新能源汽车产业链系列报告（二）：动力电池结构革新之CTP、CTC

专题报告——新能源汽车产业链 新能源汽车产业链系列报告（二）： 动力电池结构革新之CTP、CTC 报告日期：2022年8月16日 ★动力电池技术发展路径 动力电池技术的发展主要有材料和结构两大路径。材料层面，补贴退坡使抬高能量密度失去了政策面的强力推动，三元材料体系的研发趋向成熟，M3P、钠离子等新材料体系呼之欲出；结构层面，大电芯、大模组、去模组化、集成化趋势明显，提升轻量化程度和电池包体积利用率是主要目标。 新★动力电池三大结构技术 能模组结构应用于电动化初期，大众等德国车企主导了模组标准化。源CTP通过无模组或大模组化提高电池包集成度，进而有效提高电池包空间利用率和比能量，实现技术平价；刀片电池、麒麟电池等新 汽产品相继发布，中国企业占据先发优势，引领CTP技术开发与推广。 车CTC将电池底盘一体化，实现进一步集成，超越了电池层面降本增产效的目的，是整车结构的探索与革新。当前行业还处于从标准化模业组加速向CTP技术发展的过程中。 链 ★CTP、CTC对产业链环节带来的影响 电池层面，CTP、CTC技术发展将带动（1）胶粘剂用量和质量要求上升，（2）电池托盘等结构件承担更多结构件的支撑作用，（3）智能制造应用飞速增长，设备行业升级迭代，生产环节从设计到制造再到检测，精细化生产和质量把控将更加严格。 ★风险提示 传统车企电动化转型受到阻力、固态电池等新技术的研发进展不及预期，导致电池集成技术的推进不如预期。 曹洋首席分析师（有色金属）从业资格号：F3012297 投资咨询号：Z0013048Tel:8621-63325888-3904 Email:yang.cao@orientfutures.com 重要事项：本报告版权归上海东证期货有限公司所有。未获得东证期货书面授权，任何人不得对本报告进行任何形式的发布、复制。本报告的信息均来源于公开资料，我公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，也不保证所包含的信息和建议不会发生任何变更。我们已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参考，报告中的信息或意见并不构成交易建议，投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关。 有关分析师承诺，见本报告最后部分。并请阅读报告最后一页的免责声明。 目录 1.汽车动力与动力电池演变5 1.1、汽车动力方式演变5 1.2、动力电池技术路径发展趋势5 1.3、小结与思考7 2.动力电池结构技术演变7 2.1、模组标准化7 2.2、CTP（大模组、去模组化）12 2.3、CTC（电池底盘一体化）17 2.4、小结与思考23 3.产业链环节的变化与趋势25 3.1、电池厂与整车厂的合作竞争格局25 3.2、电池制造产业链细分环节26 3.3、小结与思考28 4、风险提示29 图表目录 图表1：动力电池技术路线发展趋势5 图表2：中国不同正极材料动力电池月度装车量6 图表3：中国不同负极材料年度出货量6 图表4：油改电平台（大众MQB燃油平台改e-Golf）8 图表5：纯电平台（大众MEB纯电平台ID.3）8 图表6：不同形状的电芯：圆柱4680电芯8 图表7：不同形状的电芯：磷酸铁锂方形电芯8 图表8：不同形状的电芯：三元软包电芯9 图表9：大众ID.3电池包爆炸图10 图表10：大众ID.3电池模组拆解图10 图表11：孚能科技一种模组专利图（CN211017176U）11 图表12：奥迪e-tron电池包爆炸图12 图表13：590模组实体图12 图表14：宁德时代CTP（�一代）电池包13 图表15：比亚迪刀片电池13 图表16：比亚迪刀片电池专利图（CN110165114B）14 图表17：比亚迪刀片电池专利图（CN110165114B）14 图表18：比亚迪模组电池包专利图（CN213483895U）14 图表19：比亚迪模组电池包专利图（CN213483895U）14 图表20：宁德时代麒麟电池（CTP3.0）产品宣传图15 图表21：宁德时代三代CTP技术迭代及性能对比15 图表22：比亚迪电池包与电动车专利图（CN110165114B）17 图表23：比亚迪电池包与电动车专利图（CN110165114B）17 图表24：特斯拉CTC方案（电池车身一体化）18 图表25：特斯拉CTC方案（电池包爆炸图）18 图表26：比亚迪动力电池成组技术：CTP、CTB19 图表27：零跑CTC方案宣传图20 图表28：零跑CTC车身底盘示意图20 图表29：零跑CTC专利（CN113306380A）20 图表30：零跑CTC专利（CN113306380A）20 图表31：早期飞机油箱（上）和现代飞机油箱（下）22 图表32：非承载式车身结构22 图表33：承载式车身结构22 图表34：动力电池系统三类结构优缺点对比及应用23 图表35：不同CTP方案体积利用率对比24 图表36：不同CTP方案比能量对比24 图表37：整车厂外购电池的模式25 图表38：整车厂和电池企业的合资合作关系不完全整理25 图表39：和胜股份电池托盘27 图表40：锂电制造工序28 1.汽车动力与动力电池演变1.1、汽车动力方式演变 汽车动力经过几百年变迁，从蒸汽机、电动机到内燃机，如今电动机重新成为趋势，汽车行业正走向电气化、新能源化。 蒸汽车：1766年，瓦特改进蒸汽机，�一次工业革命随之开启。1770年前后出现了最早的蒸汽机汽车，汽车的“汽”字由此而来。 电动车：1881年，使用铅酸电池的电动车诞生。 燃油车：1838年，英国发明家亨纳特发明了内燃机点火装置，人称“世界汽车发展史上的一场革命”。1885年，燃油车应运而生，发明者卡尔·奔驰。 此后很长一段时间，三种动力模式多线发展共同竞争。期间诞生了�一条流水装配线 （1913年，福特工厂），生产效率大幅上升，生产模式蔓延至所有工业部门。到1925年后，由于蒸汽车的外燃机技术效能过低、电动车成本过高，二者市场规模不断萎缩，燃油车开始独霸市场。 现如今，随着1973年�一次石油危机爆发，西方国家的石油依赖问题浮上表面，减少能源依赖成为重要议题；中国也将电动车作为战略方向，以期弯道超车；叠加各国低碳减排层面的发展目标，汽车动力的发展格局重新聚焦于电动车。伴随则相关材料和技术的发展，电池成本大幅降低，电动车也拥有了被市场接受的硬性条件。 1.2、动力电池技术路径发展趋势 图表1：动力电池技术路线发展趋势 资料来源：公开资料整理 动力电池的发展日新月异，主要由化学（材料）和物理（结构）两条技术路径推动。 材料方面，正极有磷酸铁锂和三元材料两大主流路线并行发展：在我国内补贴政策助推续航里程之后，三元锂电池的发展蓬勃向上；伴随着补贴退坡、磷酸铁锂性能提高，从2021年7月以来，国内磷酸铁锂电池装车量反超三元电池，占比大幅回升。就三元材料而言，高镍化、高电压化、单晶化是当下的主要趋势。就磷酸铁锂而言，往磷酸锰铁锂方向研发是一个重要趋势。 其他材料体系也在积极研发中，未来有望呈多元化发展，想象空间巨大。宁德时代的M3P电池呼之欲出，将于明年量产；多方布局的钠离子电池也渐行渐近，宁德时代近期也表示，正致力于推进钠离子电池在2023年实现产业化。 负极则处于突破期：人造石墨占主导位置且持续提升，复合硅碳负极持续研发逐步应用。 电解液部分，不断降低液态含量并最终走向全固态电池是共识的发展方向，国轩高科、孚能科技、SolidPower等多家企业都在该领域积极布局。 图表2：中国不同正极材料动力电池月度装车量图表3：中国不同负极材料年度出货量 资料来源：中国汽车动力电池产业创新联盟资料来源：GGII 在结构方面，设计的创新层出不穷，尤其是今年，4月25日，零跑官宣国内首款可量产CTC电池底盘一体化技术；5月20日，比亚迪发布CTB电池车身一体化技术；6月23日，宁德时代发布CTP3.0技术麒麟电池。 总体来看，结构领域既有圆柱、方壳、软包的电芯形状之分，又有传统模组结构、CTP （CelltoPack）、CTC（CelltoChassis）的电池包结构之分，还有特斯拉4680大圆柱电池、比亚迪刀片电池、蜂巢能源短刀电池、中航锂电One-StopBattery、宁德时代麒麟电池等明星产品之分。究其本质，大电芯、大模组、去模组、集成化趋势明显，电池企业和整车厂们通过对电芯、模组、电池包等环节的改进和精简，最终是为了最大化提升电 池包的体积利用率。 1.3、小结与思考 1.汽车动力经过了蒸汽机、电动机、内燃机三大类解决方案，如今电动机重新成为趋势，汽车行业正走向电气化、新能源化。 2.目前动力电池技术的发展主要有两大路径，一类是材料技术，即化学体系的创新，另一类是结构技术，是工程领域的创新。 材料层面，随着补贴退坡，抬高能量密度失去了政策面的强力推动；而随着三元材料研发技术趋向成熟，通过三元材料技术迭代推动电池性能飞跃的幅度已有所缩小；化学体系的研发与推广始终是各家企业重点布局的方向，新材料体系呼之欲出，但距离全市场铺开量产还需要一定时间。 另一个焦点在于电池结构的创新与优化。如果说化学体系的研发是大刀阔斧地推进，对电池性能产生决定性的改变，那么结构体系的优化就是智慧地修复，通过工程领域排兵布阵减少浪费冗余，因而，技术发展也更多关注电池成本、制造效率、电芯使用效率等。 2.动力电池结构技术演变 以电池形态和集成程度为参考，电池结构的演变可分为模组标准化、CTP（大模组、去模组化）、CTC（电池底盘一体化）三个阶段。 2.1、模组标准化 背景环境 电动车发展初期，老牌车企大多通过油改电的方式切入电车市场，而特斯拉等小部分新兴车企则采取正向开发的姿态，从头开始研发纯电平台。 油改电即沿用旗下成熟燃油车的平台，仅将动力系统替换为三电系统。好处在于，既可以快速推出产品抓住市场机遇，又可以为研发纯电平台争取时间，还可以促进自身的供应链转型。但由于油改电平台不是专门针对电动车开发而来，不能完全符合电动车的特性，容易导致电池的布局受阻和配重不合理。作为结果，油改电车型或多或少会出现驾控性能不佳、电池重量大或空间利用率低导致整车续航能力不强、底盘突出影响整车美观等问题。 在这样的背景下，首先各车型对电池的需求不同、可提供给电池的位置和空间大小不同，其次电芯厂出产的电芯形状和尺寸多种多样，导致电池包的形态各异、包内模组的规格和布置也各异。 模组结构的出现和运用也与环境息息相关。早期的动力电池系统普遍采用大量电芯，例如一台特斯拉早期需要配备7000多只圆柱电芯。受制于技术条件（单体电芯容量不够大、BMS软件能力不够强等），将电芯提前集成进模组就成为了必要的一环，能够有力降低组装复杂程度、提高生产效率。 也就是说，早期电动车的动力电池普遍采用电芯-模组-电池包的集成模式，且百花齐放，各色各异。 图表4：油改电平台（大众MQB燃油平台改e-Golf）图表5：纯电平台（大众MEB纯电平台ID.3） 资料来源：公司报告资料来源：公司报告 图表6：不同形状的电芯：圆柱4680电芯图表7：不同形状的电芯：磷酸铁锂方形电芯 资料来源：MarkLines资料来源：MarkLines 图表8：不同形状的电芯：三元软包电芯 资料来源：MarkLines 模组结构动力电池的构造 大众ID.3装载的就是一种典型的模组结构动力电池。如图9所示，其电池包主要由壳体（上盖、外壳底板、下护板）、电池模组（银色长方体部分）、电池控制模块和电池外部连接端子（橙色部分）、电池管理系统（黑色部分）等部分组成。 壳体采用坚固的铝材，既支撑电池的重量，又加强车身刚度，通过螺栓固定在车身地板底部。下护板保护电池免受路面机械的损坏。底板装有冷却水路，可进行温度管理。电池模组通过导热膏与底板相连，以保证其导热性。 控制模块是用于正极侧、负极侧的两个开关单元。正极侧的开关单元装有高压系统保险丝，用于保护充电器、加热器（PTC）、DC