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發布時間:2019-10-15

動力電池無模組技術會成為主流嗎?

 王凌方 電動汽車觀察家

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寧德時代CTP電池包


動力電池系統如何降低成本?
 
增大電芯、結構件輕量化、提高自動化效率……
 
還有一個方法,取消電池模組。
 
在2019年德國法蘭克福國際車展上,寧德時代推出了全新的CTP高集成動力電池開發平臺(Cell To Pack),即電芯直接集成到電池包。
 
寧德時代并非國內第一個發布CTP技術的企業。早在79日,蜂巢能源就發布了該技術,此外國內還有比亞迪也在研發。
 

業內人士對CTP安全性、壽命、售后以及梯次利用提出了一些疑慮。不過,根據《電動汽車觀察家》的了解,電池企業對上述問題也找出了應對措施。

 

下面我們就來詳細了解下,CTP到底是怎樣的技術?為什么會有那么多電池企業選擇這一技術?未來這一技術能否成為新趨勢?


1
模組有什么用?
 
既然說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,就是將部分相關零部件構成一個模塊,也可以理解為一個零部件集合、總成的概念。例如傳統車輛的前端散熱器模塊,電子行業也會有功能集成模塊叫做模組。在電池包這一領域,將若干電芯、導電排、采樣單元及一些必要的結構支撐部件集成在一起構成一個模塊,也叫模組。
 
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三元動力電池模組
 
早期部分動力電池包采用圓柱電芯,例如特斯拉采用7000多個電芯,果直接組裝到電池箱體內部,其裝配復雜程度會大大增加,生產效率也會非常低,因此將部分電芯進行預先集成就變得十分重要。這也是電池模組產生的重要原因之一。
 
模組的另一個優勢在于,模塊化設計后便于售后維修,可以實現單個模塊或模組的更換。
 
正如硬幣的兩面,模組的應用也不得不增加部分額外的零部件,并且模組數量越多,附加零部件就會越多。這些額外增加的零部件都會導致電池包的成本、重量上升。
 
與此類似的是特斯拉。最初特斯拉采用10多個模組,如今在Model 3上面僅用了4個大尺寸模組,大大減少了冗余部件。此外,大容量方形鋁殼電芯的應用,電芯技術革新、生產一致性提高也為去模組提供了機遇。
 
2
CTP降本、提密度優勢明顯
 
取消模組到底能產生怎樣的效果?
 
寧德時代的數據顯示,CTP電池包體積利用率提高了15%-20%,電池包零部件數量減少40%,生產效率提升了50%,電池包能量密度提升了10%-15%,可達到200Wh/kg以上大幅降低動力電池的制造成本。
 
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寧德時代CTP介紹
 
蜂巢的數據是,與傳統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%,零部件數量再減少22%
 
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蜂巢能源CTP介紹
 
僅從兩組宣傳數據,很難看出兩者技術的優劣,但兩家CTP在減少零部件、提升能量密度方面,確實表現不錯。
 
無模組的另一優勢在于,產品生產流程的簡化。蜂巢能源相關人向《電動汽車觀察家》介紹說,傳統技術是電芯通過一定框架結構構成模組,模組要進行下線檢測,然后進行存儲,轉運。如果PACK與模組不在同一廠區,還需要額外的存儲,進貨檢驗,上線檢驗等流程。這些工序過程都需要投入人力、設備、場地等資源。
 
采用無模組方案可以有效縮短產線、減少過程浪費,電芯在線堆疊在線檢測,直接放入電池箱體,大大減少流轉過程,同時減少了傳統模組的邊框焊接工藝過程。這其中,單是焊接設備就需要數百萬元。
 
3
 業內人士的幾點疑慮

在很多業內人士看來,CTP并非新技術,以前多用于磷酸鐵鋰及客車領域,由于客車電池排布空間大,磷酸鐵鋰電池的穩定性較強,應用頗為廣泛。
 
但與客車+磷酸鐵鋰的組合完全不同,此次CTP技術大多會應用在乘用車領域,大概率是三元電池。例如寧德時代與北汽新能源合作,就是采用的三元電池。正因如此,一些業內人士對這一技術也提出了幾點疑慮。
 
三元電池熱穩定性較差,如何提高安全性?
 
在某電池系統生產企業相關負責人馬先生看來,傳統電池包中,模組間存在一定距離,可以用作散熱。模組本身也有隔熱設計,對單體熱失控產生的熱流、氣流,以及噴發的導電物質采取了針對性的措施,對熱失控傳播有一定的抑制作用。CTP變成一個“大模組”,這部分空間預留會不會不夠?
 
蜂巢相關技術人員看來,散熱、隔熱好正是CTP的優勢所在。“早期模組采用磷酸鐵鋰電芯構成VDA規格長度355mm的模組,由于其穩定性較高,并未考慮預留足夠隔熱間隙;后期類似大眾MEB規格長度590mm的模組,則受限于規格影響,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付出高昂的成本。”
 
該技術人員補充道:“相對而言,CTP因為減少一些零部件可以帶來更多的空間,且其自身尺寸受到限制相對較少,因此可以獲得相對較大的間隙空間,使得材料的選擇具有更多可能,從而實現成本降低。
 
寧德時代對此的解決方案尚不清楚。不過也有相關車企電池部門負責人透露,寧德時代在電池包中也預留了一些空間,進行散熱,整體效果還可以。
 
CTP會對壽命產生影響嗎?
 
針對三元電池來說,傳統模組有預緊力(電芯循環后會膨脹,如果不束縛會影響壽命;束縛過緊,同樣壽命減少或帶來安全問題)設計來保障電池的使用壽命,而且這個預緊力是經過實驗驗證了的。CTP的多電芯集成設計,增加了預緊力設定的難度,對電芯的壽命會不會有影響?

對此,蜂巢技術人員表示,蜂巢的CTP在集成技術繼承了傳統模組的集成經驗,直接通過箱體對電芯施加一定的預緊力,同時會應用靈活的空間優勢,允許電芯適當膨脹使得集成對電芯壽命的影響得到改善,使得電池系統的壽命有所提升。
 
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蜂巢在法蘭克福參展的無模組電池包

 
售后維護成本、梯次利用難度是否會增加?
 
馬先生認為,傳統電池包內部有模組,電池產生問題時可以通過更換電池模組解決;一旦無模組電池包出現問題,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,售后成本是否會大幅增加?
 
長安汽車歐尚研究院新能源動力技術副總工程師韓鋒也表示,一般退役的動力電池,并不是所有電芯都有損壞。在傳統有模組的電池包中,只需要挑出有損壞電芯的模組,其他沒有問題的模組可以直接進行梯次利用。但是沒有模組后,剔除損壞電芯的難度增加,梯次利用就很麻煩。
 
對于上述兩個問題,不知道寧德時代是否有解決對策。不過,蜂巢能源表示,他們的CTP技術已經考慮過這個問題,一方面,他們通過嚴格的工藝控制保證電芯一致性,來降低故障率;另一方面,他們的CTP可以在一定程度上實現電芯的拆卸,以方便維修和梯次利用
 
確實,如果能對單個故障電芯做精準判定,并且單個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
能否成為發展趨勢?
 
對于業內人士的幾點疑慮,無模組電池包似乎都能找到解決方案,這種方案真的會被越來越多的主機廠接受么?
 
韓鋒坦言,對企業來說,這一技術還是具備較強吸引力的。采用這一技術的寧德時代動力電池價格不再是高高在上,能夠與第二梯隊電池企業水平持平。“對于整車企業來講,自然希望以更低價格買到更好的產品。”
 
韓鋒認為,作為主機廠,首先要考慮的就是降低成本,尤其在補貼大幅退坡的情況下,整車企業的成本壓力會直接傳遞到電池企業,電池企業肯定要有應對方案。
 
目前來看,部分電池企業給出的CTP方案,電池包大約能降低0.1/Wh。尤其在對價格要求極為苛刻的磷酸鐵鋰電池領域,這一降幅著實不少。
 
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寧德時代ctp將在eu5上使用
 
在動力鋰離子電池降低成本的過程中,出現過各種各樣的技術和路線,方式也不局限在電芯集成形式,還包括材料選用、工藝優化、標準化、大模組等例如早期A123采用過扎帶;Leaf采用過軟包集成小模塊集成大模塊再集成PACK標準VDA355mm長度的模組是國外率先推出的,大眾推出了MEB590mm長度的模組特斯拉更是搞出近2米長的超大模組。
 
CTP的動力電池包裝配的純電動汽車即將上市,哪個降本技術更好,市場應該會告訴我們答案。(完)

 
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