CTP电池封装技术解析:宁德时代和比亚迪刀片电池有何优劣

2024-06-23 00:40

1. CTP电池封装技术解析:宁德时代和比亚迪刀片电池有何优劣

随着补贴政策退坡,车企和电池生产商都不得不在成本控制上再下功夫,包括贵金属材料成本、研发和制造成本的降低,会大幅减轻整车的规划压力,一方面给品质提升预留更大空间,一方面保持价格优势,提升整体性价比,国产特斯拉在售价跌破 30 万大关后引来大批消费者关注就是最好的例子。

采用全新 CTP 技术的无模组电池包,相较于目前市场上的传统电池包,在成本上,CTP 电池包体积利用率提高了 15%-20%,零部件数量减少 40%,生产效率提升了 50%,投入应用后将大幅降低动力电池的制造成本,能量密度也上升到 200Wh/kg 以上。
CTP(Cell To Pack)是什么?
作为消费者,大部分人都不乐于钻研如此深的硬核技术,用大家最容易理解的话形容 CTP——简化包装,降低成本。以运输鸡蛋为例,假设以前的运输方式每 20 颗鸡蛋用一个礼盒包装从 A 点运送到 B 点,CTP 技术则化繁为简,每 1000 个鸡蛋装一箱甚至一整车鸡蛋只用一个箱子打包,从 A 点运输至 B 点,从而节省包装成本与运输重量。显然,如此包装产生的安全性和因运输而损坏的鸡蛋排查便利性都大大降低,这也是 CTP 的优势与缺陷。带着这样的概念下文具体介绍到底什么叫 CTP 技术。


一般电动汽车上搭载的电池包,由电芯(Cell)组装成为模组(Module),再把模组安装到电池包(Pack)里,形成了“电芯(Cell)——模组(Module)——电池包(Pack)”的三级装配模式。而 CTP,即 Cell to PACK,是电芯直接集成为电池包,从而省去了中间模组环节。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。

什么是模组?
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。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。去掉模组后,其关联的高压线缆、通讯线缆、冷却/预热循环管路、BMS 监测模块、温度传感器、电流传感器等设备,都要进行相应的改进或重新布设。宁德时代 CTP 技术路线基于高镍三元锂架构,其核心是减少了模组数量,直接由多个大容量电芯组成标准化电池包,再灵活堆叠组成更大的电池模块,适应不同车款的储能需要。目前 CTP 有两种技术路线,一种是以大模组替代小模组的方式,另一种采用完全无模组方式。

Model 3 是由四个长度约 2 米的大模组组成,而之前特斯拉 Model S 的模组为 16 个
以大模组替代之前小模组把之前的小模组去掉侧板,用扎带连接起来,把模组做大,实际上,特斯拉 Model 3 所采用的基于 21700 集成化大模组已经展现出了这种趋势的效果,相对此前 Model 3 仅电池成本就降低了 35%。
大模组方案——宁德时代 CTP
其主要亮点是在模组与模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起,同时套筒下有固定装置与整车相连,这样整个模组简化了结构,也实现了轻量化。

宁德时代专利
如图一至图四所示,每个电池模组 11 均包括框架 111 和容置于框架 111 内的多个电池单体 112,相邻的框架 111 之间固定设置有上述套筒 12,该套筒 12 具有用于穿设固定件的通道 124,固定件穿过上述通道 124,组装成电池包 1,随后在安装梁 13 作用下,固定于整车内。

图一

图二

图三

图四
从以上分析可以看到,CTP 并不是很先进的技术,无非就是采用大电芯和大模组,主要对电池包内部的连接进行结构上的优化,省去了中间过程的零部件,从而简化装配工艺和流程。宁德时代 CTP 电池单体电芯容量从最初的 50Ah 到现在的超过 200Ah,大大减少了壳体的占比。
其优势主要有三点:第一,CTP 电池包因为没有标准模组限制,可以用在不同车型上,使用广泛;第二,减少内部结构组建,CTP 电池包能提高体积利用率,系统能量密度也间接提升;第三,其散热效果要高于目前小模组电池包。
宁德时代 CTP 电池技术与 811 高镍电芯结合,将会用更高的能量密度获得更好的续航里程,据宁德时代目前公开的资料显示,CTP 电池组仍然会采用方壳封装,考虑到目前高镍电池的稳定性,这种封装是比较好的选择。
无模组方案——比亚迪刀片电 
比亚迪的"刀片"电池则基于其所擅长的磷酸铁锂技术,采用自家研发的长度大于 0.6 米的大电芯,电池单体同样向大容量进化,但电芯形状更加扁平、窄小(长边可以定制变化,单体最大稳定长度可以达到 2100mm),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,这也是大家称之为“刀片电池”的原因。

比亚迪披露的专利
我们大胆猜测“刀片电池”从一开始就考虑到自家产品的多规格适应性需求。"刀片"的窄边做得尽量小,意味着垂直高度更容易适应高底盘和低底盘车型。未来或许会基于此开发超薄底盘的多功能车,让用户获得更多的使用空间以及更大的电池容量,该方案相应的提升动力电池总成的能量密度同时,可以获得更好的电芯散热/预热设定,在复杂工况充放电模式下电芯温度差可以控制在 1℃。
最新车型比亚迪汉即将搭载的正是这款“刀片电池”,体积比能量增加 50%,成本下降 30%,续航里程达到 605km。比亚迪 CTP 电池技术与磷酸铁锂电芯结合,将会带来更好的耐温性同时也降获得稳定的续航里程,成本的减少也将为车辆带来更强的竞争力或是更好的利润空间。

由于比亚迪早期的技术布局押宝在磷酸铁锂上,这也是“刀片电池”采用磷酸铁锂的重要原因之一,磷酸铁锂电池不需要钴金属,对比三元锂电池,成本更低,目前市面磷酸铁锂电池售价 0.65元/wh,远低于三元电池 0.85元/wh。当然押宝磷酸铁锂的原因并不是因为它更便宜,反而是因为其安全性高、循环寿命长等重要优势,借助刀片电池的封装优势,进一步减少了磷酸铁锂能量密度低的弱点。
磷酸铁锂电池优点:
(1) 能量密度高:标称电压为 3.2V,能量密度是铅酸电池的 4 倍左右,体积小、重量轻;
(2)安全性强:磷酸铁锂正极材料有良好的电化学性能,充放电平台平稳,充放电过程结构稳定;
(3)高温性能好:外部温度 55℃ 时电池正常工作;
(4)高功率输出:标准放电为 0.2C、可 3C 充放;
(5)长循环寿命:常温 1C 充放电,单体经 2000 次循环后容量仍大于 80%;
(6)环保:整个生产过程清洁无毒,所有原料都无毒。
CTP 封装耐受力变差了吗?
由于去除或简化模组,电芯直接固定在动力电池总成内部,就要进行必要的结构加强,已获得碰撞过程中的被动安全设定。也正是因为去除了模组,动力电池总成的自重将会不同程度的降低。

对于长期使用的私家车而言,普遍采用非承载式车身,没有大梁,电池结构还需要能够承受车身反复形变带来的长时间应力变化。电池模块作为底盘上的核心部件以及受力部件,必须考虑结构强度以适应汽车复杂的使用场景。侧向碰撞的抵御能力是最显而易见的需求,厂家通常会对电池包外壳的结构和材料运用以提升这方面能力。

电池包受扭转力仿真模型图
通过结构分析,我们可以看到,宁德时代 CTP 技术因为考虑到体积封装效率的最大化,大模组之间的连接可靠性更容易受到对角线反复切应力的影响,对于高压线束和冷却系统的连接挑战比较大,值得一提的是,宁德时代申请的电池包专利取消了现有技术中的电池箱体,直接将电池模组通过固定件穿过套筒或者利用安装梁直接装在整车内,在实现电池包轻量化的同时,也提高了电池包在整车的连接强度。

比亚迪电池包安装位置
而比亚迪"刀片"电池实际上仍然保留了模组封装和电池包封装的整体构型,同时从专利图可见,其电池包封装将有可能根据车型需要,预留形变空间,避免超薄大电芯直接受力。从结构耐久性上看,比亚迪刀片电池封装更容易做出可靠的产品。

不过,这样的保险结构也会带来其他问题,从工信部公布的比亚迪汉电池功率密度来看,只有 140Wh/kg,这个数据是什么概念?放在 2019 年是中等甚至偏下的水平,来到 2020 年则仅仅是入门水平,如果未来比亚迪可以把该技术进一步优化,将磷酸铁锂电池能量密度提升至 200Wh/kg 甚至更高的话,三元锂电池恐怕只能通过进一步提高能量密度以及获得更多市场份额。
阻止 CTP 成为“大哥”的拦路虎
CTP 虽然有着如上显示的诸多优势,但是取消模组环节,也会带来很多风险。CTP 对电芯一致性的要求更高,电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差两个问题需要在整个电池包层面进行考量。

最为重要的是一旦单个电芯发生故障,就会涉及到更换整个电池包,而不是之前只需更换某一个模组,维修成本会大幅增加。这也是特斯拉电池饱受大家诟病的痛点之一——维修成本过高,买此种类型电池的车主要着重关心一下相关保险的细则,以免一次事故就让整台车“丧命”。
CTP 是电池技术的另一个风口?
能量密度提升是最能让电动汽车爱好者兴奋的消息,毕竟能量密度的上升可以实实在在的解决电动车身上最大的痛点。想象一下,当市面上的电动车都可以轻松做到 700km 续航时,大家对待电动车和汽油车的态度是否会有 180° 大转变?正因此,大家对于 CTP 都甚为关注,看完此文你大概也会发现,其实 CTP 技术背后本质上是电池厂商和车企的博弈,该技术的优点和缺点都是非常明显的。根据目前已知信息,北汽新能源的 EU5 后续会搭载采用 CTP 技术的电池包。

如今电池厂商做模组并非强赢利点,并且大多数车企自己可以做模组,例如华晨宝马、北京奔驰、通用汽车等,反而做 PACK 才是可行的出路。而电池厂商只有转变为 CTP 方案,之后才有机会去做整个 PACK,CTP 因此也被打包和宣传为动力电池的下一个风口。
编辑总结?/
不知道通过此篇文章您看懂 CTP “套路”了吗?正如双离合+TIS 被打包宣传成黄金动力组合动力强油耗低,但它没有说其可靠性一般维修成本高且并不适合中国拥堵路况的弊端,CTP 技术的确可以较为明显的提升电池能量密度,但是也的确存在着相对不稳定的硬伤。作为消费者,你可以选择做第一个吃螃蟹的人,从中获得一些与众不同的体验,也可以选择保守观望。
本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

CTP电池封装技术解析:宁德时代和比亚迪刀片电池有何优劣

2. 宁德时代的CTP电池技术,和比亚迪刀片电池的差别?


3. 宁德时代CTP技术和比亚迪的刀片电池究竟孰优孰劣?

对于目前不断发展的纯电动汽车来说,动力电池的重要性不言而喻。根据成本分析,目前纯电动汽车所搭载的动力电池占整车成本的约30%~40%,而且动力电池技术水平的高低也影响续航表现,进而影响消费者的用车便捷性。而在我国的动力电池生产厂商中,宁德时代和比亚迪算是排名较为靠前,而近期宁德时代更是推出了CTP技术,比亚迪也推出了刀片电池。那么宁德时代CTP和比亚迪刀片电池究竟孰优孰劣?

CTP技术和刀片电池分别是什么?各自又有什么优势?
和传统电池包采用单体到模组再到电池包的成组方式不同的是,宁德时代的CTP技术是直接将电池模组省去,将电芯集成到电池包上,从而提升了电池包的空间利用率,减轻了电池包重量,也提升了能量密度和降低了生产成本。

而比亚迪的刀片电池是将电芯进行扁平化的设计,根据比亚迪专利显示,刀片电池长度最长可以达到2500mm,是传统磷酸铁锂电池的10倍以上,这样也就可以提升电芯的重组效率,从而提高电池包的能量密度。

所以由此不难看出,CTP技术和刀片电池都可以在一定程度上提高电池的能量密度,降低生产成本。但是比亚迪的刀片电池在降低生产成本和提升能量密度的同时也增加了稳定性。另外,目前的刀片电池是普通磷酸铁锂电池的升级,稳定性要高于一般的三元锂电池。
CTP技术和刀片电池孰优孰劣?
其实从两者优势上来看,均比现在使用的普通锂电池在技术层面上有所提高,但都是结构上的变化,未涉及到材料方面的革新。所以虽然短期内可以提高电池的竞争力,但是从长远来看对于缓解纯电动汽车存在的里程焦虑作用不大。

另外,这两种技术相比宁德时代是在102Ah、150Ah电芯成本不变的基础上,利用CTP技术实现系统降成本,完全参与到整个电池包的设计过程,而比亚迪的刀片电池则为自主设计开发,具有完善的知识产权,相对来说技术创新性更强。而且从理论上来看,刀片电池不仅仅适用于磷酸铁锂电池,三元锂电池也可以采用。
总结:所以从目前来看,CTP技术和刀片电池各有优缺点。不过整体上刀片电池主要是磷酸铁锂电池,稳定性相对较高,而CTP技术还需要进行评估。
本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

宁德时代CTP技术和比亚迪的刀片电池究竟孰优孰劣?

4. 深度好文:刀锋之战!宁德时代CTP与"刀片"电池的构型浅析

很显然,在政策与成本竞争的双重倒逼作用下,新能源技术需要不断向低成本、模块化和标准化演进。而"技术成本"的下降在此时绝非坏事,包括贵金属材料成本、研发和制造成本的降低,会大幅减轻整车的规划压力,一方面给品质提升预留更大空间,一方面保持价格优势,提升整体性价比。
实际上,特斯拉Model 3所采用的基于21700集成化大模组已经展现出了这种趋势的效果,相对此前Model 3仅电池成本就降低了35%,这在很大程度上帮助Model 3成为全球市场的重磅炸弹。

而作为国内新能源技术的输出者,宁德时代和比亚迪都已经在这股趋势之上,发布了自己的电池集成化技术。宁德时代CTP(Cell To Pack)技术路线基于高镍三元锂架构,其核心是减少了模组数量,直接由多个大容量电芯组成标准化电池包,再灵活堆叠组成更大的电池模块,适应不同车款的储能需要。而比亚迪的"刀片"电池则基于其所擅长的磷酸铁锂技术,电池单体同样向大容量进化,但电芯形状更加扁平、窄小(长边可以定制变化,单体最大稳定长度可以达到2100mm),因此形象化的取名"刀片"。多个"刀片"捆扎形成电池包模块,通过少数几个大模组的组合成电池模块。

两种技术状态在减少模组结构、提升封装效率上可以说是殊途同归的,大幅减少单体连接线束以及相关的流程工艺成本,大幅度提高成组效率(能量密度),不过从应用角度来看,还是能发现一些区别。
作为布置在车底的大质量单体部件,电池模块必须考虑结构强度对于复杂用车环境的适应性。侧向碰撞的抵御能力是最显而易见的需求,而往往厂家通过电池包外壳的结构和材料运用提升这一方面的能力。不过,对于长期使用的私家车而言,普遍采用非承载式车身,没有大梁,电池结构还需要能够承受车身反复形变带来的长时间应力变化。

通过结构分析,我们可以看到,宁德时代CTP技术因为考虑到体积封装效率的最大化,大模组之间的连接可靠性更容易受到对角线反复切应力的影响,对于高压线束和冷却系统的连接挑战比较大,长期使用的可靠性有待验证。而比亚迪"刀片"电池实际上仍然保留了模组封装和电池包封装的整体构型,同时从专利图可见,其电池包封装将有可能根据车型需要,预留形变空间,避免超薄大电芯直接受力。从结构耐久性上看,比亚迪刀片电池封装更容易做出可靠的产品。

不过,这样的保险结构也会带来其他问题,从目前公布的数据来看,比亚迪采用体积功率密度作为衡量指标,而没有公布大家已经普遍使用的重量功率密度数据,可以猜想其结构重量叠加铁电池本身的比能不高效果,导致其在工信部标准测量平台上重量功率密度并没有显著突破,根据之前的信息预计,刀片电池成包重量功率密度可能达到180Wh/kg左右,处于目前的主流水平。
从结构匹配性上来看。宁德时代作为单一的电池和相关技术供应商,需要面对更多产品配型的考虑。不过,从目前的专利细节上看,CTP大模组的高度是不可改变(而且并不够轻薄),同时需要配套配型外壳,以适配安装在不同的车型上。这样的结构需要整车厂家在产品规划上相应作出调整,而比较困难的问题在于目前还没有大规模销量作为开发的支撑,厂家针对单一电池供应商的配型需要做设计调整风险是非常大的。这可能也是其呼声大,但真正计划投产少的原因之一(目前已知北汽确定将会装车投产)。

作为自己就生产新能源汽车的比亚迪来说,"刀片"电池可能从一开始就考虑到了自家产品的多规格适应性需求。"刀片"的窄边做得尽量小,这就意味着在垂直高度上可以更容易适应高底盘和低底盘车型的需要。而在未来,更可以基于此开发超薄底盘的多功能车,让用户的使用空间更多,挖掘新能源车的优势。同时,我们也看到,这种超薄电池的叠压应用可能,这可能是为商用以及高底盘大型SUV产品准备的,能够存储更多的能量。

宁德时代CTP电池的另一个特征是单体电芯的大容量化,单体容量从最初的50Ah到现在的超过200Ah,大大减少了壳体的占比,同时在充放电倍率不变的情况下,采用简单的串联结构就可以输出或者是接受更大的电流(提升动力和充电便利性)。另外,宁德时代目前公开的资料显示,CTP电池组仍然会采用方壳封装,考虑到目前高镍电池的稳定性,这种封装应该是比较好的选择。
比亚迪"刀片"电池的单体设计最初让我感到有些意外。首先,如此大的单体长度并不是一种稳固的力学结构,受到侧向力时的形变抵抗能力非常弱,而通常电池工作时会带来内部压力导致外壳膨胀,进而向周围电池施压。所以在成组时不得不谨慎考虑间隙问题,一方面要防震,一方面是消除侧面受力,在这方面还缺少证据。

而另外的技术挑战可能来自于电芯内部卷绕方式,猜测其内部会采用多个电极+多个独立卷绕单元的形式,实际上可以看做是多个小电池组成一个大电池只不过这些小电池共用一个封装。这对于每个单元的均一性挑战非常大,因为电池性能总会遵循木桶原理,最差的那个决定了整体表现!
最终总结。整体来看,宁德时代CTP电池和比亚迪"刀片"电池是各有千秋的。宁德CTP功率密度更高,成组效率更高,对于大多是整车厂成本控制更为友善,也更容易在重量一定的前提下,推出更长续航能力的产品;而比亚迪的"刀片"电池在结构灵活性和耐久性上更具价值和想象空间,大大增加了铁电池的性能表现,让其从商用或者是低端产品用,重新回归主流,这不得不说也是一种可观的进步。
而从另外的角度来看,两者的技术架构差异也表明一个事实,虽然两家企业同为新能源汽车的技术输出者,但比亚迪本身作为整车厂的技术累积是有优势的,这种优势可能不取决于单一指标的提升,更多是对用户环境的理解和合理化解决,我想着也应成为其长期价值的立足点。
本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。
最新文章
热门文章
推荐阅读