特斯拉Model3輕量化技術路線及整體解決方案

電動車千人會 2025-11-17 11:20

高性能SGT MOS產品，保障BMS高效可靠運行 汽車電子架構重構與智能連接革命

Model 3輕量化策略

1.輕量化路線

Model 3的輕量化由電池包開始，拓展到車身、底盤、電子電器等各個方面，電池減重是其重點。

輕量化路線明確以高性能、高度集成、高輕量化的電池包為主來實現整車減重的目標，并通過高強度的車身進行保護，輔助電器、底盤的輕量化，最終取得了整車較高的輕量化水平，同時平衡了碰撞性能、成本及各方面。雖然從白車身輕量化系數上看車身的輕量化率較低，但其在電池包上進行了突破，使得整車輕量化指數達到理想狀態。

電池包：高集成、高性能、高輕量化；

車身：高強度、輕量化、低成本；

電器：高集成、輕量化；

底盤、裝飾件：低輕量化；

取得想要的結果：較好的輕量化、較高的性能、卓越的碰撞、較低的成本。

Model 3輕量化路線圖

2.輕量化措施

Model 3的輕量化主要從布置優化、結構優化、新材料、新工藝四個方面實施，具體見下圖所示，

Model 3輕量化措施分布圖

Model 3 E平臺輕量化技術

Model 3通過高集成化設計，布局緊湊極限壓縮空間，形成高輕量化的E平臺；

DCDC\OBC\PDU高壓3合1集成，重量可降低約25%；高壓3合1集成在電池包內，內殼體采用輕而薄的鋁材，而與電池包共用外殼體，區別于市場上其他EV車型3合1機艙的布置，實現輕量化的同時也減少了動力電池與3合1之間的布線長度；電機和電機控制器、減速器3合1集成化動力總成，重量可降低約20%；慢充和快充共用一對電纜，減少高壓電纜的用量，重量可降低約5%。

Model 3E平臺輕量化技術分布圖

Model 3 動力電池輕量化

1.高能量密度電芯

大單體設計，提升能量密度的同時可減少電芯數量，與Model S相比，電芯可以減重18kg；電芯數量減少約300顆，裝載同等電量的電池需要的組件也會減少，實現輕量化；

Model 3采用的電芯能量密度高達260Wh/kg，在EV車中位居首位。結合上面描述的整車輕量化指數可以看出，在相同的布置空間內使用更高的能量密度的電芯是其輕量化指數降低的決定因素。

Model 3大單體電池示意圖

Model 3與競品車電芯能量密度對比

2.模組輕量化

大模組設計，提高成組效率，整包4個模組，組件連接件減少，可實現輕量化；

模組封裝塑料化；單側匯流排設計；使用低密度的灌封膠（0.65g/cm3）。

3.結構輕量化

Model 3電池箱體輕量化是跟其整車側面安全防護密切相關的，即電池包側面防護結構由車身提供，電池包箱體進行了鋁合金輕量化設計，并與膠粘劑結合使用；

Model3上，可以很明確的看到，正負極連接片從一整片變成了布局在電池組兩側，而非電芯正反面的樹枝狀連接片。也就是原先是2個面的鋁片變成了1個面，同時還更細更輕。如果單純的以一整個面的鋁片來計算，那么這部分的減重又是若干公斤。

這一設計帶來的另一個好處則是散熱，電池反面不需要連接電極之后就可以直接與絕緣導熱底板接觸，甚至安裝額外的底部散熱管路，提高電池包熱管理能力。

值得稱贊的是電池包大幅減重之后Model3的安全性并沒有因此下降，美國公路安全保險協會（IIHS）給予了Model3正面碰撞預防測試最高評級。而在一個多月前的一起交通事故中，一輛Model3與其他車輛發生碰撞后又撞向水泥隔離墩并翻滾多次，在車頭部分嚴重受損的情況下駕駛艙保持完整，且電池沒有起火。

當然，特斯拉在Model3電池包的安全保證遠不止車身底盤那一圈超高強度鋼材。為了應對極端撞擊情況下電池受損之后出現的熱失控現象，Model3電池模組的正負極覆蓋材料上設計了很多“預留泄壓孔”，這些泄壓孔使用了更加脆弱的材料。在單個或多個電芯結構被破壞，噴出炙熱氣體時，泄壓孔能及時溶解，把熱失控電池散熱的高溫氣體及時排出，以免影響其他電池，這個設計有些類似坦克上的彈藥艙泄壓門。

Model 3與競品車下箱體重量對比

Model 3在布置上的輕量化

1.“π”字型前端框架與獨特的散熱布置相結合

Model 3前端框架采用“π”字型纖維增強塑料結構，對比鈑金式前端框架重量下降50%以上。

Model 3前端框架重量對比圖

傳統車散熱器布置上一般都是與前端框架平行擺放，而“π”字型前端框架如用在傳統車型上會影響散熱器散熱面積，但在Model 3上則通過優化布置避免了該問題；

如下圖所示，前保險杠采用18.9°導風機構，與散熱器冷凝器38°角度布置相互對應，有效的進行冷卻散熱；冷凝器與散熱器外部包覆裝飾件，則意味著前端框架形狀對散熱面積基本無影響；種布置是Model 3輕量化設計亮點之一。

Model 3散熱示意圖

Model 3輕量化在材料選用上的策略

1.鋼鋁結合的車身

Model 3放棄了Model S全鋁車身的設計理念，回歸到了鋼鋁混合車身設計；

考慮后碰性能對材料要求相對略低，后部采用鋁材降低車身重量，同等結構下采用鋁材比鋼材減重65.60%，減重效果明顯；

車門系統除后行李箱蓋總成外均采用鋁材，而后行李箱蓋鴨尾造型不滿足鋁板沖壓要求是其放棄鋁材的主要因素；

車身鋁合金占比下降至21.18%，對比同類車型鋁占比處于中高水平；

降低鋁材比重的同時，PHS和UHSS鋼板占比有了較大提升，可達到車身重量的15.23%，同類車型中對比處于中等水平；

前端框架采用纖維增強塑料，占比約為0.29%。

Model 3材料分布示意圖

總的來說Model 3車身的材料應用比例既能起到輕量化的作用又能控制成本，較為合理。

2.高壓鋁導線

除了車身外，電器等部件也均采用了輕質材料進行減重，如高壓鋁導線，與相同載流量的銅導線相比，可減重約1/5的重量，且鋁導線的成本比銅導線的低。高壓鋁導線的制作工藝如超聲波焊接、激光焊接都已經比較成熟，所以采用鋁導線既可以減重也可以降本；

如下圖所示，70mm2銅導線允許電流值等同95mm2鋁導線，但鋁導線重量可下降21%。

不同材質導線密度對比圖

3.混合材料儀表板管梁

儀表管梁同時配合多種工藝（擠出成型+嵌件注塑+沖壓+澆鑄成型），較常規鋼材管梁重量可降低30%~43%左右。其機構特點為：

橫梁主管采用鋁合金+塑料材料擠壓+二次注塑成型；

多支架集成與常規管梁相比支架數量少；

轉向管柱支架采用鎂鋁合金材料澆鑄成型；

其它分支架采用模內嵌件成型，PA6-GF60的改性材料增加支架強度。

Model 3與競標車儀表管梁材料對比圖

4.前懸架上擺臂樹脂填充

Model 3前懸架上擺臂采用單層鈑金內部填充樹脂方案，在滿足強度和NV的性能要求下，重量較鈑金拼焊方案降低30%左右，而成本相當。

前懸架上擺臂與傳統車重量對比圖

Model 3工藝上的輕量化

1.TWB工藝的應用

B柱內板與外板均采用TWB（激光拼焊）工藝，碰撞篇已提到，保證性能的前提下起到了輕量化作用；

對比Model S B柱的鋼鋁結合，Model 3全部采用鋼材以降低成本，雖然材料變化，但采用TWB工藝后B柱重量不升反降5.6kg。

Model 3與Model S B柱重量對比圖

2.熱成型工藝的應用

Model 3在碰撞吸能位置大量采用了熱成型鋼材，提升屈服強度的同時降低料厚，達到輕量化作用。

Model 3熱成型材分布圖

3.輥壓成型工藝的應用

輥壓成型工藝在車身上的應用逐漸遞增，主要優勢是材料利用率高，生產效率高，精度容易控制等，綜合成本降低。而Model 3下車體大量采用輥壓成型工藝，提供橫向支撐的同時輕量化作用明顯。

Model 3輥壓梁分布圖

以地板座椅前橫梁為例，輥壓件比沖壓件重量下降17%以上，同時可滿足整車性能要求。

Model 3輥壓橫梁與競標車沖壓橫梁對比圖

Model 3結構上的輕量化

1.頂蓋前橫梁截面優化

為了保證車身輕量化，Model 3在截面上多個位置對比Model S進行了截面優化設計；

頂蓋前橫梁由寬度180mm降低到了130mm，雖然Model 3選用了鋼制材料，重量僅比Model S重0.3kg；

同時截面縮小也增大了視野線角度及全景玻璃透光區范圍，品質得到了進一步提升。

Model 3頂蓋前橫梁腔體優化示意圖

2.敞開式空氣室設計

Model 3沿襲了Model S敞開式設計，區別于傳統設計取消了空氣室下板，由塑料件替代空氣室下板進行流水；

空氣室下板取消加大了機艙內部布置空間；鋼材改為塑料重量可下降40%；

空氣室取消設計雖然重量下降，有利于布置，但會對車身扭轉剛度不利影響，有利也有弊。

Model 3空氣室與普銳斯空氣室結構對比圖

3.前后車門無窗框設計

車門采用無窗框設計，整體重量無論對比輥壓窗框或是沖壓窗框均有明顯下降，這也是車門減重的一個重要手段。

不同窗框單位長度重量對比圖

4.車門內板不等厚度優化

前后車門內板均采用不等料厚設計，在Model S的基礎上Model 3進行了料厚及結構優化，增加鉸鏈側內板料厚來優化車門下沉，同時對中部料厚面積較大區域進行了料厚減薄，輕量化明顯。

Model 3與Model S車門重量對比圖

底盤中的零部件輕量化

從底盤來看，出于成本等的考慮，Model 3并沒有像Model S/X一樣大比例使用鋁合金材質，但在一些關鍵部位上，仍然采用了輕量化零部件。

(1)鋁合金控制臂。在汽車懸架系統中，控制臂作為導向和傳力元件，負責將車輪上的各種力傳遞給車身，并保證車輪按一定軌跡運動，決定著轎車的穩定性、舒適性和安全性。Model 3 的前懸下控制臂同特斯拉其他車型一樣采用鋁合金材質，而前懸的上控制臂則將雙層鈑金改為單層鈑金填充工程塑料，在相同成本下較拼焊方案重量減輕 30%，進一步提升了輕量化程度。

(2)轉向節。轉向節承載著汽車所受的各種載荷與力矩，是轉向系統中最重要、最精密的零件之一，是保證汽車安全行駛的重要部件，同時也是輕量化的重要方向。因轉向節前后構造及受力需求不同，Model 3 的前后轉向節分別采用鍛造鋁合金件和鑄造鋁合金件來達到輕量化目的。

線束上的輕量化

車內線束，顧名思義，線束就是連接汽車各個電子元件的線材。

Model S/X車內的線束總長度大概是3000米，而Model 3車內線束縮減到了1500米。車內線束的縮短不僅減輕了重量，更拓展了線束的功能。

特斯拉高壓線束選用美國公司 CHMPLAIN Cable 的150 XLE High Voltage Shielded Battery Cable，手感柔軟，感覺比國內的硅膠電纜柔軟度還好，好的柔軟度同時提升了狹小空間的安裝便利性。

Champlain開發的EXRAD ERGOFLEX 輻照交聯聚烯烴絕緣材料。這種材料化學與加工技術相結合，使得最終產品能夠滿足柔韌性、ISO-19642合規性、帶材性能和壓縮永久變形特性的所有要求。另外，它比許多現有產品的成本更低。對現有三元乙丙橡膠材料的并排測試表明，EXRAD ERGO-FLEX 實際上是更靈活，更小，更輕。

下圖顯示了特斯拉電纜的結構。

其凸顯特點有耐高溫、耐油、柔軟易布線，國產高壓電纜多為耐溫等級125℃的交聯電纜，且壁厚比特斯拉電纜厚，由于特斯拉電纜耐溫等級高，壁薄利于散熱，另超聲波焊接的低電阻，電纜在相同環境溫度下，相同規格導體特斯拉電纜載流能力更好，特斯拉電纜單絲導體較國內電纜細，且護套壁薄，是造成其柔然的原因。

充電插座高壓線束采用的是50平方的屏蔽高壓電纜，截斷之后的斷面如下，Model 3的充電插座高壓線束是95平方，從兩者線徑來看，Model 3的充電功率得到了大幅的提升。

高壓線束和各零部件間的連接結構

Model S的高壓連接接口，大線徑都是采用過孔和螺栓固定銅鼻子的結構分為兩種固定形式，其中一種如下邊，應用在驅動電機及車載充電機、充電插座上

由一個整體式的鋁合金殼體，殼體外側有屏蔽彈簧圈（spring contact）用于與機殼內壁接觸實現360°屏蔽，有硅橡膠密封圈用于和殼內壁接觸實現徑向密封，在鋁合金前端收小口徑用于壓接電纜屏蔽編制層，實現電纜和鋁合金殼提的360°屏蔽，尾部內測有密封膠圈實現電纜和鋁合金外殼的徑向密封。

具有以下優勢：

連接器主體只有鋁合金外殼，附件較少，而且能夠減小電機接線的體積，國內普遍使用電機接線盒方案，電機體積偏大；

裝配簡單，只需要將高壓線束的連接螺栓使用工具固定，其它都不用工具，沒有多余的螺栓結構，也彌補了其不是插接式的方便性的缺陷；

使用螺栓固定的結構形式，相對耐振動性能可靠，連接更可靠。

高壓線束端子使用超聲波焊接工藝獲得更小的連接電阻，另外有趣的是其端子的應用形式不同，有前邊開口的端子和未開口的圓孔端子區分。

此種閉口的應為使用螺栓固定的端子。

此種前端開口的端子個人感覺應該使用使用螺母固定的，即高壓部件上是預留的螺栓，因為開口不用抬起線束對準圓孔。

此種結構的連接器，應用在高壓部件不開蓋的情況下，不用打螺栓固定連接端子，只需直接插入，將外殼的兩顆螺栓進行固定。

對于新能源汽車來說，整車的動能都是靠電能來維持，而這些電能的傳遞就離不開線束，早在2020年1月，特斯拉新推出的Model Y中就可初見端倪，因為這部可以顛覆汽車工業的SUV，它的線束竟然只有100m！就僅與特斯拉自己家Model S/X 車內線束總長度 3000 米這一數據對比，Model Y直接精簡95%的線束，這種優化真的是很巨大了！

總結

總的來看，特斯拉Model 3在車身上通過減少鋁的用量，增加鋼材的用量以降低成本和增加安全性，同時通過大幅減輕電池動力系統殼體、導線質量以及底盤簧下系統質量來沖減車身的質量，在整車層面達到了較高的輕量化水平。國內輕量化零部件供應商多集中于中上游企業，業務范圍涵蓋了輕量化車身件、底盤件、電池箱體、鋁合金精密結構件、工程塑料等。隨著Model 3國產化率的提升，已有許多國產輕量化零部件供應商切入特斯拉供應鏈。

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