從主流電動(dòng)車(chē)企技術(shù)路線(xiàn) 聊聊動(dòng)力電池的未來(lái)趨

電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)這把火真的燒起來(lái)了，沒(méi)有什么比數據更有說(shuō)服力。2016年，中國銷(xiāo)售的電動(dòng)車(chē)數量達到50.7萬(wàn)，比2015年增長(cháng)53%。與此同時(shí)，來(lái)自法國巴黎銀行的調研報告指出，截止2016年底，全球范圍內的電動(dòng)汽車(chē)占汽車(chē)市場(chǎng)份額尚未跨過(guò)1%的門(mén)檻，這意味著(zhù)，未來(lái)幾年，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)仍將高速發(fā)展，在這樣的背景下，我們決定來(lái)分析一下主流電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)路線(xiàn)，同時(shí)展望未來(lái)幾年動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢。

主流電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)

特斯拉Model S & X

作為風(fēng)頭正勁的明星車(chē)企，特斯拉汽車(chē)是一個(gè)無(wú)法繞開(kāi)的話(huà)題，特斯拉汽車(chē)的動(dòng)力電池是來(lái)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；成組工藝復雜，電池組系統可靠性低。

最后一點(diǎn)也導致了很多人的認知誤區，認為特斯拉沒(méi)有企業(yè)責任，無(wú)視三元鋰電池的低可靠性而為了高能量密度強推18650。在特斯拉發(fā)展早期，也有許多業(yè)內人士因此唱衰特斯拉汽車(chē)的安全性。特斯拉CTO J B Straubel曾就這個(gè)問(wèn)題做出回應：“相信我，在不久的將來(lái)我們會(huì )看到18650是最有說(shuō)服力的。我真的不知道為什么18650會(huì )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(chē)級的電池，按照汽車(chē)級的標準嚴酷測試，絕對不可能在任何筆記本上找到這種電池。”可以這樣講，傳統消費電子類(lèi)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)勢從多家傳統車(chē)企對特斯拉汽車(chē)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(chē)的動(dòng)力電池共由16個(gè)模組構成，每個(gè)模組有444個(gè)電芯、74并、6串、共計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外，媒體拆解顯示，特斯拉重新設計了整個(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)模組構成，但每個(gè)模組有516個(gè)電芯、86并、6串、共計8256個(gè)電芯。聯(lián)想到Model 3小得多的車(chē)體空間，我們推測，率先應用在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。

在電池熱管理系統上，P90D用一個(gè)四通轉換閥實(shí)現了冷卻系統的串并聯(lián)切換。當電池處于低溫時(shí)，電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)，從而使電機為電池加熱。當電池處于高溫時(shí)，電機冷卻回路與電池冷卻回路并聯(lián)，兩套冷卻系統獨立散熱。汽車(chē)可以根據工況選擇最優(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)品預研上花了很多精力來(lái)測試電池的耐用度和安全性，他們建立了一個(gè)測試實(shí)驗室，用以模擬日常行車(chē)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定情況，以保證在這種極端環(huán)境下車(chē)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(jiǎn)化（相對于特斯拉），具體來(lái)講，Bolt的軟包電池分成了兩個(gè)電池組，平鋪于車(chē)身底部。

在電池熱管理系統上，當電池處于低溫狀態(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(xiàn)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(guò)大的情況出現。整個(gè)熱管理系統雖然不如特斯拉高效，但更加節能。

日產(chǎn)Leaf


日產(chǎn)Leaf的上代動(dòng)力電池是來(lái)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采用了同樣的供應商和電池組，這里不再贅述，我們著(zhù)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)可以設計成層疊式，在保證安全的同時(shí)最大限度的利用空間。同時(shí)為了規避軟包電池承受機械載荷能力差，容易破損和漏液的短板，Leaf電池組采用了完全密封設計。電池組由192節33.1 Ah的層疊式錳酸鋰電池組成。4節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。

在熱管理系統上，由于A(yíng)ESC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(guò)電極改良設計后降低了內部阻抗，減小了產(chǎn)熱率，同時(shí)薄層結構使電池內部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此日產(chǎn)為L(cháng)eaf電池組設計了“被動(dòng)式電池組熱管理系統”，說(shuō)白了就是通過(guò)優(yōu)化電芯和電池組設計去掉了其他電動(dòng)車(chē)專(zhuān)門(mén)的降溫裝置，使其自然降溫。當電池處于低溫時(shí)，Leaf提供了和雪佛蘭Bolt類(lèi)似的加熱選件。

寶馬i3


寶馬i3采用了來(lái)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構強度高，承受機械載荷能力好；電池組能量密度表現一般；工藝復雜，產(chǎn)品良率低，一致性較差?？梢赃@樣講，這是三元鋰電池所有電池形態(tài)中除了安全，其他方面表現都不算出色的電池，但安全也是方形電池備受傳統車(chē)企青睞的原因?；氐絠3上，該車(chē)的動(dòng)力電池由8個(gè)電池包組成，每個(gè)電池包內置12個(gè)方形電池單體，由8個(gè)電池包串聯(lián)給驅動(dòng)電機系統供電。在機械結構方面，i3的8個(gè)電池包都是可以獨立裝卸的。這樣設計的好處是，當一個(gè)電池包被檢測出有故障時(shí)，可以被單獨更換，不需要拆卸整車(chē)動(dòng)力電池系統。此外，i3車(chē)體由“Life”模塊+“Drive”模塊組成，后者將懸架、蓄電池組、驅動(dòng)系統和碰撞防護結構全部納入，與車(chē)體其他結構隔離，進(jìn)一步提高了汽車(chē)的安全性。

在熱管理及電控系統上，寶馬放棄了自研而選擇了德國Preh公司的電控系統，該電池管理系統由電子控制元件電池管理單元和電池監控傳感器單元構成，寶馬表示，該系統可以時(shí)刻監測每個(gè)電池組的電壓溫度變化。測得的數據將由電池管理單元(BMU)進(jìn)行處理以確定各自相應的充電電壓，來(lái)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(cháng)、原材料資源豐富、應用成本低（中國），但也存在能量密度偏低、低溫衰退嚴重等缺點(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(chē)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(guò)高溫、高壓、撞擊等試驗測試，驗證電池在極端環(huán)境下的安全性和性能表現。電池組的底部還加裝了阻燃塑料保護罩，主要用于防止碎石撞擊電池殼而發(fā)生危險，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也優(yōu)于金屬罩，可以進(jìn)一步減輕車(chē)體自重，提高續駛里程。當電池短路導致電解液氣態(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)考驗的安全性和穩定性+來(lái)自政府的高額補貼使得這一車(chē)型成為國內多個(gè)城市首選的出租汽車(chē)明星車(chē)型

以上幾輛電動(dòng)汽車(chē)便是經(jīng)過(guò)“市場(chǎng)和消費者檢驗”的優(yōu)秀產(chǎn)品代表，總結來(lái)說(shuō)，圓柱形電池的能量密度最高，特斯拉通過(guò)高難度的技術(shù)研發(fā)努力解決密集電芯帶來(lái)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，這是傳統車(chē)企喜歡的典型的漸進(jìn)式打法；而寶馬的方案則將汽車(chē)安全性置頂，同時(shí)盡可能外包分業(yè)務(wù)來(lái)減小電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)對賬面現金流的影響；比亞迪的電池化學(xué)材料獨樹(shù)一幟，憑著(zhù)廣闊的國內市場(chǎng)和政策傾斜以及表現尚可的技術(shù)水平獲得了領(lǐng)先地位。

通過(guò)這幾輛車(chē)的電池供應商，我們也注意到一個(gè)趨勢，在汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域，歐美發(fā)達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)正在強勢崛起，概括來(lái)說(shuō)，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(lái)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(shuō)是后來(lái)居上，韓企從日企大肆砸錢(qián)挖人的新聞屢見(jiàn)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(lái)開(kāi)始仰仗政策優(yōu)勢和廣闊的市場(chǎng)開(kāi)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為筆記本及其他消費類(lèi)電子產(chǎn)品的銷(xiāo)量增長(cháng)陷入停滯而走上下坡路。卻因為特斯拉力克技術(shù)難題強推該品類(lèi)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(yáng)能電池、儲能電池以及電動(dòng)汽車(chē)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。三洋電機在鋰電池和太陽(yáng)能電池兩個(gè)領(lǐng)域都有雄厚的技術(shù)實(shí)力，此次收購擴大了松下在電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。緊接著(zhù)在2009年，松下與特斯拉結盟，成為特斯拉獨家電池供應商，隨著(zhù)特斯拉汽車(chē)銷(xiāo)量的持續增長(cháng)，2013年，松下終于擺脫了消費電子領(lǐng)域連續兩年的財報虧損，實(shí)現了超過(guò)10億美元的盈利，成為動(dòng)力電池領(lǐng)域無(wú)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(chǎng)40%的份額，穩列第一。

但松下并未就此止步，路透社報道，大眾斥資100億歐元發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)，其中正在接洽的動(dòng)力電池供應商就有松下，如果雙方最終達成合作協(xié)議，松下在動(dòng)力電池市場(chǎng)的份額將進(jìn)一步擴大。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(chē)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(lèi)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(huà)，宣稱(chēng)“三星版”2170電池的能量密度達到了業(yè)界最高。盡管尚沒(méi)有第三方機構作對比測試，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(chē)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(guò)，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(kāi)表示：“我們在電池業(yè)務(wù)這一塊開(kāi)放競爭，確保獲得最好的電池。就當前而言，我們認為最好的電池生產(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?；氐绞袌?chǎng)份額上來(lái)，AESC在2016年砍下了15%的市場(chǎng)份額，僅次于松下，排在第二位，表現尚可。那為什么日產(chǎn)卻要尋求出售股份呢？原因在于A(yíng)ESC在錳酸鋰電池業(yè)務(wù)上浸入太久，尾大不掉，在熱門(mén)的三元鋰電池方向并無(wú)建樹(shù)，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(lái)考慮的話(huà)，未來(lái)軟包電池領(lǐng)域很大可能LG化學(xué)一家獨大，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(chǎng)正式竣工，該廠(chǎng)可年產(chǎn)供5萬(wàn)多輛純電動(dòng)汽車(chē)和18萬(wàn)輛插電式混合動(dòng)力版汽車(chē)(PHEV)使用的電池。2016年4月，LG宣布在波蘭建設年產(chǎn)量可為20萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)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(cháng)LeeWoong-beom對媒體表示，2016年，LG化學(xué)動(dòng)力電池年銷(xiāo)售額將達11億美元，到2020年，這個(gè)數據將高達63億美元。如果進(jìn)展順利，LG化學(xué)在銷(xiāo)售額上超過(guò)松下也并非不可能”

除了日產(chǎn)和通用，沃爾沃、福特、現代、起亞以及新興車(chē)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(zhù)特點(diǎn)便是結構強度高，這一特性得到了多數傳統汽車(chē)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(chē)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(kāi)工建設，建成后該廠(chǎng)年產(chǎn)能將達到4萬(wàn)臺純電動(dòng)汽車(chē)所需的標準電池。2016年9月，三星宣布投資3.5億美元在匈牙利建設歐洲電池生產(chǎn)基地。建成后該廠(chǎng)將達到每年為5萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)提供電池的產(chǎn)能。在國內，三星與東風(fēng)、鄭州宇通客車(chē)、北汽福田等十多家汽車(chē)制造商達成合作。此外三星也與FF、Lucid Motors達成了電池供應協(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(guò)LG化學(xué)，逐步逼近比亞迪和松下。公司計劃在2020年前將電池產(chǎn)能增加5倍，達到50GWh，這一目標甚至超越了特斯拉的超級電池工廠(chǎng)。

比亞迪磷酸鐵鋰電池

比亞迪的磷酸鐵鋰電池是個(gè)異類(lèi)，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(chǎng)上發(fā)展勢如破竹，2014、15、16年的全球市場(chǎng)份額分別為6.7%、14.4%、19.4%。電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)則蟬聯(lián)了15、16年的全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)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擴建的6Gwh產(chǎn)能，預計會(huì )于2017年達產(chǎn)。比起其他家宣稱(chēng)2020年目標產(chǎn)能balabala，比亞迪選擇了更務(wù)實(shí)的17年達成16GWh年產(chǎn)能，電池業(yè)務(wù)與電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)深度綁定目前為比亞迪帶來(lái)了產(chǎn)銷(xiāo)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(chē)企會(huì )采購比亞迪的電池，一旦比亞迪電動(dòng)汽車(chē)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(guò)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的續駛里程突破400公里大關(guān)，但長(cháng)久游離在業(yè)界主流的的技術(shù)方向之外，在競爭白熱化，三元鋰電池規模效應凸顯時(shí)容易陷入被動(dòng)。好消息是比亞迪內部已經(jīng)開(kāi)始研究三元鋰電池研究方向。不管怎樣，這是一個(gè)好的開(kāi)始。

未來(lái)的動(dòng)力電池市場(chǎng)，對于日本企業(yè)，隨著(zhù)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(chǎng)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(huì )讓三星SDI與LG化學(xué)會(huì )繼續保持領(lǐng)先地位；對于中國企業(yè)，隨著(zhù)去年《汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)規范條件(2017年)》中對鋰電池企業(yè)年產(chǎn)能要求達80億瓦時(shí)（僅比亞迪和寧德時(shí)代符合）規定的出臺，中國鋰電池企業(yè)間并購將陸續展開(kāi)，改善沒(méi)有核心競爭力的中小規模企業(yè)過(guò)多的現象，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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