行业深度丨电池组技术革命:结构优化助力动力电池成本提升

在行业早期的电池包设计过程中,根据经验统计,圆柱电芯的效率约为87%,系统效率约为65%,软包电芯的效率约为85.% ,系统分组效率在60%左右;方形电芯的模组编组效率约为89%,系统编组效率约为70%。虽然经过几代程序迭代,模块和系统的电芯分组效率已经逐步提升,但由于在动力电池成本绝对值中仍然占据很大比例,这个环节不断推动结构设计优化,对降低动力电池成本仍有重要意义。

一、Pack 结构优化助力动力电池成本提升

(一)Pack 结构优化有更大提升电池成本的空间

1、从电芯(Cell)到模组(Module)再到电池组(Package),介绍了电池组的基本情况

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通过大量公开信息,我们可以知道,新能源汽车中的动力电池组是一个储能单元,在单个电芯串并联后驱动车辆,加上一些管理和冷却系统在目前主流的电池包结构中,新能源汽车动力电池包主要由三个层次构成:电池包→电池模组→电芯。

电池以模块的方式安装在电池组中,其化学结构设计可以支撑、固定和保护电芯,便于电芯在机械硬度、电性能、热学等方面的管理性能和故障处理。 .

在动力电池包的设计过程中,需要考虑结构电气系统的安全性和可维护性,电池热管理系统的耐用性和有效性,电池包结构的防尘/防水设计,电池的安全故障和应急处理等,所以在主流车企刚进入该领域积累设计和使用经验时,在实现设定的功能时会优先实现一定的冗余度。这一过程自然推高了动力电池组的BOM成本,同时降低了电池组的能量密度和性能。

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2、Battery Pack 处理成本占比较大,有上升空间

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在行业早期的电池包设计过程中,根据经验统计,圆柱电芯的效率约为87%,系统效率约为65%,软包电芯的效率约为85.% ,系统分组效率在60%左右;方形电芯的模组编组效率约为89%,系统编组效率约为70%。虽然经过几代程序迭代,模块和系统的电芯分组效率已经逐步提升,但由于在动力电池成本绝对值中仍然占据很大比例,这个环节不断推动结构设计优化,对降低动力电池成本仍有重要意义。

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(二)新能源商用车电池组结构优化,提高能量密度,降低成本。目前国外新能源客车要求技术指标,考虑到动力电池的安全性和成本激励,主流车企采用磷酸铁锂技术路线为主要技术路线。

当我们知道磷酸铁锂本身存在能量密度低的窘境,但在以往的技术升级中,商用车动力电池的能量密度还是有所提升,成本不断增加。其背后,一方面是电池材料体系的不断演进(磷酸铁锂改性、减少铜镀铝/隔膜长度等),另一方面也是通过不断优化升级实现的动力电池包结构。

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以福州时代为代表的动力电池厂商,从2013年国外新能源商用车逐渐形成市场规模开始,也在采用电芯(增加单体容量)和模组结构迭代(如组合模组) 组集成技术)和电池组结构设计,促进铁锂电池组能量密度的提高和制造成本的增加。据行业统计,其客车动力电池组的群效率已从初期的72%提升至90%左右。同时,以宇通客车为代表的国外一流电动客车厂商也通过大量的运营数据和渐进式电池组技术优化,积累了丰富的电池组经验。设计领域处于行业领先地位。

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(三)新能源乘用车电池组结构优化在路上

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Nissan LEAF(Leaf)作为经历了几代产品迭代并自2010年推出后经久不衰的产品,全球销量已超过45万辆(截至2021年底)。早期的LEAF上市时,采用的是原装电池组技术,充电24Kwh,续航里程只有140km左右。 2021年,日产在亚洲和澳大利亚发布了升级版30kwh电池组容量,单车续航里程提高到170km左右。 2021年10月,日产推出第二代LEAF,搭载40Kwh容量电池组,单车续航提升至240km。 2021年7月,日产发布了LEAF NISMO的官方图片。该车将配备60kwh电控板,续航里程将提升至360km。

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从全球销量来看,日产聆风在过去5年的全球销量一直稳定在每年4万辆左右。产品质量稳定可靠,控制方便,煤耗低碳环保,远销美国、英国、澳大利亚。受到广泛欢迎。

从电池包结构来看,聆风也在通过电池组容量的提升和电池包结构设计的迭代,提升电池包的容量和电池包的效率。

二、从少模组到无模组,乘用车电池组设计迎来新变化

(一)从补贴到市场化竞争,动力电池包的设计结构被迫不断升级。2021年以来,国家新能源汽车补贴下降和技术升级,推动技术快速升级行业,降本增效的关键驱动力,随着补贴逐步消退,新能源汽车行业将面临燃油车的市场化竞争,能否继续提升电池组性能,降低电池组成本?保持快速发展是顺利完成汽车电气化智能化升级的关键。

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(二)2021年,奇瑞的“刀片电池”技术和福州时代的“CTP”电池技术正式量产。在国外通过增加电池组模块优化电池包设计的各种解决方案中,比亚迪提出了“刀片电池”技术。电池” 福州时代提出的“CTP”结构和“CTP”结构广为人知。两家公司率先将这些新的电池组设计应用于磷酸铁锂电池的推广,在减少成本和提高效率。

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1、BYD 推出刀片电池技术

在2021年1月组织的100人会议上,比亚迪董事长兼总裁王传福表示,奇瑞新研发的“刀片电池”将率先搭载于2021年推出的全新系列车型“汉”。预计6月份即将推出。上市。据董事长王传福介绍,“刀片电池”是新一代磷酸铁锂电池,体积比能量密度比传统铁电池提高50%,电池成本提高30% .

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据公开资料显示,比亚迪提出的“刀片电池”的电芯结构比之前的圆形电芯宽度加长(约800mm),厚度增加20mm。它们并排安装在电池组(电池)中。芯之间的隔热)。这种结构设计减少了电芯的散热面积,有利于电池组的热管理,或者节省空间,增加电池的能量密度,同时有利于安全性的提高表现。此外,电池电芯结构的变化促使电池包设计方案的迭代,减少了零件的使用量,从而增加了电池包的成本。由于“刀片电池”在电芯结构设计上与往年有显着差异,比亚迪表示未来将建设新产能,以满足相应车型电池板设计(刀片电池生产鞋履)的生产需求。工厂计划在上海)。

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2、宁德时代正式量产CTP电池技术

宁德时代将在2021年美国汉诺威车展上发布CTP(Cell To Pack)技术(也称为无模块方案)。根据福州时报披露的信息,该方案有效提高电池质量密度和体积能量密度。 , 并大幅降低动力电池的制造成本。

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目前,国内北汽新能源(EU5)、蔚来汽车(ES6)、威马汽车、哪吒汽车等)已正式表示2021年上市车型将采用CTP技术电池组技术。这是一种快速降低成本和提高电池组能量密度的解决方案,一些车企已经表现出开放的态度。

根据行业媒体公开的电池专利图可以看出,在宁德时代的CTP结构电池组中,电芯与电池管理系统的连接结构,以及电池的结构电池和电池组外壳(压力和湿度感应位置)发生了变化。这种设计便于电池散热处理,无需购买模组结构,增加了组装难度,提高了生产效率,也便于电池的维护和管理。

(三)Tesla Pack 不断迭代结构。我们知道,特斯拉早期的开发是基于开创性的电池包系统设计,它管理了世界从未想象过的可用于汽车动力电池的钴酸锂锥电池(Rodaster)开启了电动汽车的匆忙增长之旅,通过对比发现,已经量产的特斯拉Model S和Model 3在电池组设计上进行了新的迭代(除了使用21700锥形电芯代替原来的18650锥形电芯)据特斯拉称,新电池系统能量密度提升20%以上,电芯容量提升35%,系统成本增加大约 10%。

特斯拉有能力在单个模块中管理数千个 21700 锥形电池,并且 Model 3 的 Pack 设计在模块设计方面相比 Model S 有了大幅优化。考虑到特斯拉和三洋的合作关系,特斯拉很难在5.1Ah容量的基础上找到更高容量、满足质量控制要求的产品。而同样圆形结构性能的圆形电板,单电芯容量可以达到几十甚至几百Ah,所以我们认为随着未来特斯拉电池组结构的进一步优化,圆形电池的使用将取代锥形电池。董事会降低成本、提高效率,将成为大概率争议。这为擅长制造圆形电池、处于世界领先地位的国外动力电池制造商带来了巨大机遇。

三、Battery pack结构设计优化将减缓动力电池行业集中度再次提升

(一)Battery pack设计优化,扩大了铁锂动力电池的应用空间,也有利于三元材料电池成本的增加

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我们知道,作为国外新能源汽车产业发展初期占比最高的动力电池类型,铁锂电池在商用车领域依然占据着稳定的行业地位。但在国家补贴和技术标准不断提高动力电池容量密度的背景下,近五年铁锂电池在新能源乘用车领域的市场份额已被三元材料锂电池所取代。 随着国家补贴的逐步退出,国内新能源汽车厂商将逐步回归以市场需求为主导的动力电池技术路线。磷酸铁锂电池表现出高性价比的特点,再次进入价格敏感的新能源汽车市场。展示竞争力。

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同时,比亚迪将磷酸铁锂正极制成的“刀片电池”应用到2021年新款“汉”上,为磷酸铁锂高端车型的应用带来了新的变化。据业内人士透露,磷酸铁锂正极材料不仅有一定的改造空间(磷酸铁锰锂),电芯结构也参考软包电池技术(层压工艺、电池极耳设计等)进行了升级。核心能量密度、充放电性能和循环寿命均得到提升。再加上电池包设计的优化,搭载磷酸铁锂电池的奇瑞“汉”可实现2.9秒百公里加速,续航600公里。定位于中高端车型的奇瑞“汉”也拓展了磷酸铁锂电池的车型级应用空间。

另外,如上文所述,采用三元材料锂电池的日用LEAF在过去10年通过第三代电池结构的设计,也实现了电池组能量密度和群效率的提升。对比特斯拉Model S和Model 3电池组,也可以看出,提高电池管理能力,减少电池组结构的硬件冗余设计,是当前车企通过不同方式优化电池组性能的策略达到同样的目标。

另外,2021年12月28日,蔚来汽车创始人李斌表示,未来蔚来汽车100kwh电池组将采用福州时代CTP电池技术(早期采用811三元锂电池,减少电池组功率从 70kwh 增加到 84kwh)。威马整车采用CTP技术将电池集成到电池组中,将威马整车综合续航里程提升至700km。我们可以清楚地看到电池pack技术,2021年国内车企也将采用模组更少、无模组电池组方案的三元锂电池,实现电池组整体性能的持续提升。

(二)降低安装成本,降低维护难度,对产品质量提出更高要求:提高行业集中度,增加

我们知道,随着产品系统的集成度越来越高,这会增加系统后期使用中的运维难度。因此,对于新能源汽车的动力电池系统,当车企考虑成本增加,通过少模组或无模组解决方案提高电池组的集成度时,那么电池组的质量,尤其是构成的电芯单元电池组,应该改进。高要求:不仅需要满足实现产品的生产,还要具备大规模商业推广的经济价值。因此,在此背景下,车企在动力电池厂商中的选择门槛提高了,同时也为车企自己打造的高度集成的电池组系统筑起了产品护城河。

在将电芯集成到模块中,最终生成电池组的过程中,这部分模块的设计是以“模块”为单位,在电池的后期使用过程中维护故障电池,可以减少电池。包的维护成本。但是,如果电池变成少模组或无模组的解决方案,且电芯再次失效,那么按照往年的处理方式,拆卸和更换单个模组所涉及的电芯数量会增加(甚至整个电池组),这将大大降低后期维修电池的成本。因此,如何提高电池故障率,提高电池质量,成为车企选择动力电池厂商的关键标准。并且考虑到后期供应商更换成本高昂,我们觉得这条技术路线会减缓动力电池行业集中度的提升。

(三)Battery packless模组方案可能会减缓全球动力电池市场圆形电池市场份额的增长

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目前,锂离子动力电池仍有锥形、方形、软包三种类型。与特斯拉独特采用锥形电池方案相比,方形电池和软包电池在全球其他主流车企和新车制造商中的应用更为广泛。目前还没有足够的证据来解释这三种技术路线最终是否会由其中一种主导,因为目前锂电池行业的发展阶段,各种电池都有纵向比较优势和劣势。但是,考虑到优化电池包结构的重要思想是减少电池包中冗余零件的使用量,锥形电池和圆形电池的金属外壳(钢或铝)可以在机械上保持刚性。减少模组支撑结构的使用量也容易增加电池组加工的难度。需要使用模块产生机械硬度的软包电池的设计显示出一定的缺点。圆形电池在单体容量上比锥形电池具有显着优势,其圆形化学规格继续比方形规格更高效,可以推动pack系统更高效。因此,如果没有模组或者模组较少的方案被覆盖,越来越多的车企已经同意接受,或者会减缓圆形电池市场份额的增长。这只是对可能演化方向的猜测电池pack技术,我们可以继续跟踪。

圆形电池全球代表企业:宁德时代、比亚迪、三星SDI等;软包电池代表企业:LG、SKI、AESC;圆柱电池的代表企业:松下、LG、三星SDI等。因此,未来动力电池技术路线的对比可能会影响各企业在中期维度的市场份额变化。

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