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為什么說CTP電池技術是可能改變行業格局

來源: EV視界 時間:2020年03月10日 10:07

【EV視界特約作者】CTP技術,在提升電池包系統能量密度和整車續駛里程的同時,或許還將對動力電池和新能源汽車產生更加深遠影響。

從2019下半年開始,寧德時代CTP(Cell to Pack)與比亞迪的刀片電池技術進入大眾視野,備受行業關注。  

一,  CTP,優質電芯基礎上的系統工藝創新

簡單來說,寧德CTP與刀片電池(GCTP)的技術思路上是一致的:在原有的電池化學體系基礎上,通過電池單體設計和電池包集成形式的優化,將原有的單體—模組—電池包的三層結構,改進為由大電芯/大模組構成的單體—電池包兩層結構。

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寧德時代CTP電池包與比亞迪刀片電池

傳統電池包的成組效率是電池系統能量密度提升的一個瓶頸。如一個典型的電池包「三層結構」示意圖:

圖中左側,是電池單體(Cell)組成的電池模組(Module),其中除了電池單體外,還包括金屬蓋板端板、線束、粘合劑、導熱膠、模組控制單元等等零部件,組合在一起,形成了一個電池模組。圖右,是由若干模組構成的電池包(Pack),電池包層面的零部件包括熱管理系統、線束、控制器、外殼等等。

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 典型電池包結構,來源:奧迪A3的電池包結構

這樣的三層結構是典型的動力電池包都具有的,之所以有「模組」,一方面是保護、支撐、集成了電芯,另一方面各個模組獨立管理了部分電芯,有助于溫度控制、防止熱失控傳播、同時便于維修。但模組的存在,使得整個電池包的空間利用率有所下降,導致了成組效率的低水平——模組越多,零部件越多,成組效率也就越低。在單體能量密度突破300Wh/kg的同時,受限于傳統電池包的成組方式,電池系統層面的能量密度仍處于160Wh/kg左右。同時由于對高鎳電芯安全風險的考量,部分廠商建議對高鎳電芯SOC的使用范圍作出限制,更在實際上讓高鎳電池的能量打了折扣。

因此,將模組做大做少,乃至于無模組,是近年來電池系統工藝設計層面的主要關注點,特斯拉Model 3的大模組也反映了這一趨勢。但與此同時,正因為模組有著保護電池、降低風險、便于維修的作用,「無模組」就有著更高的技術難度,意味著對電池單體的質量和一致性的要求更高。因此,寧德時代和比亞迪的無模組技術,不僅是電池系統工藝層面的突出創新,更體現了電池單體設計制造的技術水平。對于技術相對落后的二線電池廠商來說,CTP無疑帶來了更高的技術門檻和競爭壓力。

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特斯拉Model 3的大模組電池包同樣反映了去模組化的技術趨勢

成組效率的提升,使得CTP具備了多方面的優點:

1. 長里程:電池包能量密度的提升,直接讓整車續駛里程得到改善。在相同的電池化學體系條件下,寧德CTP電池包的系統能量密度有著10-15%的提升;而比亞迪刀片電池則將磷酸鐵鋰電池(LFP)包的體積能量密度提升50%至160Wh/kg,與三元電池(NCM)相比也極具競爭力。

2. 高安全:能量密度是過去數年中電池廠商最為聚焦的電池性能,而在CTP之前,能量密度的提升主要是通過三元電池化學體系的改進所實現的,而伴隨著高鎳體系的不斷升級,電池的安全性上所面臨的風險隨之上升。而CTP在電池包層面對能量密度的提升,意味著在電池單體層面使用安全性成熟的普通三元、甚至磷酸鐵鋰電池就可以實現充裕的續駛里程。在同樣的里程效果下,整車的安全性無疑得到改善。當然,對于高鎳體系的CTP來說,安全性的風險仍然存在。 

3. 低成本:從成本來看,由于省去了模組環節的線束、蓋板等零部件,整個電池包零件數量減少了40%,生產效率提升了50%,CTP電池包的物料成本與制造成本將得到改進。而如果使用成本更低的磷酸鐵鋰電池,相較于傳統的三元電池包,整個電池包的成本還將進一步下降。

雖然在技術層面可能存在著電池包強度、維修等挑戰2;但上述優勢也會隨著CTP技術的廣泛探索和使用,而更加顯著。就目前所知道的,已搭載或即將搭載CTP的量產車型就包括——北汽EU5、大眾拉美商用車e-Delivery、蔚來100kWh電池包與比亞迪漢等車型。

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搭載CTP技術的量產車型

二,  CTP對行業格局和新技術的影響

雖然優點明顯,但對于主機廠來說,CTP技術或許并不是100%的好消息。

在新能源汽車的開發中,主機廠與電池廠之間的「技術分割線」,一般在電池包層面。技術實力稍弱的乘用車主機廠與商用車廠普遍會直接采用電池廠交付的電池包;而技術實力較強的主機廠會基于電池廠交付的電池模組,選擇自己主導電池包的開發。以上汽為例,上汽和寧德時代組建的兩家合資公司「時代上汽」與「上汽時代」,就是分別以寧德和上汽主導的電池工廠和電池包工廠。車企自行開發電池包的必要性是明顯的:一方面可以更好地匹配整車設計,另一方面也把握了電池包技術,將整車相關技術與價值保留在了體系內部。隨著電池技術的重要性愈發顯著,領先的乘用車主機廠也越來越傾向于加強在電池技術方面的話語權。

但CTP技術則意味著在電池包層面,電池廠的話語權將重新占據上風,在產業鏈中占據的價值也將進一步上升。就目前公開的信息來看,乘用車難以采用商用車標準化的電池包,寧德CTP技術需要針對車型進行深度定制化的開發,主機廠方面至少需要與電池廠共同研發,或直接將電池包完全交給電池廠。這一因素或許會影響CTP技術在整車裝載的普及前景,但更有可能出現的場景是——主機廠可能分化出三類選擇:

1. 部分主機廠將電池包完全交給電池廠開發CTP,不再主導電池包開發;

2. 部分主機廠仍將維持現有的技術體系,保持三層電池包結構,在長里程電動車產品上采用高鎳電池,不使用CTP技術方案;

3. 部分主機廠進一步加強電池技術實力,向上游進一步整合,在未來可能推出自己的CTP方案。

而這一場景的發生,又將在電動車市場推動整車產品的分化。這里暫不展開了。

另一方面,CTP還可能對下一代電池技術造成沖擊。

站在今天回看三年前,從2017-2020的電池技術發展路徑在規劃中就很清晰——通過逐步提升正極化學體系的鎳比例,從523到622再到811,將電池單體能量密度提升到300Wh/kg。而這一發展路徑的實現依靠生產工藝的快速提升,實際上實現比預期更快。但再往后的技術預期:從高鎳+硅碳負極,到固態電池,再到固態電池+鋰負極,乃至于鋰空電池……這一系列電池單體層面的技術發展,不論是理論還是產品,都比預期要來得更加緩慢。在2018年之前,業界對固態電池商業化的預測普遍在2020-2025之間;但到了2020年,固態電池的商業化預期已然推遲到了2025之后。

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2015年左右,豐田制造的下一代電池樣品性能,與對下一代電池單體技術的量產時間預期。至今下一代電池技術距離量產仍需要時間。(來源:ATZ elektronik worldwide)

而下一代電池技術的商業化,一方面依賴于實驗室技術的成熟;另一方面,也面臨著與現有技術的競爭。固態電池如果僅僅是將提高現有電池的安全性,但在能量密度、容量、充放電、成本各方面存在劣勢,那么是較難與已經規?;牧慨a電池技術相競爭的。換言之,下一代技術需要在多個方面都優于現有技術,才有著商業化成功的可能?,F有技術愈發成熟,新技術面臨的挑戰就越大。而CTP技術的推廣,則將進一步提升現有成熟技術的潛力,把固態電池將面對的競爭門檻提得更高,也意味著固態電池的量產日期可能會被推得更遠。

三, 小結

盡管CTP與刀片電池還面臨著技術與商業的挑戰,但CTP無疑是值得期待的,也將注定成為變革時代中重墨重彩的篇章。無論是更加出色的純電動車產品,或是更具競爭力的主機廠,終將在大潮中脫穎而出。讓我們共同努力。


本文為EV視界特約作者撰稿:

作者簡介:姚昌晟,清華大學汽車工程系本科、博士,從事新能源汽車動力系統研究。


文章標簽: CTP 刀片電池 責任編輯:姚昌晟

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