從主流電動(dòng)車企技術(shù)路線 聊聊動(dòng)力電池的未來趨

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)這把火真的燒起來了，沒有什么比數(shù)據(jù)更有說服力。2016年，中國銷售的電動(dòng)車數(shù)量達(dá)到50.7萬，比2015年增長53%。與此同時(shí)，來自法國巴黎銀行的調(diào)研報(bào)告指出，截止2016年底，全球范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車占汽車市場份額尚未跨過1%的門檻，這意味著，未來幾年，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)仍將高速發(fā)展，在這樣的背景下，我們決定來分析一下主流電動(dòng)汽車的技術(shù)路線，同時(shí)展望未來幾年動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢。

主流電動(dòng)汽車技術(shù)路線

特斯拉Model S & X

作為風(fēng)頭正勁的明星車企，特斯拉汽車是一個(gè)無法繞開的話題，特斯拉汽車的動(dòng)力電池是來自松下的三元鋰電池，具體形態(tài)為眾所周知的18650/2170（Model 3）圓柱形電池，圓柱形電池的主要特征為自動(dòng)化生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品良率高，一致性好；電池小、電池組散熱面積大；成組工藝復(fù)雜，電池組系統(tǒng)可靠性低。

最后一點(diǎn)也導(dǎo)致了很多人的認(rèn)知誤區(qū)，認(rèn)為特斯拉沒有企業(yè)責(zé)任，無視三元鋰電池的低可靠性而為了高能量密度強(qiáng)推18650。在特斯拉發(fā)展早期，也有許多業(yè)內(nèi)人士因此唱衰特斯拉汽車的安全性。特斯拉CTO J B Straubel曾就這個(gè)問題做出回應(yīng)：“相信我，在不久的將來我們會看到18650是最有說服力的。我真的不知道為什么18650會引起那么多爭議。我們的電池實(shí)際上是深度定制的，我們和松下一起做了大量的定制工作。我們做的是汽車級的電池，按照汽車級的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷測試，絕對不可能在任何筆記本上找到這種電池。”可以這樣講，傳統(tǒng)消費(fèi)電子類18650和特斯拉18650只是在形狀和大小上一致，在安全性和性能上還是有一定區(qū)別的。

此外，特斯拉在電池組和電控技術(shù)安全性上的投入也令人印象深刻，這個(gè)技術(shù)優(yōu)勢從多家傳統(tǒng)車企對特斯拉汽車逆向工程上也可以得到證明。以特斯拉Model S P90D為例，在電池組方面，該車的動(dòng)力電池共由16個(gè)模組構(gòu)成，每個(gè)模組有444個(gè)電芯、74并、6串、共計(jì)7104個(gè)電芯。而P100D在同P90D的電池組外形、尺寸完全一樣的情況下，多塞進(jìn)了10kWh的電能進(jìn)去，除了能量密度提升做出的貢獻(xiàn)外，媒體拆解顯示，特斯拉重新設(shè)計(jì)了整個(gè)電池組裝置，在相同的空間里堆疊了更多的電芯——雖然同樣由16個(gè)模組構(gòu)成，但每個(gè)模組有516個(gè)電芯、86并、6串、共計(jì)8256個(gè)電芯。聯(lián)想到Model 3小得多的車體空間，我們推測，率先應(yīng)用在P100D上的新型電池組技術(shù)很可能是為了給Model 3做技術(shù)驗(yàn)證，以便隨后給Model 3配置盡可能大的電池組，使之更具競爭力。

在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上，P90D用一個(gè)四通轉(zhuǎn)換閥實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的串并聯(lián)切換。當(dāng)電池處于低溫時(shí)，電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)，從而使電機(jī)為電池加熱。當(dāng)電池處于高溫時(shí)，電機(jī)冷卻回路與電池冷卻回路并聯(lián)，兩套冷卻系統(tǒng)獨(dú)立散熱。汽車可以根據(jù)工況選擇最優(yōu)熱管理方式。

雪佛蘭Bolt電動(dòng)版


雪佛蘭Bolt的動(dòng)力電池與特斯拉一樣，屬于三元鋰電池，但在電池形態(tài)上，Bolt選擇了由LG化學(xué)提供鋁塑膜軟包鋰電池，軟包電池的主要特征是安全性能相對較好，不易發(fā)生爆炸；能量密度高，延展性好，外形多變；一致性較差，成本較高；承受機(jī)械載荷能力差，容易破損和漏液。通用在量產(chǎn)前的產(chǎn)品預(yù)研上花了很多精力來測試電池的耐用度和安全性，他們建立了一個(gè)測試實(shí)驗(yàn)室，用以模擬日常行車中電池所需要經(jīng)受的震動(dòng)、碰撞等情況，甚至有受到槍擊貫穿情況下的穩(wěn)定情況，以保證在這種極端環(huán)境下車輛以及人身安全。

采用軟包電池的做法也使得電池組管理大大簡化（相對于特斯拉），具體來講，Bolt的軟包電池分成了兩個(gè)電池組，平鋪于車身底部。

在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上，當(dāng)電池處于低溫狀態(tài)時(shí)，通用為電池包配備了一個(gè)功率為1.6kW的充電加熱方式，可以將整體溫差控制在2攝氏度以下。當(dāng)電池處于高溫狀態(tài)時(shí)，通用采用液冷散熱的方式，將液冷線路密集的平鋪于軟包電池的各個(gè)部位，使電池組整體得到一個(gè)均勻的冷卻效果，避免了整體溫差過大的情況出現(xiàn)。整個(gè)熱管理系統(tǒng)雖然不如特斯拉高效，但更加節(jié)能。

日產(chǎn)Leaf


日產(chǎn)Leaf的上代動(dòng)力電池是來自日產(chǎn)與NEC的合資企業(yè)AESC提供的錳酸鋰電池，但新款已經(jīng)換成由LG化學(xué)提供的三元鋰電池，新款Leaf與雪佛蘭Bolt采用了同樣的供應(yīng)商和電池組，這里不再贅述，我們著重討論一下上代的層疊式軟包電池組，上文中提到，軟包電池的特征之一就是延展性好，外形多變，這也是為什么電池組形態(tài)可以設(shè)計(jì)成層疊式，在保證安全的同時(shí)最大限度的利用空間。同時(shí)為了規(guī)避軟包電池承受機(jī)械載荷能力差，容易破損和漏液的短板，Leaf電池組采用了完全密封設(shè)計(jì)。電池組由192節(jié)33.1 Ah的層疊式錳酸鋰電池組成。4節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊，48個(gè)模塊串聯(lián)組成電池組。

在熱管理系統(tǒng)上，由于AESC作為日產(chǎn)親兒子自研的錳酸鋰電池的技術(shù)優(yōu)勢，該電池經(jīng)過電極改良設(shè)計(jì)后降低了內(nèi)部阻抗，減小了產(chǎn)熱率，同時(shí)薄層結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此日產(chǎn)為Leaf電池組設(shè)計(jì)了“被動(dòng)式電池組熱管理系統(tǒng)”，說白了就是通過優(yōu)化電芯和電池組設(shè)計(jì)去掉了其他電動(dòng)車專門的降溫裝置，使其自然降溫。當(dāng)電池處于低溫時(shí)，Leaf提供了和雪佛蘭Bolt類似的加熱選件。

寶馬i3


寶馬i3采用了來自三星SDI的三元鋰電池，電池形態(tài)為方形鋰電池。方形鋰電池的特征為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，承受機(jī)械載荷能力好；電池組能量密度表現(xiàn)一般；工藝復(fù)雜，產(chǎn)品良率低，一致性較差。可以這樣講，這是三元鋰電池所有電池形態(tài)中除了安全，其他方面表現(xiàn)都不算出色的電池，但安全也是方形電池備受傳統(tǒng)車企青睞的原因?；氐絠3上，該車的動(dòng)力電池由8個(gè)電池包組成，每個(gè)電池包內(nèi)置12個(gè)方形電池單體，由8個(gè)電池包串聯(lián)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)供電。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，i3的8個(gè)電池包都是可以獨(dú)立裝卸的。這樣設(shè)計(jì)的好處是，當(dāng)一個(gè)電池包被檢測出有故障時(shí)，可以被單獨(dú)更換，不需要拆卸整車動(dòng)力電池系統(tǒng)。此外，i3車體由“Life”模塊+“Drive”模塊組成，后者將懸架、蓄電池組、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)全部納入，與車體其他結(jié)構(gòu)隔離，進(jìn)一步提高了汽車的安全性。

在熱管理及電控系統(tǒng)上，寶馬放棄了自研而選擇了德國Preh公司的電控系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)由電子控制元件電池管理單元和電池監(jiān)控傳感器單元構(gòu)成，寶馬表示，該系統(tǒng)可以時(shí)刻監(jiān)測每個(gè)電池組的電壓溫度變化。測得的數(shù)據(jù)將由電池管理單元(BMU)進(jìn)行處理以確定各自相應(yīng)的充電電壓，來確保電池處于最佳狀態(tài)。

比亞迪E6


與上述不同，比亞迪E6采用了比亞迪自研的磷酸鐵鋰電池。相比三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池的安全性更高、抗衰退能力更長、原材料資源豐富、應(yīng)用成本低（中國），但也存在能量密度偏低、低溫衰退嚴(yán)重等缺點(diǎn)。比亞迪E6由96個(gè)方形電池單體組成60kWh的電池組，整個(gè)電池組平鋪于車身底部，E6電池的電解液中加入了阻燃物質(zhì)，從源頭上杜絕了爆炸和燃燒的可能，此外，電池在量產(chǎn)前還要經(jīng)過高溫、高壓、撞擊等試驗(yàn)測試，驗(yàn)證電池在極端環(huán)境下的安全性和性能表現(xiàn)。電池組的底部還加裝了阻燃塑料保護(hù)罩，主要用于防止碎石撞擊電池殼而發(fā)生危險(xiǎn)，塑料的塑性變形特性可以分解碎石撞擊產(chǎn)生的力，且塑料罩在重量上的表現(xiàn)也優(yōu)于金屬罩，可以進(jìn)一步減輕車體自重，提高續(xù)駛里程。當(dāng)電池短路導(dǎo)致電解液氣態(tài)膨脹時(shí)，電池組上的泄壓閥可以快速排走電池的氣體，屬于被動(dòng)安全裝置。E6久經(jīng)考驗(yàn)的安全性和穩(wěn)定性+來自政府的高額補(bǔ)貼使得這一車型成為國內(nèi)多個(gè)城市首選的出租汽車明星車型

以上幾輛電動(dòng)汽車便是經(jīng)過“市場和消費(fèi)者檢驗(yàn)”的優(yōu)秀產(chǎn)品代表，總結(jié)來說，圓柱形電池的能量密度最高，特斯拉通過高難度的技術(shù)研發(fā)努力解決密集電芯帶來的熱管理難題；而日產(chǎn)、雪佛蘭選擇的軟包電池，相比圓柱形電池能量密度尚有優(yōu)化空間，但在解決電池組熱管理上操作性更高，這是傳統(tǒng)車企喜歡的典型的漸進(jìn)式打法；而寶馬的方案則將汽車安全性置頂，同時(shí)盡可能外包分業(yè)務(wù)來減小電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)對賬面現(xiàn)金流的影響；比亞迪的電池化學(xué)材料獨(dú)樹一幟，憑著廣闊的國內(nèi)市場和政策傾斜以及表現(xiàn)尚可的技術(shù)水平獲得了領(lǐng)先地位。

通過這幾輛車的電池供應(yīng)商，我們也注意到一個(gè)趨勢，在汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家第一次集體缺席，反而是東南亞的中日韓三國的企業(yè)正在強(qiáng)勢崛起，概括來說，這三國中，日本技術(shù)積累最為深厚，盡管仍在竭力保持技術(shù)優(yōu)勢，但近年來日企的研究方向漸漸脫離了主流發(fā)展，僅剩松下一家前景可期；而韓國動(dòng)力電池發(fā)展可說是后來居上，韓企從日企大肆砸錢挖人的新聞屢見不鮮，全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展模式塑造了令人矚目的優(yōu)勢；相對而言中國的技術(shù)水平最為落后，但中國企業(yè)近來開始仰仗政策優(yōu)勢和廣闊的市場開始奮起直追，同樣不容小覷。


圓柱形電池

如上文所述，這種圓柱形三元鋰電池原本因?yàn)楣P記本及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷量增長陷入停滯而走上下坡路。卻因?yàn)樘厮估思夹g(shù)難題強(qiáng)推該品類煥發(fā)了第二春。日本電池業(yè)界發(fā)展三元鋰電池投入最大的企業(yè)就是松下，松下的電池業(yè)務(wù)較為龐雜，主要包含太陽能電池、儲能電池以及電動(dòng)汽車所用的動(dòng)力電池。2008年12月，松下斥資64億美元收購了三洋電機(jī)。三洋電機(jī)在鋰電池和太陽能電池兩個(gè)領(lǐng)域都有雄厚的技術(shù)實(shí)力，此次收購擴(kuò)大了松下在電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。緊接著在2009年，松下與特斯拉結(jié)盟，成為特斯拉獨(dú)家電池供應(yīng)商，隨著特斯拉汽車銷量的持續(xù)增長，2013年，松下終于擺脫了消費(fèi)電子領(lǐng)域連續(xù)兩年的財(cái)報(bào)虧損，實(shí)現(xiàn)了超過10億美元的盈利，成為動(dòng)力電池領(lǐng)域無可爭議的領(lǐng)軍企業(yè)，到了2016年上半年，松下已經(jīng)拿下了全球動(dòng)力電池市場40%的份額，穩(wěn)列第一。

但松下并未就此止步，路透社報(bào)道，大眾斥資100億歐元發(fā)展電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)，其中正在接洽的動(dòng)力電池供應(yīng)商就有松下，如果雙方最終達(dá)成合作協(xié)議，松下在動(dòng)力電池市場的份額將進(jìn)一步擴(kuò)大。1月4日，特斯拉CEO Elon Musk宣布特斯拉與松下聯(lián)合研發(fā)的2170新型電池正式量產(chǎn)，這是松下在汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域的最新研發(fā)成果，與此同時(shí)，兩大韓企三星SDI與LG化學(xué)都宣布了類似于2170電池的新一代圓柱形動(dòng)力電池，2017CES展上，三星SDI對松下隔空喊話，宣稱“三星版”2170電池的能量密度達(dá)到了業(yè)界最高。盡管尚沒有第三方機(jī)構(gòu)作對比測試，但SDI此舉表明這一領(lǐng)域的競爭正日趨激烈。

軟包電池

軟包電池的特性不再贅述，這是愿意進(jìn)行適度技術(shù)投入進(jìn)行優(yōu)化的電動(dòng)車企的最佳選擇。軟包電池主要由日企AESC和韓企LG化學(xué)提供，上文提到過，AESC是日產(chǎn)與NEC的合資企業(yè)，然而2015年，日產(chǎn)CEO卡洛斯戈恩公開表示：“我們在電池業(yè)務(wù)這一塊開放競爭，確保獲得最好的電池。就當(dāng)前而言，我們認(rèn)為最好的電池生產(chǎn)商是LG化學(xué)。”2016年又傳出日產(chǎn)正尋求出售所持AESC全部51%的股份。回到市場份額上來，AESC在2016年砍下了15%的市場份額，僅次于松下，排在第二位，表現(xiàn)尚可。那為什么日產(chǎn)卻要尋求出售股份呢？原因在于AESC在錳酸鋰電池業(yè)務(wù)上浸入太久，尾大不掉，在熱門的三元鋰電池方向并無建樹，不符合技術(shù)發(fā)展潮流。

而LG化學(xué)的軟包電池正是三元鋰電池，如果從發(fā)展前景來考慮的話，未來軟包電池領(lǐng)域很大可能LG化學(xué)一家獨(dú)大，除了美國霍蘭德和韓國本土的兩大電池制造基地，2015年10月底，LG化學(xué)位于中國南京的動(dòng)力電池廠正式竣工，該廠可年產(chǎn)供5萬多輛純電動(dòng)汽車和18萬輛插電式混合動(dòng)力版汽車(PHEV)使用的電池。2016年4月，LG宣布在波蘭建設(shè)年產(chǎn)量可為20萬輛電動(dòng)汽車提供動(dòng)力電池的電池生產(chǎn)基地。LG化學(xué)電池商業(yè)部部長LeeWoong-beom對媒體表示，2016年，LG化學(xué)動(dòng)力電池年銷售額將達(dá)11億美元，到2020年，這個(gè)數(shù)據(jù)將高達(dá)63億美元。如果進(jìn)展順利，LG化學(xué)在銷售額上超過松下也并非不可能”

除了日產(chǎn)和通用，沃爾沃、福特、現(xiàn)代、起亞以及新興車企FF、Lucid Motors都是LG化學(xué)的合作伙伴。

方形電池

方形電池的一個(gè)顯著特點(diǎn)便是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，這一特性得到了多數(shù)傳統(tǒng)汽車制造商的青睞。除了寶馬，還有大眾、克萊斯勒、奧迪等品牌的混動(dòng)和純電動(dòng)車型，大多采用了三星SDI方形鋰電池。方形電池的主要提供商為三星SDI和國內(nèi)快速崛起的動(dòng)力電池制造商寧德時(shí)代。2014年8月，三星在中國西安投資的動(dòng)力電池生產(chǎn)基地開工建設(shè)，建成后該廠年產(chǎn)能將達(dá)到4萬臺純電動(dòng)汽車所需的標(biāo)準(zhǔn)電池。2016年9月，三星宣布投資3.5億美元在匈牙利建設(shè)歐洲電池生產(chǎn)基地。建成后該廠將達(dá)到每年為5萬輛電動(dòng)汽車提供電池的產(chǎn)能。在國內(nèi)，三星與東風(fēng)、鄭州宇通客車、北汽福田等十多家汽車制造商達(dá)成合作。此外三星也與FF、Lucid Motors達(dá)成了電池供應(yīng)協(xié)議。值得一提的是，三星SDI還斥資了4.49億美元收購了中國動(dòng)力電池制造商比亞迪4%的股份。而另一家成立于2010年的中國企業(yè)寧德時(shí)代更具傳奇色彩，2016年10月，寧德時(shí)代完成第二次融資，公司估值也隨之增至800億元人民幣(115億美元)。寧德時(shí)代CEO黃世霖表示，寧德時(shí)代電池產(chǎn)能已經(jīng)超過LG化學(xué)，逐步逼近比亞迪和松下。公司計(jì)劃在2020年前將電池產(chǎn)能增加5倍，達(dá)到50GWh，這一目標(biāo)甚至超越了特斯拉的超級電池工廠。

比亞迪磷酸鐵鋰電池

比亞迪的磷酸鐵鋰電池是個(gè)異類，與三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池雖然能量密度略低，但能保持較高循環(huán)壽命、更高安全性能，以及更低成本。比亞迪在全球動(dòng)力電池市場上發(fā)展勢如破竹，2014、15、16年的全球市場份額分別為6.7%、14.4%、19.4%。電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)則蟬聯(lián)了15、16年的全球電動(dòng)汽車銷量冠軍。2月8日，比亞迪在《投資者關(guān)系活動(dòng)記錄表》中表示，公司在深圳惠州、坑梓兩個(gè)動(dòng)力電池生產(chǎn)基地，目前共有10GWh的產(chǎn)能。同時(shí)比亞迪正在坑梓基地?cái)U(kuò)建的6Gwh產(chǎn)能，預(yù)計(jì)會于2017年達(dá)產(chǎn)。比起其他家宣稱2020年目標(biāo)產(chǎn)能balabala，比亞迪選擇了更務(wù)實(shí)的17年達(dá)成16GWh年產(chǎn)能，電池業(yè)務(wù)與電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)深度綁定目前為比亞迪帶來了產(chǎn)銷兩旺的有利局面，但風(fēng)光背后也有隱患——出于競爭考慮，很少有車企會采購比亞迪的電池，一旦比亞迪電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)不振，電池業(yè)務(wù)受拖累幾乎是必然事件。另外，經(jīng)過多年的發(fā)展，比亞迪的磷酸鐵鋰電芯單體能量密度已經(jīng)達(dá)到130Wh/kg以上，接近理論發(fā)展極限，今年發(fā)展出了改良的磷酸鐵錳鋰材料電池，使新款E6的續(xù)駛里程突破400公里大關(guān)，但長久游離在業(yè)界主流的的技術(shù)方向之外，在競爭白熱化，三元鋰電池規(guī)模效應(yīng)凸顯時(shí)容易陷入被動(dòng)。好消息是比亞迪內(nèi)部已經(jīng)開始研究三元鋰電池研究方向。不管怎樣，這是一個(gè)好的開始。

未來的動(dòng)力電池市場，對于日本企業(yè)，隨著AESC逐漸走上下坡路，更可能是松下（已完成并購三洋電氣，市場份額實(shí)為36%）一家廝殺；對于韓國企業(yè)，軟包、方形和圓柱形全面發(fā)展的模式會讓三星SDI與LG化學(xué)會繼續(xù)保持領(lǐng)先地位；對于中國企業(yè)，隨著去年《汽車動(dòng)力電池行業(yè)規(guī)范條件(2017年)》中對鋰電池企業(yè)年產(chǎn)能要求達(dá)80億瓦時(shí)（僅比亞迪和寧德時(shí)代符合）規(guī)定的出臺，中國鋰電池企業(yè)間并購將陸續(xù)展開，改善沒有核心競爭力的中小規(guī)模企業(yè)過多的現(xiàn)象，逐步向韓國行業(yè)集中度高，最大化發(fā)揮資源優(yōu)勢的發(fā)展模式靠攏。

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