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CTP技術(shù)VS刀片電池：寧德時代和比亞迪刀片電池有何優(yōu)劣？

2021-10-20 23:05:19·  來源：新出行  
　
隨著補貼政策退坡，車企和電池生產(chǎn)商都不得不在成本控制上再下功夫，包括貴金屬材料成本、研發(fā)和制造成本的降低，會大幅減輕整車的規(guī)劃壓力，一方面給品質(zhì)提升預
隨著補貼政策退坡，車企和電池生產(chǎn)商都不得不在成本控制上再下功夫，包括貴金屬材料成本、研發(fā)和制造成本的降低，會大幅減輕整車的規(guī)劃壓力，一方面給品質(zhì)提升預留更大空間，一方面保持價格優(yōu)勢，提升整體性價比，國產(chǎn)特斯拉在售價跌破 30 萬大關(guān)后引來大批消費者關(guān)注就是最好的例子。
采用全新 CTP 技術(shù)的無模組電池包，相較于目前市場上的傳統(tǒng)電池包，在成本上，CTP 電池包體積利用率提高了 15%-20%，零部件數(shù)量減少 40%，生產(chǎn)效率提升了 50%，投入應用后將大幅降低動力電池的制造成本，能量密度也上升到 200Wh/kg 以上。

CTP（Cell To Pack）是什么？
作為消費者，大部分人都不樂于鉆研如此深的硬核技術(shù)，用大家最容易理解的話形容 CTP——簡化包裝，降低成本。以運輸雞蛋為例，假設(shè)以前的運輸方式每 20 顆雞蛋用一個禮盒包裝從 A 點運送到 B 點，CTP 技術(shù)則化繁為簡，每 1000 個雞蛋裝一箱甚至一整車雞蛋只用一個箱子打包，從 A 點運輸至 B 點，從而節(jié)省包裝成本與運輸重量。顯然，如此包裝產(chǎn)生的安全性和因運輸而損壞的雞蛋排查便利性都大大降低，這也是 CTP 的優(yōu)勢與缺陷。帶著這樣的概念下文具體介紹到底什么叫 CTP 技術(shù)。

一般電動汽車上搭載的電池包，由電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝到電池包（Pack）里，形成了“電芯（Cell）——模組（Module）——電池包（Pack）”的三級裝配模式。而 CTP，即 Cell to PACK，是電芯直接集成為電池包，從而省去了中間模組環(huán)節(jié)。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。

什么是模組？
所謂模組，就是將部分相關(guān)零部件構(gòu)成一個模塊，也可以理解為一個零部件集合、總成的概念。在電池包這一領(lǐng)域，將若干電芯、導電排、采樣單元及一些必要的結(jié)構(gòu)支撐部件集成在一起構(gòu)成一個模塊，也叫模組。去掉模組后，其關(guān)聯(lián)的高壓線纜、通訊線纜、冷卻/預熱循環(huán)管路、BMS 監(jiān)測模塊、溫度傳感器、電流傳感器等設(shè)備，都要進行相應的改進或重新布設(shè)。寧德時代 CTP 技術(shù)路線基于高鎳三元鋰架構(gòu)，其核心是減少了模組數(shù)量，直接由多個大容量電芯組成標準化電池包，再靈活堆疊組成更大的電池模塊，適應不同車款的儲能需要。目前 CTP 有兩種技術(shù)路線，一種是以大模組替代小模組的方式，另一種采用完全無模組方式。

Model 3 是由四個長度約 2 米的大模組組成，而之前 特斯拉 Model S 的模組為 16 個
以大模組替代之前小模組把之前的小模組去掉側(cè)板，用扎帶連接起來，把模組做大，實際上， 特斯拉 Model 3 所采用的基于 21700 集成化大模組已經(jīng)展現(xiàn)出了這種趨勢的效果，相對此前 Model 3 僅電池成本就降低了 35%。
大模組方案——寧德時代 CTP
其主要亮點是在模組與模組間采用一種套筒的連接方式緊貼在一起，同時套筒下有固定裝置與整車相連，這樣整個模組簡化了結(jié)構(gòu)，也實現(xiàn)了 輕量化。

寧德時代專利
如圖一至圖四所示，每個電池模組 11 均包括框架 111 和容置于框架 111 內(nèi)的多個電池單體 112，相鄰的框架 111 之間固定設(shè)置有上述套筒 12，該套筒 12 具有用于穿設(shè)固定件的通道 124，固定件穿過上述通道 124，組裝成電池包 1，隨后在安裝梁 13 作用下，固定于整車內(nèi)。

圖一

圖二

圖三

圖四
從以上分析可以看到，CTP 并不是很先進的技術(shù)，無非就是采用大電芯和大模組，主要對電池包內(nèi)部的連接進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，省去了中間過程的零部件，從而簡化裝配工藝和流程。寧德時代 CTP 電池單體電芯容量從最初的 50Ah 到現(xiàn)在的超過 200Ah，大大減少了殼體的占比。
其優(yōu)勢主要有三點：第一，CTP 電池包因為沒有標準模組限制，可以用在不同車型上，使用廣泛；第二，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)組建，CTP 電池包能提高體積利用率，系統(tǒng)能量密度也間接提升；第三，其散熱效果要高于目前小模組電池包。
寧德時代 CTP 電池技術(shù)與 811 高鎳電芯結(jié)合，將會用更高的能量密度獲得更好的續(xù)航里程，據(jù)寧德時代目前公開的資料顯示，CTP 電池組仍然會采用方殼封裝，考慮到目前高鎳電池的穩(wěn)定性，這種封裝是比較好的選擇。
無模組方案——比亞迪刀片電池
比亞迪的"刀片"電池則基于其所擅長的磷酸鐵鋰技術(shù)，采用自家研發(fā)的長度大于 0.6 米的大電芯，電池單體同樣向大容量進化，但電芯形狀更加扁平、窄小（長邊可以定制變化，單體最大穩(wěn)定長度可以達到 2100mm），通過陣列的方式排布在一起，就像“刀片”一樣插入到電池包里，這也是大家稱之為“刀片電池”的原因。

比亞迪披露的專利
我們大膽猜測“刀片電池”從一開始就考慮到自家產(chǎn)品的多規(guī)格適應性需求。"刀片"的窄邊做得盡量小，意味著垂直高度更容易適應高底盤和低底盤車型。未來或許會基于此開發(fā)超薄底盤的多功能車，讓用戶獲得更多的使用空間以及更大的電池容量，該方案相應的提升動力電池總成的能量密度同時，可以獲得更好的電芯散熱/預熱設(shè)定，在復雜工況充放電模式下電芯溫度差可以控制在 1℃。
最新車型 比亞迪漢即將搭載的正是這款“刀片電池”，體積比能量增加 50%，成本下降 30%，續(xù)航里程達到 605km。比亞迪 CTP 電池技術(shù)與磷酸鐵鋰電芯結(jié)合，將會帶來更好的耐溫性同時也降獲得穩(wěn)定的續(xù)航里程，成本的減少也將為車輛帶來更強的競爭力或是更好的利潤空間。

由于比亞迪早期的技術(shù)布局押寶在磷酸鐵鋰上，這也是“刀片電池”采用磷酸鐵鋰的重要原因之一，磷酸鐵 鋰電池不需要鈷金屬，對比三元 鋰電池，成本更低，目前市面磷酸鐵 鋰電池售價 0.65元/wh，遠低于三元電池 0.85元/wh。當然押寶磷酸鐵鋰的原因并不是因為它更便宜，反而是因為其安全性高、循環(huán)壽命長等重要優(yōu)勢，借助刀片電池的封裝優(yōu)勢，進一步減少了磷酸鐵鋰能量密度低的弱點。
磷酸鐵鋰電池優(yōu)點：
（1） 能量密度高：標稱電壓為 3.2V，能量密度是鉛酸電池的 4 倍左右，體積小、重量輕；
（2）安全性強：磷酸鐵鋰正極材料有良好的電化學性能，充放電平臺平穩(wěn)，充放電過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
（3）高溫性能好：外部溫度 55℃ 時電池正常工作；
（4）高 功率輸出：標準放電為 0.2C、可 3C 充放；
（5）長循環(huán)壽命：常溫 1C 充放電，單體經(jīng) 2000 次循環(huán)后容量仍大于 80%；
（6）環(huán)保：整個生產(chǎn)過程清潔無毒，所有原料都無毒。
CTP 封裝耐受力變差了嗎？
由于去除或簡化模組，電芯直接固定在動力電池總成內(nèi)部，就要進行必要的結(jié)構(gòu)加強，已獲得碰撞過程中的被動安全設(shè)定。也正是因為去除了模組，動力電池總成的自重將會不同程度的降低。

對于長期使用的私家車而言，普遍采用非承載式車身，沒有大梁，電池結(jié)構(gòu)還需要能夠承受車身反復形變帶來的長時間應力變化。電池模塊作為底盤上的核心部件以及受力部件，必須考慮結(jié)構(gòu)強度以適應汽車復雜的使用場景。側(cè)向碰撞的抵御能力是最顯而易見的需求，廠家通常會對電池包外殼的結(jié)構(gòu)和材料運用以提升這方面能力。

電池包受扭轉(zhuǎn)力仿真模型圖
通過結(jié)構(gòu)分析，我們可以看到，寧德時代 CTP 技術(shù)因為考慮到體積封裝效率的最大化，大模組之間的連接可靠性更容易受到對角線反復切應力的影響，對于高壓線束和 冷卻系統(tǒng)的連接挑戰(zhàn)比較大，值得一提的是，寧德時代申請的電池包專利取消了現(xiàn)有技術(shù)中的電池箱體，直接將電池模組通過固定件穿過套筒或者利用安裝梁直接裝在整車內(nèi)，在實現(xiàn)電池包 輕量化的同時，也提高了電池包在整車的連接強度。

比亞迪電池包安裝位置
而比亞迪"刀片"電池實際上仍然保留了模組封裝和電池包封裝的整體構(gòu)型，同時從專利圖可見，其電池包封裝將有可能根據(jù)車型需要，預留形變空間，避免超薄大電芯直接受力。從結(jié)構(gòu)耐久性上看， 比亞迪刀片電池封裝更容易做出可靠的產(chǎn)品。

不過，這樣的保險結(jié)構(gòu)也會帶來其他問題，從 工信部公布的 比亞迪漢電池 功率密度來看，只有 140Wh/kg，這個數(shù)據(jù)是什么概念？放在 2019 年是中等甚至偏下的水平，來到 2020 年則僅僅是入門水平，如果未來 比亞迪可以把該技術(shù)進一步優(yōu)化，將磷酸鐵 鋰電池能量密度提升至 200Wh/kg 甚至更高的話，三元 鋰電池恐怕只能通過進一步提高能量密度以及獲得更多市場份額。
阻止 CTP 成為“大哥”的攔路虎
CTP 雖然有著如上顯示的諸多優(yōu)勢，但是取消模組環(huán)節(jié)，也會帶來很多風險。CTP 對電芯一致性的要求更高，電芯由于充放電膨脹造成的形變和散熱性能變差兩個問題需要在整個電池包層面進行考量。

最為重要的是一旦單個電芯發(fā)生故障，就會涉及到更換整個電池包，而不是之前只需更換某一個模組，維修成本會大幅增加。這也是 特斯拉電池飽受大家詬病的痛點之一——維修成本過高，買此種類型電池的車主要著重關(guān)心一下相關(guān)保險的細則，以免一次事故就讓整臺車“喪命”。
CTP 是電池技術(shù)的另一個風口？
能量密度提升是最能讓電動汽車愛好者興奮的消息，畢竟能量密度的上升可以實實在在的解決 電動車身上最大的痛點。想象一下，當市面上的 電動車都可以輕松做到 700km 續(xù)航時，大家對待 電動車和汽油車的態(tài)度是否會有 180° 大轉(zhuǎn)變？正因此，大家對于 CTP 都甚為關(guān)注，看完此文你大概也會發(fā)現(xiàn)，其實 CTP 技術(shù)背后本質(zhì)上是電池 廠商和車企的博弈，該技術(shù)的優(yōu)點和缺點都是非常明顯的。根據(jù)目前已知信息， 北汽新能源的 EU5 后續(xù)會搭載采用 CTP 技術(shù)的電池包。
如今電池 廠商做模組并非強贏利點，并且大多數(shù)車企自己可以做模組，例如華晨 寶馬、北京 奔馳、通用汽車等，反而做 PACK 才是可行的出路。而電池 廠商只有轉(zhuǎn)變?yōu)?CTP 方案，之后才有機會去做整個 PACK，CTP 因此也被打包和宣傳為動力電池的下一個風口。
總結(jié)
不知道通過此篇文章您看懂 CTP “套路”了嗎？正如雙離合+TIS 被打包宣傳成黃金動力組合動力強油耗低，但它沒有說其可靠性一般維修成本高且并不適合中國擁堵路況的弊端，CTP 技術(shù)的確可以較為明顯的提升電池能量密度，但是也的確存在著相對不穩(wěn)定的硬傷。作為消費者，你可以選擇做第一個吃螃蟹的人，從中獲得一些與眾不同的體驗，也可以選擇保守觀望。
 
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