鋰電池新技術(shù)CTP和CTC專題分析報告

鋰電池新技術(shù)CTP和CTC專題分析報告電池系統(tǒng)技術(shù)升級雙頭并進(jìn)：CTP結(jié)構(gòu)漸成主流，CTC蓄勢待發(fā)電池包是電動車的動力來源，最小的單元是電芯?，F(xiàn)階段市場中存在兩種主要的結(jié)構(gòu)方式MTP（ModuletoPack）和CTP（CelltoPack），而CTC（CelltoChassis）作為最新一代電池系統(tǒng)技術(shù)，在特斯拉、比亞迪、零跑、寧德時代等企業(yè)的助力加持下，2022年正在逐漸從開發(fā)設(shè)計走向量產(chǎn)。傳統(tǒng)電池包MTP：強度高，比能低傳統(tǒng)電池包MTP即是電池、模組成組電池包的形式，多個電芯組成一個模組，多個模組加上BMS、配重模塊等零部件則組合成電池包。在MTP結(jié)構(gòu)下，電芯被外部結(jié)構(gòu)件充分的保護(hù)所以結(jié)構(gòu)強度好，成組難度小。電芯對于電池包的空間利用率僅為40%，其中電芯對模組的空間利用率為80%，模組對電池包的空間利用率為50%，模組的硬件費用約占電池總成本的15%。早期的電池包采用傳統(tǒng)的MTP技術(shù)，需要依次完成電芯→模組→電池包→車身的集成。整車要想在有限的底盤空間盡可能裝載電量，提高體積利用率，需要考慮每個集成步驟標(biāo)準(zhǔn)化的可行性，大眾率先推行模組的標(biāo)準(zhǔn)化。大眾的第一個標(biāo)準(zhǔn)是355模組，其中355代表了電池模組的毫米長度。隨著對續(xù)航里程需求的提升，能夠提高空間利用率的390、590模組被提出。單個電池模組的體積不斷增大，帶動了CTP方案的出現(xiàn)。在德國汽車工業(yè)聯(lián)合會制定的標(biāo)準(zhǔn)（VDA）中定義了方形電池、圓柱電池以及軟包電池對應(yīng)不同類型電動車的尺寸要求，車型包括HEV（混合動力）、PHEV（插電式混合動力）以及EV（純電動車）。這就是通常所稱的VDA電芯，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化模組稱為VDA模組。目前在歐洲車廠還是以模組設(shè)計作為核心方案，國內(nèi)主流動力電池為方形電池，常見的VDA模組有355、390、590模組等。動力電池1.0時代采用VDA標(biāo)準(zhǔn)化模組，電池包開發(fā)簡單，1.0時代標(biāo)準(zhǔn)化模組結(jié)構(gòu)性強，模組通用性強，售后維修方便。但VDA標(biāo)準(zhǔn)化模組受限于模塊化的電量和電壓平臺，無法隨意進(jìn)行電量和電壓配組，且零部件多，模組成本高。無模組電池包CTP：份額快速提升，漸成主流技術(shù)CTP相較于MTP省去了中間模組環(huán)節(jié)，CTP技術(shù)是將電芯直接成組為Pack，省去組裝為傳統(tǒng)模組這一步驟，先將電芯集成到電池包內(nèi)，再安裝到車身上，本質(zhì)是為了提高能量密度和降本。目前主要有兩種思路，一是將Pack看成是一個完整大模組替代內(nèi)部多個小模組的結(jié)構(gòu)，逐步減少端側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的方式，以寧德時代為代表；二是設(shè)計時即考慮采用無模組方案，以電池本身作為強度的參與件去設(shè)計，以比亞迪刀片電池為代表。2019年9月，寧德時代全球首款CTP電池包量產(chǎn)下線，搭載于北汽EU5。比亞迪緊隨其后，于2020年3月發(fā)布其創(chuàng)新技術(shù)刀片電池。此后國內(nèi)外整車廠、電池廠在CTP技術(shù)上各顯神通，推出了不同的代表作品。借力LFP電池，寧德時代與比亞迪兩大動力電池巨頭的CTP技術(shù)已經(jīng)在2021年新能車銷量TOP10中滲透了4成。寧德時代CTP配套已蔚來ES6、小鵬G3、小鵬P7，還將為蔚來ET7、榮威RES33及哪吒多款今年上市或未來上市的新車型提供相關(guān)技術(shù)。比亞迪爆款車型秦Plus、漢EV和DM-i系列也陸續(xù)上市，2022年計劃推出不少于20款新車，包括漢DM-i、秦PlusDM-i、宋MAXDM-i等爆款車型的DMi版本，2022年銷量挑戰(zhàn)150萬輛。電池底盤集成技術(shù)CTC：量產(chǎn)在即，蓄勢待發(fā)CTC電池集成方案主要有兩種，第一種是電池包底盤集成，是直接將電池包集成到底盤框架中，從而代替地板，或者直接使用乘員艙地板作為電池的上蓋，實現(xiàn)車身地板和底盤一體化設(shè)計；第二種是電池單體底盤集成，是將電池單體的殼體焊接或者膠粘，連接到底盤結(jié)構(gòu)上，改變了電池的制造形式。前者可靠性高，后者集成優(yōu)勢明顯但技術(shù)難度大且無法換電。CTC本質(zhì)上就是底盤平臺化的思路，理論上電量能在現(xiàn)有底盤技術(shù)上提升5%，持續(xù)提高汽車電氣化程度。在電動車逐漸普及的2018年，捷威和蘇州科尼普就這個技術(shù)有專利布局。20年8月寧德時代提出CTC的方案，讓電動車行業(yè)將目光聚焦在這個概念上；在隨后9月的Tesla電池日上對這一技術(shù)的強調(diào)，將這一產(chǎn)品的熱度推向高潮，并預(yù)計在2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。國內(nèi)方面，新勢力零跑C01將領(lǐng)先特斯拉成為首款搭載CTC電池技術(shù)的量產(chǎn)車型，C01在今年5月10日首發(fā)并開啟預(yù)售，預(yù)計8月上市。而Telsa今年也將推出由一體化沖壓車身+CTC結(jié)構(gòu)的新款modelY，CTC的量產(chǎn)蓄勢待發(fā)。重點企業(yè)分析傳統(tǒng)的MTP電池模組堆疊技術(shù)，需要首先將數(shù)個方形電池組合形成模組，然后再將多個模組安裝后形成電池包。由于安全和穩(wěn)定的要求，每個模組都由金屬外殼保護(hù)，并配套裝有散熱風(fēng)扇，散熱通道、絕緣絕熱裝置等，在電池包中，也需要安裝多個額外模塊，大量使用螺釘?shù)冗B接件。大幅降低了動力電池整體的能量密度，提高了單位電量所需成本。CTP的公司進(jìn)展和專利布局CTP方案直接將單體電芯組成一個或幾個陣列（模組），安裝到電池包中，大幅減少了模組的數(shù)量，免去了先形成模組再安裝成電池包的過程和其中的成本，形成電池包后可安裝至新能源汽車上。使用CTP技術(shù)后，提高了電池包的空間利用率，提升了體積能量密度，減少了不必要的模組零部件，但對技術(shù)能力的要求提高，安全性能不如模組疊加的組合方式。特斯拉，縱向大模組早期車型電池模組均以橫向排布為主，模組多，空間利用率低。而2016年出廠的model3完全改變了之前的電池包結(jié)構(gòu)，將布局改成了縱向大模組，整車只有四個動力電池模組，利用長條狀大模組挑戰(zhàn)電池包的可用空間。特斯拉model3的成功應(yīng)用證明了大模組或無模組電池包的可行性。寧德時代，大模組方案寧德時代的CTP方案采用了多個長凹槽，相鄰的長凹槽通過隔板熱隔離，將電池安裝在凹槽中形成大模組并固定。同時通過固定連接部將電芯陣列固定連接，提高了電池包的強度，進(jìn)而使得電池包更好的固定在汽車底部，提高整體穩(wěn)定性。2022年5月5日，寧德時代董事長曾毓群在業(yè)績發(fā)布會上稱，計劃今年第二季度正式發(fā)布麒麟電池。麒麟電池為寧德時代的第三代CTP（高效成組）技術(shù)，在同樣的電化學(xué)體系下，麒麟電池比大圓柱電池的能量密度高13%。比亞迪，“刀片電池”無模組方案比亞迪的另一種CTP方案通過簡化電池模組來組成動力電池包。首先將單體電芯串聯(lián)安置在簡化的電池模組中，電池模組結(jié)構(gòu)包括冷卻液通道且長度跟電池包相對應(yīng)。然后將簡單模組放置在動力電池包中。比亞迪發(fā)明刀片電芯用于其CTP方案，與傳統(tǒng)方形電芯相比，明顯變長變薄，這些刀片電芯通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里。刀片電芯相對散熱面積大，隨著厚度的減小，工作時電芯和pack溫度的增量會隨之降低，對電池的散熱性能顯著改善。蜂巢能源，疊片技術(shù)蜂巢采用的CTP方案將電芯堆疊安裝到電池包中，通過增加熱隔離隔板形成不同的電芯槽來替代形成模組的方案。同時考慮到電池中熱失控和起火問題，對電池包的散熱進(jìn)行了改進(jìn)，使得每個電芯的安裝槽都有透氣閥，并且增加散熱通道。疊片電池在空間利用率上高于卷繞電池，從而電芯能量密度更高，疊片電池的極耳數(shù)較卷繞電池的多近一倍，其電池內(nèi)阻就會減小，進(jìn)而電池產(chǎn)熱小，電池壽命更長。零跑，大模組方案零跑汽車目前為止共推出了3個電池平臺，分別支撐了已發(fā)布的3款車，分別是：S平臺、T平臺和C平臺。就S平臺來說，零跑參考了特斯拉ModelS的技術(shù)，選用成熟的圓柱18650和21700電芯，橫向布置+二層模組。就T平臺來說，采用了一體貫穿式大模組方案，空間利用率達(dá)到83%，T03這個大模組的方案近似于CTP，是目前不少車型較為喜歡的思路。對于C平臺，零跑采用的仍然是大模組技術(shù)，稱之為高集成一體化大模組。與傳統(tǒng)的MTP技術(shù)相比，CTP方案綜合成本降低，能量密度提升，但仍有安全性能和技術(shù)研發(fā)上的瓶頸。為了突破瓶頸，進(jìn)一步降本增效，國內(nèi)外電池廠和整車廠在CTC上的布局也呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢。CTC的公司進(jìn)展和專利布局特斯拉，4680+CTC2020年9月“特斯拉電池日”率先發(fā)布4680電池，在2021GigaFest上，特斯拉展示了其將用于4680電池的CTC技術(shù)，4680等于車身橫向布置，2170的模組是車身縱向布置。2022年2月，特斯拉宣布完成百萬個4680電芯，順利實現(xiàn)量產(chǎn)。在4680+CTC技術(shù)下，特斯拉直接取消座艙地板，以電池上蓋作為替代，座椅直接安裝在電池上蓋上。Volvo在第三代電池系統(tǒng)集成技術(shù)中，Volvo將采用CTC的技術(shù)路線?？偟姆椒ㄊ沁M(jìn)一步去除掉模組層級不必要的結(jié)構(gòu)，將電芯直接集成到箱體上，利用電芯本體的殼體來充當(dāng)結(jié)構(gòu)件功能，電芯體與上、下殼體形成一個三明治結(jié)構(gòu)，上蓋會做為乘員艙的地板（這點與特斯拉的方案類似）。Volvo是繼特斯拉之后，第一家正式發(fā)布乘用車CTC方案的整車企業(yè)，CTP和CTC的技術(shù)在加速推進(jìn)。零跑零跑C01在今年5月10日首發(fā)并開啟預(yù)售，預(yù)計8月上市。C01將領(lǐng)先特斯拉成為首款搭載CTC電池技術(shù)的量產(chǎn)車型，CTC技術(shù)有望賦予零跑C01更大的垂直空間、更輕的車身重量、更強的操控性能、更遠(yuǎn)的續(xù)航里程和更高的碰撞安全。零跑和比亞迪一樣，是國內(nèi)僅有的可以實現(xiàn)大部分零部件自主研發(fā)，打通產(chǎn)業(yè)鏈的品牌，因此零跑一旦成功，將在成本控制方面取得顯著優(yōu)勢。零跑的CTC技術(shù)還有高適、強擴展特性，與整車匹配度高，可快速柔性化量產(chǎn)，未來能夠適配各級別車型；同時，智能化、集成化熱管理系統(tǒng)，未來能夠兼容800V高壓平臺，提升充電體驗。比亞迪5月20日，比亞迪發(fā)布了CTB電池車身一體化技術(shù)，同時宣布首款搭載了CTB技術(shù)的e平臺3.0車型——海豹開啟預(yù)售，預(yù)售價格為21.28-28.98萬元。比亞迪將電池車身一體化技術(shù)稱為CTB，將電池上蓋與車身地板進(jìn)一步合二為一，從原來電池包“三明治”結(jié)構(gòu)，進(jìn)化成整車的“三明治”結(jié)構(gòu)，動力電池系統(tǒng)既是能量體，也是結(jié)構(gòu)件。這種融合簡化了車身結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，是對傳統(tǒng)車身設(shè)計的一次顛覆性變革。電池系統(tǒng)方面，電池側(cè)壁類似蜂窩結(jié)構(gòu)的強度原理，結(jié)合刀片電池，能通過50噸壓力測試；空間方面，車身地板與電池上蓋集成，體積利用率提升至66%，垂直空間增加10mm。福特在福特的設(shè)計構(gòu)想中，在車身左右框架中設(shè)置多根橫梁，由這些橫梁對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，在里面容納電池，這個分割出來的空間下面有底板進(jìn)行支撐。LG在2021年2月17日首次公開了一份CTC專利，這一CTC方案選擇的是模組到車底盤的集成（ModuletoChassis）。LG的考量初衷是進(jìn)一步去掉冗余結(jié)構(gòu)件，提高模組的空間利用率和系統(tǒng)比能，同時簡化電池系統(tǒng)和整車的工藝。電池包零件發(fā)展方向：一體化、集成化Busbar成為CCS的零件在CTC技術(shù)之前，需要通過busbar（母線）完成電池組的串并聯(lián)，為了實時采集電芯電壓、電芯溫度和busbar溫度，需要在電芯或busbar表面布置溫度傳感器和電壓采樣線束。當(dāng)電池集成技術(shù)發(fā)展到CTC階段，溫度傳感器和電壓采樣線組成一個系統(tǒng)，被稱為CCS，此時busbar變成電芯采樣板CCS一部分，不再像以往一樣暴露在電芯表面，采樣線束板CCS的兩側(cè)也附上膠膜固定在BMS控制板上。FPC成為CCS的零件在MTP電池包里，F(xiàn)PC（柔性電路板）替代銅線線束作為單獨的零件對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測。隨著CTP技術(shù)漸成主流，F(xiàn)PC不再做單獨的零件，而是與銅鋁排和線束板結(jié)構(gòu)件集成在CCS里，成為CCS的一部分。FPC及CCS的單車用量與電池模組設(shè)計相關(guān)，每一個電池模組配套一套CCS，每套CCS配套1-2條FPC。目前許多FPC廠商進(jìn)一步向下游CCS產(chǎn)品布局，通過FPC向CCS的拓展提升單車價值和盈利空間。參考相關(guān)企業(yè)招股說明書所披露信息進(jìn)行計算，F(xiàn)PC的產(chǎn)品單價在60元左右，按照主流電動車配置的7-12個電池模組用量，則動力電池帶來的FPC的單車價值量為420-720元左右。由于每套CCS配置1-2條FPC，并且包含塑膠結(jié)構(gòu)件、銅鋁排等結(jié)構(gòu)，判斷CCS的單車價值是FPC的2-3倍，則CCS的單車價值預(yù)計為840-2160元。電池包空間布置變化：一體式電池包與滑板底盤相輔相成早期的電動汽車采用分體式電池包，兩個電池包分別存放在原來油箱的位置和后尾箱用來方備胎的位置。為了充分挖掘車內(nèi)空間以裝載更多電池，油改電的電池包箱體開始設(shè)計成工字型、T字型和土字型。當(dāng)電池采用CTC集成技術(shù)，動力電池和底盤的集成成為新的發(fā)展方向，一體式電池包與滑板底盤的結(jié)合實現(xiàn)了1+1>2的效果。將電池包進(jìn)行模塊化設(shè)計，平鋪在車輛的地盤上，CTC電池包變得規(guī)整，從而更大限度利用車內(nèi)空間。電池包技術(shù)從MTP發(fā)展到CTC，零件的外形、材質(zhì)、組合形式等都伴隨電池集成技術(shù)的進(jìn)步發(fā)生了改變，整體的方向是一體化、集成化。獨立的零件變少，幾個零件統(tǒng)一集成到一個零件中去，形成尺寸更大、功能多元的大零件。零件方面的變化帶來供應(yīng)商的改變，市場格局也將被重塑。隨著未來CTP或者CTC的普及，系統(tǒng)的集成度越來越高，將會加大膠的用量，CTP預(yù)計用量水平翻倍。pack里面常見的膠分三種：導(dǎo)熱膠，結(jié)構(gòu)膠，密封膠。用量最大的是結(jié)構(gòu)膠，凝固之后能夠提供一定強度，作為結(jié)構(gòu)支撐；導(dǎo)熱膠用來傳導(dǎo)電芯或模組之間的發(fā)熱，與水冷系統(tǒng)接觸；密封膠水在接口密封，價值量含量最低。涂膠的難點是電池制造環(huán)境，核心是涂膠路徑和工藝參數(shù)的設(shè)計。一般導(dǎo)熱膠優(yōu)先涂在底部，結(jié)構(gòu)膠涂抹根據(jù)設(shè)計來定。伴隨電池包結(jié)構(gòu)的變化，水冷系統(tǒng)也隨之發(fā)生變化，一是水冷板從之前的單一結(jié)構(gòu)變成集成化結(jié)構(gòu)，比如沃爾沃CTC技術(shù)路線中，冷卻技術(shù)上采用的是底部一體式水冷板技術(shù)。二是電池之間增加云母板或隔熱墊，在整個熱管理系統(tǒng)中發(fā)揮其絕緣性強、耐高溫的作用，比如特斯拉的4680+CTC技術(shù)中，箱體底部就運用了云母板方案。滲透率持續(xù)攀升，CTP和CTC裝機量超千萬輛我們認(rèn)為，隨著整車對于電池系統(tǒng)綜合性能要求越來越高，CTP的滲透是一個確定性比較高的過程。從技術(shù)維度來說，CTP主要是一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級，修改的重點是電池的排布方式、主體零件尺寸變大和非關(guān)鍵零部件的削減，就現(xiàn)在市場份額逐步提升的實際情況來看，越來越多的市場使用數(shù)據(jù)，將有效反饋完善設(shè)計方案。從商業(yè)模式上來說，在滿足整車外部尺寸包絡(luò)曲線的大前提下，CTP產(chǎn)品引發(fā)的產(chǎn)業(yè)變化主要發(fā)生在電池公司的內(nèi)部，不存在新的產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的引入，是一個內(nèi)部自協(xié)調(diào)的過程。因此我們預(yù)計到25年，CTP將會成為主流的電池系統(tǒng)設(shè)計方案。同時CTC方案也在不斷滲透，預(yù)計2024年，CTP和CTC滲透率總和將超過90%。電池包主導(dǎo)權(quán)爭奪，產(chǎn)業(yè)鏈博弈加劇CTP和CTC的產(chǎn)業(yè)鏈上游為零配件廠，中游為電池廠，下游為整車廠。上游零配件廠商加速布局產(chǎn)業(yè)鏈上游主要零配件分別為結(jié)構(gòu)板、箱體、冷卻系統(tǒng)、FPC、CCS、BMS，整體產(chǎn)業(yè)鏈。結(jié)構(gòu)板件代表公司是科達(dá)利、和勝股份、飛榮達(dá)、福建駿鵬等，飛榮達(dá)于2021年底與寧德時代簽署36億元采購協(xié)議，飛榮達(dá)將根據(jù)該協(xié)議擴充產(chǎn)能。和勝股份于今年2月公告，公司投資10.2億擴產(chǎn)新能源汽車結(jié)構(gòu)件等業(yè)務(wù)。電池托盤（箱體）箱體是動力電池的主要承載部件，和勝股份是國內(nèi)動力電池托盤一體化的龍頭企業(yè)，3月公告稱收到某全球領(lǐng)先的鋰離子電池研發(fā)制造項目企業(yè)的4款新能源汽車動力電池箱體項目的《供應(yīng)商定點意向書》，預(yù)估項目周期4-8年，項目交易額36億元-40億元。冷卻系統(tǒng)新能源汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)也稱水冷板，代表公司銀輪股份擁有國內(nèi)頂尖的換熱器批量生產(chǎn)能力和汽車換熱器系統(tǒng)技術(shù)儲備，近幾年先后獲得幾個新能源車電池冷卻板項目，研發(fā)投入穩(wěn)定。柔性電路板（FPC）這是以柔性覆銅板為基材制成的一種電路板，作為信號傳輸?shù)拿浇閼?yīng)用于電子產(chǎn)品的連接，動力電池FPC替代銅線線束趨勢明確，滲透率提升空間大，國內(nèi)的鵬鼎控股、東山精密、安捷利、弘信電子等廠商積極在動力電池FPC領(lǐng)域進(jìn)行布局。電池模組采集集成件(CCS)作為新能源汽車動力電池安全監(jiān)控中心的核心部分，對汽車安全性能起著關(guān)鍵作用，當(dāng)前國內(nèi)代表性的CCS企業(yè)為蘇州西典、僑云科技等。BMS電池系統(tǒng)俗稱之為電池保姆或電池管家，主要就是為了智能化管理及維護(hù)各個電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。目前我國BMS行業(yè)參與企業(yè)大體分為三種類型：電池廠商、汽車整車廠、專業(yè)第三方BMS企業(yè)，其中第三方BMS企業(yè)所占市場份額大約三分之一，代表公司為蘇州金華潤澤、深圳長城開發(fā)，匯川技術(shù)。