特斯拉(TSLA.US)：鐵鋰登堂

本文來源微信公眾號“新能源研究員”，作者中信建投電新。

起：使命唯新

特斯拉(TSLA.US)，尤其是其主力產(chǎn)品Model 3，彰顯了“技術(shù)極客”特質(zhì)。在軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)方面這一特質(zhì)體現(xiàn)最為突出，在三電系統(tǒng)和能量補充方面也有很大程度體現(xiàn)。

承：入華風(fēng)雨

2020年以來，特斯拉Model 3多款細分配置車型在華先后量產(chǎn)。受衛(wèi)生事件防控、可選消費乏力等影響，我國新能源汽車總體銷量一般。至2020年5月，新能源乘用車批發(fā)銷量環(huán)比小幅回升，同比降幅收窄，銷量規(guī)模基本相當(dāng)于2019年下半年的水平。而國產(chǎn)特斯拉Model 3銷量亮點頗多，1月產(chǎn)能爬坡，2月衛(wèi)生事件，4月價格變動等因素影響銷量，3月、5月銷量過萬。

轉(zhuǎn)：偕行鐵鋰

6月，Model 3磷酸鐵鋰版車型的具體信息由工信部發(fā)布。該車工況續(xù)航468km，電池系統(tǒng)能量密度125Wh/kg，動力性和長續(xù)航版保持一致。我們認為，該車型的推出或綜合考慮成本、時間周期與性能，同時有模組磷酸鐵鋰的性能表現(xiàn)(尤其體現(xiàn)在電池系統(tǒng)能量密度)相對受限。

瞻：路線競存

我們對電池包體積控制變量，分析523、811和鐵鋰，分別對應(yīng)有模組和無模組的電池包成本，及對應(yīng)整車工況續(xù)航的表現(xiàn)。有模組情況下鐵鋰車型的工況續(xù)航上限剛超過500km，難以撼動三元的優(yōu)勢地位;無模組情況下鐵鋰本征安全性得到較好利用，體積成組效率大幅提升，整車工況續(xù)航上限接近700km且成本具備優(yōu)勢，競爭力大幅增強;而523的快充優(yōu)勢、811的極限續(xù)航優(yōu)勢仍然保留。兩條技術(shù)路線將長期共存，鐵鋰份額回升。

風(fēng)險分析

磷酸鐵鋰無模組電池良率提升不及預(yù)期，倍率性能不及預(yù)期，成本降幅不及預(yù)期;中高鎳三元無模組電池良率提升不及預(yù)期，壽命不及預(yù)期，成本降幅不及預(yù)期;高鎳三元無模組電池安全性不及預(yù)期，壽命不及預(yù)期;成本降幅不及預(yù)期;車企對無模組技術(shù)顧慮超預(yù)期;新能源汽車產(chǎn)銷不及預(yù)期;新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不及預(yù)期;動力電池回收進展不及預(yù)期。

起：使命唯新

1、劃時代的軟硬件系統(tǒng)

特斯拉，尤其是其主力產(chǎn)品Model 3，彰顯了“技術(shù)極客”特質(zhì)。在軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)方面這一特質(zhì)體現(xiàn)最為突出。和傳統(tǒng)車企不同，沒有歷史包袱的特斯拉可以嘗試相對激進的電子電氣架構(gòu)，走上“軟硬件解耦-軟件定義汽車”之路。

特斯拉Model S、Model X的電子電氣架構(gòu)近似。中央控制DCU(Domain controller unit)、動力域、車身域、底盤域劃分明顯，保留了診斷接口，且大量使用CAN/LIN用作主干網(wǎng)/支線網(wǎng)。72個ECU控制器節(jié)點包括44個CAN節(jié)點和28個LAN節(jié)點。中央控制DCU橫跨多個網(wǎng)段，接入多個節(jié)點并具備諸多功能，可以說Model S、Model X前瞻性地初步實現(xiàn)了行車電腦級別的電子電氣架構(gòu)：將分散的ECU集成到有限的幾個DCU中，傳統(tǒng)的ECU->促動器一對一關(guān)系變成DCU->促動器一對多的關(guān)系;在DCU中實現(xiàn)算力資源和程序的集中管理，而不是像傳統(tǒng)OEM，所有零部件的軟件對整車廠都是black-box，OEM不能直接、便利的管理各部分代碼;DCU本身更類似于通用計算機，而非專用微控制器。

Model 3則更進一步，將整個電子電氣架構(gòu)劃分為三個部分：中央控制DCU、左車身控制DCU、右車身控制DCU。其中中央控制DCU整合了駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、信息娛樂系統(tǒng)、外部連接和車內(nèi)通信系統(tǒng)功能;車身與便利系統(tǒng)、底盤與安全系統(tǒng)和部分動力系統(tǒng)分屬車身控制模塊。其中Model 3的信息娛樂系統(tǒng)采用了X86架構(gòu)的intel Atom A3950處理器，并運行特斯拉自己打造的車載linux系統(tǒng)。

隨著整車電子電氣架構(gòu)的進化，相應(yīng)線束長度也有望縮短。Model S的線束長度約3km，Model 3縮短至1.5km。

和硬件架構(gòu)相應(yīng)，特斯拉產(chǎn)品開整車OTA之先河。OTA(Over The Air-空中升級更新)是智能手機固件、系統(tǒng)、APP更新的主要方式。對乘用車而言，OTA要求受方有通訊模塊(最好支持高速通訊方式)，還要求相關(guān)電子件帶有bootloader(引導(dǎo)裝入)功能。OTA功能既可以用于“解決部分問題”(免于召回)，也可以用于“解鎖新功能”(而非推出中改款車型等)，從而使得整車的綜合吸引力得到強化。

特斯拉的OTA服務(wù)依托其先進的電力電子架構(gòu)，已經(jīng)實現(xiàn)了諸如強化加速性能、優(yōu)化剎車表現(xiàn)、沿途電池預(yù)熱、甚至是解鎖電池冗余容量應(yīng)急等功能，而非僅僅娛樂應(yīng)用更新。美國颶風(fēng)“艾爾瑪”、中國臺風(fēng)“山竹”襲來時，特斯拉均為車主提供了相應(yīng)OTA支持。

特斯拉在 2016 年加入了“代碼簽名”安全機制，并對所有 FOTA 升級固件進行強制完整性校驗，以強化OTA的安全性。自誕生至今，特斯拉通過OTA方式已更新系統(tǒng)版本至10.0。

2、優(yōu)質(zhì)三電，高效能流

特斯拉創(chuàng)立伊始，可供選擇的高性能動力電池較少，故立足相對成熟、良品率高的圓柱電池打造電池包及對應(yīng)純電平臺。Model S/X使用的松下18650電池，其質(zhì)量48.5g，最大能量11.8Wh，對應(yīng)容量3.35Ah。該電池單體的質(zhì)量能量密度約為243Wh/kg，體積能量密度約為646Wh/L。

Model S的BMS采用了主從架構(gòu)，主控制器(BMU)負責(zé)高壓、絕緣檢測、高壓互鎖、接觸器控制、對外部通信等功能。從控制器(BMB)負責(zé)單體電壓、溫度檢測，并上報BMU。主控制器具備主副雙微型單片機(MCU)設(shè)計，副MCU可檢測主MCU工作狀態(tài)，一旦檢測其失效可獲取控制權(quán)限，進一步保證安全性。承擔(dān)熱管理具體任務(wù)的是蛇形軟管及配套零部件，水-乙二醇混合液在管道內(nèi)部流動。當(dāng)電池在低溫狀態(tài)下需要加熱時，BMS檢測并發(fā)出指令，使得電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)，電機余熱為電池加熱。當(dāng)動力電池處于高溫時，BMS同樣檢測并發(fā)出指令，使得電機冷卻回路與電池冷卻回路并聯(lián)，兩套冷卻系統(tǒng)獨立散熱。最終電池單體及電池包溫度得到有效控制。

Model 3同樣使用圓柱電池，但電池單體的體積有所增加。為其配套的松下21700電池質(zhì)量69g，最大能量17.5Wh，對應(yīng)容量4.78Ah;配套正極為高鎳含量鎳鈷鋁：NCA0.9-0.05-0.05;負極為含硅(3.5%)石墨，從掃描電鏡圖像及粒度分布統(tǒng)計來看，硅以微米晶形式存在，摻雜均勻性一般;隔膜為氧化鋁涂覆聚丙烯，基膜厚度10微米左右。

該21700電池單體的質(zhì)量能量密度為約254Wh/kg，體積能量密度為約722Wh/L。和Model S/X使用的18650電池相比，其質(zhì)量能量密度略有提升(+4.5%)，而體積能量密度提升稍多(+6.8%)。Model 3長續(xù)航雙電機版的電池包拆解信息較詳盡。電池包尺寸為2148*1444*120mm(不含向z軸突出部分)，總質(zhì)量473.94kg，內(nèi)包括4個電池模組。

從現(xiàn)在的角度來看，特斯拉系列產(chǎn)品電池包的體積能量密度相對略低、質(zhì)量能量密度也并不驚艷，但特斯拉無疑是動力電池包的研究與運用先驅(qū)。

特斯拉Model S/X的電機采用交流異步電機技術(shù)路線，前后電機最大功率分別為202/285(高性能版375)kW。和Model S/X不同，Model 3定位中端，受限于有效空間對電機效率和體積功率密度要求更高，故將交流異步電機更新為優(yōu)化了磁場排布的永磁同步電機，兼顧動力性、能效和體積需求。RWD、AWD、AWD Performance三個車型的電機功率(不同信息源數(shù)據(jù)稍有區(qū)別)分別為211kW、274kW(188+147)、353kW(211+147)。雙電機版本的兩個電機功率相加并不等于實際總功率，這是因為雙電機版本中每個電機的外特性不同，峰值點不重合。

Model 3的主電機、電控、減速器同樣高度集成，而且整體體積功率密度進一步獲得了提升。這一方面是因為永磁同步電機的貢獻，另一方面是因為電控的功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了較大革新。

特斯拉產(chǎn)品的電控系統(tǒng)(以核心逆變器為主要評判標(biāo)準(zhǔn))使用的功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了從硅基IGBT到碳化硅基MOSFET的轉(zhuǎn)型。硅綜合性能均衡、單晶生產(chǎn)成本低、易制備二氧化硅絕緣層，是最廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體、功率器件材料;碳化硅(晶體結(jié)構(gòu)多樣，其中4H晶型綜合性能最優(yōu)越)禁帶寬，擊穿場強大，雖然電子遷移率稍低但可進行更重的摻雜，也可制備二氧化硅絕緣層，且熱導(dǎo)率高便于散熱，故耐高壓大電流、有更低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，性能優(yōu)越，成本高。當(dāng)前碳化硅基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率(以逆變器效率計)約98%，高于硅基IGBT的約92%?？梢哉f在應(yīng)用層面碳化硅基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢。

特斯拉Model S/X的電控系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)硅基IGBT。后電機功率更高，所需IGBT芯片數(shù)量更多。

特斯拉Model 3是碳化硅基MOSFET在新能源汽車上面應(yīng)用的成功案例。其搭載的意法半導(dǎo)體碳化硅基MOSFET器件基本結(jié)構(gòu)如下：芯片焙銀連接至氮化硅基板;芯片門極采用標(biāo)準(zhǔn)鋁線鍵合技術(shù)進行電氣互聯(lián);采用鉛焊料回流焊工藝連接引線框架;塑封電鍍等完成最終封裝。

Model 3雙電機版的電控共搭載了24個650V、100A碳化硅基MOSFET功率模塊，每個模塊為2芯片并聯(lián)。

特斯拉在設(shè)計電控過程中，充分考慮了回路電感對開關(guān)速度、開關(guān)損耗、電氣可靠性和功率密度的影響。以碳化硅基MOSFET為核心的高效電控是整車低電耗的有力保障之一。

高效的三電系統(tǒng)和快充能力協(xié)同，為特斯拉系列產(chǎn)品使用的便捷性提供了進一步的保證。

截至2020年初，特斯拉在全球范圍內(nèi)已有逾1600座超級充電站和1.44萬個超級充電樁，北美、歐洲、東亞是布局重點。

特斯拉超級快充技術(shù)依托400V直流電，其最新的V3超級快充技術(shù)峰值功率達到250kW，超過V2超級快充技術(shù)峰值功率(145kW)，也超過我國高速公路快充網(wǎng)絡(luò)單樁峰值功率(120kW)、常規(guī)快充功率(60kW)。

特斯拉基本的快充策略是低荷電狀態(tài)(SOC)時充電功率較大，隨SOC增加功率逐步降低。以V3充電樁為Model 3長續(xù)航版充電估計，基本滿功率對應(yīng)3C充電(約10%-25%SOC范圍)，隨后降至約2C充電倍率(約25%-50%SOC范圍)，繼續(xù)充電降至約1C倍率(約50%-70%SOC范圍)，充電末期功率進一步降低。根據(jù)充電曲線估計，從10%SOC到70%SOC的充電時間在15分鐘，增加工況續(xù)航約350km。為了實現(xiàn)超級快充的功能，整車還需要在電池包溫度方面加以控制，保證到達超級充電站時電池包溫度處在適宜區(qū)間。

挾多重優(yōu)勢，特斯拉Model 3依托上海工廠生產(chǎn)，進軍中國市場。

承：入華風(fēng)雨

1、三元圓柱標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級版/長續(xù)航版Model 3在華量產(chǎn)

2020年初，Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級版先行國產(chǎn)。該車型使用松下/LG化學(xué)高鎳三元圓柱電芯，具備445km工況續(xù)航，225km/h最高時速和5.6秒百公里加速。

2020年初其售價為補貼后人民幣29.9萬元(含基礎(chǔ)版輔助駕駛功能，不含充電樁)，相當(dāng)于將國家補貼全部回饋消費者，且贈送基礎(chǔ)版輔助駕駛功能;補貼政策調(diào)整后該車型降價以滿足獲取補貼的基本要求。當(dāng)前預(yù)計交付日期為2-4周內(nèi)。

2020年5月，國產(chǎn)長續(xù)航單電機版Model 3量產(chǎn)交付。該車型仍然使用三元圓柱電芯，電池系統(tǒng)能量密度增至161Wh/kg，工況續(xù)航長達668km，百公里電耗為12.8kWh。更多電池單體帶來的整備質(zhì)量提升(1745kg相比于1614kg)對電耗稍有影響，但是工況續(xù)航仍然獲得了超過200km的大幅提升(根據(jù)ev-database有關(guān)數(shù)據(jù)推斷，最大充電功率也有可能從170kW提升至250kW)。該車型的百公里加速也從標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級版的5.6秒提升至5.3秒。

該車型售價相對穩(wěn)定，在補貼過渡期結(jié)束、國補取消時點其到手價保持不變。

2、新能源車市弱復(fù)蘇，Model 3銷量成亮點

2020年以來，受衛(wèi)生事件防控、可選消費乏力等影響，我國新能源汽車總體銷量一般。至2020年5月，新能源乘用車批發(fā)銷量環(huán)比小幅回升，同比降幅收窄，銷量規(guī)?；鞠喈?dāng)于2019年下半年的水平。

國產(chǎn)特斯拉Model 3對我國新能源乘用車銷量貢獻顯著。1月產(chǎn)能爬坡，2月衛(wèi)生事件，4月價格變動等因素影響銷量，3月、5月銷量過萬。

Model 3的高銷量也影響了我國純電動乘用車的銷量結(jié)構(gòu)，B級車份額顯著增加。

但是，三元圓柱電池相對較高的成本也阻礙了Model 3進一步降價獲取市場份額的進程?；诖?，特斯拉火速推出了采用磷酸鐵鋰電池的Model 3。

轉(zhuǎn)：偕行鐵鋰

1、搭載磷酸鐵鋰電池，Model 3“經(jīng)適版”瑜瑕互見

6月中發(fā)布的《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》(第7批)披露了磷酸鐵鋰版Model 3的基本信息。

和此前的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版相比，整車工況續(xù)航略有提升;整備質(zhì)量有所增加;百公里電耗略有提升;功率性能(車速)有所提升;電池系統(tǒng)能量密度有相當(dāng)程度下降。和長續(xù)航版相比，整備質(zhì)量一致，續(xù)航差約200km。

可以看出，磷酸鐵鋰版Model 3更偏向“動力向”，而對“能量向”的參數(shù)電池系統(tǒng)能量密度僅達到補貼下限而已;通過增加車重、多裝電池(整車帶電量估計約57kWh)實現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版的工況續(xù)航。為什么如此考慮，還需要回顧鐵鋰等動力電池正極材料的本征特性。

2、回頭看，鐵鋰VS三元的本征特點

我們回顧動力電池正極發(fā)展史和材料體系就可以發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰的容量低，對鋰電壓低，但是功率性能不差，安全性、壽命、成本是其主要優(yōu)勢。

磷酸鐵鋰的性能來源由其元素組成和晶體結(jié)構(gòu)決定：在其橄欖石結(jié)構(gòu)中，鐵和鋰占據(jù)八面體位，磷占據(jù)四面體位，鋰沿一維通道擴散。作為對比，層狀結(jié)構(gòu)(鈷酸鋰、鎳酸鋰、三元)材料的金屬陽離子占據(jù)八面體位，鋰沿二維通道擴散。磷酸鐵鋰相對較低的容量、電壓、電導(dǎo)和其相對較高的穩(wěn)定性并存。

對于三元正極材料來說，在200oC以上即開始釋氧放熱相當(dāng)嚴(yán)重地影響了電池安全性，而磷酸鐵鋰的放熱溫度和程度均顯著優(yōu)于三元材料

所以，我們認為，特斯拉選擇方形磷酸鐵鋰電池作為廉價Model 3車型的突破口，可能具有以下考量：

成本方面，當(dāng)前和三元圓柱電池相比鐵鋰方形電池度電成本降幅在約百元以上，電池包成本降幅在約萬元量級，可以為整車定價帶來更大的彈性空間。

整車推出周期方面，特斯拉此前均使用圓柱高鎳NCA/NCM電池，短時間內(nèi)切換方形電池技術(shù)路線已經(jīng)略有挑戰(zhàn)，再使用安全性相對較差的三元材料方形動力電池則對整車安全設(shè)計的要求更高，使用鐵鋰電池利用鐵鋰材料本征安全裕度有利于保證整車如期推出。

最后是整車性能方面，Model 3磷酸鐵鋰版設(shè)置如此的技術(shù)參數(shù)，有對動力性(以及快充能力)需求的原因，有整車開發(fā)周期相對較短參數(shù)調(diào)教略保守的原因，但是也有磷酸鐵鋰電池的本征原因：有模組設(shè)計條件下，鐵鋰/三元電池包的體積成組效率、質(zhì)量成組效率均接近，所以鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度比較受限。

3、無模組電池包技術(shù)，鐵鋰“后招”?

那么，有沒有什么手段可以提升電池包，尤其是鐵鋰電池包的體積成組效率呢?我國動力電池雙雄寧德時代、比亞迪均掌握了“無模組”電池技術(shù)(寧德時代從電池單體-電池包角度出發(fā)命名為“CTP”，比亞迪從電池單體形狀角度命名為“刀片電池”，以下非必要情況不做區(qū)分)，動力電池包的體積成組效率(及部分質(zhì)量成組效率)可由此獲得提升。

寧德時代的全球首款CTP電池包亮相于2019年10月，首秀車型為北汽新能源EU5。這是繼寧德時代在法蘭克福車展披露CTP電池包技術(shù)后的首個乘用車項目落地。由于CTP電池包省去了電池模組組裝環(huán)節(jié)(不需要335、390、590等規(guī)格模組)，較傳統(tǒng)電池包而言，其體積利用率提高，零部件數(shù)量減少，生產(chǎn)效率提升。

電芯和BMS連接方面，根據(jù)寧德時代有關(guān)專利，其電芯和電池管理系統(tǒng)BMS通過固定結(jié)構(gòu)固定在電池包殼體中，BMS殼體內(nèi)部和電芯與電芯之間都填充導(dǎo)熱膠，用于散熱和減震。電芯內(nèi)置在上下殼體中，殼體里面填充導(dǎo)熱膠，電芯側(cè)壁和電芯殼體間內(nèi)置壓力或者溫度傳感器，壓力傳感器用于檢測電芯外形的變化，溫度傳感器用于檢測電芯溫度的變化，兩個傳感器主要作用是能夠排查不良電芯，并且提前探測到電芯發(fā)生熱失控等安全事故。

電芯的裝配以及冷卻方式方面，根據(jù)寧德時代有關(guān)專利，采用塑料的電池殼體集成散熱板，散熱板與塑料殼體底部凸臺形成電芯收容空間，電芯側(cè)壁貼上導(dǎo)熱硅膠墊片，導(dǎo)熱硅膠片可壓縮，電芯與導(dǎo)熱硅膠片一起可直接插入到散熱板中間。電池殼體外壁與散熱板連通(通過釬焊和密封圈密封)，塑料殼體通過注塑成型，注塑時將散熱板嵌入箱體的成型模具內(nèi)，可以實現(xiàn)散熱板與殼體一次成型。散熱板內(nèi)部有貫穿的筋條相互隔開的通孔，形成沿著殼體寬度方向的散熱通道，散熱通道可以直接與外部冷卻管路連通。電池殼體側(cè)壁有保護罩以及風(fēng)機，風(fēng)機可向散熱板內(nèi)部散熱通道吹風(fēng)，電池殼的上蓋與下殼體通過發(fā)泡膠密封。

比亞迪“刀片電池”設(shè)計相對更激進。電池結(jié)構(gòu)方面，單體電池可直接以側(cè)立方式并列布置在電池包中：刀片電芯兩端固定在電池端板上，邊框夾緊;電池包邊框和電芯立面間有緩沖板。電池包z軸方向有一系列間隔為刀片電池厚度(“刀刃”)的單體立面，這種類似于“水密隔艙”結(jié)構(gòu)的電池包在上表面承受壓力的條件下有望只產(chǎn)生很小的撓度，電池包的結(jié)構(gòu)剛度及安全性高。刀片電池包無需像現(xiàn)有技術(shù)中，必須先將多個單體電池并列布置在由兩個端板和兩個側(cè)板圍設(shè)形成的模組框架內(nèi)，再將電池模組組裝成電池包，省掉了或者減少了組裝電池模組的使用的端板、側(cè)板以及大量用于固定安裝電池模組的螺釘?shù)染o固件，有利于最終降低成本。當(dāng)前“刀片電池”已搭載于比亞迪“漢”車型上，而且也有多款車型登上《推薦目錄》(從外觀尺寸估計，分別為宋pro、e5、秦pro級別車型)。

可以看出，無模組技術(shù)使得整車工況續(xù)航大幅提升，比亞迪產(chǎn)品在公告上實現(xiàn)了450km(或為e5)-600km以上(漢)的鐵鋰長續(xù)航，而且整車功率相關(guān)性能尚可(關(guān)于純電動車型快充以及基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)研究，請參閱深度報告《充電設(shè)施：新基建賦能，便捷性之夢》)。所以，我們有必要評估不同新能源汽車動力電池技術(shù)路線的長期競爭力。

瞻：路線競存

1、未完之戰(zhàn)!鐵鋰VS三元，兵棋推演基本假設(shè)

磷酸鐵鋰版特斯拉Model 3、比亞迪漢等車型將磷酸鐵鋰正極帶回新能源乘用車的主戰(zhàn)場，而且鐵鋰Model 3的電池系統(tǒng)能量密度給人明顯的“意猶未盡”感。以性能均衡穩(wěn)定著稱的NCM523正極動力電池(622情況類似不作單獨討論)，以高能量密度為賣點的NCM811(712、高鎳NCA、NCMA等情況也類似)正極動力電池，以廉價高安全性為賣點的磷酸鐵鋰正極動力電池，還均有可能結(jié)合電池包設(shè)計制造方面的創(chuàng)新(無模組，將比亞迪“刀片電池”設(shè)計同歸于一類)，在現(xiàn)有動力電池科學(xué)、技術(shù)、工程均近于理想的條件下可能帶來何種性能表現(xiàn)，并在競爭過程中有何種優(yōu)劣勢?我們?nèi)σ愿霸噲D加以分析。

我們的基本假設(shè)和比較對象如下：

考慮3種不同體積的電池包：約372L(藍本為特斯拉Model 3的電池包，用于代表中大型乘用車的電池包選擇);約300L(用于代表緊湊型乘用車的選擇)，和約171L(藍本為長城歐拉R1，用于代表經(jīng)適型乘用車的選擇);每種體積的電池包分別以有模組的523、811、鐵鋰方形電池單體和無模組的523、811、鐵鋰方形電池單體組成，無模組技術(shù)對電池包質(zhì)量能量密度和體積能量密度均有提升;811受制于較低的材料本征安全性，無模組技術(shù)的好處有限;鐵鋰受惠于較高的材料本征安全性，無模組技術(shù)對能量密度尤其是體積能量密度的積極影響更多，而且隨電池包的增大遞增。對應(yīng)整車的整備質(zhì)量隨帶電量增加線性提升，電耗也線性增加。

關(guān)鍵假設(shè)參數(shù)(約)列于下表。

在此基礎(chǔ)上，我們比較不同電池包對應(yīng)車型的工況續(xù)航(認為450km以上“里程焦慮”顧慮顯著減輕，550km以上基本無里程焦慮，650km以上無里程焦慮)，和電池包自身的成本(認為隨整車定位下降，消費者對價格的敏感度提升)。

2、配套中大型車型電池包推演：無模組鐵鋰工況續(xù)航接近700km

對于中大型組的372L電池包，我們的估算結(jié)果如下：

存在電池模組時，磷酸鐵鋰版車型的工況續(xù)航剛剛超過500km，和對應(yīng)三元523的續(xù)航差距超過200km，和811的差距接近300km。無模組技術(shù)使得鐵鋰競爭優(yōu)勢大幅提高，工況續(xù)航接近700km，和有模組523的續(xù)航差距約50km，和有模組811的續(xù)航差距超過100km;和無模組523的續(xù)航差距約150km，和無模組811的續(xù)航差距約200km。

分析無模組技術(shù)帶來的性能優(yōu)勢，無模組523電池包對應(yīng)車型的續(xù)航超過了有模組811電池包對應(yīng)車型，同時成本也略有降低。無模組811電池包對應(yīng)車型的工況續(xù)航更接近900km，相當(dāng)于即使考慮工況續(xù)航的局限性，也可以實現(xiàn)從北京到太原(不到500km)單次充電完成單程駕車旅行，瓶頸從整車?yán)m(xù)航不足變?yōu)轳{駛員體力精力不足。

無模組鐵鋰車型在續(xù)航里程得到有效提升同時也擁有經(jīng)濟性優(yōu)勢：和無模組三元車型相比，150km的續(xù)航差距對應(yīng)成本優(yōu)勢約2萬元;200km續(xù)航差距對應(yīng)成本優(yōu)勢約2.5萬元。考慮到此檔次車型的定價通常應(yīng)處于25萬元以上，磷酸鐵鋰車型的實際成本優(yōu)勢在10%或以內(nèi)。

另外，523的賣點為更高速的快充和更佳的低溫性能，而811的賣點則是極限續(xù)航能力。同時也不難分析，可以通過使用三元電池獲取和鐵鋰電池同樣的工況續(xù)航，然后以更高的成本(接近1萬元)換取更大的車內(nèi)可用空間(減小三元電池包體積約60L)。

3、配套緊湊型車型電池包推演：三元續(xù)航優(yōu)勢顯現(xiàn)

對于緊湊型組的300L電池包，我們的估算結(jié)果如下：

存在電池模組時，磷酸鐵鋰版車型的工況續(xù)航不足450km，和對應(yīng)三元523的續(xù)航差距接近200km，和811的差距約250km。電池包體積減小，但是無模組技術(shù)仍較為有效提升了鐵鋰的競爭優(yōu)勢，工況續(xù)航超過550km，和有模組523的續(xù)航差距超過50km，和有模組811的續(xù)航差距超過100km;和無模組523的續(xù)航差距約150km，和無模組811的續(xù)航差距約200km。另外，無模組523的續(xù)航超過了有模組811?？傮w而言此組別的“里程焦慮”除有模組鐵鋰車型外也基本不復(fù)存在。

分析無模組技術(shù)帶來的性能優(yōu)勢，無模組523電池包對應(yīng)車型的續(xù)航超過了有模組811電池包對應(yīng)車型，同時成本也略有降低。無模組811電池包對應(yīng)車型的工況續(xù)航約750km，相當(dāng)于即使考慮工況續(xù)航的局限性，也可以實現(xiàn)從北京到濟南(約400km)單次充電完成單程駕車旅行。

無模組鐵鋰車型在續(xù)航里程得到有效提升同時也擁有經(jīng)濟性優(yōu)勢：和無模組三元車型相比，150km的續(xù)航差距對應(yīng)成本優(yōu)勢約1.7萬元;190km續(xù)航差距對應(yīng)成本優(yōu)勢約2萬元。考慮到此檔次車型的定價屆時約20萬元，磷酸鐵鋰車型的實際成本優(yōu)勢在10%或以內(nèi)。

和大電池包組別類似，523的賣點為更高速的快充和更佳的低溫性能，而811的賣點則是極限續(xù)航能力。同時也不難分析，可以通過使用三元電池獲取和鐵鋰電池同樣的工況續(xù)航，然后以更高的成本(接近0.6萬元)換取更大的車內(nèi)可用空間(減小三元電池包體積約50L)。

4、跨級別推演：中大型鐵鋰pk緊湊型三元

如果將上述兩個組別混合比較，觀察中大型鐵鋰車型和緊湊型三元車型的表現(xiàn)，我們得到下圖：

有模組時，中大型鐵鋰車型續(xù)航表現(xiàn)一般。但應(yīng)用無模組技術(shù)后，中大型鐵鋰車型的續(xù)航已可以和有模組811/無模組523緊湊型車型媲美，而且電池包成本更低(估計整車成本接近)。換言之，無模組技術(shù)使得鐵鋰彌補了續(xù)航短板，且占據(jù)了空間感優(yōu)勢;對應(yīng)三元車型的快充優(yōu)勢和低溫性能優(yōu)勢(523)、部分續(xù)航優(yōu)勢(811)仍存。

5、配套經(jīng)適型車型電池包推演：鐵鋰退守經(jīng)濟性優(yōu)勢

對于經(jīng)適型組的171L電池包，我們的估算結(jié)果如下：

電池包體積減小，無模組的作用有所削弱，鐵鋰電池車型續(xù)航均不足350km，三元電池車型在350km以上，或達400km。但是此時用戶對經(jīng)濟性的敏感程度較高，鐵鋰車型在保證300km以上續(xù)航同時可以取得0.5-1萬元的成本優(yōu)勢，或相當(dāng)于整車成本的10%以上;而且此定位的車型成本考量權(quán)重較高，無模組鐵鋰的成本優(yōu)勢也會是其獲得較高市場份額。

6、總結(jié)：無模組加持鐵鋰回歸，多樣化選擇電車揚眉

從上述比較中我們可以歸納出如下結(jié)論：

依托更低的度電成本，磷酸鐵鋰的經(jīng)濟性優(yōu)勢一直存在，但傳統(tǒng)模組設(shè)計方式使得其對應(yīng)整車的工況續(xù)航相對偏低(有技術(shù)參數(shù)驗證的長續(xù)航傳統(tǒng)模組鐵鋰車型只有騰勢、Model 3)，疊加補貼對電池系統(tǒng)能量密度的偏好，磷酸鐵鋰車型產(chǎn)品競爭力總體不足，甚至磷酸鐵鋰版Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版加入也不會在根本上改變這一點。長遠考慮，即使不計算補貼，同等續(xù)航條件下有模組鐵鋰經(jīng)濟性的優(yōu)勢有限(估計在0.3萬元以內(nèi))，還需要容忍更大的體積和更差的低溫性能，所以傳統(tǒng)模組設(shè)計條件下鐵鋰部分回暖，而三元電池極大概率保持明顯優(yōu)勢地位。

無模組技術(shù)對三元和鐵鋰電池包都有性能提升、成本降低的積極作用，但其和磷酸鐵鋰的契合度更高。鐵鋰材料的本征安全性使得無模組電池包單位體積內(nèi)的儲能活性物質(zhì)“含量百分比”得以有效提升，相當(dāng)程度上在電池包層面彌補了鐵鋰材料本身本身對鋰電壓較低、容量較低的缺陷。無模組磷酸鐵鋰電池包對應(yīng)整車的工況續(xù)航上限得以有效拓展，“里程焦慮”對鐵鋰車型都可能不復(fù)存在，使得鐵鋰技術(shù)在爭取較高級別車型搭載方面也具有了相當(dāng)競爭力;同等續(xù)航相比無模組磷酸鐵鋰電池的經(jīng)濟性優(yōu)勢得以擴大(估計在0.5萬元級別)，綜合考慮無模組磷酸鐵鋰電池的競爭力顯著增強。

另一方面，523體系三元電池對快充的更佳兼容性，811體系三元電池對極限續(xù)航能力的有效滿足仍然可以吸引較多的中高端潛在用戶，以及相當(dāng)部分的主流用戶。續(xù)航、成本、快充、低溫、壽命和極限安全的六項使用性能比較結(jié)果定性歸納于下圖。

綜上，我們認為，未來新能源汽車按客戶實際需求選擇電池將成為較普遍的方式;從材料、單體到電池包，理論性能估計到實際需求體現(xiàn)可能會有所不同。在這個過程中，三元正極電池大概率將維持其出貨量、配套車型的主導(dǎo)地位;而依托無模組技術(shù)，磷酸鐵鋰電池滿足用戶需求的能力將在相當(dāng)程度上得到提升，市場份額也大概率將進一步回暖。

我們估計，2020年是磷酸鐵鋰回暖的開局之年，2021年是多個無模組磷酸鐵鋰車型規(guī)?；@得市場驗證的年份。2020年、2021年我國新能源汽車磷酸鐵鋰電池用量將分別達28GWh、38.7GWh，年增速分別為32.7%、38.2%(假設(shè)商用、專用車鐵鋰電池用量保持不變)。

2022年以后，無論鐵鋰、三元，無模組(少模組)均有望成為純電動乘用車電池包的主流基本方案。當(dāng)前特斯拉Model 3磷酸鐵鋰版是多個限制因素下的現(xiàn)實選擇，其后續(xù)車型有相當(dāng)概率將搭配無模組磷酸鐵鋰/三元動力電池;其他主流車企的車型也有較大可能跟進，從而共同提升電動汽車的市場競爭力、推升電動汽車的市場份額。

風(fēng)險分析

磷酸鐵鋰無模組電池良率提升不及預(yù)期，倍率性能不及預(yù)期，成本降幅不及預(yù)期;中高鎳三元無模組電池良率提升不及預(yù)期，壽命不及預(yù)期，成本降幅不及預(yù)期;高鎳三元無模組電池安全性不及預(yù)期，壽命不及預(yù)期;成本降幅不及預(yù)期;車企對無模組技術(shù)顧慮超預(yù)期;新能源汽車產(chǎn)銷不及預(yù)期;新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不及預(yù)期;動力電池回收進展不及預(yù)期。(編輯：劉瑞)