淺析寧德時代CTP技術：電池系統正在加速迭代
時間:2020-01-06 08:36來源:2030出行研究室 作者:朱玉龍
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電動汽車的核心競爭力，還是在于成本的不斷下降。隨著電芯成本的一路下探，電池系統除了電芯之外的成本也有很強的下降訴求，自從寧德時代在德國法蘭克福國際車展上推出了全新的CTP電池開發平臺（Cell To Pack），目前有不少的國內車企（北汽、蔚來、威馬和哪吒）都隨之采用新的技術，通過這項技術開發新的電池系統。本文就現有的公開資料來探討一下這項技術路線的發展可能性。
第一部分 商用車電池系統的迭代
在中國的新能源汽車政策推廣中，乘用車和客車是分開管理的，前者可以使用三元電芯，后者在2017年開始的補貼政策里面是限制三元而推薦使用磷酸鐵鋰電芯，但是能量密度的需求一路從85Wh/kg提高到135Wh/kg。這個提升是對于電池系統所要求的，如下圖所示：
圖1 新能源客車電池系統補貼要求變遷
為了完成這個要求，并且滿足電池每kWh補貼一路下降的趨勢--2018年為1200元/kWh，2019年為500元/kWh--這里就有兩條實現路徑：提高磷酸鐵鋰的電芯能量密度，還有就是提高電池包的成組率。電芯能量密度的提升主要是依靠把電池的容量越做越大實現的，如下圖所示：
圖2 寧德時代的商用車的單體容量提升路徑
從上圖來看，電芯容量從50Ah，一路提升到157Ah起步，2019年寧德時代的商用車用得最多的是202Ah和271Ah，而在去年11月的北京公交展覽上新的電芯規格主要是在厚度上做一些差異化，形成了新的一組優選的電芯容量。
除此以外，寧德時代在商用車上改變了供應模式，在早期階段，商用車電池和大巴企業，也是從單體、模組和電池包的成組方式，寧德時代提供模組、大巴企業進行組裝。但是在補貼下降和大巴的用量特殊性的基礎上，通過標準包的形式，寧德時代直接放棄模組這樣的形式，直接把電芯集成到電池包，優點是提升了電池包空間利用率、減輕電池包重量、提升能量密度并降低了成本。如下圖所示，最主要的就是從原有我們熟悉的VDA標準模組的結構擴大，一步步回歸到簡化的設計。
圖3 寧德時代的商用車交付物的演進
我們可以比較定量的來看上述兩個措施在實際應用中產生的結果：
1）電池尺寸上升：隨著電芯容量的增加，能量密度從之前的140.19Wh/kg，現在最高可以做到178.1Wh/kg，這個過程中，主要是電芯的高度和厚度提升帶來的效果，目前271Ah的尺寸為173×202×72mm，202Ah的尺寸為173×202×57mm，主要是厚度的差異。
2）整包的成組率：從電芯能量密度到整包能量密度的提升效率，我們可以折算下，總體的結果如下所示--從原有的72%，過渡到83%，目前最高的已經能超過90%了。這個數據本身是和電池系統的重量有關系的，不過我們可以清晰的看到成組率提升帶來的成本下降。
因此，我們可以發現，這個改變的數據效能，主要是根據寧德時代在客車電池系統上的做法改變（體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數量減少40%，生產效率提升了50%，電池包能量密度提升了10%-15%）。當然這里是有約束條件的：
● 制造過程，從電芯直接進入標準包的生產線，減去了原來的模組線，但是這個標準包的設計是完全相似的；
● 模組結構，是把電芯的一個最小集合以可運輸、維修的一個合集，在系統中起到電芯集成、支撐、固定和保護等作用--在結構和電氣連接上起到重要的作用，整個分工的形式也就變化了，我們看到國內的大巴企業都把標準包作為裝車的基本單元，直接裝車了。
圖4 商用車里面的成組率情況
第二部分 CTP在乘用車上的推廣和可用性
2019年，乘用車的補貼也是降下去一大截。為了從之前的補貼機制轉向市場模式驅動，電池系統最重要的事情還是降低成本。這時候，在商用車有效的辦法，通過弱化模組環節，直接在系統設計中將大量的電芯進行組合，減少零部件和降低成本，這個事情就是CTP的應用邏輯。
在乘用車原有的商業模式里面，寧德時代主要以幾種方式交付產品：
● 電芯：直接向整車企業交付電芯，由整車企業來設計開發模組并進行模組的生產；
● 模組：直接向整車企業交付模組，由整車企業來搭建Pack組裝產線并采購其他零部件進行生產；
● 電池包：這個模式和商用車相似，直接交付整包。
圖5 寧德時代的標準模組（355和590）
想用解決CTP的應用問題，乘用車和商用車不一樣，這里有以下的幾點：
● 現有各個乘用車企業的電池包的尺寸兼容性并不強，采用標準包的方式是不可行的，必須要因地制宜根據每個電池包內部的空間來進行布置；
● 維修處理：由于模組結構的弱化，使得在固定這么多電芯過程中，需要使用一些必要的手段，一方面這個集合牽涉了更多的電芯，另一方面對于現場在4S店進行維修操作加大了很大的難度；
● 多點采購的不兼容性：由于整車企業一開始是使用標準的模組，采取多點進行采購的，進入這種模式，在知識產權和替換過程中，車企要解決很多的問題。這個我們可以看到商用車在電池供應方面的主導權方面基本都“投降”了，這有個短期成本下降與鼓勵動力鋰電多點供應以保持長期競爭力之間的矛盾關系。
目前已經宣布選用CTP方案的幾家車企，還沒有把電池設計進一步披露出來，根據電池系統的實際設計情況，可能會出現不同車企之間有較大差異性的情況。根據商用車的專利和實物，可能有幾個共性的特征：
1）模組從單排走向多排：單排電芯排列然后進行組合主要是為了模組有足夠的強度可以通過振動和沖擊實驗，一旦把這個要求取消掉，如下圖所示，就可以在原有的電池尺寸上，把原有的模組在Y方向上面排列2-4組（這里減少最多的是側板和底板），形成一個大的合集。而這里的約束主要受托盤的梁結構約束，所以會形成結構塊的形式。
圖6 繼承自商用車方案的可能特性1
2）模組采樣線和母線排連接簡化：如上圖所示，把大量的采樣線通過順序的FPC代替，把模組之間的Busbar連接通過簡單的螺栓連接或者直接焊接，都可以把結構簡化。
圖7 繼承自商用車方案的可能特性2
小結：
根據目前乘用車電池系統的開發周期，我們最早也只能在2020年Q1末尾見到最早期的乘用車CTP方案，到時候我們可以來驗證寧德時代的CTP在不同車企里面的變化。其實能把成本降下來是大家都愿意看到的事情，但是客觀來說確實有一個短期硬成本下降和長期保持多供應商的技術&成本競爭帶來的好處。我們在過去三年里面走得也比較快，很多東西需要細細想一想電池系統的技術發展該怎么走，成本下降該怎么做。
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