简析CTP技术——可能改变行业格局的工艺创新

简析CTP技术——可能改变行业格局的工艺创新

CTP技术,在提升电池包系统能量密度和整车续驶里程的同时,或许还将对行业产生更加深远影响。

从2019下半年开始,宁德时代CTP(Cell to Pack)与比亚迪的刀片电池技术进入大众视野,备受行业关注。这篇文章将简要讲述CTP的技术,以及CTP对动力电池和新能源汽车可能造成的影响。


一,CTP,优质电芯基础上的系统工艺创新

简单来说,宁德CTP与刀片电池(GCTP)的技术思路上是一致的:在原有的电池化学体系基础上,通过电池单体设计和电池包集成形式的优化,将原有的单体—模组—电池包的三层结构,改进为由大电芯/大模组构成的单体—电池包两层结构。

图1 宁德时代CTP电池包与比亚迪刀片电池

传统电池包的的成组效率是电池系统能量密度提升的一个瓶颈。如图2,是一个典型的电池包「三层结构」示意图——

图中左侧,是电池单体(Cell)组成的电池模组(Module),其中除了电池单体外,还包括金属盖板端板、线束、粘合剂、导热胶、模组控制单元等等零部件,组合在一起,形成了一个电池模组。图右,是由若干模组构成的电池包(Pack),电池包层面的零部件包括热管理系统、线束、控制器、外壳等等。
图2 典型电池包结构,来源:奥迪A3的电池包结构,大众汽车

这样的三层结构是典型的动力电池包都具有的,之所以有「模组」,一方面是保护、支撑、集成了电芯,另一方面各个模组独立管理了部分电芯,有助于温度控制、防止热失控传播、同时便于维修。但模组的存在,使得整个电池包的空间利用率有所下降,导致了成组效率的低水平。模组越多,零部件越多,成组效率也就越低。在单体能量密度突破300Wh/kg的同时,受限于传统电池包的成组方式,电池系统层面的能量密度仍处于160Wh/kg左右。同时由于对高镍电芯安全风险的考量,部分厂商建议对高镍电芯SOC的使用范围作出限制,更在实际上让高镍电池的能量打了折扣。

因此,将模组做大做少,乃至于无模组,是近年来电池系统工艺设计层面的主要关注点,特斯拉Model 3的大模组也反映了这一趋势。简单来说,一种实现方法是像Model 3一样,把模组做大,每个模组管理的电芯更多;另一种实现方法是像宁德的CTP,把模组做大的同时,把电芯做大,一个电芯内包括了多个卷芯,事实上是在电芯内部并联。

图3 特斯拉model 3的大模组电池包同样反映了去模组化的技术趋势

但与此同时,正因为模组有着保护电池、降低风险、便于维修的作用,虽然上述「去模组化」的思路看起来简单,但实现起来却并不容易。「无模组」意味着着更高的工程难度,意味着对电池单体的质量和一致性的要求更高。因此,宁德时代和比亚迪的无模组技术,不仅是电池系统工艺层面的突出创新,更体现了电池单体设计制造的技术水平。对于技术相对落后的二线电池厂商来说,CTP无疑带来了更高的技术门槛和竞争压力。

成组效率的提升,使得CTP具备了多方面的优点:

  1. 长里程:电池包能量密度的提升,直接让整车续驶里程得到改善。在相同的电池化学体系条件下,宁德CTP电池包的系统能量密度有着10-15%的提升;而比亚迪刀片电池则将磷酸铁锂电池(LFP)包的体积能量密度提升50%至270Wh/L左右,与三元电池(NCM)相比也极具竞争力,这一点 @弗雷刘 博士在文章中有着详实的测算[1]。可以说这一技术提升了LFP电池的应用潜力。
  2. 高安全:能量密度是过去数年中电池厂商最为聚焦的电池性能,而在CTP之前,能量密度的提升主要是通过三元电池化学体系的改进所实现的,而伴随着高镍体系的不断升级,电池的安全性上所面临的风险随之上升。CTP在电池包层面对能量密度的提升,意味着在电池单体层面使用安全性成熟的普通三元、甚至磷酸铁锂电池就可以实现充裕的续驶里程。在同样的里程效果下,整车的安全性无疑得到改善。当然,对于高镍体系的CTP来说,安全性的风险仍然存在。
  3. 低成本:从成本来看,由于省去了模组环节的线束、盖板等零部件,整个电池包零件数量减少了40%,生产效率提升了50%,CTP电池包的物料成本与制造成本将得到改进。而如果使用成本更低的磷酸铁锂电池,相较于传统的三元电池包,整个电池包的成本还将进一步下降。

虽然在技术层面可能存在着电池包强度、维修等挑战[2];但上述优势也会随着CTP技术的广泛探索和使用,而更加显著。就目前所知道的,已搭载或即将搭载CTP的量产车型就包括——北汽EU5、大众拉美商用车e-Delivery、蔚来100kWh电池包与比亚迪汉等车型。

图4 搭载CTP技术的量产车型


二,CTP对行业格局和新技术的影响

虽然优点明显,但对于主机厂来说,CTP技术或许并不是100%的好消息。

在新能源汽车的开发中,主机厂与电池厂之间的「技术分割线」,一般在电池包层面。技术实力稍弱的乘用车主机厂与商用车长普遍会直接采用电池厂交付的电池包;而技术实力较强的主机厂会基于电池厂交付的电池模组,选择自己主导电池包的开发。以上汽为例,上汽和宁德时代组建的两家合资公司「时代上汽」与「上汽时代」,就是分别以宁德和上汽主导的电池工厂和电池包工厂。车企自行开发电池包的必要性是明显的:一方面可以更好地匹配整车设计,另一方面也把握了电池包技术,将整车相关技术与价值保留在了体系内部。随着电池技术的重要性愈发显著,领先的乘用车主机厂也越来越倾向于加强在电池技术方面的话语权。

但CTP技术则意味着在电池包层面,电池厂的话语权将重新占据上风,在产业链中占据的价值也将进一步上升。就目前公开的信息来看,乘用车难以采用商用车标准化的电池包,宁德CTP技术需要针对车型进行深度定制化的开发,主机厂方面至少需要与电池厂共同研发,或直接将电池包完全交给电池厂。这一因素或许会影响CTP技术在整车装载的普及前景,但更有可能出现的场景是——主机厂可能分化出三类选择:

1. 部分主机厂将电池包完全交给电池厂开发CTP,不再主导电池包开发;
2. 部分主机厂仍将维持现有的技术体系,保持三层电池包结构,在长里程电动车产品上采用高镍电池,不使用CTP技术方案;
3. 部分主机厂进一步加强电池技术实力,向上游进一步整合,在未来可能推出自己的CTP方案。

而这一场景的发生,又将在电动车市场推动整车产品的分化。这里暂不展开了。


另一方面,CTP还可能对下一代电池技术造成冲击。

站在今天回看三年前,从2017-2020的电池技术发展路径在规划中就很清晰——通过逐步提升正极化学体系的镍比例,从523到622再到811,将电池单体能量密度提升到300Wh/kg。而这一发展路径的实现依靠生产工艺的快速提升,实际上实现比预期更快。但再往后的技术预期:从高镍+硅碳负极,到固态电池,再到固态电池+锂负极,乃至于锂空电池……这一系列电池单体层面的技术发展,不论是理论还是产品,都比预期要来得更加缓慢。在2018年之前,业界对固态电池商业化的预测普遍在2020-2025之间;但到了2020年,固态电池的商业化预期已然推迟到了2025之后。

图5 2015年左右,丰田制造的下一代电池样品性能,与对下一代电池单体技术的量产时间预期。至今下一代电池技术距离量产仍需要时间。来源:ATZ elektronik worldwide

而下一代电池技术的商业化,一方面依赖于实验室技术的成熟;另一方面,也面临着与现有技术的竞争。固态电池如果仅仅是将提高现有电池的安全性,但在能量密度、容量、充放电、成本各方面存在劣势,是较难与已经规模化的量产电池技术相竞争的。换言之,下一代技术需要在多个方面都优于现有技术,才有着商业化成功的可能。现有技术愈发成熟,新技术面临的挑战就越大。而CTP技术的推广,则将进一步提升现有成熟技术的潜力,把固态电池将面对的竞争门槛提得更高,也意味着固态电池的量产日期可能会被推得更远。

,小结

尽管CTP与刀片电池还面临着技术与商业的挑战,但CTP无疑是值得期待的,也将注定成为变革时代中重墨重彩的篇章。无论是更加出色的纯电动车产品,或是更具竞争力的主机厂,终将在大潮中脱颖而出。让我们共同努力。


延展阅读,推荐 @弗雷刘 博士与 @朱玉龙 老师关于CTP与刀片电池的文章,见参考链接。

参考

  1. ^https://zhuanlan.zhihu.com/p/107262911
  2. ^https://zhuanlan.zhihu.com/p/100977485
编辑于 2020-02-22

文章被以下专栏收录