動(dòng)力電池系統(tǒng)如何降低成本？
增大電芯、結(jié)構(gòu)件輕量化、提高自動(dòng)化效率……
還有一個(gè)方法，取消電池模組。
在2019年德國(guó)法蘭克福國(guó)際車展上，寧德時(shí)代推出了全新的CTP高集成動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)平臺(tái)（Cell To Pack），即電芯直接集成到電池包。
寧德時(shí)代并非國(guó)內(nèi)第一個(gè)發(fā)布CTP技術(shù)的企業(yè)。早在7月9日，蜂巢能源就發(fā)布了該技術(shù)，此外國(guó)內(nèi)還有比亞迪也在研發(fā)。
業(yè)內(nèi)人士對(duì)CTP安全性、壽命、售后以及梯次利用提出了一些疑慮。不過(guò)，根據(jù)《電動(dòng)汽車觀察家》的了解，電池企業(yè)對(duì)上述問(wèn)題也找出了應(yīng)對(duì)措施。
下面我們就來(lái)詳細(xì)了解下，CTP到底是怎樣的技術(shù)？為什么會(huì)有那么多電池企業(yè)選擇這一技術(shù)？未來(lái)這一技術(shù)能否成為新趨勢(shì)？
1、模組有什么用？
既然說(shuō)是取消模組直接集成到電池包，那么就要弄清楚模組的作用。
所謂模組，就是將部分相關(guān)零部件構(gòu)成一個(gè)模塊，也可以理解為一個(gè)零部件集合、總成的概念。例如傳統(tǒng)車輛的前端散熱器模塊，電子行業(yè)也會(huì)有功能集成模塊叫做模組。在電池包這一領(lǐng)域，將若干電芯、導(dǎo)電排、采樣單元及一些必要的結(jié)構(gòu)支撐部件集成在一起構(gòu)成一個(gè)模塊，也叫模組。
三元?jiǎng)恿﹄姵啬＝M
早期部分動(dòng)力電池包采用圓柱電芯，例如特斯拉采用7000多個(gè)電芯，如果直接組裝到電池箱體內(nèi)部，其裝配復(fù)雜程度會(huì)大大增加，生產(chǎn)效率也會(huì)非常低，因此將部分電芯進(jìn)行預(yù)先集成就變得十分重要。這也是電池模組產(chǎn)生的重要原因之一。
模組的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，模塊化設(shè)計(jì)后便于售后維修，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊或模組的更換。
正如硬幣的兩面，模組的應(yīng)用也不得不增加部分額外的零部件，并且模組數(shù)量越多，附加零部件就會(huì)越多。這些額外增加的零部件都會(huì)導(dǎo)致電池包的成本、重量上升。
與此類似的是特斯拉。最初特斯拉采用10多個(gè)模組，如今在Model 3上面僅用了4個(gè)大尺寸模組，大大減少了冗余部件。此外，大容量方形鋁殼電芯的應(yīng)用，電芯技術(shù)革新、生產(chǎn)一致性提高也為去模組提供了機(jī)遇。
2、CTP降本、提密度優(yōu)勢(shì)明顯
取消模組到底能產(chǎn)生怎樣的效果？
寧德時(shí)代的數(shù)據(jù)顯示，CTP電池包體積利用率提高了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%，可達(dá)到200Wh/kg以上，大幅降低動(dòng)力電池的制造成本。
寧德時(shí)代CTP介紹
蜂巢的數(shù)據(jù)是，與傳統(tǒng)590模組相比，CTP第一代減少24%的零部件，第二代成組效率提升5-10%，空間利用率提升5%，零部件數(shù)量再減少22%。
蜂巢能源CTP介紹
僅從兩組宣傳數(shù)據(jù)，很難看出兩者技術(shù)的優(yōu)劣，但兩家CTP在減少零部件、提升能量密度方面，確實(shí)表現(xiàn)不錯(cuò)。
無(wú)模組的另一優(yōu)勢(shì)在于，產(chǎn)品生產(chǎn)流程的簡(jiǎn)化。蜂巢能源相關(guān)人向《電動(dòng)汽車觀察家》介紹說(shuō)，傳統(tǒng)技術(shù)是電芯通過(guò)一定框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成模組，模組要進(jìn)行下線檢測(cè)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)運(yùn)。如果PACK與模組不在同一廠區(qū)，還需要額外的存儲(chǔ)，進(jìn)貨檢驗(yàn)，上線檢驗(yàn)等流程。這些工序過(guò)程都需要投入人力、設(shè)備、場(chǎng)地等資源。
采用無(wú)模組方案可以有效縮短產(chǎn)線、減少過(guò)程浪費(fèi)，電芯在線堆疊在線檢測(cè)，直接放入電池箱體，大大減少流轉(zhuǎn)過(guò)程，同時(shí)減少了傳統(tǒng)模組的邊框焊接工藝過(guò)程。這其中，單是焊接設(shè)備就需要數(shù)百萬(wàn)元。
3、業(yè)內(nèi)人士的幾點(diǎn)疑慮
在很多業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，CTP并非新技術(shù)，以前多用于磷酸鐵鋰及客車領(lǐng)域，由于客車電池排布空間大，磷酸鐵鋰電池的穩(wěn)定性較強(qiáng)，應(yīng)用頗為廣泛。
但與客車+磷酸鐵鋰的組合完全不同，此次CTP技術(shù)大多會(huì)應(yīng)用在乘用車領(lǐng)域，大概率是三元電池。例如寧德時(shí)代與北汽新能源合作，就是采用的三元電池。正因如此，一些業(yè)內(nèi)人士對(duì)這一技術(shù)也提出了幾點(diǎn)疑慮。
○三元電池?zé)岱€(wěn)定性較差，如何提高安全性？
在某電池系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人馬先生看來(lái)，傳統(tǒng)電池包中，模組間存在一定距離，可以用作散熱。模組本身也有隔熱設(shè)計(jì)，對(duì)單體熱失控產(chǎn)生的熱流、氣流，以及噴發(fā)的導(dǎo)電物質(zhì)采取了針對(duì)性的措施，對(duì)熱失控傳播有一定的抑制作用。CTP變成一個(gè)“大模組”，這部分空間預(yù)留會(huì)不會(huì)不夠？
蜂巢相關(guān)技術(shù)人員看來(lái)，散熱、隔熱好正是CTP的優(yōu)勢(shì)所在?！霸缙谀＝M采用磷酸鐵鋰電芯構(gòu)成VDA規(guī)格長(zhǎng)度355mm的模組，由于其穩(wěn)定性較高，并未考慮預(yù)留足夠隔熱間隙；后期類似大眾MEB規(guī)格長(zhǎng)度590mm的模組，則受限于規(guī)格影響，電芯間的隔熱緩沖材料選擇就受到限制，只能尋求一些小尺寸高性能的材料，為了滿足安全就得相對(duì)付出高昂的成本。”
該技術(shù)人員補(bǔ)充道：“相對(duì)而言，CTP因?yàn)闇p少一些零部件可以帶來(lái)更多的空間，且其自身尺寸受到限制相對(duì)較少，因此可以獲得相對(duì)較大的間隙空間，使得材料的選擇具有更多可能，從而實(shí)現(xiàn)成本降低?！?
寧德時(shí)代對(duì)此的解決方案尚不清楚。不過(guò)也有相關(guān)車企電池部門負(fù)責(zé)人透露，寧德時(shí)代在電池包中也預(yù)留了一些空間，進(jìn)行散熱，整體效果還可以。
○CTP會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生影響嗎？
針對(duì)三元電池來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)模組有預(yù)緊力（電芯循環(huán)后會(huì)膨脹，如果不束縛會(huì)影響壽命；束縛過(guò)緊，同樣壽命減少或帶來(lái)安全問(wèn)題）設(shè)計(jì)來(lái)保障電池的使用壽命，而且這個(gè)預(yù)緊力是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的。CTP的多電芯集成設(shè)計(jì)，增加了預(yù)緊力設(shè)定的難度，對(duì)電芯的壽命會(huì)不會(huì)有影響？
對(duì)此，蜂巢技術(shù)人員表示，蜂巢的CTP在集成技術(shù)繼承了傳統(tǒng)模組的集成經(jīng)驗(yàn)，直接通過(guò)箱體對(duì)電芯施加一定的預(yù)緊力，同時(shí)會(huì)應(yīng)用靈活的空間優(yōu)勢(shì)，允許電芯適當(dāng)膨脹使得集成對(duì)電芯壽命的影響得到改善，使得電池系統(tǒng)的壽命有所提升。
蜂巢在法蘭克福參展的無(wú)模組電池包
○售后維護(hù)成本、梯次利用難度是否會(huì)增加？
馬先生認(rèn)為，傳統(tǒng)電池包內(nèi)部有模組，電池產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)更換電池模組解決；一旦無(wú)模組電池包出現(xiàn)問(wèn)題，是不是要整包替換呢？這恐怕不是4S店可以解決的了，大概率要退回電池廠家維修，售后成本是否會(huì)大幅增加？
長(zhǎng)安汽車歐尚研究院新能源動(dòng)力技術(shù)副總工程師韓鋒也表示，一般退役的動(dòng)力電池，并不是所有電芯都有損壞。在傳統(tǒng)有模組的電池包中，只需要挑出有損壞電芯的模組，其他沒(méi)有問(wèn)題的模組可以直接進(jìn)行梯次利用。但是沒(méi)有模組后，剔除損壞電芯的難度增加，梯次利用就很麻煩。
對(duì)于上述兩個(gè)問(wèn)題，不知道寧德時(shí)代是否有解決對(duì)策。不過(guò)，蜂巢能源表示，他們的CTP技術(shù)已經(jīng)考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，一方面，他們通過(guò)嚴(yán)格的工藝控制保證電芯一致性，來(lái)降低故障率；另一方面，他們的CTP可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)電芯的拆卸，以方便維修和梯次利用。
確實(shí)，如果能對(duì)單個(gè)故障電芯做精準(zhǔn)判定，并且單個(gè)電芯可以由一線維修人員拆解、替換，維修成本肯定比替換模組更低。
4、能否成為發(fā)展趨勢(shì)？
對(duì)于業(yè)內(nèi)人士的幾點(diǎn)疑慮，無(wú)模組電池包似乎都能找到解決方案，這種方案真的會(huì)被越來(lái)越多的主機(jī)廠接受么？
韓鋒坦言，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)還是具備較強(qiáng)吸引力的。采用這一技術(shù)的寧德時(shí)代動(dòng)力電池價(jià)格不再是高高在上，能夠與第二梯隊(duì)電池企業(yè)水平持平。“對(duì)于整車企業(yè)來(lái)講，自然希望以更低價(jià)格買到更好的產(chǎn)品?！?
韓鋒認(rèn)為，作為主機(jī)廠，首先要考慮的就是降低成本，尤其在補(bǔ)貼大幅退坡的情況下，整車企業(yè)的成本壓力會(huì)直接傳遞到電池企業(yè)，電池企業(yè)肯定要有應(yīng)對(duì)方案。
目前來(lái)看，部分電池企業(yè)給出的CTP方案，電池包大約能降低0.1元/Wh。尤其在對(duì)價(jià)格要求極為苛刻的磷酸鐵鋰電池領(lǐng)域，這一降幅著實(shí)不少。
在動(dòng)力鋰離子電池降低成本的過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)各種各樣的技術(shù)和路線，方式也不局限在電芯集成形式，還包括材料選用、工藝優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、大模組等。例如早期A123采用過(guò)扎帶；Leaf采用過(guò)軟包集成小模塊，集成大模塊再集成PACK；標(biāo)準(zhǔn)VDA355mm長(zhǎng)度的模組是國(guó)外率先推出的，大眾推出了MEB590mm長(zhǎng)度的模組；特斯拉更是搞出近2米長(zhǎng)的超大模組。
CTP的動(dòng)力電池包裝配的純電動(dòng)汽車即將上市，哪個(gè)降本技術(shù)更好，市場(chǎng)應(yīng)該會(huì)告訴我們答案。（完）
