動力電池行業專題研究:動力電池結構革新之CTP、CTC
(報告出品方/作者:東證期貨,曹洋)
1. 汽車動力與動力電池演變
1.1、汽車動力方式演變
汽車動力經過幾百年變遷,從蒸汽機、電動機到內燃機,如今電動機重新成為趨勢,汽車行業正走向電氣化、新能源化。 蒸汽車:1766 年,瓦特改進蒸汽機,第一次工業革命隨之開啟。1770 年前後出現了最早的蒸汽機汽車,汽車的「汽」字由此而來。 電動車:1881 年,使用鉛酸電池的電動車誕生。 燃油車:1838 年,英國發明家亨納特發明了內燃機點火裝置,人稱「世界汽車發展史上的一場革命」。1885 年,燃油車應運而生,發明者卡爾·賓士。 此後很長一段時間,三種動力模式多線發展共同競爭。期間誕生了第一條流水裝配線(1913 年,福特工廠),生產效率大幅上升,生產模式蔓延至所有工業部門。到1925 年後,由於蒸汽車的外燃機技術效能過低、電動車成本過高,二者市場規模不斷萎縮,燃油車開始獨霸市場。 現如今,隨著 1973 年第一次石油危機爆發,西方國家的石油依賴問題浮上表面,減少能源依賴成為重要議題;中國也將電動車作為戰略方向,以期彎道超車;疊加各國低碳減排層面的發展目標,汽車動力的發展格局重新聚焦於電動車。伴隨則相關材料和技術的發展,電池成本大幅降低,電動車也擁有了被市場接受的硬性條件。
1.2、動力電池技術路徑發展趨勢
動力電池的發展日新月異,主要由化學(材料)和物理(結構)兩條技術路徑推動。材料方面,正極有磷酸鐵鋰和三元材料兩大主流路線並行發展:在我國內補貼政策助推續航里程之後,三元鋰電池的發展蓬勃向上;伴隨著補貼退坡、磷酸鐵鋰性能提高,從2021 年 7 月以來,國內磷酸鐵鋰電池裝車量反超三元電池,佔比大幅回升。就三元材料而言,高鎳化、高電壓化、單晶化是當下的主要趨勢。就磷酸鐵鋰而言,往磷酸錳鐵鋰方向研發是一個重要趨勢。 其他材料體系也在積極研發中,未來有望呈多元化發展,想像空間巨大。寧德時代的M3P 電池呼之欲出,將於明年量產;多方布局的鈉離子電池也漸行漸近,寧德時代近期也表示,正致力於推進鈉離子電池在 2023 年實現產業化。 負極則處於突破期:人造石墨佔主導位置且持續提升,複合硅碳負極持續研發逐步應用。電解液部分,不斷降低液態含量並最終走向全固態電池是共識的發展方向,國軒高科、孚能科技、Solid Power 等多家企業都在該領域積極布局。
在結構方面,設計的創新層出不窮,尤其是今年,4 月 25 日,零跑官宣國內首款可量產CTC 電池底盤一體化技術;5 月 20 日,比亞迪發布 CTB 電池車身一體化技術;6 月23 日,寧德時代發布 CTP3.0 技術麒麟電池。 總體來看,結構領域既有圓柱、方殼、軟包的電芯形狀之分,又有傳統模組結構、CTP (Cell to Pack)、CTC(Cell to Chassis)的電池包結構之分,還有特斯拉 4680 大圓柱電池、比亞迪刀片電池、蜂巢能源短刀電池、中航鋰電 One-Stop Battery、寧德時代麒麟電池等明星產品之分。究其本質,大電芯、大模組、去模組、集成化趨勢明顯,電池企業和整車廠們通過對電芯、模組、電池包等環節的改進和精簡,最終是為了最大化提升電池包的體積利用率。
1.3、小結與思考
1. 汽車動力經過了蒸汽機、電動機、內燃機三大類解決方案,如今電動機重新成為趨勢,汽車行業正走向電氣化、新能源化。 2. 目前動力電池技術的發展主要有兩大路徑,一類是材料技術,即化學體系的創新,另一類是結構技術,是工程領域的創新。 材料層面,隨著補貼退坡,抬高能量密度失去了政策面的強力推動;而隨著三元材料研發技術趨向成熟,通過三元材料技術迭代推動電池性能飛躍的幅度已有所縮小;化學體系的研發與推廣始終是各家企業重點布局的方向,新材料體系呼之欲出,但距離全市場鋪開量產還需要一定時間。 另一個焦點在於電池結構的創新與優化。如果說化學體系的研發是大刀闊斧地推進,對電池性能產生決定性的改變,那麼結構體系的優化就是智慧地修復,通過工程領域排兵布陣減少浪費冗餘,因而,技術發展也更多關注電池成本、製造效率、電芯使用效率等。
2. 動力電池結構技術演變
以電池形態和集成程度為參考,電池結構的演變可分為模組標準化、CTP(大模組、去模組化)、CTC(電池底盤一體化)三個階段。
2.1、模組標準化
背景環境 電動車發展初期,老牌車企大多通過油改電的方式切入電車市場,而特斯拉等小部分新興車企則採取正向開發的姿態,從頭開始研發純電平台。 油改電即沿用旗下成熟燃油車的平台,僅將動力系統替換為三電系統。好處在於,既可以快速推出產品抓住市場機遇,又可以為研發純電平台爭取時間,還可以促進自身的供應鏈轉型。但由於油改電平台不是專門針對電動車開發而來,不能完全符合電動車的特性,容易導致電池的布局受阻和配重不合理。作為結果,油改電車型或多或少會出現駕控性能不佳、電池重量大或空間利用率低導致整車續航能力不強、底盤突出影響整車美觀等問題。 在這樣的背景下,首先各車型對電池的需求不同、可提供給電池的位置和空間大小不同,其次電芯廠出產的電芯形狀和尺寸多種多樣,導致電池包的形態各異、包內模組的規格和布置也各異。
模組結構的出現和運用也與環境息息相關。早期的動力電池系統普遍採用大量電芯,例如一台特斯拉早期需要配備 7000 多隻圓柱電芯。受制於技術條件(單體電芯容量不夠大、BMS 軟體能力不夠強等),將電芯提前集成進模組就成為了必要的一環,能夠有力降低組裝複雜程度、提高生產效率。 也就是說,早期電動車的動力電池普遍採用電芯-模組-電池包的集成模式,且百花齊放,各色各異。
模組結構動力電池的構造
大眾 ID.3 裝載的就是一種典型的模組結構動力電池。 殼體採用堅固的鋁材,既支撐電池的重量,又加強車身剛度,通過螺栓固定在車身地板底部。下護板保護電池免受路面機械的損壞。底板裝有冷卻水路,可進行溫度管理。電池模組通過導熱膏與底板相連,以保證其導熱性。 控制模塊是用於正極側、負極側的兩個開關單元。正極側的開關單元裝有高壓系統保險絲,用於保護充電器、加熱器(PTC)、DC-DC 轉換器等電路;負極側的開關單元裝有通過火藥切斷電池的保險絲,出現碰撞事故時可以快速切斷電池電源。 電池模塊採用 LG 化學供應的 NCM712 軟包電芯,每個模組布置有 24 塊電芯。根據車輛配置級別,搭載的模組數量可調整為 8 個(192 塊電芯)、9 個(216 塊電芯)、12 個(288 塊電芯)。
模組標準化
在這個階段,最初行業希望將電芯標準化,以爭取規模化生產實現降本增效,例如德國汽車工業協會(VDA)推出的電芯尺寸標準。但由於統一電芯尺寸難度太大,後轉而致力於模組標準化。德國主導的平台化在其中發揮了重要作用,伴隨著平台化的實現,前後誕生了 355、390、590 三種主要的標準化模組。 355 模組對應尺寸 355*151*108,最初應用於大眾內部,主要搭載在 e-golf,audi Q7 e-tron 上,之後 LG 造出了相同尺寸的軟包模組,又經過三星、寧德時代等多家電池企業推廣,逐漸成為了行業通用的模組。 390 模組在 355 的基礎上擴大了尺寸,一定程度上提高了空間利用率,主要配置在奧迪e-tron、保時捷 Taycan 等車型上。 2020 年起,大眾 MEB 平台成為集團旗下新能源汽車的主要生產平台,配套 590 模組,上文所述 ID.3 車型對應的就是 MEB 平台、590 電池模組。590 模組進一步放大了模組尺寸,將橫向擺放的模組數量從 3 個減少成 2 個,從而減少模組數量、增加空間利用率。由於 MEB 平台覆蓋了大眾(ID 車型)、奧迪、斯柯達等多個品牌,極強的平台拓展性帶動了 590 模組的大量需求,電池企業紛紛跟進研發生產 590 模組,590 模組從而成為一款主要的標準化模組。
2.2、CTP(大模組、去模組化)
CTP 技術發展情況
2019 年 9 月,寧德時代全球首款 CTP 電池包量產下線;2020 年 3 月,比亞迪運用CTP 技術的刀片電池發布。兩大頭部電池企業相繼推出 CTP 產品,將 CTP 帶入了大眾視野。發展至今,CTP 技術已經歷了多輪迭代,寧德時代今年發布了第三代的麒麟電池,將在2023 年量產,引起業界廣泛關注。 CTP(Cell to Pack)在定義上是指省去模組的環節、將電芯直接集成進電池包,再將電池包與車身框架進行鏈接。值得注意的是,實際的 CTP 技術並不如名字所說完全省去模組,而是包括了使用大模組或不使用模組兩種形式。上述刀片電池採用的是無模組結構,寧德時代第一代 CTP 電池則採用大模組結構。 從 CTP 的推進情況來看,中國企業佔據先發優勢。如今國內有寧德時代、比亞迪、蜂巢能源等多家企業已擁有各自的 CTP 產品,遠景動力、捷威動力等在軟包 CTP 領域各有建樹。在海外,寧德時代已授權現代摩比斯、泰國 Arun Plus 使用其 CTP 技術,其CTP 產品也成功出海德國、荷蘭等市場。海外電池企業中,LG 化學計劃將 CTP 改良為全新的 Module Pack Integrated Platform(MPI),Advanced Cell Engineering(ACE)也已為其VLF 電池申請美國專利,並預期到 2023 年其 CTP 方形電池設計將獲得許可。從 CTP 在整車的應用來看,寧德時代配套的特斯拉 Model Y、Model 3,以及蔚來ES6、小鵬 G3、小鵬 P7、愛馳 U6 等諸多車型已成熟搭載 CTP 電池,比亞迪更是全系搭載刀片電池。以小鵬為例,2021 年,CTP 結構搭配磷酸鐵鋰材料成功使 G3 售價從20 萬區間降至 14.9 萬元、P7 售價從 24.99 萬元降至 22.99-23.99 萬元,拉低入門門檻,充分接近我國 20 萬元左右區間需求強勁的市場,也成功實現銷量的高速上升。 MarkLines 數據顯示,2021 年中國搭載 CTP 技術電池包的車型滲透率為 12.13%。今年,e 平台 3.0 的比亞迪全新車型海豹上市(嚴格來說運用了 CTB 技術),預售僅七小時,訂單就突破 22637 台;合作車型代阿維塔 11 有寧德時代賦能,大概率也會採用其CTP 技術,有望成為銷量的一匹黑馬。僅從目前與未來推出的重磅車型可以預計,CTP 滲透率將持續大幅提升。
比亞迪:刀片電池
相較之下,常規模組結構從電芯到模組這一步體積利用率大約能達到 80%,從模組到電池包利用率大約能達到 50%,結果就是電芯在電池包中真正的體積利用率只有40%左右。而刀片電池通過大電芯和去模組,達到體積利用率 60%。 儘管磷酸鐵鋰比能量明顯低於三元材料,刀片電池通過大幅度節省空間,仍然成功使其體積能量比與三元電池相當。從具體數值來看,刀片電池能量密度 140Wh/kg,較傳統磷酸鐵鋰電池增加大約 9%,體積能量密度 320Wh/L,相較增加 50%以上。
此外,電池系統零部件數量減少 40%以上,成本下降 30%以上。再疊加電芯表面積的增加使得整體散熱性能更好,以及磷酸鐵鋰安全性的天然優勢,刀片電池成為優雅而有競爭力的產品。
寧德時代:麒麟電池(CTP 3.0)
2019 年末,寧德時代推出第一代 CTP 電池,帶動電池體積利用率首次突破 50%。相較傳統電池包,該產品做到體積利用率提高了 15%-20%,零部件數量減少 40%,生產效率提升了 50%;在能量密度上,傳統的電池包能量密度大多處在 140-150Wh/kg,CTP 電池包能量密度則可達到 200Wh/kg 以上。 今年 6 月 23 日,寧德時代推出的 CTP3.0 技術麒麟電池的系統集成度更是創全球新高,體積利用率超 72%,能量密度達 255Wh/kg。
創新重點之一是高度集成化的三合一彈性夾層,將結構梁(縱橫樑)、隔熱墊和水冷板替換為彈性夾層,布置在每排電芯間,同時起到結構支撐、冷卻散熱、電芯隔熱和膨脹緩衝四個功能。 大多數電池方案下,我們在電池包上蓋或下殼體處鋪設冷板,在電芯之間陳列導熱材料將熱量傳導至上下端(正如本報告中提到的大眾 ID.3 電池包、孚能科技的一種模組)。橫向對比,麒麟電池的水冷板(彈性夾層)豎直放置於電芯之間,大幅增加了換熱面積、提高了放熱性能。進一步說,較好的放熱性能支持下,我們才能夠放心地發展快充。據寧德時代報告,麒麟電池可以做到 4C 快充技術,實現 5 分鐘熱啟動、10 分鐘快充至80%。
其他企業的 CTP 技術
蜂巢能源的 CTP 技術既有無模組方案,也有大模組方案。與傳統 590 模組相比,CTP 第一代減少 24%的零部件數量,第二代在第一代的基礎上提升 5-10%重量成組效率、提升 5%空間利用率、減少零部件數量 22%。 捷威動力的積木電池是基於軟包大模組的概念,通過不同電池厚度、長度、寬度尺寸的變化提高空間利用率,實現電芯在電池包內以搭積木的形式排列。在電芯寬度一定的情況下,積木電池能夠提升 8%-12%體積利用率、下調 10%-15%成本。 遠景動力的軟包 CTP 預計 2024 年量產,可以做到同等空間內電池容量增加一倍、續航延長至 1000km。
思考與討論
1. CTP 技術本質上是縮減了模組環節,使得留給電芯本身的空間得以增加,進而可以通過直接增加電芯數量增加電池能量;減少了零部件,進而降低了成本,也有助於整車輕量化,能夠進一步拉高了電池能量密度。 主要缺點有二:(1)電芯一致性的要求提高了——電池性能遵循木桶短板原理,性能最差的電芯會直接影響整體性能。傳統模組結構下,每一個模組都是一個整體,而在CTP 結構下,整個電池包才是一個整體,因此,當單個電芯出現故障時,我們不得不更換整個電池包而非某個模組。從這個層面來說,對電池生產和管理的要求變高了,維護良率的成本也變高了。(2)電池包層面的開發靈活性受到了限制——不同車型對電池包的要求也不盡相同,但電池包與電芯緊密掛鉤後,定型後再做改動的成本就會明顯上升。 2.CTP 結構能夠與磷酸鐵鋰材料完美結合,使電池達到成本、安全、能量密度三方面的最優解,CTP 技術的推廣一定程度上也帶動了磷酸鐵鋰電池滲透率的攀升。2020 年之前因為補貼政策對能量密度的追求,三元電池在市場上表現強勢,但由於電池穩定性較差也發生了不少安全事故。而補貼逐漸退坡,三元電池失去了一大推動力。正是在這樣的背景下,寧德時代的 CTP 技術和比亞迪的刀片電池應運而生。 3. CTP 的出現有兩大影響:(1)使中國企業在德國主導的電池包集成技術領域搶奪了先機——如前所述,電池集成技術第一階段中,模組進化的趨勢是往標準化的大模組發展,而 CTP 實際上加速了這一迭代的速度,採取了更激進的集成方法。(2)讓電池企業在整車廠主導的電池包集成技術領域增強了話語權——隨著 CTP 技術的推廣,電池企業從生產電芯轉為生產電池包,在產業鏈的電池包環節與整車廠直接競爭搶奪市場。
2.3、CTC(電池底盤一體化)
CTC 技術發展情況
CTC 技術已經出現在很多新能源車企的技術路線中。目前特斯拉、零跑、比亞迪三家已率先公布了各自的 CTC 方案;寧德時代預期將在 2025 年前後正式推出;大眾集團、沃爾沃、上汽集團、捷威動力等多家企業也在該領域加速布局。 CTC(Cell to Chassis)本質上就是將電芯直接集成在地板框架內部,即車身地板和底盤的一體化設計。這將在根本上改變電池的安裝形式,相當於電池被重新布局。
該技術將電池作為車身結構的一部分,連接前後兩個車身大型鑄件,取消原有座艙底板,座椅直接安裝在電池上蓋上。性能提升來看,新結構可以減少 370 個車身零部件,為車輛降低 10%車身重量,增加 14%續航里程,降低 7%度電成本。此外,還可以靈活調整車輛的質心高度,因為適當降低質心高度有利於提高汽車的操縱穩定性。當然,如果底盤需要維修,成本也會明顯升高。 也有不少關聯技術為 CTC 結構的實現提供了助力。(1)結構粘合劑成為了重要的一環,用以將電芯黏合在上下蓋板上,並作為阻燃劑一定程度上可以維持電池安全。這樣的結構反而更加堅固,有利於整體安全。(2)一體化壓鑄技術將前車身、底盤電池包和後車身等多個部分直接壓鑄成車身,在大幅減少生產環節的同時(CTC 配合一體化壓鑄可以節省 370 個零部件,為車身減重 10%,將度電成本降低 7%),也能做到更強的密封性。(3)4680 大電池在增加單體電池容量的同時,也減少了所需的電芯數量,一定程度上降低了對 BMS 的要求,使得 CTC 方案更加可行。
比亞迪:CTB
比亞迪海豹車型採用的是 CTB(Cell to Body)電池車身一體化技術,是用電池包上殼體替代車身底板。對比來看,CTP 技術是電池的三明治結構,將電池分為電池上蓋、電芯、托盤三個層面,CTB 則是整車的三明治結構,將整車車身分為車身地板集成電池上蓋、電芯、托盤三個層面。據比亞迪汽車工程研究院院長廉玉波數據,比亞迪 CTB 電池系統的體積利用率可提升至 66%。
CTB 與 CTC 起名略有不同(CTC 是 Cell to Chassis,電池底盤一體化)。我們認為二者都是電池與整車的集成方式,本身 CTC 名字下不同方案表現形式也各不一樣,因此我們將它二者放在一起討論。起名不同或為將來的發展提供了一些想像空間,正如比亞迪刀片電池的專利中所說,包體可以是形成在電動車上任意適當位置的、用於安裝單體電池的裝置,也就是說,並不一定局限於電動車底盤上。 有觀點認為,CTB 裝配方式更像是 CTP 的拓展,是將電池包集成進底盤,而非將電芯集成進底盤,或許可以定義為 PTC(Pack to Chassis)。也正因如此,對比其他的CTC 方案,比亞迪的 CTB 方案可拆卸性強,電池維修相對便利,且保留了換電可能性。
零跑:CTC
零跑汽車在今年 4 月發布了 CTC 方案,應用於車型 C01,該車型已在今年 7 月進入了工信部的新能源汽車推廣應用推薦車型目錄(2022 年第 6 批)。 據零跑資料顯示,這套 CTC 方案可以使電池布置空間增加 14.5%,車身垂直空間增加10mm,零部件數量減少 20%,結構件成本減低 15%,整車剛度提高 25%,綜合工況續航增加 10%。還擁有極強的擴展性,可兼容智能化、集成化熱管理系統,未來可兼容800V 高壓平台,支持 400kW 超級快充等。
相較於特斯拉和比亞迪,零跑 CTC 的不同之處主要有兩點:(1)實現了無電池包化,通過重新設計電池承載托盤,使下車體底盤和電池托盤結構耦合,而前二者是製作了完整的電池包,再將電池包上蓋用作車身底盤;(2)保留了模組環節,採用了「電芯-模組-底盤」的模式。 有評論認為,這更像是一個試探性的過渡方案,但從效益來看,零跑這套 CTC 方案還是有效提升了車輛的綜合性能表現。
其他企業
大眾集團在 2021 年 Power Day 發布會上透露,正在自研標準電芯(Unified Cell),同時也提出將自研 CTP、CTC(Cell to Car)技術,預計未來有望推出結合了標準電芯與CTP、CTC 技術的車型。 沃爾沃在 2021 年 Tech Moment 發布會上透露了下一代動力電池技術的 CTC 方案,將電芯與上下殼體組成一個三明治結構,並用上殼體充當乘員艙地板。 捷威動力與悠跑科技也達成合作,共同開發 CTC 電池系統。而悠跑是一家 To B 的滑板底盤硬體企業,他們認為,滑板底盤可能更適合採用 CTC 技術。
思考與討論
1.直觀來看,CTC 的優點是高度集成化、減少零部件數量和總裝工藝,能夠進一步化繁為簡、降本增效。在電池包與車身分離製造的情況下,我們需要用螺栓等零件連接電池包上蓋與車身底盤,這就不可避免使得電池與車身之間留有空隙,也相對使用了較多的零件。CTC 則將地板面板和電池包上蓋合二為一,減少了二者之間的縫隙和連接所需零件,而電芯既是為整車提供動能的來源,也是增加底盤剛性的結構件。 正如馬斯克舉的例子,原本飛機的構架是把燃料箱放在機翼之中,但為了更大程度地利用空間,我們可以拿掉燃料箱、直接用機翼來儲存燃料。 CTC 結構的困難和挑戰則主要在三個方面:(1)對電池零部件的要求更高了。電芯在沒有模組和電池包結構保護的情況下直接集成進底盤,必然導致我們對電芯一致性的要求再次提高。與之對應,我們需要更高難度的電池熱管理技術來維持電池系統溫度一致性,更智能的 BMS 來監控管理電池的使用,更精準的(採用 AI 技術和機器視覺的)智能製造設備在製造過程中保證更好的質量管控。 (2)維修的便利性降低了。由於電池和底盤的一體設計,拆裝「電池包」將涉及更多的整體結構件,例如需要拆除座椅橫樑等;而電池內部,電芯之間往往填充了樹脂材料,因此難以更換單個電芯。在此基礎上,就目前來看,CTC 方案對換電模式是不夠友好的。(3)主機廠和電池廠的製造業務必須有所融合。主機廠不能單純採購電池包,而是需要更多地具備電芯、三電系統相關的設計和集成能力,相當於主機廠需要在更早期的環節就開始車型的整體設計;電池廠也不再是止於供應電池,還需要對車身底盤設計有更多的涉獵。
2. CTC 與滑板底盤技術的理念相合,CTC 概念的出現一定程度上助推滑板底盤重新獲得大量關注。海外有 Canoo、Rivian、Arrival 等,國內悠跑科技、易咖智車等企業入局競爭。
滑板底盤與非承載車身結構相似,有一套專門獨立的車架(「大梁」)來承托電驅系統、電池、懸架、熱管理系統和電子電氣架構。也就是說,滑板底盤內如果裝載電芯,電芯將不需要承擔過多載荷,因此技術難度較小,較易實現。 此外,滑板底盤結構下,車身和底盤分離,上下車體可以進行獨立研發和製造,一方面可以高效縮短新車型開發周期,另一方面也便於整車廠將底盤相關的硬體外包出去,集中力量於自動駕駛、智能座艙等關鍵領域。 就滑板底盤的應用市場而言,至少是當下,相比底盤技術爐火純青的頭部玩家,資金不充裕的尾部玩家更願意外包底盤,相比 C 端,B 端企業(園區、物流等低速自動駕駛場景)對滑板底盤需求更明顯。
2.4、小結與思考
1.模組結構、CTP、CTC 三種技術從集成化程度、對電池性能的影響來看都是逐步遞進的,整車結構逐步簡化、空間利用率逐步提升。
2. 我們梳理了各家企業的電池包方案,在具體設計和製造中,各個企業都有著各自的著力點和側重點。 CTP 產品來看,首先不同產品的無模組化程度不同。寧德時代第一代 CTP 電池採用大模組結構,第二、三代無模組,刀片電池採用的是無模組結構。 麒麟電池對比 4680 和刀片電池也有明顯不同之處。麒麟電池聚焦結構設計上的創新,並未在電芯的規格上做出改動,而 4680 和刀片電池都擴大了電芯容量。也正是因為這樣,麒麟電池為大多數採用方形電芯且化學體系上處於無法持續提升境地的車企指出了一條可觀的技術路徑。
CTC 方案來看,特斯拉和比亞迪的方案更接近於將電池先組成電池包,再將電池包集成進底盤;零跑的方案則相對明顯地拿掉了電池包的環節。也就是說,特斯拉和比亞迪的方案是取消了車身底板,零跑的方案是取消了電池包上蓋。此外,特斯拉和比亞迪都將電芯直接集成,而零跑保留了模組環節。
3.我們不必將 CTC 單純理解為 CTP 的延伸,從技術涉及的範圍來看,CTP 是一種電池包技術,CTC 是一類整車技術。 CTP 在短期較為容易實現,是在電池包層面的優化方案,電芯或電池包企業獨立可開發完成。 CTC 是遠期的一大趨勢,一定程度上跳脫出了在電池層面降本增效的目的。就CTC 的實現而言,一方面技術難度較大,門檻較高;另一方面,傳統車企在平台化、模塊化有較好的基礎,採用 CTC 技術反而需要顛覆已有的車身底盤結構,因此 CTC 的發展推動需要更長的時間和過程。也正由於這一點,特斯拉作為一個新型造車企業,沒有歷史包袱,比傳統車企有更強的垂直整合能力,才能走出 CTC 的技術路線。 最後,儘管 CTP、CTC 的概念相當火熱,但嚴格意義來說,當前整個行業還處於從標準化模組加速向 CTP 技術發展的過程中。
3. 產業鏈環節的變化與趨勢
3.1、電池廠與整車廠的合作競爭格局
根據電池製造的各個環節,整車廠採購電池的模式可以有多種,從外購電芯到外購電池包。如今,在電池需求加大、上游原材料漲價的背景下,整車廠紛紛往上游電池端延伸——部分整車廠通過入股、合資等方式深度綁定電池供應商,另一部分整車廠直接獨資建廠自研電芯。 CTP、CTC 作為以電池為核心的繼承設計,電池企業相對具有較強的開發優勢,也將通過技術變革、新產品推出逐步整合電池包各部件的設計與生產,在電池開發中的話語權能夠得到大幅提升。 此外,CTC 涉及汽車底盤,是傳統觀念里整車最為關鍵的部件之一,整車廠更加具有技術優勢。疊加如上所述整車廠在戰略布局上同樣在向電池端邁進,力圖掌握電池層面供應、價格和技術的話語權。因此,電池廠可以借 CTC 向整車滲透,延伸至底盤開發領域,而整車廠可以通過自研 CTC 來主導和鞏固底盤開發並滲透電池環節的研發與製造。二者夾擊下,首先是第三方 Pack 企業的市場份額被蠶食,其次是電池廠與整車廠的競爭格局將加劇。
3.2、電池製造產業鏈細分環節
電池層面的製造來看,在電池包結構簡化的過程中,大量機會將出現在產業鏈的細分市場中,行業對特定零件的要求明顯增高,有競爭力的供應企業有望脫穎而出。
膠粘劑(結構膠、密封膠與導熱膠)應用增加
模組內電芯的裝載和散熱方式區別較大,有的通過膠體將電芯粘在模組殼體上並進行熱傳導,有的直接在電芯之間保留部分空氣來散熱並允許電芯膨脹。而 CTP、CTC 結構下,空氣顯然無異於電芯的固定和支撐。在削減了模組和一些結構件的情況下,結構膠粘劑的應用將顯著增加來連接固定電芯、支撐結構、阻熱阻燃。例如刀片電池通過結構膠固定所有電芯;特斯拉 CTC 結構電芯之間採用樹脂材料填充,同時起到阻燃、熱保護和結構性支撐的作用。
電池托盤重要性提高
結構件領域,CTP、CTC 技術的發展對電芯結構件影響較小,對模組、電池包等成組環節的結構件影響較大。作為少量留存的結構件之一,電池托盤將需要承載更多電池系統部件的集成,也需要符合更高的防震、氣密性、輕量化要求,因此電池托盤將承擔更重要的角色。 從生產製造來看,早期普遍採用衝壓技術,衝壓對象為鋼製材料;如今擠壓與焊接逐漸成為主流,鋁型材用量也大量增加;未來,壓鑄有望成為最有效的工藝,避免複雜的焊接工序、簡化生產流程,材料或將逐漸演變至鎂鋁合金、塑料及碳纖維複合材料,想像空間較大。
設備行業(製造設備、檢測設備)智能化升級
電池生產和倉儲過程中的智能化要求越來越高,設備迭代升級明顯加速。為了滿足對電池大規模生產、高安全性、高品質、低成本的要求,設備企業需要在提高產量產速、降低製造成本的同時,實現更高標準的質量管控。
首先,設備開發路徑正在從單機設備向分段或整線一體化邁進,例如電芯製造前工序的輥壓分切一體機、激光模切卷繞一體機、切疊一體機等一體化智能裝備,又如智能倉儲環節的線庫一體方案。設備和方案的升級旨在儘可能減少人工的依賴,在提速保質的同時,更好地做到工藝一致性,進而實現電芯一致性。 其次,測量和檢測設備的需求高速增長,機器視覺正在成為一大主流方案,並應用於全線,覆蓋電芯頂蓋焊接檢測、電芯外觀檢測、模組焊接、Pack 組裝等多個工藝環節。據高工鋰電數據,2021 年該領域市場規模已達到 13.1 億元,同比增幅 81.4%,預計2022 年將達到 20 億元。最後,運用模擬工具進行虛擬調試成為設計與製造協同的助力。通過運用數字化的工藝,既能節省客戶驗收測試、現場驗收測試的時間,又能減少物理驗證,避免因設計問題導致的成本浪費,最小化設備故障和停機的風險。
3.3、小結與思考
1. 目前推出 CTP 技術的企業主要以電池企業為主,推出 CTC 方案的三家企業都是整車廠。隨著電池集成技術的不斷推進,電池企業與整車廠的話語權爭奪更加激烈。CTP 技術幫助電池企業從電芯生產環節跨越到電池包環節,是電池企業擴張的一次體現。一定程度上,我們也可以反過來理解為什麼 CTP 技術的推出與推廣首先發生在國內,而非之前主導電池集成技術發展的大眾等傳統車企。因為對整車廠而言,保留電池包中模組結構可以保留其對電池包開發的主導權。而國內寧德時代佔據半壁江山,有實力推動這一降本增效的產品進入市場;比亞迪既是電池企業又是整車廠,超強的垂直整合能力也保證它可以更多關注技術本質上的優劣。 CTC 技術路徑尚不夠清晰,固態電池的推出、充換電模式的轉換等諸多因素都有可能左右其發展。我們認為,未來相關技術的試探會繼續多多出現,該領域電池企業和整車廠兩方的競爭也將更激烈。 2. 集成化程度高的電池系統下,由於電池的木桶短板原理,對電芯質量、電芯一致性有著更高的要求,又由於省略了大量零件,電池剛性、散熱性等性能要求需要保留著的零件來滿足。 具體來看,CTP、CTC 技術的發展將帶動(1)膠粘劑用量和質量要求上升,(2)托盤等結構件承擔更多重要的作用,(3)智能製造正在快速鋪開,並有望大規模應用,生產環節從設計到製造再到檢測,各個環節的質量把控更加嚴格和精細。
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精選報告來源:【未來智庫】未來智庫 - 官方網站
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