现象级电动汽车特斯拉Model 3平台深度解析

从今年上海车展以来，特斯拉Model 3(图片|配置|询价)受到"刹车门"事件影响，销量已连续两个月不及车展之前：5月份特斯拉销量为21936辆，环比4月的11671辆环比增长87.95％，但与3月份的35478辆相比，还是下降了38.2％。这仍不影响特斯拉Model 3成为现象级的街车。看一下Model 3的历史销量，不管是与价位接近的同等级豪车品牌（BBA）的油车相比，还是与国产电动车相比，数据都是都是相当优秀。即使销量下滑，仍不影响Model 3成为现象级的电动汽车。

这款汽车是怎样炼成的？下面就跟大家一起探讨一下。

1. 特斯拉的科技感和Model 3电子电器架构演进

选择特斯拉Model 3的用户，首要是选择了它的高科技感。这也是特斯拉最颠覆传统汽车的部分——在传统汽车测评还在讨论内饰高级感的时候，特斯拉选择了内饰的"极简风"路线，也可以说在有限的成本预算下，尽可能地在没有"科技感"的部分降本，把预算放在车机系统、三电系统和整车造型，最终打造出一部与传统车卖点完全不一样的车。顺便说一句，特斯拉也不是真正追求"极简风"，这从后来车型迭代时也在内饰部分做加法可以看出来，前期选择简约风，应该有部分也是出于成本考虑的无奈之举。

说回到高科技感，特斯拉的Model 3和其他车型，最特别的就是中间有一块中控大屏，相比Model S/X的17英寸纵向大屏，Model 3 改成15英寸悬浮式横向设计。也是这块大屏让特斯拉从汽车变成了智能汽车，改变了汽车的操控方式。

关于大屏的使用体验有多优秀，很多测评都已说过，在此不再赘述。

想重点说一下的是隐藏在大屏幕后的载体——Model 3 的电子电器架构。

图1 Model 3的电子架构

从Model 3的电子架构图上，可以看到，Model 3 原有的Model S/X基础上，简化的不仅仅是大屏幕的尺寸，还有一些深层的东西：

Model 3中央网关的功能弱化了，体现在在物理上削减了连结，整个连接并不是完全中心化，通过BCM左、BCM右和配电盒三个主块和Autopilot以及娱乐系统进行组合连接。

网络的通信功能部分，也是把Model S/X上原有的Gateway物理上拆分，合并整合到几个大的核心模块里面。

简化电子架构的好处，主要有下面几点：

(1) 整车企业可以真正达成硬件标准化的目标：把功能定义和实际的软件开发完全限定在有限的控制器来实现，整车的研发可以深入到零部件的完善过程中。后续量产中出现一些能用软件解决的问题，可以完全依靠整车企业自己的软件开发团队，摆脱对供应商的依赖。

(2) 最大限度地缩短开发周期：这是因为大量的功能测试都在集中在有限的控制器上实现，如果供应商仅负责提供完善底层和部分成熟的应用层，整车厂参与开发配置强大的主控器，在很多的情况下，完全可以以整车厂的意志为主导，自主地选择和切换底层供应商。

(3) 最大可能的节约线束成本：把外部的线束通过集成化缩减，控制信号内化，执行命令采用CAN和LIN的做法来优化。

(4) 提高软件升级效率：控制器的软件开发迭代自主化以后，OTA过程所要面对的ECU数量有所减少，能在一定程度上提高升级效率。

这套系统打破了原有的零部件和整车关系，需要车企本身研发实力足够强，还要突破传统整车厂的EE部门的职能职责，才能完成此类变革。从短期来看，这样变革的BOM成本不一定便宜，所以需要在一定的销量下才能做起来。

从这个Model 3这个架构来说，特斯拉是走出了自己的路，开辟了传统车企EE人想做，又不能做的事情，历史包袱小，工程能力强，也是特斯拉与其他主机厂拉开差距的地方。

2. 从Model 3 的传感器等硬件优化来看特斯拉的自动驾驶

特斯拉自动驾驶也是科技感的重要组成部分。

在自动驾驶方面，Model 3与其他特斯拉的其他车型一样，是通过Autopilot的功能引入辅助驾驶。该系统经过三代产品迭代，目前仍属于L2级别，但已经能够实现包括自动泊车、自动辅助变道、自动驶入和驶出匝道、加速超车和智能召唤等功能，同时，2020年版本的FSD增强了自主能力，在部分道路场景下可以实现无需驾驶者介入。

Elon Musk在2015年谈到对Autopilot愿景是：完整版 Autopilot 将让特斯拉电动车拥有真正的无人驾驶能力。也就是说，后续的升级迭代都将在这个系统上进行。

Autopilot的版本独立于特斯拉的具体车型，属于一次性付费激活的选装功能，购买后通过OTA免费升版。自2020年10月，特斯拉将Autopilot的在美国的售价从 8,000 美元上调至 10,000 美元，国内选装的价格为64,000元。后续随着版本升级，价格还会不断提高。（见表2）

从Model 3的电子架构和传感器上看到的变化是，所有传感器通过直接的连接方式进入控制范畴：

（1）感知层面的集成化

在上一代的框图里面，超声传感器是由供应商负责集成的，这在感知层面，特别是泊车层面是很难充分融合，因此Model 3的超声传感器已改为直接集成到BCM左模块上。

摄像头重新布置和优化，使得车辆层面的布置和Autopilot的ECU进行了一定程度的协调

雷达模块继续作为一个基础的单元保持。

（2）执行层面的优化

从驱动系统和底盘系统来看，由于BCM左的存在，在某些状态下可作为一个副中心。牵涉到这两块的核心功能，需要准备算法上的冗余和备份。长期来看，这是为辅助驾驶范畴往自动驾驶范畴发展而准备。

（3）电源的集成化

引入配电盒之后，把PCS放到高压电池里面，一定程度上做了很多的集成化。这样的好处包括：让PCS更贴近电池，更容易控制状态；集中配电盒，保证主要的核心器件有一定的电源冗余度。

另外，在元器件的布局优化上也作为了微调。

从实物来看，特斯拉Model 3的传感器套件包括：8个摄像头，1个雷达和12个超声传感器。8个摄像头和12个超声波传感器组合在一起可以检测远距离的物体，其精度几乎是以前系统的两倍。该系统还集成了具有改进处理能力的前向雷达，可以提供有关周围环境的其他数据，如穿透大雨，雾气，灰尘等的数据。正面的4个正向的摄像机可以覆盖250米的距离（但视角狭窄），还有一些广角摄像头，覆盖较近的距离（60-150米）汽车的侧面和后部还有4个摄像头，可以覆盖100米远的距离。另外，在Model 3上启用了一个摄像头监控实际的驾驶员状态，为自动驾驶留下想象空间。

另一方面，超声传感器可以检测汽车周围8米半径范围内的障碍物，声纳收集的数据也被自动驾驶仪用来管理超车期间的自动车道变更。同时，GPS用于检测汽车在道路上的位置。

图 2 Autopilot P2.5 与HW 3.0 对比

小结：从Model 3这些硬件上的优化可以看到，特斯拉在为Autopilot的不断升级做充分的准备，包括传感控制器和高压系统等硬件上的集成，摄像头和相关元器件的增加，算法上的冗余储备等等。虽然在选购Autopilot时，销售会承诺，一次性购买会享受后续免费的升级服务，但是实际上，软件的升级伴随着车型的迭代，汽车电子硬件也随之在不断进化。

3. Model 3 三电系统深度分析

特斯拉的电池系统从2008年开始，到Model 3已经历经三代系统的变革。电池技术是特斯拉的优势领域之一。特斯拉电池动力系统包括电池单体、电池管理系统（BMS）、热量管理系统、冷却管理等。

图 3 特斯拉电池系统演进

3.1 电池单体和模组

Model 3 电池单体采用的是2170，之前的车型用的是18650。具体参数比较如下：

图4 特斯拉电池系统结构

特斯拉电池系统的Pack结构与尺寸基本相同，具有很强的平台性，通过增减模组数量，以及控制电芯数量，可以配置不同续航里程的车型。Model 3在Model S的模组基础上，进行延伸，改为超长模组的设计，从而达到提升能量密度，减少电连接重量的效果。

图5 更长的模组设计

特斯拉在电池系统上导入了松下、LG化学和宁德时代三家供应商，电池设定标准的尺寸。如下图所示，电池系统包含四个模组，两个25S1P模组（1630mm*90mm*290mm）、两个28S1P模组（1630mm*90mm*290mm）构成。

目前Model 3 在售车型标准续航版和高性能版，主要配置参数如下：

3.2 电机和电控

Tesla Model 3车型改用永磁同步交流电机，与前期Model S所使用的感应式电机相比，永磁同步交流电机体积较小、重量较轻，比感应式电机效率更高，特别是在低载和高载时。永磁电机在满载时的效率都非常高，满载效率一般为98%，在这种轻载条件下的效率仍保持在88%。当然，异步感应电机的优势在于具有更高的转速极限，最高可达15000转每分钟，并且有更强的过载能力，最大可达额定值的5倍。具有结构坚固性好、成本低和可靠性好的优点。从Model 3更紧凑的车型特性来看，永磁同步交流电机应该是最优解。

特斯拉Model 3作为第一款在电机控制器中使用SiC MOSFET的量产纯电动汽车，是宽禁带半导体在汽车应用的又一新的里程碑。这将很大可能加速宽禁带半导体，尤其是SiC器件在汽车逆变器的推广和应用，进一步促进宽禁带半导体产业的发展。宽禁带半导体相对于传统的硅器件，其禁带宽度，击穿场强和导热率都要更高，如下图。使其单位面积的导通阻抗可以更小(1/3~1/5 of Si)，耐压高更高，开关速度更快 (3~10x of Si)，同时还具备高温工作能力，有利于提高逆变器的功率密度。而且SiC MOS作为电阻性器件，非常有利提高汽车在实际运行工况的工作效率和续航里程。不同机构和单位给出的数据显示，SiC MOS替代传统Si IGBT，大约能提升5~10%的续航里程。

图8 Si和宽禁带半导体材料性能对比

但同时SiC MOS的封装还存在诸多挑战。相同电流等级的SiC MOS和Si IGBT相比，芯片水平尺寸目前约为IGBT的1/3~1/4。这就造成SiC MOS的散热要求要高于传统Si IGBT模块的封装。另外，SiC MOS的开关速度可以比Si更快，所以在switching off过程中，由于产生加到的di/dt，从而在器件上产生一个较大的电压尖峰，因此SiC MOS对主回路电感要求更高。

移除驱动控制板的SiC inverter内部结构，包括DC输入端子，母线薄膜电容，功率模块单元和AC输出端子。由于inverter是贴在变速器的侧边，从整车空间结构来看，需要对inverter进行扁平化设计，因此其内部采用模块和电容平铺的方式进行连接，实现更薄的厚度。整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准6-switches逆变器拓扑，每个switch由4颗单管模块组成，共24颗单管模块，器件耐压为650V。Model 3的SiC单管模块设计与Model S/X采用Infineon IGBT单管思路一致，好处是实现不同功率等级的可扩展同时，还能提升模块封装良率，降低半导体器件成本。

图9 nverter中的功率模块:(a)整体架构

图9 nverter中的功率模块:(b)整体模块单元布局

3.3 电池管理系统

电池管理系统的主要任务是通过保证电池系统的设计性能，特斯拉的电池管理系统主要的着重点是大量计算和获取电池的信息。

图10 电池管理系统的功能划分

从Model 3的线路原理图，可以了解Model 3的电池管理系统的接口和结构，从而看到这个电池管理的ECU单元在演化的过程中哪些地方做了简化，这个与整个传统的EE系统在管控层面造成了差异化。

图11 Model 3 的电池管理系统接口图

（1）电池管理系统接口的变化

通过线路原理图做分解，整个电池管理系统面向内部主要连接快充连接器、温度传感器、正负接触器、电流传感器、可控熔丝、内部的PCS（DCDC和OBC）的单元菊花链CMU控制器，还有面向外部的供电单元、外部HVIL电路、充电控制板、动力总成CAN。

这个可以和内部的电池管理系统的连接器进行对应，如下所示：

图12 Model 3的BMS板级连接图

【P1（VEHICLE INTERFACE）：共 18 个引脚，包含两路CAN（PT CAN和CP CAN）；P2（EXT LOW VOLT INT）：这个信号引脚主要是内部连接PCS和检测内部的连接器用的，霍尔的温度传感器也在里面，这样数字就能对的起来了；P3（SHUNT INT）：与电流分流器相连；4（HV SENSE）：高压采样连接器，采集高压回路并分压到上方高压处理电路，主要包含三个接触器（主正、主负和快充双胞胎接触器），这里的高压采集回路名义上为3路输入，实际上诊断主正和主负接触器会有交叉；P5（A BMB）&P6（B BMB）：菊花链的输出和返回线，用来连接各个CMU；P7（PYRO LOOP）：可切断熔丝的控制回路】

（2）高压采样和接触器诊断的变化

根据上面的定义来看，快充接触器组是使用辅助触点来诊断粘连的，而主正主负本身需要采集内外的Bus link电压和输出电压，所以原则上最少的高压采样回路只有3组，如果跨正负接触器高压采集再增加。

图13 高压采样和接触器诊断变化对比 （a）Model X

图13 高压采样和接触器诊断变化对比 （b）Model 3

（3）HVIL的变化

如下图所示，可以看到集成的好处，单就以HVIL的回路来看，从MY2012的Model S的经典系统回路中，原有的DCDC和前端配电的功能被集成到电池包里面，冷却液的加热器给一个集成的热管理和电机废热回收给代替掉；12V Fuse Box进一步整合；充电机和后面的HV Junction Box统一的集成在了电池系统里面。原来10kW+10kW这样的交流端设计给更注重直流快充的策略代替掉了。

图14 原有Model S的系统HVIL电路

所以整个回路就变成如下图所示，HVIL高压互锁物理是针对高压回路的母线束连接器，这里就切分成三个，整车外部连接的HVIL回路1（外部的一组连接回路）、内部高压连接器HVIL2（包含内部的三个连接器）和快充高压线束和连接器的完整性。根据定义的不同，还采用了两组模拟信号和一组PWM信号不同的方式，来对高压回路实时、连续性监测的结果进行即时管理，并通过整车诊断系统识别。这里的设计思路，是把几个接口分开，所以能比较容易区分在哪里出现问题，比较容易定位。

直观来看，特斯拉在客舱热管理方面还有余地，可以进一步把HV Compressor和PTC Heater进行调整，从改进能耗的角度，可能加入热泵系统是发展趋势。

图15 Model 3 HVIL回路的变化

4. 特斯拉产品的快速迭代

特斯拉的Model 3平台不是以多款车型平台复用考虑的，而是基于爆款车型来打造的，类似于iPhone的单款极致设计的思想，这也是目前电动汽车里面最为成功的一个平台。

早期，特斯拉刚推出Model S和ModelX时，可能不熟悉这匹突然杀进汽车市场黑马的消费者，还有点分不清两个型号的具体区别。但等到Model 3和Model Y相继推出，大家突然反应过来——SE（3）XY，原来马斯克从一开始就埋下伏笔。

Model 3和Model Y属于同一个平台，因此，可以看到在一个车型上的改进会在另一个车型的年度改款上迭代。在再加上前面分析的，简化后的电子电器架构、优化的电池和模组、电池管理系统和电机等等，在Model 3 上率先使用后，后续也在Model Y上有所体现。同样，Model Y车型上的一些新技术也在Model 3的改款上得以应用。

比如Model Y上首先采用的热泵系统，这个设计最突出的部件是Octovalve——八爪鱼，还把包括Octovalve在内的热管理元件和管路，比如液冷冷凝器、蓄能器、冷水机和汇流板等等，做了一个系统性整合，最终把整套核心的系统做成一个方盒子相似的大小和压缩机配在一起放在前舱。

图 16 集成化的部件

在整个系统里面，Octovalve这个元件是很重要的，它是从之前Model 3 Super Bottle演化而来的。Octovalve包含一个电机，用来实现其作用是将基于乙二醇的液体冷却剂分配给整车车中的各个部件，无论是电动机，电池，电力电子设备还是其他需要热调节的系统。安装在一个塑料的液体汇流板上，如下：

图17八爪鱼的Octovalve

Octovalve上有8个槽，对应塑料的冷却液汇流板，锻造铝制冷剂分配管可以借助各种热力膨胀阀，在不同的组件中分配制冷剂，两块合起来以后，共有21个端口。Chiller和LCC都是直接与之连接。这样的结构有几个优点：

（1）集成化缩短了路径，在两个部件组合中，减少了热管理损耗；

（2）简化了整个控制层面，可以把驱动直接做在附近，方便做多种模式切换；

（3）降低了热管理系统的重量。

图18 整个系统模板（类似热管理系统的插槽）

这样的集成如同PCB板上插元件，而且管路、阀、泵还有冷却液分配都整合在一起。

图19 热管理上面的系统集成

这样的设计在Model 3的2021年度改款上也被采用。平台化的设计，尤其是电子架构和硬件上的集成和优化，让特斯拉的车型更迭换代的周期比传统燃油车的迭代更快，每年的改款上都能都看到一些亮点。

总结：特斯拉的产品总体特点

Model 3的爆卖，让很多人联想到当初苹果手机的横空出世，以及乔布斯在传记里提到的，关于福特造车的故事——福特曾说，如果我最初问消费者他们想要什么，他们应该是会告诉我："要一匹更快的马！"。离福特造车100多年过去了，作为曾经颠覆性产品的燃油汽车，也在逐渐成为曾经的"更快的马"，的确又到了一个具有划时代意义的产品出现的时间节点。

但马斯克的野心还不止于此，关于未来，他还有一个"三步走"计划来实现自动驾驶的愿景。第一步，推出了一套L3级别的自动驾驶软件FSD——关于这一步，我们已经看到了L2+级别的FSD；第二步，推出自动驾驶出租车软件Robotaxi，命名为Tesla Network——特斯拉Model 3在后视镜中嵌入了一个面向驾驶员的内视摄像头，这款设备一直处于闲置状态，但马斯克在推特上透露，这款设备可以监控乘客的工具。第三步去掉人类司机。

最后一步看起来离我们还有点距离，不过当我们站在下一个百年回头看的时候，Model 3 也许就是这一系列"不可能"的那个开始？