计上看,HC Stak 35 的端子通过铜板(35mm 厚)与 35 片刀叉型端子连接,由 于插座端的端子是由 35 片 DEFCON 端子叠加形成,所以其能类似积木一样,根据不同端 口的需求不同,通过改变叠片数量来构成不同型号的连接器,这一模块化设计方式能够进 一步降低端子加工成本。HC Stak 35 搭配 95 mm²的高压线束,能够支持 Model 3 充电 15 分钟增加 279 公里的快速充电与长效续航。但插片式连接器同样有其缺点,其不耐拔插, 插片容易变形导致正负极插片无法保持在同一水平面上。

  在动力电池—电驱高压线束的连接器上,Model 3 采用的是 TE 的 HC Stak 25。其 结构和功能与 HC Stak 35类似,不同点在于尺寸的大小,可以看到,HC Stak 25比 HC Stak 35 更小,因此 HC Stak 25 插座端的端子是 20 片 DEFCON 端子组成(HC Stak 35 为 35 片),不同的型号共用相同的连接器端子。连接器端子通过数量堆叠的变化能够快速完成 不同型号的组装,这体现了连接器模块化生产带来的成本管控优势。

  材料方面,Model 3 连接器材料为尼龙塑料材料,但我们认为金属合金外壳的应用未 来会愈加普及。虽然金属材料连接器相比尼龙材料的成本更高,但其强度更高,不会出现 插件受力处开裂或冲击后断裂的情况;同时快充功能要求连接器短时间内能够耐受更高的 电流,金属材料的良导热性有利于更好地进行升温控制,因此我们认为,金属外壳在未来 的应用中会愈加普及。可能也正是基于以上考虑,特斯拉的Model Y已将其高压连接器外 壳由塑料材料替换成金属材料。

  从竞争格局来看,汽车是连接器最大应用场景,行业竞争充分,海外龙头积淀深厚。2020 年,汽车领域连接器规模占连接器总规模的 22%,是最大的连接器细分市场,电气 化与智能化趋势有望进一步提高汽车连接器市场空间。同时,行业内厂商头部化趋势愈加 明显,1980 年全球前 10 大连接器供应商的市场份额为 38.0%,而在 2019 年前十大供应 商的份额提升至 60.2%。2019 年全球前十大连接器厂商分别为泰科、安费诺、莫仕、安 波福、鸿海精密、立讯精密、矢崎、JAE、JST、罗森伯格。

  未来,新能源车的进一步发展与放量有望推动连接器需求数量延续高速增长态势,但 单价可能呈下降趋势。以国内连接器龙头瑞可达为例,2019 年其新能源连接器营收同比 下降 17.62%,主要为产品售价降低导致,当年国家新能源汽车补贴标准平均退坡 50%, 冲击新能源汽车市场需求。2020 年度,新能源汽车市场逐步回暖,公司成为蔚来汽车、 美国 T 公司及上汽集团等新能源汽车车企的供应商,销量同比增加 37.18%,销售额同比 增加 3,737.02 万元。2021 年,汽车“新四化”进一步落地,公司成功进入国内外优质客 户供应链,包括美国 T 公司、蔚来汽车、上汽集团、长安汽车、比亚迪、江淮汽车、金龙 汽车、小康股份、安波福、宁德时代、鹏辉能源等。但伴随行业规模效应、生产工艺的成 熟与竞争加剧影响,连接器价格平稳下降。

  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 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。

  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%。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。(待续)


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