电池技术CTP和CTC专题分析报告
电池系统技术升级双头并进:CTP 结构渐成主流,CTC 蓄势待发
电池包是电动车的动力来源,最小的单元是电芯。现阶段市场中存在两种主要的结构方式 MTP(Module to Pack)和 CTP(Cell to Pack),而 CTC(Cell to Chassis)作为最新一 代电池系统技术,在特斯拉、比亚迪、零跑、宁德时代等企业的助力加持下,2022 年正在 逐渐从开发设计走向量产。
传统电池包 MTP:强度高,比能低
传统电池包 MTP 即是电池、模组成组电池包的形式,多个电芯组成一个模组,多个模组加 上 BMS、配重模块等零部件则组合成电池包。在 MTP 结构下,电芯被外部结构件充分的 保护所以结构强度好,成组难度小。电芯对于电池包的空间利用率仅为 40%,其中电芯对 模组的空间利用率为 80%,模组对电池包的空间利用率为 50%,模组的硬件费用约占电池 总成本的 15%。
早期的电池包采用传统的 MTP 技术,需要依次完成电芯→模组→电池包→车身的集成。整
车要想在有限的底盘空间尽可能装载电量,提高体积利用率,需要考虑每个集成步骤标准 化的可行性,大众率先推行模组的标准化。大众的第一个标准是 355 模组,其中 355 代表 了电池模组的毫米长度。随着对续航里程需求的提升,能够提高空间利用率的 390、590 模组被提出。单个电池模组的体积不断增大,带动了 CTP 方案的出现。
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在德国汽车工业联合会制定的标准(VDA)中定义了方形电池、圆柱电池以及软包电池对 应不同类型电动车的尺寸要求,车型包括 HEV(混合动力)、PHEV(插电式混合动力)以 及 EV(纯电动车)。这就是通常所称的 VDA 电芯,在此基础上开发的标准化模组称为 VDA 模组。目前在欧洲车厂还是以模组设计作为核心方案,国内主流动力电池为方形电池,常 见的 VDA 模组有 355、390、590 模组等。动力电池 1.0 时代采用 VDA 标准化模组,电池包开发简单,1.0 时代标准化模组结构性强, 模组通用性强,售后维修方便。但 VDA 标准化模组受限于模块化的电量和电压平台,无法 随意进行电量和电压配组,且零部件多,模组成本高。
无模组电池包 CTP:份额快速提升,渐成主流技术
CTP 相较于 MTP 省去了中间模组环节,CTP 技术是将电芯直接成组为 Pack,省去组装为
广陕高速传统模组这一步骤,先将电芯集成到电池包内,再安装到车身上,本质是为了提高能量密 度和降本。目前主要有两种思路,一是将 Pack 看成是一个完整大模组替代内部多个小模组 的结构,逐步减少端侧板等结构件的方式,以宁德时代为代表;二是设计时即考虑采用无 模组方案,以电池本身作为强度的参与件去设计,以比亚迪刀片电池为代表。
夏利n3两厢
2019 年 9 月,宁德时代全球首款 CTP 电池包量产下线,搭载于北汽 EU5。比亚迪紧随其 后,于 2020 年 3 月发布其创新技术刀片电池。此后国内外整车厂、电池厂在 CTP 技术上 各显神通,推出了不同的代表作品。
借力 LFP 电池,宁德时代与比亚迪两大动力电池巨头的 CTP 技术已经在 2021 年新能车销 量 TOP 10 中渗透了 4 成。宁德时代 CTP 配套已蔚来 ES6、小鹏 G3、小鹏 P7,还将为蔚 来 ET7、荣威 RES33 及哪吒多款今年上市或未来上市的新车型提供相关技术。比亚迪爆款 车型秦 Plus、汉 EV 和 DM-i 系列也陆续上市,2022 年计划推出不少于 20 款新车,包括汉 DM-i、秦 Plus DM-i、宋 MAX DM-i 等爆款车型的 DMi 版本,2022 年销量挑战 150 万辆。
电池底盘集成技术 CTC:量产在即,蓄势待发一汽丰田轿车
CTC 电池集成方案主要有两种,第一种是电池包底盘集成,是直接将电池包集成到底盘框架 中,从而代替地板,或者直接使用乘员舱地板作为电池的上盖,实现车身地板和底盘一体化 设计;第二种是电池单体底盘集成,是将电池单体的壳体焊接或者胶粘,连接到底盘结构上, 改变了电池的制造形式。前者可靠性高,后者集成优势明显但技术难度大且无法换电。
CTC 本质上就是底盘平台化的思路,理论上电量能在现有底盘技术上提升 5%,持续提高 汽车电气化程度。在电动车逐渐普及的 2018 年,捷威和苏州科尼普就这个技术有专利布局。20 年 8 月宁德时代提出 CTC 的方案,让电动车行业将目光聚焦在这个概念上;在随后 9 月的 Tesla 电池日上对这一技术的强调,将这一产品的热度推向高潮,并预计在 2022 年实 现量产。国内方面,新势力零跑 C01将领先特斯拉成为首款搭载 CTC电池技术的量产车型, C01 在今年 5 月 10 日首发并开启预售,预计 8 月上市。而 Telsa 今年也将推出由一体化冲 压车身+CTC 结构的新款 model Y,CTC 的量产蓄势待发。
比亚迪汉发布会
重点企业分析
传统的 MTP 电池模组堆叠技术,需要首先将数个方形电池组合形成模组,然后再将多个模
组安装后形成电池包。由于安全和稳定的要求,每个模组都由金属外壳保护,并配套装有 散热风扇,散热通道、绝缘绝热装置等,在电池包中,也需要安装多个额外模块,大量使 用螺钉等连接件。大幅降低了动力电池整体的能量密度,提高了单位电量所需成本。
CTP 的公司进展和专利布局 CTP 方案直接将单体电芯组成一个或几个阵列(模组),安装到电池包中,大幅减少了模组 的数量,免去了先形成模组再安装成电池包的过程和其中的成本,形成电池包后可安装至 新能源汽车上。使用 CTP 技术后,提高了电池包的空间利用率,提升了体积能量密度,减 少了不必要的模组零部件,但对技术能力的要求提高,安全性能不如模组叠加的组合方式。
特斯拉,纵向大模组
早期车型电池模组均以横向排布为主,模组多,空间利用率低。而 2016 年出厂的 model 3 完全改变了之前的电池包结构,将布局改成了纵向大模组,整车只有四个动力电池模组, 利用长条状大模组挑战电池包的可用空间。特斯拉 model 3 的成功应用证明了大模组或无 模组电池包的可行性。
里程
宁德时代,大模组方案
宁德时代的 CTP 方案采用了多个长凹槽,相邻的长凹槽通过隔板热隔离,将电池安装在凹 槽中形成大模组并固定。同时通过固定连接部将电芯阵列固定连接,提高了电池包的强度, 进而使得电池包更好的固定在汽车底部,提高整体稳定性。2022 年 5 月 5 日,宁德时代董事长曾毓在业绩发布会上称,计划今年第二季度正式发布 麒麟电池。麒麟电池为宁德时代的第三代 CTP(高效成组)技术,在同样的电化学体系下, 麒麟电池比大圆柱电池的能量密度高 13%。
比亚迪,“刀片电池”无模组方案
比亚迪的另一种 CTP 方案通过简化电池模组来组成动力电池包。首先将单体电芯串联安置 在简化的电池模组中,电池模组结构包括冷却液通道且长度跟电池包相对应。然后将简单 模组放置在动力电池包中。比亚迪发明刀片电芯用于其 CTP 方案,与传统方形电芯相比, 明显变长变薄,这些刀片电芯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。刀片电芯相对散热面积大,随着厚度的减小,工作时电芯和 pack 温度的增量会随之 降低,对电池的散热性能显著改善。