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CTP电池封装技术解析:宁德时代和比亚迪刀片电池有何优劣
陈岳松2020-02-23

随着补贴政策退坡,车企和电池生产商都不得不在成本控制上再下功夫,包括贵金属材料成本、研发和制造成本的降低,会大幅减轻整车的规划压力,一方面给品质提升预留更大空间,一方面保持价格优势,提升整体性价比,国产特斯拉在售价跌破 30 万大关后引来大批消费者关注就是最好的例子。


采用全新 CTP 技术的无模组电池包,相较于目前市场上的传统电池包,在成本上,CTP 电池包体积利用率提高了 15%-20%,零部件数量减少 40%,生产效率提升了 50%,投入应用后将大幅降低动力电池的制造成本,能量密度也上升到 200Wh/kg 以上。

CTP(Cell To Pack)是什么?
作为消费者,大部分人都不乐于钻研如此深的硬核技术,用大家最容易理解的话形容 CTP——简化包装,降低成本。以运输鸡蛋为例,假设以前的运输方式每 20 颗鸡蛋用一个礼盒包装从 A 点运送到 B 点,CTP 技术则化繁为简,每 1000 个鸡蛋装一箱甚至一整车鸡蛋只用一个箱子打包,从 A 点运输至 B 点,从而节省包装成本与运输重量。显然,如此包装产生的安全性和因运输而损坏的鸡蛋排查便利性都大大降低,这也是 CTP 的优势与缺陷。带着这样的概念下文具体介绍到底什么叫 CTP 技术。

一般电动汽车上搭载的电池包,由电芯(Cell)组装成为模组(Module),再把模组安装到电池包(Pack)里,形成了“电芯(Cell)——模组(Module)——电池包(Pack)”的三级装配模式。而 CTP,即 Cell to PACK,是电芯直接集成为电池包,从而省去了中间模组环节。既然说是取消模组直接集成到电池包,那么就要弄清楚模组的作用。


什么是模组?
所谓模组,就是将部分相关零部件构成一个模块,也可以理解为一个零部件集合、总成的概念。在电池包这一领域,将若干电芯、导电排、采样单元及一些必要的结构支撑部件集成在一起构成一个模块,也叫模组。去掉模组后,其关联的高压线缆、通讯线缆、冷却/预热循环管路、BMS 监测模块、温度传感器、电流传感器等设备,都要进行相应的改进或重新布设。宁德时代 CTP 技术路线基于高镍三元锂架构,其核心是减少了模组数量,直接由多个大容量电芯组成标准化电池包,再灵活堆叠组成更大的电池模块,适应不同车款的储能需要。目前 CTP 有两种技术路线,一种是以大模组替代小模组的方式,另一种采用完全无模组方式。


Model 3 是由四个长度约 2 米的大模组组成,而之前特斯拉 Model S 的模组为 16 个

以大模组替代之前小模组把之前的小模组去掉侧板,用扎带连接起来,把模组做大,实际上,特斯拉 Model 3 所采用的基于 21700 集成化大模组已经展现出了这种趋势的效果,相对此前 Model 3 仅电池成本就降低了 35%。

大模组方案——宁德时代 CTP
其主要亮点是在模组与模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起,同时套筒下有固定装置与整车相连,这样整个模组简化了结构,也实现了轻量化。

宁德时代专利

如图一至图四所示,每个电池模组 11 均包括框架 111 和容置于框架 111 内的多个电池单体 112,相邻的框架 111 之间固定设置有上述套筒 12,该套筒 12 具有用于穿设固定件的通道 124,固定件穿过上述通道 124,组装成电池包 1,随后在安装梁 13 作用下,固定于整车内。
图一
图二
图三
图四
从以上分析可以看到,CTP 并不是很先进的技术,无非就是采用大电芯和大模组,主要对电池包内部的连接进行结构上的优化,省去了中间过程的零部件,从而简化装配工艺和流程。宁德时代 CTP 电池单体电芯容量从最初的 50Ah 到现在的超过 200Ah,大大减少了壳体的占比。

其优势主要有三点:第一,CTP 电池包因为没有标准模组限制,可以用在不同车型上,使用广泛;第二,减少内部结构组建,CTP 电池包能提高体积利用率,系统能量密度也间接提升;第三,其散热效果要高于目前小模组电池包。

宁德时代 CTP 电池技术与 811 高镍电芯结合,将会用更高的能量密度获得更好的续航里程,据宁德时代目前公开的资料显示,CTP 电池组仍然会采用方壳封装,考虑到目前高镍电池的稳定性,这种封装是比较好的选择。

无模组方案——比亚迪刀片电池
比亚迪的"刀片"电池则基于其所擅长的磷酸铁锂技术,采用自家研发的长度大于 0.6 米的大电芯,电池单体同样向大容量进化,但电芯形状更加扁平、窄小(长边可以定制变化,单体最大稳定长度可以达到 2100mm),通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里,这也是大家称之为“刀片电池”的原因。

比亚迪披露的专利

我们大胆猜测“刀片电池”从一开始就考虑到自家产品的多规格适应性需求。"刀片"的窄边做得尽量小,意味着垂直高度更容易适应高底盘和低底盘车型。未来或许会基于此开发超薄底盘的多功能车,让用户获得更多的使用空间以及更大的电池容量,该方案相应的提升动力电池总成的能量密度同时,可以获得更好的电芯散热/预热设定,在复杂工况充放电模式下电芯温度差可以控制在 1℃。

最新车型比亚迪汉即将搭载的正是这款“刀片电池”,体积比能量增加 50%,成本下降 30%,续航里程达到 605km。比亚迪 CTP 电池技术与磷酸铁锂电芯结合,将会带来更好的耐温性同时也降获得稳定的续航里程,成本的减少也将为车辆带来更强的竞争力或是更好的利润空间。


由于比亚迪早期的技术布局押宝在磷酸铁锂上,这也是“刀片电池”采用磷酸铁锂的重要原因之一,磷酸铁锂电池不需要钴金属,对比三元锂电池,成本更低,目前市面磷酸铁锂电池售价 0.65元/wh,远低于三元电池 0.85元/wh。当然押宝磷酸铁锂的原因并不是因为它更便宜,反而是因为其安全性高、循环寿命长等重要优势,借助刀片电池的封装优势,进一步减少了磷酸铁锂能量密度低的弱点。

磷酸铁锂电池优点:

(1) 能量密度高:标称电压为 3.2V,能量密度是铅酸电池的 4 倍左右,体积小、重量轻;
(2)安全性强:磷酸铁锂正极材料有良好的电化学性能,充放电平台平稳,充放电过程结构稳定;
(3)高温性能好:外部温度 55℃ 时电池正常工作;
(4)高功率输出:标准放电为 0.2C、可 3C 充放;
(5)长循环寿命:常温 1C 充放电,单体经 2000 次循环后容量仍大于 80%;
(6)环保:整个生产过程清洁无毒,所有原料都无毒。

CTP 封装耐受力变差了吗?
由于去除或简化模组,电芯直接固定在动力电池总成内部,就要进行必要的结构加强,已获得碰撞过程中的被动安全设定。也正是因为去除了模组,动力电池总成的自重将会不同程度的降低。


对于长期使用的私家车而言,普遍采用非承载式车身,没有大梁,电池结构还需要能够承受车身反复形变带来的长时间应力变化。电池模块作为底盘上的核心部件以及受力部件,必须考虑结构强度以适应汽车复杂的使用场景。侧向碰撞的抵御能力是最显而易见的需求,厂家通常会对电池包外壳的结构和材料运用以提升这方面能力。


电池包受扭转力仿真模型图

通过结构分析,我们可以看到,宁德时代 CTP 技术因为考虑到体积封装效率的最大化,大模组之间的连接可靠性更容易受到对角线反复切应力的影响,对于高压线束和冷却系统的连接挑战比较大,值得一提的是,宁德时代申请的电池包专利取消了现有技术中的电池箱体,直接将电池模组通过固定件穿过套筒或者利用安装梁直接装在整车内,在实现电池包轻量化的同时,也提高了电池包在整车的连接强度。
比亚迪电池包安装位置
而比亚迪"刀片"电池实际上仍然保留了模组封装和电池包封装的整体构型,同时从专利图可见,其电池包封装将有可能根据车型需要,预留形变空间,避免超薄大电芯直接受力。从结构耐久性上看,比亚迪刀片电池封装更容易做出可靠的产品。


不过,这样的保险结构也会带来其他问题,从工信部公布的比亚迪汉电池功率密度来看,只有 140Wh/kg,这个数据是什么概念?放在 2019 年是中等甚至偏下的水平,来到 2020 年则仅仅是入门水平,如果未来比亚迪可以把该技术进一步优化,将磷酸铁锂电池能量密度提升至 200Wh/kg 甚至更高的话,三元锂电池恐怕只能通过进一步提高能量密度以及获得更多市场份额。

阻止 CTP 成为“大哥”的拦路虎
CTP 虽然有着如上显示的诸多优势,但是取消模组环节,也会带来很多风险。CTP 对电芯一致性的要求更高,电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差两个问题需要在整个电池包层面进行考量。


最为重要的是一旦单个电芯发生故障,就会涉及到更换整个电池包,而不是之前只需更换某一个模组,维修成本会大幅增加。这也是特斯拉电池饱受大家诟病的痛点之一——维修成本过高,买此种类型电池的车主要着重关心一下相关保险的细则,以免一次事故就让整台车“丧命”。

CTP 是电池技术的另一个风口?
能量密度提升是最能让电动汽车爱好者兴奋的消息,毕竟能量密度的上升可以实实在在的解决电动车身上最大的痛点。想象一下,当市面上的电动车都可以轻松做到 700km 续航时,大家对待电动车和汽油车的态度是否会有 180° 大转变?正因此,大家对于 CTP 都甚为关注,看完此文你大概也会发现,其实 CTP 技术背后本质上是电池厂商和车企的博弈,该技术的优点和缺点都是非常明显的。根据目前已知信息,北汽新能源的 EU5 后续会搭载采用 CTP 技术的电池包。


如今电池厂商做模组并非强赢利点,并且大多数车企自己可以做模组,例如华晨宝马、北京奔驰、通用汽车等,反而做 PACK 才是可行的出路。而电池厂商只有转变为 CTP 方案,之后才有机会去做整个 PACK,CTP 因此也被打包和宣传为动力电池的下一个风口。

编辑总结 /

不知道通过此篇文章您看懂 CTP “套路”了吗?正如双离合+TIS 被打包宣传成黄金动力组合动力强油耗低,但它没有说其可靠性一般维修成本高且并不适合中国拥堵路况的弊端,CTP 技术的确可以较为明显的提升电池能量密度,但是也的确存在着相对不稳定的硬伤。作为消费者,你可以选择做第一个吃螃蟹的人,从中获得一些与众不同的体验,也可以选择保守观望。

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相关评论共 2 条相关评论

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分析的很透彻

能不能在介绍一下电芯接下来的发展和量产趋势啊,现在宁德的811电芯密度是多少,未来两年能到多少?