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动力电池无模组(ctp)技术会成为主流吗?  [复制链接]

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王凌方     电动汽车观察家
今天


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2019-10-15 10:12


宁德时代CTP电池包


动力电池系统如何降低成本?
增大电芯、结构件轻量化、提高自动化效率……
还有一个方法,取消电池模组。
在2019年德国法兰克福国际车展上,宁德时代推出了全新的CTP高集成动力电池开发平台(Cell To Pack),即电芯直接集成到电池包。
宁德时代并非国内第一个发布CTP技术的企业。早在79日,蜂巢能源就发布了该技术,此外国内还有比亚迪也在研发。

业内人士对CTP安全性、寿命、售后以及梯次利用提出了一些疑虑。不过,根据《电动汽车观察家》的了解,电池企业对上述问题也找出了应对措施。


下面我们就来详细了解下,CTP到底是怎样的技术?为什么会有那么多电池企业选择这一技术?未来这一技术能否成为新趋势?


1模组有什么用?
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。
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。例如传统车辆的前端散热器模块,电子行业也会有功能集成模块叫做模组。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。
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三元动力电池模组


早期部分动力电池包采用圆柱电芯,例如特斯拉采用7000多个电芯,果直接组装到电池箱体内部,其装配复杂程度会大大增加,生产效率也会非常低,因此将部分电芯进行预先集成就变得十分重要。这也是电池模组产生的重要原因之一。
模组的另一个优势在于,模块化设计后便于售后维修,可以实现单个模块或模组的更换。

正如硬币的两面,模组的应用也不得不增加部分额外的零部件,并且模组数量越多,附加零部件就会越多。这些额外增加的零部件都会导致电池包的成本、重量上升。

与此类似的是特斯拉。
最初特斯拉采用10多个模组,如今在Model 3上面仅用了4个大尺寸模组,大大减少了冗余部件。此外,大容量方形铝壳电芯的应用,电芯技术革新、生产一致性提高也为去模组提供了机遇。

2CTP降本、提密度优势明显
取消模组到底能产生怎样的效果?

宁德时代的数据显示,CTP电池包体积利用率提高了15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升了50%,电池包能量密度提升了10%-15%,可达到200Wh/kg以上大幅降低动力电池的制造成本。

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宁德时代CTP介绍


蜂巢的数据是,与传统590模组相比,CTP第一代减少24%的零部件,第二代成组效率提升5-10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%

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蜂巢能源CTP介绍


仅从两组宣传数据,很难看出两者技术的优劣,但两家CTP在减少零部件、提升能量密度方面,确实表现不错。
无模组的另一优势在于,产品生产流程的简化。蜂巢能源相关人向《电动汽车观察家》介绍说,传统技术是电芯通过一定框架结构构成模组,模组要进行下线检测,然后进行存储,转运。如果PACK与模组不在同一厂区,还需要额外的存储,进货检验,上线检验等流程。这些工序过程都需要投入人力、设备、场地等资源。

采用无模组方案可以有效缩短产线、减少过程浪费,电芯在线堆叠在线检测,直接放入电池箱体,大大减少流转过程,同时减少了传统模组的边框焊接工艺过程。这其中,单是焊接设备就需要数百万元。3 业内人士的几点疑虑

在很多业内人士看来,CTP并非新技术,以前多用于磷酸铁锂及客车领域,由于客车电池排布空间大,磷酸铁锂电池的稳定性较强,应用颇为广泛。

但与客车+磷酸铁锂的组合完全不同,此次CTP技术大多会应用在乘用车领域,大概率是三元电池。例如宁德时代与北汽新能源合作,就是采用的三元电池。正因如此,一些业内人士对这一技术也提出了几点疑虑。


○三元电池热稳定性较差,如何提高安全性?
在某电池系统生产企业相关负责人马先生看来,传统电池包中,模组间存在一定距离,可以用作散热。模组本身也有隔热设计,对单体热失控产生的热流、气流,以及喷发的导电物质采取了针对性的措施,对热失控传播有一定的抑制作用。CTP变成一个“大模组”,这部分空间预留会不会不够?

蜂巢相关技术人员看来,散热、隔热好正是CTP的优势所在。“早期模组采用磷酸铁锂电芯构成VDA规格长度355mm的模组,由于其稳定性较高,并未考虑预留足够隔热间隙;后期类似大众MEB规格长度590mm的模组,则受限于规格影响,电芯间的隔热缓冲材料选择就受到限制,只能寻求一些小尺寸高性能的材料,为了满足安全就得相对付出高昂的成本。”

该技术人员补充道:“相对而言,
CTP因为减少一些零部件可以带来更多的空间,且其自身尺寸受到限制相对较少,因此可以获得相对较大的间隙空间,使得材料的选择具有更多可能,从而实现成本降低。

宁德时代对此的解决方案尚不清楚。不过也有相关车企电池部门负责人透露,宁德时代在电池包中也预留了一些空间,进行散热,整体效果还可以。

CTP会对寿命产生影响吗?

针对三元电池来说,传统模组有预紧力(电芯循环后会膨胀,如果不束缚会影响寿命;束缚过紧,同样寿命减少或带来安全问题)设计来保障电池的使用寿命,而且这个预紧力是经过实验验证了的。
CTP的多电芯集成设计,增加了预紧力设定的难度,对电芯的寿命会不会有影响?

对此,蜂巢技术人员表示,蜂巢的CTP在集成技术继承了传统模组的集成经验,
直接通过箱体对电芯施加一定的预紧力,同时会应用灵活的空间优势,允许电芯适当膨胀使得集成对电芯寿命的影响得到改善,使得电池系统的寿命有所提升。

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蜂巢在法兰克福参展的无模组电池包



售后维护成本、梯次利用难度是否会增加?
马先生认为,传统电池包内部有模组,电池产生问题时可以通过更换电池模组解决;一旦无模组电池包出现问题,是不是要整包替换呢?这恐怕不是4S店可以解决的了,大概率要退回电池厂家维修,售后成本是否会大幅增加?

长安汽车欧尚研究院新能源动力技术副总工程师韩锋也表示,一般退役的动力电池,并不是所有电芯都有损坏。
在传统有模组的电池包中,只需要挑出有损坏电芯的模组,其他没有问题的模组可以直接进行梯次利用。但是没有模组后,剔除损坏电芯的难度增加,梯次利用就很麻烦。

对于上述两个问题,不知道宁德时代是否有解决对策。不过,蜂巢能源表示,他们的CTP技术已经考虑过这个问题,一方面,他们
通过严格的工艺控制保证电芯一致性,来降低故障率;另一方面,他们的CTP可以在一定程度上实现电芯的拆卸,以方便维修和梯次利用

确实,如果能对单个故障电芯做精准判定,并且单个电芯可以由一线维修人员拆解、替换,维修成本肯定比替换模组更低。
4能否成为发展趋势?
对于业内人士的几点疑虑,无模组电池包似乎都能找到解决方案,这种方案真的会被越来越多的主机厂接受么?

韩锋坦言,对企业来说,这一技术还是具备较强吸引力的。
采用这一技术的宁德时代动力电池价格不再是高高在上,能够与第二梯队电池企业水平持平。“对于整车企业来讲,自然希望以更低价格买到更好的产品。”

韩锋认为,作为主机厂,首先要考虑的就是降低成本,尤其在补贴大幅退坡的情况下,整车企业的成本压力会直接传递到电池企业,电池企业肯定要有应对方案。


目前来看,部分电池企业给出的CTP方案,电池包大约能降低0.1/Wh。尤其在对价格要求极为苛刻的磷酸铁锂电池领域,这一降幅着实不少。

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宁德时代ctp将在eu5上使用


在动力锂离子电池降低成本的过程中,出现过各种各样的技术和路线,方式也不局限在电芯集成形式,还包括材料选用、工艺优化、标准化、大模组等例如早期A123采用过扎带;Leaf采用过软包集成小模块集成大模块再集成PACK标准VDA355mm长度的模组是国外率先推出的,大众推出了MEB590mm长度的模组特斯拉更是搞出近2米长的超大模组。

CTP的动力电池包装配的纯电动汽车即将上市,哪个降本技术更好,市场应该会告诉我们答案。(完)
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