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  电动汽车产业这把火真的烧起来了,没有什么比数据更有说服力。2016年,中国销售的电动车数量达到50.7万,比2015年增长53%。与此同时,来自法国巴黎银行的调研报告指出,截止2016年底,全球范围内的电动汽车占汽车市场份额尚未跨过1%的门槛,这意味着,未来几年,电动汽车产业仍将高速发展,在这样的背景下,我们决定来分析一下主流电动汽车的技术路线,同时展望未来几年动力电池的发展趋势。

  主流电动汽车技术路线

  特斯拉Model S & X

  作为风头正劲的明星车企,特斯拉汽车是一个无法绕开的话题,特斯拉汽车的动力电池是来自松下的三元锂电池,具体形态为众所周知的18650/2170(Model 3)圆柱形电池,圆柱形电池的主要特征为自动化生产工艺成熟,产品良率高,一致性好;电池小、电池组散热面积大;成组工艺复杂,电池组系统可靠性低。

  最后一点也导致了很多人的认知误区,认为特斯拉没有企业责任,无视三元锂电池的低可靠性而为了高能量密度强推18650。在特斯拉发展早期,也有许多业内人士因此唱衰特斯拉汽车的安全性。特斯拉CTO J B Straubel曾就这个问题做出回应:“相信我,在不久的将来我们会看到18650是最有说服力的。我真的不知道为什么18650会引起那么多争议。我们的电池实际上是深度定制的,我们和松下一起做了大量的定制工作。我们做的是汽车级的电池,按照汽车级的标准严酷测试,绝对不可能在任何笔记本上找到这种电池。”可以这样讲,传统消费电子类18650和特斯拉18650只是在形状和大小上一致,在安全性和性能上还是有一定区别的。

  此外,特斯拉在电池组和电控技术安全性上的投入也令人印象深刻,这个技术优势从多家传统车企对特斯拉汽车逆向工程上也可以得到证明。以特斯拉Model S P90D为例,在电池组方面,该车的动力电池共由16个模组构成,每个模组有444个电芯、74并、6串、共计7104个电芯。而P100D在同P90D的电池组外形、尺寸完全一样的情况下,多塞进了10kWh的电能进去,除了能量密度提升做出的贡献外,媒体拆解显示,特斯拉重新设计了整个电池组装置,在相同的空间里堆叠了更多的电芯——虽然同样由16个模组构成,但每个模组有516个电芯、86并、6串、共计8256个电芯。联想到Model 3小得多的车体空间,我们推测,率先应用在P100D上的新型电池组技术很可能是为了给Model 3做技术验证,以便随后给Model 3配置尽可能大的电池组,使之更具竞争力。

  在电池热管理系统上,P90D用一个四通转换阀实现了冷却系统的串并联切换。当电池处于低温时,电机冷却回路与电池冷却回路串联,从而使电机为电池加热。当电池处于高温时,电机冷却回路与电池冷却回路并联,两套冷却系统独立散热。汽车可以根据工况选择最优热管理方式。

  雪佛兰Bolt电动版

 

  雪佛兰Bolt的动力电池与特斯拉一样,属于三元锂电池,但在电池形态上,Bolt选择了由LG化学提供铝塑膜软包锂电池,软包电池的主要特征是安全性能相对较好,不易发生爆炸;能量密度高,延展性好,外形多变;一致性较差,成本较高;承受机械载荷能力差,容易破损和漏液。通用在量产前的产品预研上花了很多精力来测试电池的耐用度和安全性,他们建立了一个测试实验室,用以模拟日常行车中电池所需要经受的震动、碰撞等情况,甚至有受到枪击贯穿情况下的稳定情况,以保证在这种极端环境下车辆以及人身安全。

  采用软包电池的做法也使得电池组管理大大简化(相对于特斯拉),具体来讲,Bolt的软包电池分成了两个电池组,平铺于车身底部。

  在电池热管理系统上,当电池处于低温状态时,通用为电池包配备了一个功率为1.6kW的充电加热方式,可以将整体温差控制在2摄氏度以下。当电池处于高温状态时,通用采用液冷散热的方式,将液冷线路密集的平铺于软包电池的各个部位,使电池组整体得到一个均匀的冷却效果,避免了整体温差过大的情况出现。整个热管理系统虽然不如特斯拉高效,但更加节能。

  日产Leaf

  

  日产Leaf的上代动力电池是来自日产与NEC的合资企业AESC提供的锰酸锂电池,但新款已经换成由LG化学提供的三元锂电池,新款Leaf与雪佛兰Bolt采用了同样的供应商和电池组,这里不再赘述,我们着重讨论一下上代的层叠式软包电池组,上文中提到,软包电池的特征之一就是延展性好,外形多变,这也是为什么电池组形态可以设计成层叠式,在保证安全的同时最大限度的利用空间。同时为了规避软包电池承受机械载荷能力差,容易破损和漏液的短板,Leaf电池组采用了完全密封设计。电池组由192节33.1 Ah的层叠式锰酸锂电池组成。4节单体电池采用两并两串的连接形式组成模块,48个模块串联组成电池组。

  在热管理系统上,由于AESC作为日产亲儿子自研的锰酸锂电池的技术优势,该电池经过电极改良设计后降低了内部阻抗,减小了产热率,同时薄层结构使电池内部热量不易产生积聚,因此日产为Leaf电池组设计了“被动式电池组热管理系统”,说白了就是通过优化电芯和电池组设计去掉了其他电动车专门的降温装置,使其自然降温。当电池处于低温时,Leaf提供了和雪佛兰Bolt类似的加热选件。

  宝马i3

  

  宝马i3采用了来自三星SDI的三元锂电池,电池形态为方形锂电池。方形锂电池的特征为结构强度高,承受机械载荷能力好;电池组能量密度表现一般;工艺复杂,产品良率低,一致性较差。可以这样讲,这是三元锂电池所有电池形态中除了安全,其他方面表现都不算出色的电池,但安全也是方形电池备受传统车企青睐的原因。回到i3上,该车的动力电池由8个电池包组成,每个电池包内置12个方形电池单体,由8个电池包串联给驱动电机系统供电。在机械结构方面,i3的8个电池包都是可以独立装卸的。这样设计的好处是,当一个电池包被检测出有故障时,可以被单独更换,不需要拆卸整车动力电池系统。此外,i3车体由“Life”模块+“Drive”模块组成,后者将悬架、蓄电池组、驱动系统和碰撞防护结构全部纳入,与车体其他结构隔离,进一步提高了汽车的安全性。

  在热管理及电控系统上,宝马放弃了自研而选择了德国Preh公司的电控系统,该电池管理系统由电子控制元件电池管理单元和电池监控传感器单元构成,宝马表示,该系统可以时刻监测每个电池组的电压温度变化。测得的数据将由电池管理单元(BMU)进行处理以确定各自相应的充电电压,来确保电池处于最佳状态。

  比亚迪E6

  

  与上述不同,比亚迪E6采用了比亚迪自研的磷酸铁锂电池。相比三元锂电池,磷酸铁锂电池的安全性更高、抗衰退能力更长、原材料资源丰富、应用成本低(中国),但也存在能量密度偏低、低温衰退严重等缺点。比亚迪E6由96个方形电池单体组成60kWh的电池组,整个电池组平铺于车身底部,E6电池的电解液中加入了阻燃物质,从源头上杜绝了爆炸和燃烧的可能,此外,电池在量产前还要经过高温、高压、撞击等试验测试,验证电池在极端环境下的安全性和性能表现。电池组的底部还加装了阻燃塑料保护罩,主要用于防止碎石撞击电池壳而发生危险,塑料的塑性变形特性可以分解碎石撞击产生的力,且塑料罩在重量上的表现也优于金属罩,可以进一步减轻车体自重,提高续驶里程。当电池短路导致电解液气态膨胀时,电池组上的泄压阀可以快速排走电池的气体,属于被动安全装置。E6久经考验的安全性和稳定性+来自政府的高额补贴使得这一车型成为国内多个城市首选的出租汽车明星车型

  以上几辆电动汽车便是经过“市场和消费者检验”的优秀产品代表,总结来说,圆柱形电池的能量密度最高,特斯拉通过高难度的技术研发努力解决密集电芯带来的热管理难题;而日产、雪佛兰选择的软包电池,相比圆柱形电池能量密度尚有优化空间,但在解决电池组热管理上操作性更高,这是传统车企喜欢的典型的渐进式打法;而宝马的方案则将汽车安全性置顶,同时尽可能外包分业务来减小电动汽车业务对账面现金流的影响;比亚迪的电池化学材料独树一帜,凭着广阔的国内市场和政策倾斜以及表现尚可的技术水平获得了领先地位。

  通过这几辆车的电池供应商,我们也注意到一个趋势,在汽车动力电池领域,欧美发达国家第一次集体缺席,反而是东南亚的中日韩三国的企业正在强势崛起,概括来说,这三国中,日本技术积累最为深厚,尽管仍在竭力保持技术优势,但近年来日企的研究方向渐渐脱离了主流发展,仅剩松下一家前景可期;而韩国动力电池发展可说是后来居上,韩企从日企大肆砸钱挖人的新闻屡见不鲜,全产业链的发展模式塑造了令人瞩目的优势;相对而言中国的技术水平最为落后,但中国企业近来开始仰仗政策优势和广阔的市场开始奋起直追,同样不容小觑。

 

  圆柱形电池

  如上文所述,这种圆柱形三元锂电池原本因为笔记本及其他消费类电子产品的销量增长陷入停滞而走上下坡路。却因为特斯拉力克技术难题强推该品类焕发了第二春。日本电池业界发展三元锂电池投入最大的企业就是松下,松下的电池业务较为庞杂,主要包含太阳能电池、储能电池以及电动汽车所用的动力电池。2008年12月,松下斥资64亿美元收购了三洋电机。三洋电机在锂电池和太阳能电池两个领域都有雄厚的技术实力,此次收购扩大了松下在电池领域的技术优势。紧接着在2009年,松下与特斯拉结盟,成为特斯拉独家电池供应商,随着特斯拉汽车销量的持续增长,2013年,松下终于摆脱了消费电子领域连续两年的财报亏损,实现了超过10亿美元的盈利,成为动力电池领域无可争议的领军企业,到了2016年上半年,松下已经拿下了全球动力电池市场40%的份额,稳列第一。

  但松下并未就此止步,路透社报道,大众斥资100亿欧元发展电动汽车业务,其中正在接洽的动力电池供应商就有松下,如果双方最终达成合作协议,松下在动力电池市场的份额将进一步扩大。1月4日,特斯拉CEO Elon Musk宣布特斯拉与松下联合研发的2170新型电池正式量产,这是松下在汽车动力电池领域的最新研发成果,与此同时,两大韩企三星SDI与LG化学都宣布了类似于2170电池的新一代圆柱形动力电池,2017CES展上,三星SDI对松下隔空喊话,宣称“三星版”2170电池的能量密度达到了业界最高。尽管尚没有第三方机构作对比测试,但SDI此举表明这一领域的竞争正日趋激烈。

  软包电池

  软包电池的特性不再赘述,这是愿意进行适度技术投入进行优化的电动车企的最佳选择。软包电池主要由日企AESC和韩企LG化学提供,上文提到过,AESC是日产与NEC的合资企业,然而2015年,日产CEO卡洛斯戈恩公开表示:“我们在电池业务这一块开放竞争,确保获得最好的电池。就当前而言,我们认为最好的电池生产商是LG化学。”2016年又传出日产正寻求出售所持AESC全部51%的股份。回到市场份额上来,AESC在2016年砍下了15%的市场份额,仅次于松下,排在第二位,表现尚可。那为什么日产却要寻求出售股份呢?原因在于AESC在锰酸锂电池业务上浸入太久,尾大不掉,在热门的三元锂电池方向并无建树,不符合技术发展潮流。

  而LG化学的软包电池正是三元锂电池,如果从发展前景来考虑的话,未来软包电池领域很大可能LG化学一家独大,除了美国霍兰德和韩国本土的两大电池制造基地,2015年10月底,LG化学位于中国南京的动力电池厂正式竣工,该厂可年产供5万多辆纯电动汽车和18万辆插电式混合动力版汽车(PHEV)使用的电池。2016年4月,LG宣布在波兰建设年产量可为20万辆电动汽车提供动力电池的电池生产基地。LG化学电池商业部部长LeeWoong-beom对媒体表示,2016年,LG化学动力电池年销售额将达11亿美元,到2020年,这个数据将高达63亿美元。如果进展顺利,LG化学在销售额上超过松下也并非不可能”

  除了日产和通用,沃尔沃、福特、现代、起亚以及新兴车企FF、Lucid Motors都是LG化学的合作伙伴。

  方形电池

  方形电池的一个显著特点便是结构强度高,这一特性得到了多数传统汽车制造商的青睐。除了宝马,还有大众、克莱斯勒、奥迪等品牌的混动和纯电动车型,大多采用了三星SDI方形锂电池。方形电池的主要提供商为三星SDI和国内快速崛起的动力电池制造商宁德时代。2014年8月,三星在中国西安投资的动力电池生产基地开工建设,建成后该厂年产能将达到4万台纯电动汽车所需的标准电池。2016年9月,三星宣布投资3.5亿美元在匈牙利建设欧洲电池生产基地。建成后该厂将达到每年为5万辆电动汽车提供电池的产能。在国内,三星与东风、郑州宇通客车、北汽福田等十多家汽车制造商达成合作。此外三星也与FF、Lucid Motors达成了电池供应协议。值得一提的是,三星SDI还斥资了4.49亿美元收购了中国动力电池制造商比亚迪4%的股份。而另一家成立于2010年的中国企业宁德时代更具传奇色彩,2016年10月,宁德时代完成第二次融资,公司估值也随之增至800亿元人民币(115亿美元)。宁德时代CEO黄世霖表示,宁德时代电池产能已经超过LG化学,逐步逼近比亚迪和松下。公司计划在2020年前将电池产能增加5倍,达到50GWh,这一目标甚至超越了特斯拉的超级电池工厂。

  比亚迪磷酸铁锂电池

  比亚迪的磷酸铁锂电池是个异类,与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池虽然能量密度略低,但能保持较高循环寿命、更高安全性能,以及更低成本。比亚迪在全球动力电池市场上发展势如破竹,2014、15、16年的全球市场份额分别为6.7%、14.4%、19.4%。电动汽车业务则蝉联了15、16年的全球电动汽车销量冠军。2月8日,比亚迪在《投资者关系活动记录表》中表示,公司在深圳惠州、坑梓两个动力电池生产基地,目前共有10GWh的产能。同时比亚迪正在坑梓基地扩建的6Gwh产能,预计会于2017年达产。比起其他家宣称2020年目标产能balabala,比亚迪选择了更务实的17年达成16GWh年产能,电池业务与电动汽车业务深度绑定目前为比亚迪带来了产销两旺的有利局面,但风光背后也有隐患——出于竞争考虑,很少有车企会采购比亚迪的电池,一旦比亚迪电动汽车业务不振,电池业务受拖累几乎是必然事件。另外,经过多年的发展,比亚迪的磷酸铁锂电芯单体能量密度已经达到130Wh/kg以上,接近理论发展极限,今年发展出了改良的磷酸铁锰锂材料电池,使新款E6的续驶里程突破400公里大关,但长久游离在业界主流的的技术方向之外,在竞争白热化,三元锂电池规模效应凸显时容易陷入被动。好消息是比亚迪内部已经开始研究三元锂电池研究方向。不管怎样,这是一个好的开始。

  未来的动力电池市场,对于日本企业,随着AESC逐渐走上下坡路,更可能是松下(已完成并购三洋电气,市场份额实为36%)一家厮杀;对于韩国企业,软包、方形和圆柱形全面发展的模式会让三星SDI与LG化学会继续保持领先地位;对于中国企业,随着去年《汽车动力电池行业规范条件(2017年)》中对锂电池企业年产能要求达80亿瓦时(仅比亚迪和宁德时代符合)规定的出台,中国锂电池企业间并购将陆续展开,改善没有核心竞争力的中小规模企业过多的现象,逐步向韩国行业集中度高,最大化发挥资源优势的发展模式靠拢。

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