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电池包技术革命:影响全球动力电池行业格局

作者:天能电池 时间:2020-02-15 16:07:05

(一) Pack结构优化对降低电池成本有较大空间


1、从电芯(Cell)到模组(Module)再到电池包(Package),电池Pack基本情况介绍


通过大量公开信息,我们可以知道新能源汽车中动力电池包是单体电芯(cell)通过串并联组合之后,外加一些管理、冷却系统后,形成的驱动汽车行驶的能源储存单元。在当前主流的电池包结构中,一款新能源汽车动力电池包主要由电池包→电池模组→电芯三个层级构成。


在动力电池包设计过程中,需要考虑结构电气系统安全可维护,电池热管理系统耐久有效,电池包结构防尘/防水设计、电池安全失效泄压及应急处理等等,所以在主流车企在最初进入该领域积累设计和使用经验时,均会优先实现在实现设定功能情况下,预留一定的冗余空间。此过程,自然在推高动力电池包BOM成本同时,降低电池包的能量密度和使用性能。


2、电池Pack加工环节成本占比大,具有降低空间


在行业早期进行电池包设计过程中,根据经验统计,圆柱电芯的模组成组效率约为87%,系统成组效率约为65%;软包电芯模组成组效率约为85%,系统成组效率约为60%;方形电芯的模组成组效率约为89%,系统成组效率约为70%。


虽然之后经过数代的方案迭代,逐步提高了模组和系统的电芯成组效率,但是由于其在动力电池成本绝对值中依然占有较大比例,所以该环节持续推进的结构设计优化,对降低动力电池成本依然有重要意义。


(二)新能源商用车电池Pack结构优化提升能量密度并降低成本当前国内新能源大巴车由于技术指标要求,考虑到动力电池安全性和成本因素,主流车企以磷酸铁锂技术路线为主要技术路线。


我们知道,磷酸铁锂本身由于存在能量密度较低的瓶颈,但在过去技术升级中,商用车动力电池能量密度依然得到提升,同时成本也持续降低。其背后,一方面是电池材料体系持续发生的渐进式进步(磷酸铁锂改性、降低铜铝箔/隔膜厚度等),另外一方面也是通过动力电池包结构不断优化升级实现。


以宁德时代为代表的动力电池生产商,自2013年国内新能源商用车逐渐形成市场规模之后,也在通过电芯(提升单体电芯容量)和模组结构迭代(如combo模组集成技术)和电池包结构设计,来推动铁锂电池包能量密度提升,和制造成本的降低。


根据行业统计,其大巴车动力电池包的成组效率从早期72%提升至90%左右水平。与此同时,以宇通客车为代表的国内一流电动大巴车生产商,也通过大量运营数据和渐进式的电池包技术优化,积累了丰富的电池pack经验,在新能源商用车电池包少模组设计领域处于行业领先地位。


(三)新能源乘用车电池包结构优化已在路上


日产LEAF(聆风),作为一款2010年上市之后经过数代产品迭代并经久不衰的产品,目前在全球已经有超过45万辆销售规模(截止到2019年底)。早期LEAF上市之时,采用初代电池包技术,带电24Kwh,续航里程只有140km左右。


2015年,日产在欧洲和美国发布了30kwh电池包容量的升级版本,单车续航里程提升至170km左右。2017年10月,日产推出第二代LEAF,搭载40Kwh容量电池包,单车续航提升至240km。2018年7月,日产发布LEAFNISMO的官方图片,该车将搭载60kwh电池,续航里程提升至360km。


从全球销量来看,日产LEAF过去5年每年能够稳定在4万台左右全球销量规模,凭借其稳定可靠的产品质量、便捷的操控和低碳环保的能耗,在日本、英国和美国受到广泛欢迎。


从电池包结构角度看,LEAF也在通过电芯容量提升,及电池Pack结构设计的迭代,来实现电池包容量,和成组效率提升。


电池通过模组形式安装于电池包中,其物理结构设计可以对电芯起到支撑、固定和保护作用,方便对电芯进行机械强度,电性能,热性能和故障处理等方面管理。


二、从少模组到无模组,乘用车电池包设计正迎来新变化


(一)从补贴退坡到市场化竞争,倒逼动力电池包设计结构持续升级


自2016年以来,国家新能源汽车补贴的退坡和技术升级,一直是倒逼产业快速进行技术升级,降本增效的关键驱动力。随着补贴逐步退去,新能源汽车行业迎接与燃油车的市场化竞争,能否持续改善电池包性能降低电池包成本,或将成为不同车企能否继续保持快速发展顺利完成汽车电气化智能化升级的关键。


(二)2020年即将量产的比亚迪的“刀片电池”技术和宁德时代的“CTP”电池技术


在国内降低电池包模组优化pack设计的各个方案中,比亚迪提出的“刀片电池”结构和宁德时代提出的“CTP”结构具有广泛知名度,两家企业率先将这种新型的电池包设计应用于磷酸铁锂电池推广,在降本增效方面体现出明显的改善。


1、比亚迪推出刀片电池技术


在2020年1月组织的百人会上,比亚迪董事长兼总裁王传福表示比亚迪新开发的“刀片电池”是将首次搭载于2020年推出的全新系列车型“汉”,有望在6月正式上市。根据王传福董事长介绍,“刀片电池”是新一代磷酸铁锂电池,在体积比能量密度上比传统铁电池提升了50%,电池成本降低30%。


通过公开资料发现,比亚迪提出的“刀片电池”的电芯结构,较以往方形电池电芯长度更长(800mm左右),厚度降低20mm,在电池包中并排侧立放入(电芯之间导热绝缘)。


该结构设计增加电芯散热面积,便于电池包热管理,或节省空间提高电池能量密度同时,将有利于安全性能的提升。


另外电芯结构变化使得pack设计方案迭代,降低零部件使用量,从而降低电池pack成本。由于“刀片电池”在电芯结构设计方面与以往差别明显,比亚迪标识后续将新建产能以满足该电池设计对应车型的生产需求(刀片电池生产工厂定于重庆)。


2、宁德时代即将量产CTP电池技术


宁德时代2019年在德国法兰克福车展发布CTP(CellToPack)技术(又名无模组方案),根据宁德时代披露的信息,该解决方案对于提高电池质量密度和体积能量密度,效用明显,并大幅降低动力电池的制造成本。


当前,国内北汽新能源(EU5)、蔚来汽车(ES6)、威马汽车、哪吒汽车等已官方表示2020年上市车型将采用CTP技术的电池包技术。对于能够快速减低成本并提高电池包能量密度的解决方案,部分车企已呈现开放态度。


根据行业媒体披露的电池专利图可以看到,宁德时代CTP结构电池包中,电芯和电池管理系统连接结构,以及电芯与电池包壳体结构(压力和温度传感器放置)出现变化。此设计易于电池散热处理,不采购模组结构降低装配难度提高生产效率,同时也便于电芯维护管理。


(三)特斯拉Pack结构的持续迭代


我们知道,特斯拉早年的发展,就是凭借石破天惊的电池pack系统设计,管理了世人从未设想过能够用于汽车动力电池的钴酸锂圆柱电池(Rodaster),开启了一路狂飙的电动汽车成长之旅。


通过对比发现,当前已经量产的特斯拉ModelS和Model3在电池包设计方面,已经进行了新的迭代(除了使用21700圆柱电芯替代了原来的18650圆柱电芯),根据特斯拉介绍,新的电池系统相较之前能量密度提升20%以上,单体容量提升35%,系统成本降低10%左右。


特斯拉已具备管理单体模组上千只21700圆柱电池能力,同时Model3的pack设计相较ModelS在模组设计方面已大幅优化。而考虑到特斯拉与松下的合作关系,特斯拉试图在5.1Ah容量基础上寻找到容量更高且品控满足要求的产品已具有相当难度。


而同样具备方形结构性能的方形电池,单体电芯容量可达到几十甚至上百Ah,所以我们认为未来随着特斯拉电池pack结构的进一步优化,使用方形电池替代圆柱电池来降低成本提升效率,将成为大概率事件。这对于国内擅长于方形电芯制造并处于全球领先地位的动力电池生产商来说,则带来重大机遇。


三、电池包结构设计优化,将加剧动力电池行业集中度再次提升


(一) 电池包设计优化,拓展铁锂动力电池应用空间,也同样利于三元材料电池成本降低


我们知道,铁锂电池作为国内新能源汽车产业发展早期占比最高的动力电池类型,在商用车领域一直占据稳定的行业地位。


但是在国家补贴和技术标准不断倒逼动力电池能力密度提升背景下,过去5年铁锂电池在新能源乘用车领域的市场份额被三元材料锂电池所替代。


随着国家补贴逐渐退出,国内的新能源汽车整车生产商对于动力电池技术路线将逐步回归以市场需求为主导,磷酸铁锂电池体现出的高性价比特征,在价格敏感的新能源汽车市场再次体现出竞争力。


与此同时,比亚迪将磷酸铁锂正极制成的“刀片电池”应用于2020年全新车型“汉”,则赋予了磷酸铁锂高端化车型应用新的变化。根据行业信息,磷酸铁锂正极材料除了具备一定改性空间(磷酸锰铁锂)以外,电芯结构借鉴软包电池工艺(叠片工艺、电池极耳设计等)进行升级等,对于磷酸铁锂电芯能量密度、充放电性能及循环寿命等方面均有改善。


再加上电池pack设计优化,装载磷酸铁锂电池的比亚迪“汉”,能够实现2.9秒的百公里加速,和600公里续航能力。定位于中高端车型的比亚迪“汉”,也同时拓展了磷酸铁锂电池的车型级别应用空间。


另外,如前文所述,采用三元材料锂电池的日常LEAF也通过近10年3代电池结构的设计,实现了电池包能量密度和成组效率提升。特斯拉的ModelS和Model3的电池包比较,也可以看到提升对电池管理能力,降低对电池包结构的硬件冗余设计,是当前车企在电池包成本优化性能提升的殊途同归之策。


另外,2019年12月28日,蔚来汽车创始人李斌表示,蔚来汽车未来推出的100kwh电池包,将采用宁德时代CTP电池技术(早期采用811三元锂电,将电池包电量从70kwh提升至84kwh)。而威马汽车采用CTP技术将电芯集成到电池包,将使得威马汽车综合续航里程提升至700km。我们可以明显的看到,少模组及无模组的电池包解决方案,国内车企在2020年也将使用于三元锂电,实现电池包综合性能的不断提升。


(二) 降低安装成本增加维护难度,对产品品质提出更高要求:加剧行业集中度提升


我们知道,随着一个产品系统集成化程度加深,这将加大该系统后期使用过程中运维难度。


所以对于新能源汽车动力电池系统,当车企考虑成本降低通过少模组或无模组解决方案提高了电池包集成度,那么对于电池包品质,特别是组成电池包的电芯单元,提出更高要求:不单单需要满足能够实现产品的生产,同时要具备上规模商业化推广的经济价值。所以在这样背景下,使得车企在动力电池生产商选择门槛提升,同时为车企本身打造的高集成度电池包系统建立产品护城河。


在从电芯集成为模组最后形成电池包的过程中,模组这个环节的设计,就是便于电池在后期使用过程中以“模组”为单元对故障电池进行维护,可以降低电池包的维护成本。


但是如果电池走向少模组或者无模组解决方案之后,电芯再出现故障,那么按照以往处理方式,拆除更换单个模组涉及的电芯数量就会变多(甚至是整个电池包),这将大大增加电池后期维修成本。


所以如何降低电池故障率,提高电池品质质量,就成为车企选择动力电池生产企业的关键标准。而考虑到后期高昂的供应商更换成本,我们认为该技术路线将加剧动力电池行业集中度提升。


(三) 电池包少模组方案或将加剧方形电池在全球动力电池市场份额提升


当前锂离子动力电池依然是圆柱、方形、软包三类电芯三分天下。相比于特斯拉采用圆柱电池解决方案的与众不同,方形电芯和软包电池在全球其他主流车企和造车新势力中有更广泛的应用。


当前,还没有足够的证据来说明最终三种技术路线是否会被其中一种一统天下,因为各类电池在当前的锂电池产业发展阶段,均具有横向比较性的优点和劣势。


但是考虑到电池包结构优化的重要思路,是降低电池包冗余零部件使用量,那么圆柱电池和方形电池的金属外壳(钢壳或者铝壳),本身所具备的机械强度,可减少模组支撑结构件的使用量,也便于电池pack加工难度的降低,软包电芯需要借助模组来形成机械强度的设计就显出一定劣势。


而方形电池在单体电芯容量较圆柱电池优势明显,且其方形物理尺寸持续较圆形尺寸能够使得pack系统成组效率更高,所以如果无模组或少模组解决方案被越来越多车企认同接受,或将加剧方形电池市场份额的提升。这只是一直可能演进方向的猜想,后续可持续保持跟踪。


全球方形电池代表企业:宁德时代、比亚迪、三星SDI等;软包电池代表企业:LG、SKI、AESC;圆柱电池代表企业:松下、LG、三星SDI等。所以未来动力电池技术路线的比较,或将中期维度影响各类企业市场份额的变化。


报告来源:华创证券(分析师:胡毅)