一、Pack結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于動(dòng)力電池成本降低

(一)Pack結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)降低電池成本有較大空間

1、從電芯(Cell)到模組(Module)再到電池包(Package)，電池pack基本情況介紹

通過大量公開信息，我們可以知道新能源汽車中動(dòng)力電池包是單體電芯(cell)通過串并聯(lián)組合之后，外加一些管理、冷卻系統(tǒng)后，形成的驅(qū)動(dòng)汽車行駛的能源儲(chǔ)存單元。在當(dāng)前主流的電池包結(jié)構(gòu)中，一款新能源汽車動(dòng)力電池包主要由電池包→電池模組→電芯三個(gè)層級(jí)構(gòu)成。

電池通過模組形式安裝于電池包中，其物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用，方便對(duì)電芯進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度，電性能，熱性能和故障處理等方面管理。

在動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)過程中，需要考慮結(jié)構(gòu)電氣系統(tǒng)安全可維護(hù)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)耐久有效，電池包結(jié)構(gòu)防塵/防水設(shè)計(jì)、電池安全失效泄壓及應(yīng)急處理等等，所以在主流車企在最初進(jìn)入該領(lǐng)域積累設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)時(shí)，均會(huì)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能情況下，預(yù)留一定的冗余空間。此過程，自然在推高動(dòng)力電池包BOM成本同時(shí)，降低電池包的能量密度和使用性能。

2、電池Pack加工環(huán)節(jié)成本占比大，具有降低空間

在行業(yè)早期進(jìn)行電池包設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，圓柱電芯的模組成組效率約為87%，系統(tǒng)成組效率約為65%;軟包電芯模組成組效率約為85%，系統(tǒng)成組效率約為60%;方形電芯的模組成組效率約為89%，系統(tǒng)成組效率約為70%。雖然之后經(jīng)過數(shù)代的方案迭代，逐步提高了模組和系統(tǒng)的電芯成組效率，但是由于其在動(dòng)力電池成本絕對(duì)值中依然占有較大比例，所以該環(huán)節(jié)持續(xù)推進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)降低動(dòng)力電池成本依然有重要意義。

(二)新能源商用車電池Pack結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升能量密度并降低成本當(dāng)前國(guó)內(nèi)新能源大巴車由于技術(shù)指標(biāo)要求，考慮到動(dòng)力電池安全性和成本因素，主流車企以磷酸鐵鋰技術(shù)路線為主要技術(shù)路線。

當(dāng)我們知道，磷酸鐵鋰本身由于存在能量密度較低的瓶頸，但在過去技術(shù)升級(jí)中，商用車動(dòng)力電池能量密度依然得到提升，同時(shí)成本也持續(xù)降低。其背后，一方面是電池材料體系持續(xù)發(fā)生的漸進(jìn)式進(jìn)步(磷酸鐵鋰改性、降低銅鋁箔/隔膜厚度等)，另外一方面也是通過動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級(jí)實(shí)現(xiàn)。

以寧德時(shí)代為代表的動(dòng)力電池生產(chǎn)商，自2013年國(guó)內(nèi)新能源商用車逐漸形成市場(chǎng)規(guī)模之后，也在通過電芯(提升單體電芯容量)和模組結(jié)構(gòu)迭代(如combo模組集成技術(shù))和電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)推動(dòng)鐵鋰電池包能量密度提升，和制造成本的降低。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，其大巴車動(dòng)力電池包的成組效率從早期72%提升至90%左右水平。與此同時(shí)，以宇通客車為代表的國(guó)內(nèi)一流電動(dòng)大巴車生產(chǎn)商，也通過大量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和漸進(jìn)式的電池包技術(shù)優(yōu)化，積累了豐富的電池pack經(jīng)驗(yàn)，在新能源商用車電池包少模組設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

(三)新能源乘用車電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化已在路上

日產(chǎn)LEAF(聆風(fēng))，作為一款2010年上市之后經(jīng)過數(shù)代產(chǎn)品迭代并經(jīng)久不衰的產(chǎn)品，目前在全球已經(jīng)有超過45萬(wàn)輛銷售規(guī)模(截止到2019年底)。早期LEAF上市之時(shí)，采用初代電池包技術(shù)，帶電24Kwh，續(xù)航里程只有140km左右。2015年，日產(chǎn)在歐洲和美國(guó)發(fā)布了30kwh電池包容量的升級(jí)版本，單車?yán)m(xù)航里程提升至170km左右。2017年10月，日產(chǎn)推出第二代LEAF，搭載40Kwh容量電池包，單車?yán)m(xù)航提升至240km。2018年7月，日產(chǎn)發(fā)布LEAF NISMO的官方圖片，該車將搭載60kwh電池，續(xù)航里程提升至360km。

從全球銷量來(lái)看，日產(chǎn)LEAF過去5年每年能夠穩(wěn)定在4萬(wàn)臺(tái)左右全球銷量規(guī)模，憑借其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品質(zhì)量、便捷的操控和低碳環(huán)保的能耗，在日本、英國(guó)和美國(guó)受到廣泛歡迎。

從電池包結(jié)構(gòu)角度看，LEAF也在通過電芯容量提升，及電池Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的迭代，來(lái)實(shí)現(xiàn)電池包容量，和成組效率提升。

二、從少模組到無(wú)模組，乘用車電池包設(shè)計(jì)正迎來(lái)新變化

(一)從補(bǔ)貼退坡到市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，倒逼動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)自2016年以來(lái)，國(guó)家新能源汽車補(bǔ)貼的退坡和技術(shù)升級(jí)，一直是倒逼產(chǎn)業(yè)快速進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，降本增效的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。隨著補(bǔ)貼逐步退去，新能源汽車行業(yè)迎接與燃油車的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，能否持續(xù)改善電池包性能降低電池包成本，或?qū)⒊蔀椴煌嚻竽芊窭^續(xù)保持快速發(fā)展順利完成汽車電氣化智能化升級(jí)的關(guān)鍵。

(二)2020年即將量產(chǎn)的比亞迪的“刀片電池”技術(shù)和寧德時(shí)代的“CTP”電池技術(shù)在國(guó)內(nèi)降低電池包模組優(yōu)化pack設(shè)計(jì)的各個(gè)方案中，比亞迪提出的“刀片電池”結(jié)構(gòu)和寧德時(shí)代提出的“CTP”結(jié)構(gòu)具有廣泛知名度，兩家企業(yè)率先將這種新型的電池包設(shè)計(jì)應(yīng)用于磷酸鐵鋰電池推廣，在降本增效方面體現(xiàn)出明顯的改善。

1、比亞迪推出刀片電池技術(shù)

在2020年1月組織的百人會(huì)上，比亞迪董事長(zhǎng)兼總裁王傳福表示比亞迪新開發(fā)的“刀片電池”是將首次搭載于2020年推出的全新系列車型“漢”，有望在6月正式上市。根據(jù)王傳福董事長(zhǎng)介紹，“刀片電池”是新一代磷酸鐵鋰電池，在體積比能量密度上比傳統(tǒng)鐵電池提升了50%，電池成本降低30%。

通過公開資料發(fā)現(xiàn)，比亞迪提出的“刀片電池”的電芯結(jié)構(gòu)，較以往方形電池電芯長(zhǎng)度更長(zhǎng)(800mm左右)，厚度降低20mm，在電池包中并排側(cè)立放入(電芯之間導(dǎo)熱絕緣)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加電芯散熱面積，便于電池包熱管理，或節(jié)省空間提高電池能量密度同時(shí)，將有利于安全性能的提升。另外電芯結(jié)構(gòu)變化使得pack設(shè)計(jì)方案迭代，降低零部件使用量，從而降低電池pack成本。由于“刀片電池”在電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與以往差別明顯，比亞迪標(biāo)識(shí)后續(xù)將新建產(chǎn)能以滿足該電池設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)車型的生產(chǎn)需求(刀片電池生產(chǎn)工廠定于重慶)。

2、寧德時(shí)代即將量產(chǎn)CTP電池技術(shù)

寧德時(shí)代2019年在德國(guó)法蘭克福車展發(fā)布CTP(Cell To Pack)技術(shù)(又名無(wú)模組方案)，根據(jù)寧德時(shí)代披露的信息，該解決方案對(duì)于提高電池質(zhì)量密度和體積能量密度，效用明顯，并大幅降低動(dòng)力電池的制造成本。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)北汽新能源(EU5)、蔚來(lái)汽車(ES6)、威馬汽車、哪吒汽車等已官方表示2020年上市車型將采用CTP技術(shù)的電池包技術(shù)。對(duì)于能夠快速減低成本并提高電池包能量密度的解決方案，部分車企已呈現(xiàn)開放態(tài)度。

根據(jù)行業(yè)媒體披露的電池專利圖可以看到，寧德時(shí)代CTP結(jié)構(gòu)電池包中，電芯和電池管理系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)，以及電芯與電池包殼體結(jié)構(gòu)(壓力和溫度傳感器放置)出現(xiàn)變化。此設(shè)計(jì)易于電池散熱處理，不采購(gòu)模組結(jié)構(gòu)降低裝配難度提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也便于電芯維護(hù)管理。

(三)特斯拉Pack結(jié)構(gòu)的持續(xù)迭代我們知道，特斯拉早年的發(fā)展，就是憑借石破天驚的電池pack系統(tǒng)設(shè)計(jì)，管理了世人從未設(shè)想過能夠用于汽車動(dòng)力電池的鈷酸鋰圓柱電池(Rodaster)，開啟了一路狂飆的電動(dòng)汽車成長(zhǎng)之旅。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前已經(jīng)量產(chǎn)的特斯拉Model S和Model 3在電池包設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)進(jìn)行了新的迭代(除了使用21700圓柱電芯替代了原來(lái)的18650圓柱電芯)，根據(jù)特斯拉介紹，新的電池系統(tǒng)相較之前能量密度提升20%以上，單體容量提升35%，系統(tǒng)成本降低10%左右。

特斯拉已具備管理單體模組上千只21700圓柱電池能力，同時(shí)Model 3的pack設(shè)計(jì)相較Model S在模組設(shè)計(jì)方面已大幅優(yōu)化。而考慮到特斯拉與松下的合作關(guān)系，特斯拉試圖在5.1Ah容量基礎(chǔ)上尋找到容量更高且品控滿足要求的產(chǎn)品已具有相當(dāng)難度。而同樣具備方形結(jié)構(gòu)性能的方形電池，單體電芯容量可達(dá)到幾十甚至上百Ah，所以我們認(rèn)為未來(lái)隨著特斯拉電池pack結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，使用方形電池替代圓柱電池來(lái)降低成本提升效率，將成為大概率事件。這對(duì)于國(guó)內(nèi)擅長(zhǎng)于方形電芯制造并處于全球領(lǐng)先地位的動(dòng)力電池生產(chǎn)商來(lái)說，則帶來(lái)重大機(jī)遇。

三、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，將加劇動(dòng)力電池行業(yè)集中度再次提升

(一)電池包設(shè)計(jì)優(yōu)化，拓展鐵鋰動(dòng)力電池應(yīng)用空間，也同樣利于三元材料電池成本降低

我們知道，鐵鋰電池作為國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期占比最高的動(dòng)力電池類型，在商用車領(lǐng)域一直占據(jù)穩(wěn)定的行業(yè)地位。但是在國(guó)家補(bǔ)貼和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷倒逼動(dòng)力電池能力密度提升背景下，過去5年鐵鋰電池在新能源乘用車領(lǐng)域的市場(chǎng)份額被三元材料鋰電池所替代。隨著國(guó)家補(bǔ)貼逐漸退出，國(guó)內(nèi)的新能源汽車整車生產(chǎn)商對(duì)于動(dòng)力電池技術(shù)路線將逐步回歸以市場(chǎng)需求為主導(dǎo)，磷酸鐵鋰電池體現(xiàn)出的高性價(jià)比特征，在價(jià)格敏感的新能源汽車市場(chǎng)再次體現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)力。

與此同時(shí)，比亞迪將磷酸鐵鋰正極制成的“刀片電池”應(yīng)用于2020年全新車型“漢”，則賦予了磷酸鐵鋰高端化車型應(yīng)用新的變化。根據(jù)行業(yè)信息，磷酸鐵鋰正極材料除了具備一定改性空間(磷酸錳鐵鋰)以外，電芯結(jié)構(gòu)借鑒軟包電池工藝(疊片工藝、電池極耳設(shè)計(jì)等)進(jìn)行升級(jí)等，對(duì)于磷酸鐵鋰電芯能量密度、充放電性能及循環(huán)壽命等方面均有改善。再加上電池pack設(shè)計(jì)優(yōu)化，裝載磷酸鐵鋰電池的比亞迪“漢”，能夠?qū)崿F(xiàn)2.9秒的百公里加速，和600公里續(xù)航能力。定位于中高端車型的比亞迪“漢”，也同時(shí)拓展了磷酸鐵鋰電池的車型級(jí)別應(yīng)用空間。

另外，如前文所述，采用三元材料鋰電池的日常LEAF也通過近10年3代電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電池包能量密度和成組效率提升。特斯拉的Model S和Model 3的電池包比較，也可以看到提升對(duì)電池管理能力，降低對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的硬件冗余設(shè)計(jì)，是當(dāng)前車企在電池包成本優(yōu)化性能提升的殊途同歸之策。

另外，2019年12月28日，蔚來(lái)汽車創(chuàng)始人李斌表示，蔚來(lái)汽車未來(lái)推出的100kwh電池包，將采用寧德時(shí)代CTP電池技術(shù)(早期采用811三元鋰電，將電池包電量從70kwh提升至84kwh)。而威馬汽車采用CTP技術(shù)將電芯集成到電池包，將使得威馬汽車綜合續(xù)航里程提升至700km。我們可以明顯的看到，少模組及無(wú)模組的電池包解決方案，國(guó)內(nèi)車企在2020年也將使用于三元鋰電，實(shí)現(xiàn)電池包綜合性能的不斷提升。

(二)降低安裝成本增加維護(hù)難度，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)提出更高要求：加劇行業(yè)集中度提升

我們知道，隨著一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)集成化程度加深，這將加大該系統(tǒng)后期使用過程中運(yùn)維難度。所以對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)，當(dāng)車企考慮成本降低通過少模組或無(wú)模組解決方案提高了電池包集成度，那么對(duì)于電池包品質(zhì)，特別是組成電池包的電芯單元，提出更高要求：不單單需要滿足能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，同時(shí)要具備上規(guī)模商業(yè)化推廣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。所以在這樣背景下，使得車企在動(dòng)力電池生產(chǎn)商選擇門檻提升，同時(shí)為車企本身打造的高集成度電池包系統(tǒng)建立產(chǎn)品護(hù)城河。

在從電芯集成為模組最后形成電池包的過程中，模組這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，就是便于電池在后期使用過程中以“模組”為單元對(duì)故障電池進(jìn)行維護(hù)，可以降低電池包的維護(hù)成本。但是如果電池走向少模組或者無(wú)模組解決方案之后，電芯再出現(xiàn)故障，那么按照以往處理方式，拆除更換單個(gè)模組涉及的電芯數(shù)量就會(huì)變多(甚至是整個(gè)電池包)，這將大大增加電池后期維修成本。所以如何降低電池故障率，提高電池品質(zhì)質(zhì)量，就成為車企選擇動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。而考慮到后期高昂的供應(yīng)商更換成本，我們認(rèn)為該技術(shù)路線將加劇動(dòng)力電池行業(yè)集中度提升。

(三)電池包少模組方案或?qū)⒓觿》叫坞姵卦谌騽?dòng)力電池市場(chǎng)份額提升

當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池依然是圓柱、方形、軟包三類電芯三分天下。相比于特斯拉采用圓柱電池解決方案的與眾不同，方形電芯和軟包電池在全球其他主流車企和造車新勢(shì)力中有更廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，還沒有足夠的證據(jù)來(lái)說明最終三種技術(shù)路線是否會(huì)被其中一種一統(tǒng)天下，因?yàn)楦黝愲姵卦诋?dāng)前的鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段，均具有橫向比較性的優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)。但是考慮到電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要思路，是降低電池包冗余零部件使用量，那么圓柱電池和方形電池的金屬外殼(鋼殼或者鋁殼)，本身所具備的機(jī)械強(qiáng)度，可減少模組支撐結(jié)構(gòu)件的使用量，也便于電池pack加工難度的降低，軟包電芯需要借助模組來(lái)形成機(jī)械強(qiáng)度的設(shè)計(jì)就顯出一定劣勢(shì)。而方形電池在單體電芯容量較圓柱電池優(yōu)勢(shì)明顯，且其方形物理尺寸持續(xù)較圓形尺寸能夠使得pack系統(tǒng)成組效率更高，所以如果無(wú)模組或少模組解決方案被越來(lái)越多車企認(rèn)同接受，或?qū)⒓觿》叫坞姵厥袌?chǎng)份額的提升。這只是一直可能演進(jìn)方向的猜想，后續(xù)可持續(xù)保持跟蹤。

全球方形電池代表企業(yè)：寧德時(shí)代、比亞迪、三星SDI等;軟包電池代表企業(yè)：LG、SKI、AESC;圓柱電池代表企業(yè)：松下、LG、三星SDI等。所以未來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)路線的比較，或?qū)⒅衅诰S度影響各類企業(yè)市場(chǎng)份額的變化。