中金:從“麒麟電池”看動力電池結構演化趨勢

中金:從“麒麟電池”看動力電池結構演化趨勢
2022年06月24日 07:46 市場資訊

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  來源 中金點睛 

  我們認為,上一輪電池技術周期主要由電池材料創新引領,以高鎳三元為代表;而在當前時點,我們認為材料層級的創新迭代趨緩,結構層面創新加速,從電芯層面4680、刀片等新結構,到系統層面CTP、CTC技術,將成為本輪電池技術周期的主線。

  麒麟電池發布,電池包性能再升級。麒麟電池為寧德時代第三代CTP電池包,相比前兩代CTP技術,麒麟電池完全取消模組形態設計,并通過冷卻結構上的優化,使得麒麟電池安全性、電池壽命、快充性能以及比能量密度進一步提升。

  電池結構創新層出不窮,無模組化、集成化成趨勢。隨著電池材料技術迭代趨緩,疊加當前原材料漲價背景,電池結構創新或將成為車企和電池廠進一步提升性能和降低成本的重要抓手。在電芯層面,比亞迪推出刀片電池提升空間利用率,特斯拉則推出4680大圓柱電池推動電池能量密度提升。系統層面,寧德時代先后推出三代CTP技術,比亞迪與特斯拉則推出CTC/CTB電池車身一體化技術,零跑、上汽等整車廠也推出MTC/CTP等技術創新,我們認為無模組化發展或將成為趨勢。

  我們認為動力電池模組向大尺寸、無模組方向發展,是電芯品質提升后對能量密度追求的必然選擇。電動車為提升續航里程,需在有限的底盤空間內應提升體積利用率,盡可能多地放置動力電池以增加實際帶電量。早期因電芯生產成熟度低、一致性穩定性較弱,需使用較多模組以增強電池安全性、降低維修成本。目前隨著單體電芯品質提升,電池企業不斷研發大模組甚至無模組以減少內部零部件、提升成組效率和電池體積能量密度。同時,CTP等無模組化技術也有助于電池降本并推動標準化與換電等新商業模式推廣。

  電池包結構迭代將加劇電池企業間分化,具備CTP/CTC領先技術能力電池廠有望進一步鞏固配套份額并獲得技術溢價帶來的超額收益。技術能力較弱的車企將CTP/CTC電池包設計完全交由有實力的電池廠,電池廠則向下游延伸,同時與車企的綁定粘性進一步增強。而技術能力較強的車企將主導CTP/CTC設計、形成差異化競爭,僅與部分技術實力強的電池廠聯合開發,其余電池廠商將從模組供應商退化為電芯供應商,配套價值量有所下降。

  風險

  新能源車銷量不及預期,新技術應用推廣不及預期,行業競爭加劇。

  麒麟電池發布,電池包性能再升級

  麒麟電池為寧德時代第三代CTP技術(Cell to Pack)。相較于傳統“電芯-模組-電池包”三級結構,CTP技術省去或減少模組組裝環節,將電芯直接集成至電池包或更大的模組,最終達到提高系統層級能量密度、降低成本的目的。寧德時代第一、二代CTP的設計方案本質上用大模組替代小模組、仍保留模組形態布置;而根據寧德時代公布的麒麟電池結構,第三代CTP技術:1)完全取消模組形態布局,2)開創性的取消電池包橫縱梁、底部水冷板以及隔熱墊的單獨設計,集成為多功能彈性夾層,使得麒麟電池具備以下優勢:

  ?極速溫控,安全性提升。麒麟電池在兩塊電芯中間設計液冷板,電芯雙面冷卻,換熱面積較原底部冷卻方案擴大4倍,將電芯溫控時間縮短50%,在電芯溫度異常時極速降溫,有效阻隔熱失控,安全性更優;

  ?支持4C高壓快充技術。電芯雙面冷卻設計帶來散熱效率提升,進而可適應更大電流和高壓快充(4C),做到5min熱啟動、10min充電80%;

  ?提高電池壽命。中間多功能彈性夾層設計可在電芯膨脹時起到一定緩沖作用,相比電芯貼電芯的設計,電池循環壽命延長;

  ?比能量提高。麒麟電池完全取消模組形態布置,進一步減少了結構件的用量,同時一體化設計的冷卻結構,兼具水冷、緩沖、結構支撐多重作用,減少了橫縱梁設計,使得電池包空間利用率提升,從第一代CTP到麒麟電池,電池包空間利用率從55%提升至72%,間接提升系統能量密度,磷酸鐵鋰系統能量密度160wh/kg,三元可達255wh/kg,較4680電池多裝13%的電量,匹配三元技術可支持電動車實現1000km以上續航里程。

  圖表:寧德時代麒麟電池包結構示意

資料來源:公司官網,中金公司研究部資料來源:公司官網,中金公司研究部

  圖表:麒麟電池多功能彈性夾層的設計

資料來源:公司官網,中金公司研究部資料來源:公司官網,中金公司研究部

  圖表:寧德時代CTP技術迭代過程

資料來源:寧德時代官網,蜂巢能源官網,蔚來汽車官網,中金公司研究部資料來源:寧德時代官網,蜂巢能源官網,蔚來汽車官網,中金公司研究部

  電池結構創新層出不窮,無模組化、集成化將成趨勢

  隨著電池材料技術迭代趨緩,疊加當前原材料漲價背景,電池結構創新或將成為車企和電池廠進一步提升性能和降低成本的重要抓手,我們認為電池結構創新將由電芯和系統層級協同推進。

  電芯結構創新:刀片電池與4680大圓柱電池引領

  ?刀片電池:2020年3月比亞迪推出刀片電池,針對方形電芯采用扁平化和減薄設計,成組時電芯直接充當電池包結構件,提高電池空間利用率。此外,刀片電池使用鐵鋰正極,并采用疊片工藝,降低電池內阻同時進一步提高能量密度,且電池整體安全性較好,針刺實驗無明火、無煙。

  ?4680大圓柱電池:2020年9月特斯拉推出4680大圓柱電池.相比2170電池,4680電池直徑進一步增加到46mm,大尺寸電芯降低了pack系統管理難度,減少了電池包金屬結構件及導電連接件成本,每kWh成本下降約14%[1]。同時4680采用了激光雕刻的無極耳技術,無極耳結構使得電子運動距離大大縮短,內阻減少,讓更安全、更高容量電芯成為可能,能量密度可達300Wh/kg,同時可帶來更高的輸出功率與更好的快充性能,在15分鐘內可將電池電量從0充至80%,功率密度峰值可達1000W/kg以上。

  圖表:電芯層面結構創新包括4680大圓柱電池與刀片電池

資料來源:特斯拉官網,比亞迪官網,中金公司研究部資料來源:特斯拉官網,比亞迪官網,中金公司研究部

  系統結構創新:去模組化、集成化

  系統結構的創新變種較多,整體體現出去模組化、集成化的特征:

  ?CTP(Cell to Pack): 典型代表如寧德時代麒麟電池、上汽魔方電池以及比亞迪在產的刀片電池,取消模組環節,直接將電芯集成在電池包上,但保留電池托盤、上蓋板的設計。

  ?CTB(Cell to Body):比亞迪2022年5月推出CTB方案,率先搭載于海豹車型上,該方案將刀片電池的上蓋與車身底板集成于一體、取消了單獨的上蓋板設計,但仍保留電池托盤。CTB方案將電池包空間利用率進一步提升至66%、能量密度提升10%(我們預計或接近160kg/Wh)。

  ?MTC(Module to Chassis):零跑2022年4月推出MTC方案,該方案保留了模組和電池托盤設計,將車身底盤作為電池包上殼體、取消了單獨的上殼體,讓零部件數量減少20%、電池布置空間增加14.5%。

  ?CTC(Cell to Chassis):特斯拉于2020年推出基于4680圓柱電池的CTC方案,直接將圓柱電芯排列在車身上形成電池艙、前后連接車身大型鑄件,電池上蓋代替車身地板,可減重10%,增加14%的續航以及降低7%的成本。

  對比各家CTP和CTC方案,寧德時代麒麟電池和特斯拉4680 CTC方案綜合性能占優:

  ?能量密度:寧德時代麒麟電池鐵鋰/三元系統能量密度可達160Wh/kg/255Wh/kg以上,處于領先水平;而特斯拉4680 CTC方案,考慮到圓柱排列天然存在間隙、成組效率低于方形,我們預計系統能量密度較麒麟電池略低。

  ?冷卻效果及散熱性能:寧德時代麒麟電池和特斯拉4680 CTC 方案在電芯間設計液冷板,實現雙面冷卻、散熱效率更佳;而比亞迪CTB、零跑MTC、上汽魔方電池均為單面冷卻,散熱效率一般。

  ?電池壽命:寧德時代麒麟電池和特斯拉 4680 CTC方案由于電芯間設計水冷板,在電芯膨脹時可提供一定緩沖作用,將有助于提升電池壽命。

  圖表:各家車企與電池廠CTP/CTC方案對比

資料來源:寧德時代官網,特斯拉官網,比亞迪官網,領跑官網,上汽集團官網,中金公司研究部資料來源:寧德時代官網,特斯拉官網,比亞迪官網,領跑官網,上汽集團官網,中金公司研究部

  如何理解模組結構創新的核心驅動力

  電動車為提升續航里程,需在有限的底盤空間內應提升體積利用率,盡可能多地放置動力電池以增加實際帶電量。復盤動力電池模組演變過程,模組由差異化向標準化發展以降低開發成本,并逐步向大型化、無模組化發展以提升體積利用率并進一步推動降本。

  ?早期模組尺寸結構差異化顯著:早期電動汽車各車型的電池包尺寸大小并無統一標準存在較大差異,模組尺寸及在電池包內布置方式也多種多樣,導致電池模組及電池包擴展性較差,開發成本高。

  ?模組逐步標準化,并向大尺寸發展:德國汽車工業協會推出標準電芯尺寸,此后大眾內部推行VDA355模組,對電池模組進行標準化,并通過寧德時代等廠商的推廣逐步成為市場主流標準;后續大眾推出VDA390模組,橫向放置三個模組,進一步提升了體積利用率(橫向長度由355mm*3提升至390mm*3);大眾推出MEB電動平臺和590尺寸模組,減少模組數量并進一步提升橫向體積利用率(橫向長度由390mm*3提升至590mm*2)。

  ?進一步向大模組/無模組CTP及CTC方向演變:2019年后,寧德時代、比亞迪等廠商推出CTP(Cell to Pack)技術,直接將電芯集成進電池包,進一步提升體積利用率,向大模組/無模組化過渡發展。既CTP后,電池企業及車企嘗試進一步精簡結構推出CTC(Cell to Chassis),即取消模組與電池包設計,將電池上殼體與車身底盤直接融合,減少零部件數量并提升空間利用率。

  我們認為動力電池模組向大尺寸、無模組方向發展,是電芯品質提升后對能量密度追求的必然選擇。早期因電芯生產成熟度低、一致性穩定性較弱,需使用較多模組以增強電池安全性、降低維修成本。目前隨著單體電芯品質提升,電池企業不斷研發大模組甚至無模組以減少內部零部件、提升成組效率和電池體積能量密度。

  圖表:早期各電動車模組布置結構

資料來源:各公司官網,知化汽車,中金公司研究部資料來源:各公司官網,知化汽車,中金公司研究部

  圖表:動力電池向大模組、無模組方向演化

資料來源:電動汽車百人會(2022年3月25日-3月27日),中金公司研究部

  成本方面,CTP技術減少了模組側板等結構件并簡化內部線纜,減輕車身重量的同時降低電池包成本。如據特斯拉估算,采用CTC+一體化壓鑄技術后,可節省370個零部件,為車身減重10%,將每千瓦時的電池成本降低7%。

  圖表:鋰電池成本拆分

資料來源:GGII,鑫欏咨訊,中金公司研究部資料來源:GGII,鑫欏咨訊,中金公司研究部

  CTP技術有助于進一步推動鋰電池標準化,并推動換電等新商業模式。CTP技術通過無模組化設計進一步提升鋰電池標準化程度,電池廠內使用電芯通用性提升,對于換電車企而言也具備更好的適配性。如寧德時代推出“巧克力換電塊”,即采用了CTP技術,能量密度超160wh/kg,單塊電池可提供約200km續航。

  圖表:寧德時代“巧克力換電塊”

資料來源:寧德時代官網,中金公司研究部資料來源:寧德時代官網,中金公司研究部

  從目前各車企及電池企業規劃來看,大多集中布局CTP/CTC技術。2020年3月,比亞迪發布刀片電池,率先推出CTP技術;2020年9月,特斯拉在電池日上發布4680電芯尺寸及CTC技術;2022年4月,零跑發布CTC電池底盤一體化技術;2022年5月,比亞迪推出CTB車身電池一體化技術;寧德時代也在2019-2022年間先后推出三代CTP電池包。國內外電池企業及整車廠集中布局CTC及CTP技術。

  電池去模組化對產業鏈影響幾何?

  在新能源車的開發過程中,車企跟電池廠商在電池包層面存在較明顯的“技術切割”,技術能力較弱的車企會下放電池包整包的開發和制造給電池廠、直接向電池廠采購電池包;而技術能力較強的車企則會主導電池包的開發和裝配,向電池廠采購模組或者電芯。我們認為車企參與到電池包的開發和制造主要出于三個目的:1)由于電池包設計涉及到車身、底盤等核心技術參數,車企希望相關的核心技術盡可能保留在體系內部;2)方便車企匹配整車設計和自上而下定義電池需求,增強產業鏈話語權;3)解決車企新能源轉型帶來的傳統業務部門人員安置問題,如發動機、變速箱等部分的生產線員工可轉移到電池包裝配。隨著電池結構從“傳統三層結構”→CTP→CTC演化,車企和電池廠商的配套關系將進一步分化,有能力的車企、電池廠商將分別向上、向下整合:

  ?技術能力較弱的車企將CTP/CTC電池包設計完全交由有實力的電池廠,向電池廠直接采購CTP模組或者CTC集成化底盤;電池廠向下游延伸,同時與車企的綁定粘性進一步增強。

  ?技術能力較強的車企將主導CTP/CTC設計、形成差異化競爭,向上游模組制造進一步整合,相應的部分電池廠商將從模組供應商退化為電芯供應商,配套價值量會有所下降;但考慮到CTP/CTC方案設計需要與電芯設計協同,我們認為車企將會與有實力的電池廠共同開發,相應的開發供應商也有望在后期的量產中保留主供的地位。

  重點關注具備整包設計能力的電池廠商、液冷板和隔熱材料優質供應商

  電池:無模組設計提高行業競爭門檻,頭部和優質二線廠商具備優勢

  我們認為,上一輪電池技術周期主要由電池材料創新引領,以高鎳三元為代表;而在當前時點,我們認為材料層級的創新迭代趨緩,結構層面創新加速,從電芯層面4680、刀片等新結構,到系統層面CTP、CTC技術,將成為本輪電池技術周期的主線。全新的電芯/系統結構將提高電池專利、制造工藝、以及開發設計的門檻:

  ? 電芯層面,比如4680的全極耳設計、刀片的結構設計不同廠商均設有專利保護,新進入者需繞開現有的專利;此外,4680全極耳設計帶來激光焊等新工藝,制造難度大幅提升、成為當前量產良率的瓶頸環節。

  ?系統層面,一方面CTP/CTC方案需要綜合電化學材料技術、熱管理、電氣與電路保護、電池管理系統、電池包結構的設計與開發,對電池廠商的綜合技術能力要求較高;另一方面,CTP/CTC設計提高了維護難度和成本,相應的對電池單體的質量和一致性的要求更高。

  綜上,我們認為,本輪電池結構主導的技術周期將進一步穩固頭部電池廠商的龍頭地位、拉大頭部與二、三線廠商盈利差距;同時,綜合實力較強的優質二線廠商亦有望把握結構機遇突圍、實現份額提升

  熱管理:無模組化帶來液冷板和隔熱材料需求及設計變化

  電池包無模組化設計對阻隔熱失控要求提升,也帶來液冷結構和隔熱材料的變化:

  液冷結構:液冷板定制化設計及“電芯級”立式冷板需求提升

  液冷板是電池液冷系統的核心部件。液冷板內部設有液流通道,通過冷卻液在液流通道中的循環流動,將熱量從液冷板表面帶走從而對環境進行冷卻。其核心技術指標在于:1)散熱功率大,能快速導出電池包的多余熱量;2)密封性和結構強度高,避免冷卻液泄漏,多采用釬焊工藝;3)冷卻回路設計精準,保障電芯單體溫度均勻性;4)重量輕,通常為鋁制材料。從布局方式上,可劃分為模組級液冷板和電芯級液冷板:

  ?模組級平板式液冷板:液冷板作為整體作用在一個或多個電池模組上,目前主流布局設置在電池包底部、作用于電池模組底面,典型代表如大眾MEB、奧迪、通用、奔馳等車型;這種方案冷卻結構設計簡單,成本低,但散熱效果及單體溫度均勻性一般。

  ?電芯級立式液冷板:將液冷板設置在電芯之間,如特斯拉全系采用蛇形管的液冷板設計,作用于圓柱電芯側面;這種方案散熱效果較好,且有利于保障單體溫度均勻性,但冷卻結構設計較復雜、成本較高。

  圖表:大眾MEB和特斯拉的液冷方案

資料來源:公司官網,中金公司研究部資料來源:公司官網,中金公司研究部

  電池包無模組化設計使得對電芯層級的散熱需求提升,增加了立式液冷板設計,同時由于立式冷板部分充當橫縱梁、結構強度提升:

  ?寧德時代“麒麟電池”:在電芯間設計立式水冷板,電芯雙面冷卻、提升電池換熱效率,冷板與橫縱梁、隔熱棉做一體化設計,具備支撐、水冷、隔熱、緩沖四大功能:1)通過結構加強設計插入電池排間,同時連接上蓋和下箱體,起到傳統橫縱梁支撐保護作用;2)立式冷卻板將電芯隔開,同時縱向電芯間有膨脹補償片+絕熱氣凝膠,有效隔熱實現“零熱失控”;3)液冷板通過雙層冷卻通道設計,可吸收電池充放電及老化時產生的膨脹,減少電池單體擠壓,提升電池循環壽命。

  ? 上汽“魔方電池”:上汽“魔方電池”通過兩根縱梁和三根立式液冷板的設計來實現電池前后端的碰撞防護和電芯冷卻。

  圖表:麒麟電池液冷板設計

  資料來源:國家知識產權局,中金公司研究部;注:專利公開號為CN216648494U,圖中標紅位置為加強體結構,水冷功能集成于加強體之中

  圖表:上汽魔方電池液冷結構設計

資料來源:上汽官網,中金公司研究部資料來源:上汽官網,中金公司研究部

  電池無模組化設計提升對電池液冷板用量及性能要求,同時由于各家車企/電池企業的CTP/CTC差異化設計,對電池液冷板的布局和結構設計有所不同,帶來定制化的開發需求,我們認為具備技術開發能力和先進制造工藝技術的液冷板供應商有望受益:

  膠粘劑及隔熱材料:無模組化帶來用量的增長和對性能指標要求的提高

  電池包無模組化設計使得膠粘劑在固定/防護/熱管理等方面的作用更為突出,需求量與性能要求有望提高。CTP結構在省卻模組部件的同時,需要使用大量膠粘劑來連接固定電芯,同時膠粘劑也在防護、熱量管理等方面起到至關重要的作用。膠粘劑根據功能側重不同主要分為兩類:1)結構膠,以連接固定電芯與PACK殼體為主要目的,對于強度、柔韌性、耐老化、阻燃絕緣有較高要求,同時兼顧一定的導熱作用;2)導熱膠,以將電芯工作時產生的熱量導出到外部為主要目的,實現熱管理的部分功能,兼顧結構粘接要求。我們認為CTP結構下單個電池包對于膠粘劑的需求量有所增長,同時對于膠粘劑、膠黏材料的性能指標也提出了更高的要求。

  看好球形氧化鋁實現導熱材料的高性能優化。球形氧化鋁具有高熱傳導性、可壓縮性、絕緣性等特點,可減少傳熱熱阻、提高散熱性能,我們認為是導熱填料的重點優化方向之一。

  圖表:動力電池用膠粘劑

資料來源:胡東昇等《動力電池CTP結構需要什么樣的結構膠粘劑?》2021年,中金公司研究部資料來源:胡東昇等《動力電池CTP結構需要什么樣的結構膠粘劑?》2021年,中金公司研究部

  圖表:回天新材膠粘劑產品在動力電池領域的應用

資料來源:公司公告,中金公司研究部資料來源:公司公告,中金公司研究部

  隔熱材料解決電池熱擴散、磨損問題,在電池包無模組化設計下作用更為突出。隔熱材料在電芯中起到兩方面的重要作用:1)有效減少電芯磨損,起到緩沖保護作用;2)在電芯熱失控時,能夠及時阻隔熱量,抑制熱擴散,延緩事故發生,增加逃生時間。除電芯外,隔熱材料也可用于頂板/側板,起到防火和抗沖擊的作用。CTP結構下電池包直接由電池單體組成,熱擴散、磨損問題更為突出,隔熱材料的運用尤為關鍵,以“麒麟電池”為例,其縱向電芯間有膨脹補償片+絕熱氣凝膠,有效隔熱實現“零熱失控”。

  圖表:相鄰電芯增加阻燃材料能防止電芯連續熱失控

資料來源:焦紅星《電池熱失控防護方案仿真分析》2021,中金公司研究部資料來源:焦紅星《電池熱失控防護方案仿真分析》2021,中金公司研究部

  電池隔熱材料技術路線豐富,陶瓷化硅橡膠為可行的高效替代方案。目前常用的動力電池保溫隔熱材料有隔熱泡棉(PU、XPE、IXPE泡棉)、二氧化硅氣凝膠、云母板等。其中,隔熱泡棉是一種高分子彈性體,可吸收電池充放電時的鼓脹應力,但其基于PE材料本身的特性,使得部分材質存在高溫軟化和燃燒釋放有毒氣體的不足,且高端泡棉多依賴進口;二氧化硅氣凝膠的結構優點和低導熱系數使其具備較強的保溫隔熱能力和高溫耐受能力,在材料厚度和覆蓋的工作溫度上較普通隔熱泡棉優勢突出。除目前常用的電池隔熱材料外,陶瓷化硅橡膠作為新型的防火阻燃材料,其諸多特性契合電池阻燃絕緣需求,對比前兩大材料,其突出優勢在于力學性能和陶瓷化下的阻燃功能。此外,陶瓷化硅橡膠制備工藝與普通硅橡膠基本一致,工藝簡單,我們認為未來陶瓷化硅橡膠有望作為新一代保溫隔熱材料廣泛應用于動力電池領域。

  圖表:幾種電池隔熱材料的對比

資料來源:遠翔新材招股說明書,納偌科技官網,浙江榮泰官網,南京玻纖院,中金公司研究部資料來源:遠翔新材招股說明書,納偌科技官網,浙江榮泰官網,南京玻纖院,中金公司研究部

  風險提示

  全球新能源車銷量不及預期:新能源車為當前動力電池主要下游應用場景,若新能源車銷量不及預期,將影響電池企業營業收入和產能利用率,進而影響電池廠商利潤。

  新技術推廣應用不及預期:新技術有望促進格局優化和獲取到技術溢價帶來的超額利潤,若技術推廣不及預期,或將拉近頭部與二、三線電池企業份額及盈利上的差距。

  行業競爭加劇:若行業競爭加劇、引發價格戰,將導致行業整體利潤下滑。

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責任編輯:王涵

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