中金公司:从“麒麟电池”看动力电池结构演化趋势商业

来源:东方财富   作者:叶子琪    发布时间:2022-06-26 13:13
CICC认为,上一次电池技术周期主要是电池材料的创新引领,以高镍三元为代表,当前时间点,物质层面的创新迭代在放缓,结构层面的创新在加速从电池级的4680,刀片等新结构,到系统级的CTP,CTC技术,将成为本次电池技术周期...
 

CICC认为,上一次电池技术周期主要是电池材料的创新引领,以高镍三元为代表,当前时间点,物质层面的创新迭代在放缓,结构层面的创新在加速从电池级的4680,刀片等新结构,到系统级的CTP,CTC技术,将成为本次电池技术周期的主线

以下为原文内容:

麒麟电池发布,电池组性能升级麒麟电池是当代安培科技有限公司的第三代CTP电池组与前两代CTP技术相比,麒麟电池完全取消了模组设计,通过散热结构的优化,麒麟电池安全性,续航能力,快充性能和比能量密度进一步提升

电池的结构创新层出不穷,没有模块化,集成化的趋势伴随着电池材料技术迭代放缓,叠加当前原材料涨价的背景,电池结构创新将成为车企和电池厂进一步提升性能,降低成本的重要抓手在电芯层面,比亚迪推出了刀片电池以提高空间利用率,而特斯拉推出了4680大圆柱电池以促进电池能量密度在系统层面,当代Amperex科技有限公司先后引入了三代CTP技术,比亚迪,特斯拉引入了CTC/CTB电池体一体化技术,零跑,SAIC等汽车厂商也引入了MTC/CTP等技术创新我们认为非模块化的发展将成为一种趋势

我们认为动力电池模块向大尺寸,无模块发展是电池质量提升后追求能量密度的必然选择为了提高电动汽车的续航里程,需要在有限的底盘空间内提高体积利用率,尽可能多地投放动力电池,增加实际电量由于早期电池单元成熟度低,一致性和稳定性差,因此需要更多模块来增强电池安全性和降低维护成本目前,伴随着单体电池质量的提高,电池公司不断开发大模块甚至无模块,以减少内部元件,提高电池的分组效率和体积能量密度同时,CTP等非模块化技术也有助于降低电池成本,促进标准化,换电等新商业模式的推广

电池封装结构的迭代将加剧电池企业间的分化,具备CTP/CTC领先技术能力的电池厂有望进一步巩固配套份额,获得技术溢价带来的超额收益技术能力较弱的车企会将CTP/CTC电池组的设计完全交给有实力的电池厂,电池厂向下游延伸,同时与车企的绑定粘度会进一步增强而技术能力强的车企会主导CTP/CTC设计,形成差异化竞争,只和一些技术实力强的电池厂联合开发其余电池厂商将从模块供应商退化为电芯供应商,支撑价值降低

危险

新能源汽车销量不及预期,新技术应用推广不及预期,行业竞争加剧。

主体

麒麟电池发布,电池组性能升级。

麒麟电池是当代安培科技有限公司的第三代CTP技术与传统的电芯—模块—电池组三级结构相比,CTP技术省略或减少了模块组装环节,将电芯直接集成到电池组或更大的模块中,最终达到提高系统级能量密度,降低成本的目的

极端的温度控制和更高的安全性麒麟电池在两块电池中间设计了液冷板电池双面冷却,换热面积比原底部冷却方案扩大4倍,电池控温时间缩短50%电池温度异常时,温度下降极快,有效阻挡热量的逸散,安全性更好

支持4C高压快充技术。电芯双面散热设计,可以提高散热效率,从而能够适应更高的电流和高压快充,实现5min热启动,10min 80%充电,

提高电池寿命。中间的弹性夹层设计可以在电芯膨胀时起到一定的缓冲作用,与电芯粘贴设计相比,延长了电池的循环寿命,

比能增加麒麟电池完全取消了模块布局,进一步减少了结构部件的数量同时,一体化的冷却结构具有水冷,缓冲和结构支撑的多重功能,减少了横梁和纵梁的设计,从而增加了电池组的空间利用率从第一代CTP到麒麟电池,电池组的空间利用率从55%提高到72%,间接提高了系统的能量密度磷酸亚铁锂体系能量密度为160wh/kg,三元可达255wh/kg

图表:当代安培科技有限公司麒麟电池组结构示意图

图表:当代安培科技有限公司CTP技术的迭代过程

电池的结构创新层出不穷,非模块化和集成化将成为趋势。

伴随着电池材料技术迭代放缓,叠加当前原材料涨价的背景,电池结构创新将成为车企和电池厂进一步提升性能,降低成本的重要抓手我们认为,电池结构创新将在电池和系统层面得到推动

电芯结构创新:刀片电池和4680大圆柱形电池引线。

刀片电池:2020年3月,比亚迪推出刀片电池,方形电芯采用扁薄设计成组后,电芯直接作为电池组的结构件,从而提高了电池空间的利用率此外,刀片电池采用锂铁阳极和叠片技术,降低了电池内阻,进一步提高了能量密度,电池整体安全性良好针灸实验中没有明火,没有烟雾

480大圆柱形电池:特斯拉在2020年9月推出了4680大圆柱形电池与2170电池相比,4680电池的直径进一步增加至46 mm,大尺寸电芯降低了电池组系统的管理难度,降低了电池组金属结构和导电连接器的成本,每千瓦时成本降低约14%同时,4680采用激光雕刻无极耳技术无极耳结构大大缩短了电子运动距离,降低了内阻,使拥有更安全,更高容量的电池成为可能能量密度可以达到300Wh/kg,同时可以带来更高的输出功率和更好的快充性能电池可在15分钟内从0充至80%,峰值功率密度可达1000W/kg以上

图表:电池层面的结构创新包括4680大圆柱电池和刀片电池。

系统结构创新:去模块化与集成

系统结构有许多创新变体,整个系统的特点是模块化和集成化:

CTP:典型代表,如当代Amperex科技有限公司,麒麟电池,SAIC魔方电池,比亚迪的刀锋电池,取消了模块环节,将电芯直接集成到电池组中,但保留了电池托盘和上盖的设计。

CTB:比亚迪于2022年5月推出了CTB计划,该计划首次搭载在海豹车型上在这个方案中,刀片式电池的上盖与车底是一体的,取消了单独的上盖设计,但仍然保留了电池托盘CTB方案进一步将电池组的空间利用率提高到66%,能量密度提高到10%(我们预计是或接近160kg/Wh)

MTC: Zero Run在2022年4月推出了MTC方案,保留了模块和电池托盘的设计,使用车身底盘作为电池组的上壳,取消了单独的上壳,零件数量减少了20%,电池布局空间增加了14.5%。

CTC:特斯拉在2020年推出了基于4680圆柱形电池的CTC方案,将圆柱形电池直接排列在车身上形成电池仓,用大型铸件连接车身前后电池盖取代了汽车地板,可以减轻10%的重量,增加14%的电池寿命,降低7%的成本

对比CTP和CTC方案,当代Amperex科技有限公司,麒麟电池,特斯拉4680 CTC方案综合性能最佳:

能量密度:当代Amperex科技有限公司麒麟电池的锂离子/三元体系能量密度可达160Wh/kg/255Wh/kg以上,处于领先水平,对于特斯拉4680 CTC方案,考虑到圆柱形排列有天然缝隙,分组效率低于正方形,我们预计系统的能量密度会略低于麒麟电池。

散热效果和散热性能:当代Amperex科技有限公司,麒麟电池和特斯拉4680 CTC方案设计电池间液冷板,实现双面散热,散热效率更好,比亚迪CTB,零跑MTC,SAIC魔方电池都是单面散热,散热效率一般。

续航:当代Amperex科技有限公司,限量麒麟电池和特斯拉4680 CTC方案,因为电池之间水冷板的设计,可以在电池膨胀时提供一定的缓冲作用,有助于延长电池寿命。

图表:各车企与电池厂CTP/CTC方案对比

如何理解模块结构创新的核心驱动力。

为了提高电动汽车的续航里程,需要在有限的底盘空间内提高体积利用率,尽可能多地投放动力电池,增加实际电量在混合动力电池模块的演变过程中,模块从差异化发展到标准化以降低开发成本,逐渐发展到大规模,无模块以提高体积利用率,进一步促进成本降低

早期模块的尺寸和结构差异显著:早期电动车的电池组尺寸没有统一的标准,电池组中模块的尺寸和布局差异很大,导致电池模块和电池组的扩展性差,开发成本高。

模块逐渐标准化并向大尺寸发展:德国汽车工业协会引入了标准电池单元尺寸此后,VDA355模块被大众公司推广以规范电池模块,并通过当代安培科技有限公司等厂商的推广,逐渐成为市场主流标准随后,大众推出VDA390模块,水平放置三个模块,进一步提高了体积利用率,引入大众MEB电动平台和590尺寸模块,减少模块数量,进一步提高侧向体积利用率(侧向长度从390mm*3增加到590mm*2)

进一步向大模组/非模组CTP和CTC演进:2019年后,当代Amperex科技有限公司,比亚迪等厂商引入CTP技术,将电芯直接集成到电池组中,进一步提高体积利用率,向大模组/非模组过渡CTP之后,电池企业和车企试图进一步精简结构,推出CTC(Cell to Chassis),即取消模块和电池组的设计,将电池上壳直接与车身底盘整合在一起,减少零部件数量,提高空间利用率

我们认为动力电池模块向大尺寸,无模块发展是电池质量提升后追求能量密度的必然选择由于早期电池单元成熟度低,一致性和稳定性差,因此需要更多模块来增强电池安全性和降低维护成本目前,伴随着单体电池质量的提高,电池公司不断开发大模块甚至无模块,以减少内部元件,提高电池的分组效率和体积能量密度

图表:早期电动车模块布局结构

图表:动力电池正在向大模块和无模块方向发展。

成本方面,CTP技术减少了模块侧板等结构部件,简化了内部电缆,减轻了车身重量,降低了电池组成本据特斯拉估算,采用CTC+一体化压铸技术后,可节省370个零件,车身重量可降低10%,每千瓦时电池成本可降低7%

图表:锂电池的成本分解

CTP技术有助于进一步推动锂电池的标准化,促进换电等新的商业模式CTP技术通过非模块化设计,进一步提高了锂电池的标准化程度,电池厂使用电池的通用性提高,对电动汽车换电公司也有更好的适应性如当代Amperex科技有限公司推出巧克力换动力块,即采用CTP技术,能量密度超过160wh/kg,单块电池可提供200km左右的续航

图表:当代安普科技有限公司电动葫芦巧克力

目前从各个汽车企业和电池企业的规划来看,大多以CTP/CTC技术为主2020年3月,比亚迪发布刀片电池,率先引入CTP技术,2020年9月,特斯拉在电池日发布4680电芯尺寸和CTC技术,2022年4月,零跑发布CTC电池底盘一体化技术,2022年5月,比亚迪推出CTB车身电池集成技术,当代安培科技有限公司也于2019年至2022年推出三代CTP电池组国内外电池公司和整车厂集中研究了CTC和CTP技术

电池模块化对产业链有什么影响。

在研发新能源汽车的过程中,车企和电池厂商在电池组层面有明显的技术切割技术能力弱的车企会把整个电池组的开发制造委托给电池厂,直接从电池厂购买电池组,技术能力强的车企会主导电池组的研发和组装,向电池厂采购模块或电池我们认为,车企参与电池组的研发和制造主要出于三个目的:1)由于电池组的设计涉及到车身,底盘等核心技术参数,车企希望相关核心技术尽可能保留在系统中,2)便于车企自上而下匹配车辆设计,定义电池需求,提升产业链话语权,3)解决汽车企业新能源转型带来的传统业务部门人员安置问题比如发动机,变速箱等零部件的生产线员工,可以转到电池封装

技术能力弱的车企把CTP/CTC电池组的设计交给有实力的电池厂,直接从电池厂购买CTP模块或CTC一体化底盘,电池厂向下游延伸,与车企的绑定粘度进一步增强。

技术能力强的车企将主导CTP/CTC设计,形成差异化竞争,与上游模块制造进一步融合相应的电池厂商会从模组供应商退化为电芯供应商,支撑价值降低,但考虑到CTP/CTC方案设计需要与电芯设计协调,我们认为车企会与有实力的电池厂联合开发,相应的开发供应商也有望在后期量产中保留主供应商的地位

专注于电池制造商,具有整体封装设计能力的液冷板和绝缘材料的优质供应商。

电池:无模组设计提高行业竞争门槛,头部和优质二线厂商有优势。

我们认为上一次电池技术周期主要是电池材料的创新引领,以高镍三元为代表,目前的时间点,我们认为物质层面的创新迭代在放缓,结构层面的创新在加速从电池层面的4680,blade等新结构,到系统层面的CTP,CTC技术,将成为本次电池技术周期的主线

电芯层面,比如4680的全耳片设计,刀片的结构设计,都有不同厂商的专利保护,新进入者需要绕过现有的专利,另外,4680全极耳的设计带来了激光焊接等新工艺,大大增加了制造难度,成为目前量产良率的瓶颈。

在系统层面,一方面,CTP/CTC方案要求设计开发综合的电化学材料技术,热管理,电气和电路保护,电池管理系统和电池组结构,对电池厂商的综合技术能力要求较高,另一方面,CTP/CTC的设计增加了维护难度和成本,相应地对电芯的质量和一致性要求也更高。

综上所述,我们认为这种由电池结构主导的技术周期将进一步稳固头部电池厂商的领先地位,拉大头部电池厂商与二三线厂商的利润差距,同时,综合实力较强的优质二线厂商也有望抓住结构性机会突围,实现份额提升。

热量管理:没有模块化带来的需求和液冷板和绝缘材料的设计变化。

电池的无模块设计提高了热障失控的要求,也带来了液冷结构和隔热材料的变化:

液冷结构:液冷板定制化设计,增加电池级立式冷板需求。

液冷板是电池液冷系统的核心部件液冷板内设有液体流道,通过冷却液在液体流道中的循环流动,带走液冷板表面的热量,对环境进行冷却其核心技术指标如下:1)散热功率大,能快速导出电池组多余热量,2)密封和结构强度高,避免冷却剂泄漏,采用钎焊工艺,3)冷却回路设计精准,保证电芯单体温度均匀,4)重量轻,通常由铝制成

模块级平板液冷板:液冷板作为一个整体作用于一个或多个电池模块目前主流的布局是设置在电池组底部,作用于电池模块底部,如大众MEB,奥迪,通用,奔驰等典型车型,这种方案的散热结构设计简单,成本低,但散热效果和单体温度均匀性一般

电芯水平垂直液冷板:液冷板布置在电池之间比如特斯拉采用蛇形管液冷板设计,作用在圆柱形电芯侧面,这种方案散热效果好,有利于保证单体的温度均匀性,但冷却结构设计复杂,成本高

图表:大众MEB和特斯拉的液冷方案

电池组的无模块设计增加了电芯级的散热需求,增加了立式液冷板设计。同时竖向冷板部分起到了横纵梁的作用,提高了结构强度:

当代Amperex科技有限公司麒麟电池:电芯之间设计了垂直水冷板,对两侧电芯进行冷却,提高了电池的热交换效率冷板与横纵梁,保温棉一体设计,具有支撑,水冷,隔热,缓冲四大功能:1)通过结构加强设计插入电池排,上盖与下盒同时连接,起到支撑和保护传统横纵梁的作用,2)纵向冷却板分隔电芯,同时纵向电芯之间有膨胀补偿片+隔热气凝胶,有效隔热,实现零热失控,3)液冷板采用双冷却通道设计,可以吸收电池在充放电和老化过程中的膨胀,减少电池单体的挤压,提高电池的循环寿命

SAIC魔方电池:SAIC魔方电池采用两根纵梁和三块垂直液冷板设计,实现电池前后端的碰撞保护和电芯的冷却。

图表:麒麟电池液冷板设计

图表:SAIC魔方电池液冷结构设计

电池的非模块化设计提高了对电池液冷面板的使用和性能的要求同时,由于各个车企/电池企业的CTP/CTC差异化设计,电池液冷面板的布局和结构设计都不一样,带来了定制化的开发需求

粘接保温材料:非模块化导致用量增加,性能指标要求提高。

电池的非模块化设计使得粘合剂在固定/保护/热管理方面的作用更加突出,需求和性能要求有望提高CTP结构需要大量的粘合剂来连接和固定电池单元,同时省略了模块组件同时,粘合剂在保护和热管理方面也起着至关重要的作用胶粘剂按其功能侧重点主要分为两类:1)结构胶,主要用于固定电芯与电池组外壳的连接,对强度,柔韧性,耐老化,阻燃绝缘等要求较高,同时兼顾一定的导热性,2)散热膏,主要目的是将电芯工作时产生的热量导出到外部,实现热管理的部分功能,并兼顾结构粘接要求我们认为CTP结构中单体电池组对胶粘剂的需求增加了,同时对胶粘剂和粘接材料的性能指标提出了更高的要求

看好球形氧化铝实现导热材料的高性能优化球形氧化铝具有高导热性,可压缩性和绝缘性的特点,可以降低传热阻力,提高散热性我们认为它是导热填料的重点优化方向之一

图表:动力电池用粘合剂

图表:田慧新材料胶粘剂产品在动力电池领域的应用

隔热材料可以解决电池的散热和磨损问题,在电池组的非模块化设计中作用更加突出隔热材料在电池中有两个重要作用:1)有效减少电池磨损,起到缓冲和保护作用,2)电池失控时,能及时阻隔热量,抑制热量扩散,延缓事故发生,增加逃生时间除了电池,隔热材料也可以用于顶部/侧面板,起到防火和抗冲击的作用在CTP结构下,电池组直接由电芯组成,因此热扩散和磨损问题更加突出,隔热材料的应用尤为关键以麒麟电池为例,其纵向电芯之间有膨胀补偿片和隔热气凝胶,有效隔热实现零热失控

图表:在相邻电池中添加阻燃材料可以防止电池持续热失控。

电池绝缘材料的技术路线有很多,陶瓷硅橡胶是一种可行且高效的替代品目前常用的动力电池隔热材料有隔热泡沫,二氧化硅气凝胶,云母板等其中,隔热泡沫是一种高分子弹性体,可以吸收电池在充放电过程中的鼓包应力但基于PE材料本身的特性,部分材料存在高温软化,燃烧释放有毒气体的缺点,高端泡沫多依赖进口,二氧化硅气凝胶的结构优势和低热导率使其具有很强的隔热能力和耐高温能力,在材料厚度和覆盖工作温度上均优于普通隔热泡沫除了常用的电池绝缘材料外,陶瓷硅橡胶是一种新型的防火阻燃材料,其许多特性满足了电池阻燃和绝缘的要求与前两种材料相比,其突出的优点在于其在陶瓷条件下的力学性能和阻燃功能另外,陶瓷硅橡胶的制备工艺与普通硅橡胶基本相同,工艺简单我们相信,陶瓷硅橡胶作为新一代隔热材料,有望在未来的动力电池领域得到广泛应用

图表:几种电池绝缘材料的对比

风险警告

新能源汽车全球销量不及预期:新能源汽车是当前动力电池的主要下游应用场景如果新能源汽车销量不及预期,会影响电池企业的营业收入和产能利用率,进而影响电池厂商的利润

新技术的推广应用不如预期:新技术有望促进格局优化,获得技术溢价带来的超额利润如果新技术的普及不如预期,头部与二三线电池公司的份额和利润差距会缩小

行业竞争加剧:如果行业竞争加剧,引发价格战,行业整体利润会下降。

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