淺析寧德時(shí)代CTP技術(shù)：電池系統(tǒng)正在加速迭代
時(shí)間:2020-01-06 08:36來(lái)源:2030出行研究室 作者:朱玉龍
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電動(dòng)汽車(chē)的核心競(jìng)爭(zhēng)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(tǒng)除了電芯之外的成本也有很強(qiáng)的下降訴求，自從寧德時(shí)代在德國(guó)法蘭克福國(guó)際車(chē)展上推出了全新的CTP電池開(kāi)發(fā)平臺(tái)（Cell To Pack），目前有不少的國(guó)內(nèi)車(chē)企（北汽、蔚來(lái)、威馬和哪吒）都隨之采用新的技術(shù)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)新的電池系統(tǒng)。本文就現(xiàn)有的公開(kāi)資料來(lái)探討一下這項(xiàng)技術(shù)路線的發(fā)展可能性。
第一部分 商用車(chē)電池系統(tǒng)的迭代
在中國(guó)的新能源汽車(chē)政策推廣中，乘用車(chē)和客車(chē)是分開(kāi)管理的，前者可以使用三元電芯，后者在2017年開(kāi)始的補(bǔ)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(gè)提升是對(duì)于電池系統(tǒng)所要求的，如下圖所示：
圖1 新能源客車(chē)電池系統(tǒng)補(bǔ)貼要求變遷
為了完成這個(gè)要求，并且滿足電池每kWh補(bǔ)貼一路下降的趨勢(shì)--2018年為1200元/kWh，2019年為500元/kWh--這里就有兩條實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的，如下圖所示：
圖2 寧德時(shí)代的商用車(chē)的單體容量提升路徑
從上圖來(lái)看，電芯容量從50Ah，一路提升到157Ah起步，2019年寧德時(shí)代的商用車(chē)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(guī)格主要是在厚度上做一些差異化，形成了新的一組優(yōu)選的電芯容量。
除此以外，寧德時(shí)代在商用車(chē)上改變了供應(yīng)模式，在早期階段，商用車(chē)電池和大巴企業(yè)，也是從單體、模組和電池包的成組方式，寧德時(shí)代提供模組、大巴企業(yè)進(jìn)行組裝。但是在補(bǔ)貼下降和大巴的用量特殊性的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)包的形式，寧德時(shí)代直接放棄模組這樣的形式，直接把電芯集成到電池包，優(yōu)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)模組的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大，一步步回歸到簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。
圖3 寧德時(shí)代的商用車(chē)交付物的演進(jìn)
我們可以比較定量的來(lái)看上述兩個(gè)措施在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的結(jié)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(xiàn)在最高可以做到178.1Wh/kg，這個(gè)過(guò)程中，主要是電芯的高度和厚度提升帶來(lái)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(jié)果如下所示--從原有的72%，過(guò)渡到83%，目前最高的已經(jīng)能超過(guò)90%了。這個(gè)數(shù)據(jù)本身是和電池系統(tǒng)的重量有關(guān)系的，不過(guò)我們可以清晰的看到成組率提升帶來(lái)的成本下降。
因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)改變的數(shù)據(jù)效能，主要是根據(jù)寧德時(shí)代在客車(chē)電池系統(tǒng)上的做法改變（體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，電池包能量密度提升了10%-15%）。當(dāng)然這里是有約束條件的：
● 制造過(guò)程，從電芯直接進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)包的生產(chǎn)線，減去了原來(lái)的模組線，但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包的設(shè)計(jì)是完全相似的；
● 模組結(jié)構(gòu)，是把電芯的一個(gè)最小集合以可運(yùn)輸、維修的一個(gè)合集，在系統(tǒng)中起到電芯集成、支撐、固定和保護(hù)等作用--在結(jié)構(gòu)和電氣連接上起到重要的作用，整個(gè)分工的形式也就變化了，我們看到國(guó)內(nèi)的大巴企業(yè)都把標(biāo)準(zhǔn)包作為裝車(chē)的基本單元，直接裝車(chē)了。
圖4 商用車(chē)?yán)锩娴某山M率情況
第二部分 CTP在乘用車(chē)上的推廣和可用性
2019年，乘用車(chē)的補(bǔ)貼也是降下去一大截。為了從之前的補(bǔ)貼機(jī)制轉(zhuǎn)向市場(chǎng)模式驅(qū)動(dòng)，電池系統(tǒng)最重要的事情還是降低成本。這時(shí)候，在商用車(chē)有效的辦法，通過(guò)弱化模組環(huán)節(jié)，直接在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將大量的電芯進(jìn)行組合，減少零部件和降低成本，這個(gè)事情就是CTP的應(yīng)用邏輯。
在乘用車(chē)原有的商業(yè)模式里面，寧德時(shí)代主要以幾種方式交付產(chǎn)品：
● 電芯：直接向整車(chē)企業(yè)交付電芯，由整車(chē)企業(yè)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模組并進(jìn)行模組的生產(chǎn)；
● 模組：直接向整車(chē)企業(yè)交付模組，由整車(chē)企業(yè)來(lái)搭建Pack組裝產(chǎn)線并采購(gòu)其他零部件進(jìn)行生產(chǎn)；
● 電池包：這個(gè)模式和商用車(chē)相似，直接交付整包。
圖5 寧德時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)模組（355和590）
想用解決CTP的應(yīng)用問(wèn)題，乘用車(chē)和商用車(chē)不一樣，這里有以下的幾點(diǎn)：
● 現(xiàn)有各個(gè)乘用車(chē)企業(yè)的電池包的尺寸兼容性并不強(qiáng)，采用標(biāo)準(zhǔn)包的方式是不可行的，必須要因地制宜根據(jù)每個(gè)電池包內(nèi)部的空間來(lái)進(jìn)行布置；
● 維修處理：由于模組結(jié)構(gòu)的弱化，使得在固定這么多電芯過(guò)程中，需要使用一些必要的手段，一方面這個(gè)集合牽涉了更多的電芯，另一方面對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)在4S店進(jìn)行維修操作加大了很大的難度；
● 多點(diǎn)采購(gòu)的不兼容性：由于整車(chē)企業(yè)一開(kāi)始是使用標(biāo)準(zhǔn)的模組，采取多點(diǎn)進(jìn)行采購(gòu)的，進(jìn)入這種模式，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)和替換過(guò)程中，車(chē)企要解決很多的問(wèn)題。這個(gè)我們可以看到商用車(chē)在電池供應(yīng)方面的主導(dǎo)權(quán)方面基本都“投降”了，這有個(gè)短期成本下降與鼓勵(lì)動(dòng)力鋰電多點(diǎn)供應(yīng)以保持長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力之間的矛盾關(guān)系。
目前已經(jīng)宣布選用CTP方案的幾家車(chē)企，還沒(méi)有把電池設(shè)計(jì)進(jìn)一步披露出來(lái)，根據(jù)電池系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，可能會(huì)出現(xiàn)不同車(chē)企之間有較大差異性的情況。根據(jù)商用車(chē)的專利和實(shí)物，可能有幾個(gè)共性的特征：
1）模組從單排走向多排：?jiǎn)闻烹娦九帕腥缓筮M(jìn)行組合主要是為了模組有足夠的強(qiáng)度可以通過(guò)振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn)，一旦把這個(gè)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(cè)板和底板），形成一個(gè)大的合集。而這里的約束主要受托盤(pán)的梁結(jié)構(gòu)約束，所以會(huì)形成結(jié)構(gòu)塊的形式。
圖6 繼承自商用車(chē)方案的可能特性1
2）模組采樣線和母線排連接簡(jiǎn)化：如上圖所示，把大量的采樣線通過(guò)順序的FPC代替，把模組之間的Busbar連接通過(guò)簡(jiǎn)單的螺栓連接或者直接焊接，都可以把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。
圖7 繼承自商用車(chē)方案的可能特性2
小結(jié)：
根據(jù)目前乘用車(chē)電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，我們最早也只能在2020年Q1末尾見(jiàn)到最早期的乘用車(chē)CTP方案，到時(shí)候我們可以來(lái)驗(yàn)證寧德時(shí)代的CTP在不同車(chē)企里面的變化。其實(shí)能把成本降下來(lái)是大家都愿意看到的事情，但是客觀來(lái)說(shuō)確實(shí)有一個(gè)短期硬成本下降和長(zhǎng)期保持多供應(yīng)商的技術(shù)&成本競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的好處。我們?cè)谶^(guò)去三年里面走得也比較快，很多東西需要細(xì)細(xì)想一想電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展該怎么走，成本下降該怎么做。
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