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電池包技術革命:影響全球動力電池行業格局

作者:中國儲能網新聞中心 來源:華創證券 發布時間:2020-02-15 瀏覽:
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Pack結構優化有助于動力電池成本降低

(一) Pack結構優化對降低電池成本有較大空間

1、從電芯(Cell)到模組(Module)再到電池包(Package),電池Pack基本情況介紹

通過大量公開信息,我們可以知道新能源汽車中動力電池包是單體電芯(cell)通過串并聯組合之后,外加一些管理、冷卻系統后,形成的驅動汽車行駛的能源儲存單元。在當前主流的電池包結構中,一款新能源汽車動力電池包主要由電池包→電池模組→電芯三個層級構成。

在動力電池包設計過程中,需要考慮結構電氣系統安全可維護,電池熱管理系統耐久有效,電池包結構防塵/防水設計、電池安全失效泄壓及應急處理等等,所以在主流車企在最初進入該領域積累設計和使用經驗時,均會優先實現在實現設定功能情況下,預留一定的冗余空間。此過程,自然在推高動力電池包BOM成本同時,降低電池包的能量密度和使用性能。

2、電池Pack加工環節成本占比大,具有降低空間

在行業早期進行電池包設計過程中,根據經驗統計,圓柱電芯的模組成組效率約為87%,系統成組效率約為65%;軟包電芯模組成組效率約為85%,系統成組效率約為60%;方形電芯的模組成組效率約為89%,系統成組效率約為70%。

雖然之后經過數代的方案迭代,逐步提高了模組和系統的電芯成組效率,但是由于其在動力電池成本絕對值中依然占有較大比例,所以該環節持續推進的結構設計優化,對降低動力電池成本依然有重要意義。

(二)新能源商用車電池Pack結構優化提升能量密度并降低成本當前國內新能源大巴車由于技術指標要求,考慮到動力電池安全性和成本因素,主流車企以磷酸鐵鋰技術路線為主要技術路線。


我們知道,磷酸鐵鋰本身由于存在能量密度較低的瓶頸,但在過去技術升級中,商用車動力電池能量密度依然得到提升,同時成本也持續降低。其背后,一方面是電池材料體系持續發生的漸進式進步(磷酸鐵鋰改性、降低銅鋁箔/隔膜厚度等),另外一方面也是通過動力電池包結構不斷優化升級實現。

以寧德時代為代表的動力電池生產商,自2013年國內新能源商用車逐漸形成市場規模之后,也在通過電芯(提升單體電芯容量)和模組結構迭代(如combo模組集成技術)和電池包結構設計,來推動鐵鋰電池包能量密度提升,和制造成本的降低。

根據行業統計,其大巴車動力電池包的成組效率從早期72%提升至90%左右水平。與此同時,以宇通客車為代表的國內一流電動大巴車生產商,也通過大量運營數據和漸進式的電池包技術優化,積累了豐富的電池pack經驗,在新能源商用車電池包少模組設計領域處于行業領先地位。

(三)新能源乘用車電池包結構優化已在路上

日產LEAF(聆風),作為一款2010年上市之后經過數代產品迭代并經久不衰的產品,目前在全球已經有超過45萬輛銷售規模(截止到2019年底)。早期LEAF上市之時,采用初代電池包技術,帶電24Kwh,續航里程只有140km左右。

2015年,日產在歐洲和美國發布了30kwh電池包容量的升級版本,單車續航里程提升至170km左右。2017年10月,日產推出第二代LEAF,搭載40Kwh容量電池包,單車續航提升至240km。2018年7月,日產發布LEAFNISMO的官方圖片,該車將搭載60kwh電池,續航里程提升至360km。

從全球銷量來看,日產LEAF過去5年每年能夠穩定在4萬臺左右全球銷量規模,憑借其穩定可靠的產品質量、便捷的操控和低碳環保的能耗,在日本、英國和美國受到廣泛歡迎。

從電池包結構角度看,LEAF也在通過電芯容量提升,及電池Pack結構設計的迭代,來實現電池包容量,和成組效率提升。

電池通過模組形式安裝于電池包中,其物理結構設計可以對電芯起到支撐、固定和保護作用,方便對電芯進行機械強度,電性能,熱性能和故障處理等方面管理。

二、從少模組到無模組,乘用車電池包設計正迎來新變化

(一)從補貼退坡到市場化競爭,倒逼動力電池包設計結構持續升級

自2016年以來,國家新能源汽車補貼的退坡和技術升級,一直是倒逼產業快速進行技術升級,降本增效的關鍵驅動力。隨著補貼逐步退去,新能源汽車行業迎接與燃油車的市場化競爭,能否持續改善電池包性能降低電池包成本,或將成為不同車企能否繼續保持快速發展順利完成汽車電氣化智能化升級的關鍵。

(二)2020年即將量產的比亞迪的“刀片電池”技術和寧德時代的“CTP”電池技術

在國內降低電池包模組優化pack設計的各個方案中,比亞迪提出的“刀片電池”結構和寧德時代提出的“CTP”結構具有廣泛知名度,兩家企業率先將這種新型的電池包設計應用于磷酸鐵鋰電池推廣,在降本增效方面體現出明顯的改善。

1、比亞迪推出刀片電池技術

在2020年1月組織的百人會上,比亞迪董事長兼總裁王傳福表示比亞迪新開發的“刀片電池”是將首次搭載于2020年推出的全新系列車型“漢”,有望在6月正式上市。根據王傳福董事長介紹,“刀片電池”是新一代磷酸鐵鋰電池,在體積比能量密度上比傳統鐵電池提升了50%,電池成本降低30%。

通過公開資料發現,比亞迪提出的“刀片電池”的電芯結構,較以往方形電池電芯長度更長(800mm左右),厚度降低20mm,在電池包中并排側立放入(電芯之間導熱絕緣)。

該結構設計增加電芯散熱面積,便于電池包熱管理,或節省空間提高電池能量密度同時,將有利于安全性能的提升。

另外電芯結構變化使得pack設計方案迭代,降低零部件使用量,從而降低電池pack成本。由于“刀片電池”在電芯結構設計方面與以往差別明顯,比亞迪標識后續將新建產能以滿足該電池設計對應車型的生產需求(刀片電池生產工廠定于重慶)。

2、寧德時代即將量產CTP電池技術

寧德時代2019年在德國法蘭克福車展發布CTP(CellToPack)技術(又名無模組方案),根據寧德時代披露的信息,該解決方案對于提高電池質量密度和體積能量密度,效用明顯,并大幅降低動力電池的制造成本。

當前,國內北汽新能源(EU5)、蔚來汽車(ES6)、威馬汽車、哪吒汽車等已官方表示2020年上市車型將采用CTP技術的電池包技術。對于能夠快速減低成本并提高電池包能量密度的解決方案,部分車企已呈現開放態度。

根據行業媒體披露的電池專利圖可以看到,寧德時代CTP結構電池包中,電芯和電池管理系統連接結構,以及電芯與電池包殼體結構(壓力和溫度傳感器放置)出現變化。此設計易于電池散熱處理,不采購模組結構降低裝配難度提高生產效率,同時也便于電芯維護管理。

(三)特斯拉Pack結構的持續迭代

我們知道,特斯拉早年的發展,就是憑借石破天驚的電池pack系統設計,管理了世人從未設想過能夠用于汽車動力電池的鈷酸鋰圓柱電池(Rodaster),開啟了一路狂飆的電動汽車成長之旅。

通過對比發現,當前已經量產的特斯拉ModelS和Model3在電池包設計方面,已經進行了新的迭代(除了使用21700圓柱電芯替代了原來的18650圓柱電芯),根據特斯拉介紹,新的電池系統相較之前能量密度提升20%以上,單體容量提升35%,系統成本降低10%左右。

特斯拉已具備管理單體模組上千只21700圓柱電池能力,同時Model3的pack設計相較ModelS在模組設計方面已大幅優化。而考慮到特斯拉與松下的合作關系,特斯拉試圖在5.1Ah容量基礎上尋找到容量更高且品控滿足要求的產品已具有相當難度。

而同樣具備方形結構性能的方形電池,單體電芯容量可達到幾十甚至上百Ah,所以我們認為未來隨著特斯拉電池pack結構的進一步優化,使用方形電池替代圓柱電池來降低成本提升效率,將成為大概率事件。這對于國內擅長于方形電芯制造并處于全球領先地位的動力電池生產商來說,則帶來重大機遇。

三、電池包結構設計優化,將加劇動力電池行業集中度再次提升

(一) 電池包設計優化,拓展鐵鋰動力電池應用空間,也同樣利于三元材料電池成本降低

我們知道,鐵鋰電池作為國內新能源汽車產業發展早期占比最高的動力電池類型,在商用車領域一直占據穩定的行業地位。

但是在國家補貼和技術標準不斷倒逼動力電池能力密度提升背景下,過去5年鐵鋰電池在新能源乘用車領域的市場份額被三元材料鋰電池所替代。

隨著國家補貼逐漸退出,國內的新能源汽車整車生產商對于動力電池技術路線將逐步回歸以市場需求為主導,磷酸鐵鋰電池體現出的高性價比特征,在價格敏感的新能源汽車市場再次體現出競爭力。

與此同時,比亞迪將磷酸鐵鋰正極制成的“刀片電池”應用于2020年全新車型“漢”,則賦予了磷酸鐵鋰高端化車型應用新的變化。根據行業信息,磷酸鐵鋰正極材料除了具備一定改性空間(磷酸錳鐵鋰)以外,電芯結構借鑒軟包電池工藝(疊片工藝、電池極耳設計等)進行升級等,對于磷酸鐵鋰電芯能量密度、充放電性能及循環壽命等方面均有改善。

再加上電池pack設計優化,裝載磷酸鐵鋰電池的比亞迪“漢”,能夠實現2.9秒的百公里加速,和600公里續航能力。定位于中高端車型的比亞迪“漢”,也同時拓展了磷酸鐵鋰電池的車型級別應用空間。

另外,如前文所述,采用三元材料鋰電池的日常LEAF也通過近10年3代電池結構的設計,實現了電池包能量密度和成組效率提升。特斯拉的ModelS和Model3的電池包比較,也可以看到提升對電池管理能力,降低對電池包結構的硬件冗余設計,是當前車企在電池包成本優化性能提升的殊途同歸之策。

另外,2019年12月28日,蔚來汽車創始人李斌表示,蔚來汽車未來推出的100kwh電池包,將采用寧德時代CTP電池技術(早期采用811三元鋰電,將電池包電量從70kwh提升至84kwh)。而威馬汽車采用CTP技術將電芯集成到電池包,將使得威馬汽車綜合續航里程提升至700km。我們可以明顯的看到,少模組及無模組的電池包解決方案,國內車企在2020年也將使用于三元鋰電,實現電池包綜合性能的不斷提升。

(二) 降低安裝成本增加維護難度,對產品品質提出更高要求:加劇行業集中度提升

我們知道,隨著一個產品系統集成化程度加深,這將加大該系統后期使用過程中運維難度。

所以對于新能源汽車動力電池系統,當車企考慮成本降低通過少模組或無模組解決方案提高了電池包集成度,那么對于電池包品質,特別是組成電池包的電芯單元,提出更高要求:不單單需要滿足能夠實現產品的生產,同時要具備上規模商業化推廣的經濟價值。所以在這樣背景下,使得車企在動力電池生產商選擇門檻提升,同時為車企本身打造的高集成度電池包系統建立產品護城河。

在從電芯集成為模組最后形成電池包的過程中,模組這個環節的設計,就是便于電池在后期使用過程中以“模組”為單元對故障電池進行維護,可以降低電池包的維護成本。

但是如果電池走向少模組或者無模組解決方案之后,電芯再出現故障,那么按照以往處理方式,拆除更換單個模組涉及的電芯數量就會變多(甚至是整個電池包),這將大大增加電池后期維修成本。

所以如何降低電池故障率,提高電池品質質量,就成為車企選擇動力電池生產企業的關鍵標準。而考慮到后期高昂的供應商更換成本,我們認為該技術路線將加劇動力電池行業集中度提升。

(三) 電池包少模組方案或將加劇方形電池在全球動力電池市場份額提升

當前鋰離子動力電池依然是圓柱、方形、軟包三類電芯三分天下。相比于特斯拉采用圓柱電池解決方案的與眾不同,方形電芯和軟包電池在全球其他主流車企和造車新勢力中有更廣泛的應用。

當前,還沒有足夠的證據來說明最終三種技術路線是否會被其中一種一統天下,因為各類電池在當前的鋰電池產業發展階段,均具有橫向比較性的優點和劣勢。

但是考慮到電池包結構優化的重要思路,是降低電池包冗余零部件使用量,那么圓柱電池和方形電池的金屬外殼(鋼殼或者鋁殼),本身所具備的機械強度,可減少模組支撐結構件的使用量,也便于電池pack加工難度的降低,軟包電芯需要借助模組來形成機械強度的設計就顯出一定劣勢。

而方形電池在單體電芯容量較圓柱電池優勢明顯,且其方形物理尺寸持續較圓形尺寸能夠使得pack系統成組效率更高,所以如果無模組或少模組解決方案被越來越多車企認同接受,或將加劇方形電池市場份額的提升。這只是一直可能演進方向的猜想,后續可持續保持跟蹤。

全球方形電池代表企業:寧德時代、比亞迪、三星SDI等;軟包電池代表企業:LG、SKI、AESC;圓柱電池代表企業:松下、LG、三星SDI等。所以未來動力電池技術路線的比較,或將中期維度影響各類企業市場份額的變化。

報告來源:華創證券(分析師:胡毅)

關鍵字:動力電池

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