全球四大动力电池巨头“产品评测”

        挑灯夜读瑞银最新发布的动力电池厂商长篇报告《Tearing down the heart of an electric car: Canbatteries provide an edge, and who wins?》,获益良多。

       为了对各类电芯的技术水平、化学成分、制造流程及成本有更深刻的认识,瑞银证据实验室(Evidence lab)拆解了来自松下、LG Chem、三星和宁德时代(SZ:300750)的主流电芯产品,得出的结果很有参考价值。

       下面记录一些要点以供参考。

       注:本文仅为信息交流之用,不构成任何交易建议。

产业格局

LG与宁德时代成长性最好,特斯拉最受益

【1】关于电池的研究很重要

       电池是电动汽车最核心的组成部分,占汽车总价值的25%至40%。无论对电池厂还是汽车制造商,在动力电池领域的竞争中胜出,就意味着掌握了将电动汽车推向大众的关键技术,并能获得重要的竞争优势。

【2】产业链的发展空间巨大

       全球动力电池需求将增长近10倍。得益于不断下降的电池成本及不断提升的性能,预计电动新能源汽车的销量从今年的180万辆提升至2025年的1750万辆。

       基于该假设,预计2018年的需求约为93Gwh,而到2025年将升至973GWh,增长9.5倍。

       在电池的总需求方面,将由2018年的166Gwh提升至2025年的1145GWh,几乎翻六倍。对于锂离子电池企业,营业收入将从今年的230亿美元,增长至2025年的840亿美元。

       值得注意的是,未来几年内电芯的产能将与需求同步增长,但在2021年后,会有减缓。

【3】特斯拉的成本优势超出预期

       在拆解测试中发现,松下生产的21700电池,其总电芯成本仅为111美元/千瓦时。与成本第二低的LG Chem相比,特斯拉具备20%的成本领先优势。

       归纳的原因有三:首先,特斯拉(NASDAQ:TSLA)的超级电池厂已经具备规模优势;其次,圆形电芯的制造工艺更加简单;第三,NCA电池(正极材料是由镍钴铝构成的三元锂电池)的化学原材料成本更低。

       在电池包层面,75kWh的配置比此前的研究还低2800美元,估计53kWh的电池具有2000美元的优势。相当于比之前的19年财务预测,可以多出6亿美元的EBIT(息税前利润)。

       从成本的角度考虑,同行在当前阶段很难与特斯拉直接竞争。不过,随着韩国及中国的厂商不断获得规模效应,未来两三年内,他们的成本的差距会逐渐缩小至10%的水平。

       但至少要等到2020年初,当NMC811电池(NMC是指镍锰钴)成为主流产品,届时才有机会进一步消除成本上的差距。

       还有一点不容忽视,电池包生产也是特斯拉的一大优势。

【4】特斯拉的其他优势

       首先,特斯拉的度电里程、度电重量都具有优势,这意味着特斯拉每次充电可行驶的里程以及驾驶体验都好于友商。

       其次,特斯拉电动总成的效率首屈一指,这意味着友商的产品需要使用更大的电池以达到特斯拉的相同里程,当然成本也会更高。换算成金额,特斯拉在这方面的成本优势达到1000至4000美元/辆。

       不过,当LG发挥出完全的规模效应后,其电芯成本的差距将缩减至900美元/辆的水平。在电池包的层面,成本差距将缩减至1700美元/辆的水平。在2021年后,随着NCM811的普及,这些差距还可以继续消除。

【5】基于电芯看优势

       衡量电芯优劣的指标并不局限于度电成本,综合而言,特斯拉与LG比较优秀。

       不同类型的电芯各有优势,不能简单地说谁好谁不好。首先,NCA拥有最高的体积能量密度,只需使用最少的关键原材料即可制成,并且零件的数量是最少的,组装最为简单。

       不过,NCA先天的安全性能不足,需要搭配成熟的电池管理系统(BMS)方可使用。特斯拉Model3就装配了4416颗NCA电芯,管理难度可想而知。

       其次,NCM软包电池最容易组装成电池包,拥有更好地热稳定性,因此不需要复杂的BMS,可以降低安全管理的成本。

       第三,宁德时代和三星SDI所青睐的方形电芯拥有最多的零件,将近30个零件使其制造过程最为复杂。一顿操作猛如虎,却制造出拥有最低能量密度的电芯。不过胜在安全性能好,也容易组装成电池包。目前,三星方形电芯的价格比LG软包电池贵很多,但未来可通过降低过度设计的安全容量来显著降低成本。

       第四,软包电池拥有最高的重量能量密度,比如雪佛兰的Bolt,只需使用288个电芯即可满足需求。而且,软包电池不需要那么复杂的BMS,使用的连接线也少,安全性也不错。不过,软包电池需要额外的堆砌和折叠制造流程,会增加成本及制造的复杂性。

【6】关于对原材料价格的敏感性

       假设原材料价格不出现崩盘的情形,预计特斯拉松下联盟会继续保持领先优势。特斯拉对镍价的敏感性会稍微高于其他原材料。若锂、钴、镍、锰、铝价同时提高50%,特斯拉松下联盟受到的影响最小。

【7】对原材料市场的影响

       在锂需求方面,预计从2018年的26.5万吨提升至2025年的115万吨LCE,市场容量大约增长四倍。不过不是所有的锂都会完全受益,随着三元电池的普及与技术升级,高纯度的电池级氢氧化锂才是增长的主角。

       在镍需求方面,动力电池的消耗量目前约为6万吨,该需求有望在2025年提升至66.5万吨,具备11倍的增长潜力。从总需求上看,有望从今年的220万吨提升至2025年的310万吨。

       在钴需求方面,今年的需求约为12万吨,到2025年预计将增长至26万吨。

【8】电池包成本的下降趋势

       电池包成本到2025会下降35%左右。原因有三:首先,规模效应显现。其次,技术升级带来更高的能力密度和更低成本的原材料组合。最后,电池厂商选择制造成本更低、供应链更完善的地方进行生产。

       举个例子,三星目前的NCM622产品,成本为141美元/千瓦时,当获得完全的规模效应,成本可以下降18%至116美元/千瓦时。在2020年改为使用NCM811后,由于钴的使用量几乎减半,还能带来15%至20%的成本下降空间。换句话说,若在分析中纳入技术升级的考量,到2020/2021年,主要厂商的电芯成本有望下降至100美元/千瓦时。

【9】电池市场前景广阔,呈五分天下之势

       预计到2025年,电池市场的容量将达到973GWh,相当于19个特斯拉超级电池厂。这意味着,电芯制造商的年均收入将以大约20%的速度复合增长。

       在电池市场的竞争中,特斯拉获益最多。由于特斯拉拥有电池管理系统的优势,能使用成本更低的NCA电芯,并且特斯拉的电动动力总成在众多厂商之中,是最有效率的。

       不过,尽管松下目前拥有许多优势,未来并不会出现赢者通吃的局面。因为其他厂商并没有与特斯拉相同的、使用NCA电芯的能力。

       传统内燃机汽车品牌商要使用NCA电芯的代价很大,组装成电池包的复杂性也更高。

       得益于超级电池厂的规模效应,特斯拉抵消了电池包组装的劣势,但对于刚起步转型的传统厂商而言,均不希望使用难以控制的圆形NCA电芯,而是将NCM电池视为更好的选择。

       因此,未来的电池市场将形成寡头结构,前五大厂商将占据80%的市场。其中,LG和宁德时代(特别是LG Chem)将是增长最快的电池供应商。到2025年,LG Chem有望替代松下,成为电池制造五巨头之首。

       原因不难理解,全球内燃机厂商都不太可能投奔NCA的怀抱,NCM的市场份额将逐渐被其余四家巨头蚕食。

       此外,电池制造市场的寡头格局形成后,有望在较长的时间内持续。

       首先,传统汽车制造商若自建电池厂,在成本上几乎不可能赶上亚洲的龙头。他们更倾向于参股或合资的形式与现有寡头进行合作,以稳定自身的供应链状况、降低物流成本、控制原材料的供给等。

       其次,预计到2021年,松下、LG Chem、三星SDI、SK Innovation和宁德时代的产能将超过50GWh,这对新进者而言几乎是不可逾越的成本壁垒。

       根据他们迄今为止的FID,届时能进行商业化生产的产能也仅有2到5Gwh。

       综上所述,宁德时代值得保持关注。

技术差异

宁德时代方形电芯最复杂,制造成本占比最低

       在拆解的电池样品中,包含了宝马I3的三星牌94Ah电芯,通用Bolt的LG牌软包电芯,特斯拉的松下牌圆柱电芯,以及不同国产BEV所使用的宁德时代牌方形电芯。

【1】不同电芯的综合状况对比

       从电芯的角度看,松下圆柱电芯的成本优势非常明显。

       从体积比能量的角度排序,NCA也是明显领先。

       另外,若从重量比能量的角度看,LG的软包电芯超越了松下的圆柱电芯夺得冠军。

【2】寻找成本差异的根源

       为什么NCA的成本优势那么明显?这要归功于松下电池的高镍低钴技术。下图比较了各类电芯正极材料的成分结构。

       正是因为高镍低钴,导致NCA电芯的直接材料成本具有无可比拟的优势。

       进而创造出了度电成本的领先优势。

       在第一章节中提到,随着韩国及中国的厂商不断获得规模效应,未来两三年内,他们的成本的差距会逐渐缩小至10%的水平。但至少要等到2020年初,当NMC811电池成为主流产品,届时才有机会进一步消除成本上的差距。

       如果仅看规模效应的影响,LG化学的降本潜力最大,可以带来18%的成本削减效果。需要注意的是,瑞银的模型假设未来有更高的产能利用率、设备效率提升会带来更高的生产吞吐量、规模增加会降低原材料采购的成本、以及更低的研发销售比。

       如此看来,规模效应可以使LG化学和三星在未来更有竞争的底气。

       此外,除了原材料成本的差异,我们还有必要关注制造成本的差异。按照生产的复杂性排序,方形电芯需要最多的工序,将近30个。大量的零件需要许多二级供应商的配合。

       相比之下,圆柱电芯的工艺最简单,因此可以带来最高的产线利用率。在制造过程中,每个环节的设备利用率都不会低于80%的水平,而其他类型电芯的制造环节中,会出现60%或更低的设备利用率,因此而产生瓶颈。

       如果排除原材料成本的影响,仅看总制造成本的占比,宁德时代则具有最大的优势。

       这个结论有点意思。前面提到宁德时代生产的方形电芯拥有最高的制造复杂性,为何其制造成本的占比却最低?

       继续分解制造成本的结构可以看出,宁德时代的劳动力成本仅为1.5美元/千瓦时,而竞争对手的工厂由于选址问题,人力成本高于宁德时代好几倍的水平。

       这一次,中国劳动力的显著优势继续发挥了作用。如果剔除人力成本的因素,NCA技术的制造成本依然是最低的。

       另外,宁德时代的制造成本优势,不仅现在有,将来随着规模的增长,还会变的更明显。下面是瑞银的预测:

       不过,对于另外三家竞争对手而言,不会放过降低成本的机会,也不会放任宁德时代的人力成本优势不管。最直接的办法是,直接在中国建厂,以消除宁德时代的竞争优势。他们采取这一举措后,选址对制造成本的影响如下:

       若剔除人力成本的影响,特斯拉将再次领先,而LG化学和三星的制造成本将接近宁德时代的水平。

【3】关于电池成本下降的预期

       未来两三年电芯成本的降幅可以达到6%-18%。随着2020年NCM811开始进入普及阶段,届时有望实现100美元/千瓦时的目标。

       首先,规模效应上升到一定水平就会保持稳定。在理想状况下,固定资产的成本只占电芯总成本的10%-15%,而材料成本占到总成本的56%-66%。

       其次,未来成本的下降主要来自正极材料的选择,考验厂商高镍低钴的技术。LG化学、三星和宁德代都预期在2020/2021向NCM811迈进,届时会因此而带来11%-24%的降本效应。松下由于已经采用了高镍低估的NCA技术,成本反而难以继续下降。

       第三,未来纷纷建立的中国电池厂,都会受益于低廉的劳动力而使成本下降约7美元/千瓦时。

       第四,研发费用的营收占比目标在8%-10%的水平,但明年可能降至5%。这是由于大多数公司研发支出的绝对投入量会保持不变,而营收却不断增长所致。

       综上所述,我们对主流厂商的电芯技术差异有了基本的了解。接下来还会继续细探不同厂商关于电池管理系统以及制造过程的差异。

电池管理系统:特斯拉一骑绝尘

【1】没有完美,只有取舍

       在电池设计环节,厂商可以通过调整正极、负极和电解液的材料来达到不同的目的。不过,凡事都有取舍,完美电池并不存在。

       如果要强调安全性,那么就要牺牲能量密度,如果要获得重量方面的优势,那么就会导致更高的成本。

       总之,厂商需要在能量密度、安全性、重量、电压水平、成本等方面做好平衡,一方面最大化自己选择的优势,另一方面又要优化电池系统的整体表现,提升属性取舍所造成的短板。

【2】剖析特斯拉的BMS

       拆解实验显示,特斯拉的电池管理系统是当今最成熟的系统。

       得益于深度学习和人工智能的充分应用,特斯拉的BMS可以不断获得实际驾驶的大数据,然后对算法进行自我强化,从而使特斯拉电池组的续航时间相对更长。

       续航里程是目前电动汽车渗透率提升所面临的主要问题,而特斯拉依靠领先的设计概念,在这一点上已显露出差异化的竞争优势。

       特斯拉Model3的BMS具有以下五大物理特性:

       ①4416颗低容量的小电池支撑起75千瓦时的系统。使用大量小电芯的好处是:更易保持电池系统的整体稳定性;可增加对未来设计及材料变化的适应性;可弥补材料的负面属性。

       ②特斯拉自己研制的半导体和软件是实现精确管理的关键要素。基于内部研发的技术,特斯拉可以对每一颗电芯进行温度管理。特斯拉研制的两个芯片分别叫蝙蝠侠和罗宾汉,他们的具体功能依然是神秘的。但推测,只有38针的罗宾汉负责收集数据,而拥有64针的蝙蝠侠负责处理罗宾汉送过来的数据、监测电池的充电状态、管理电芯的平衡及统筹多系统的数据共享与合作。

       ③采用两阶段法进行电芯平衡,这对串联很重要。

       假如没有电芯平衡技术,不同电芯的电量会出现较大的差异,在充电时,同一组电芯有的充满至100%,而有的可能只充了60%,这时候为避免继续充电而造成温度失控,就不得不停止充电,从而造成了容量的浪费。

       而特斯拉一方面对大量的电芯进行筛选和分类,将质量相近的电芯捆绑在一起使用,另一方面采用了精确控制的电芯平衡技术,使得不同电芯组之间在并联时的电压差异只有2-3mV,相当于只有0.05-0.08%的偏差。

       通过这些努力,特斯拉的电池组不仅获得了更高的利用效率,还具备了相对较低的衰减速度。

       再说说两阶段的电芯主动平衡技术。实际上,蝙蝠侠与罗宾汉的CP组合并不是只有一对,而是拥有多对。

       首先,在每个模组的基板上都会有他们的身影,从而在模组层面实现精确控制。

       然后在高电压控制面板上,蝙蝠侠与罗宾汉会再次发挥作用,使四个电池模组实现同步运作,进一步提高系统的稳定性。

       ④NCA电池的弱点在于相对易燃性,但特斯拉通过使用不导热材料以及嵌入温度计的设计,降低了该弱点的影响。

       ⑤特斯拉可以积累与BMS建设相关的所有数据,包括驾驶、充电、电池温度、电池容量变动等。

       稍微懂一点深度学习和人工智能的朋友应该知道,这一点是多么的重要。

       而且,电池是能力储存及释放的装置,会循序一定的化学反应及物理定律,这些数据之间的关联是可以被经验数据所验证的,因此特斯拉设计的BMS在未来仍具有很大的发展潜力。

五大特性带来了以下六大优势:

       ①市面上的多数电动汽车,在使用的4至8年内,电池容量会下降至80%以下,但大多数特斯拉的产品仍能保持在90%以上。

       在行使10万公里后,电池容量下降至90%-95%,行使20-30万公里后,电池容量仍在90%以上。电池的容量虽然在衰减,但特斯拉的衰减率确实令人满意。

       相比之下,日产Leaf的电池表现就差多了。由于电池包的不成熟设计(没有液冷系统),Leaf电池的衰减速度是出了名的快。

       ②特斯拉BMS的设计理念是允许出错的,因此具有很高的风险容忍度。

       系统事先已假定电芯会以一定的速率出现故障,所以会最大限度利用大数据来维护和管理大量的电芯,导致即使有一定程度的电芯出现故障,对整体系统的影响也会很小。由于使用了大量的小电芯,从统计上看,更容易减少不可控的范围。

       特斯拉的车型比其他品牌的车型多出了10倍的电芯数量,同样损坏一定数量的电芯,特斯拉的系统不痛不痒,而其他厂商的系统可能就崩溃了。在传统的设计方法中,电芯的故障是“不可接受的”,因此他们会严格要求电池供应商的供货质量,希望将故障率降至零。

       ③基于BMS的设计框架,电池系统容量的增加可谓轻而易举。特斯拉系统可使用相同的电池来满足轿车、卡车、跑车、SUVs及其他类型汽车的需求,只需调整并联和串联的配置即可。

       ④尽管NCA电池相对易燃,但依靠大数据的BMS可以防止金属沉积的形成以及温度的升高,从而使电芯容量的利用程度能够接近极限水平。

       ⑤在采用固态电池的情景下,差异化的电芯平衡技术将显得更为重要。Model3具备的技术,例如自行设计的控制芯片及软件、两阶段电芯平衡管理,以后将产生更为重要的作用。

       ⑥特斯拉的精控软件及硬件是自行研制的,而传统的汽车生产商大多将其外包给软件及半导体公司,这使得特斯拉更有能力应对未来市场的变化。

【3】特斯拉的BMS可补偿电芯设计的短板

       ①不断优化和升级。

       特斯拉的电芯无论在材料还是形状,都在追求更高的能量密度,辅以先进的电池管理系统来弥补电芯设计的短板。事实上,特斯拉BMS的调整每天都在进行,并通过远程管理进行升级。

       ②人工智能算法的优势或将扩大。

       特斯拉将与亚马逊合建一座4.8MWh的储能系统,届时特斯拉将获得为CPUs、DRAMs、空调等电子元件供电的大数据。

       特斯拉已经拥有利用人工智能来管理大型数据中心的丰富经验,结合即将获得的更高量级的数据,特斯拉可以轻松获得关于新想法的算法,或是仅通过汽车行驶数据无法获得的先进技术。

       ③电池利用效率仍有提升空间。

       随着特斯拉BMS精控管理能力的提升,有望通过降低安全裕度来实现电池组容量的提升。事实已证明,特斯拉有能力通过软件的管理来控制汽车的可用容量。

       例如在去年9月的佛罗里达飓风来临时,特斯拉为车主提升了电容15千瓦时,可额外行驶48公里的里程。

【4】特斯拉电池包的弱点

       上面说了许多特斯拉BMS的厉害之处,但其弱点也是十分明显的。

       ①电芯的安全性相对较差。

       特斯拉使用的NCA电芯更易燃,这是无法否认的。过去,Model S和 Model X都发生过多起燃烧事故。事实证明,火势一旦蔓延到电池包,燃烧很容易就会加剧。因为电池里充满了液态的乙二醇,这是容易导热的材料。

       不过,在新款的Model 3中,所有的电芯都用阻燃材料做了固定,相比过往的Model S和 Model X而言,变得更难燃烧。

       ②模组更换成本高。

       一般而言,在并联电路中,坏一些电芯并不会影响电池包的整体性能,但如果是模组损坏了,更换模组的成本会比Bolt更贵一些。因为Bolt有10个模组,而特斯拉只有4个模组。

       ③有瞬间失控的风险。

       特斯拉拥有卓越的电力控制技术,能够将所有数据聚合,并优化整个系统的运作表现。但问题是,电力控制系统也是需要电力供应的。

       一旦出现短暂的电力缺失,电力控制系统有可能不能及时激活,从而使安全保护和温度控制的功能失效。

       ④网络安全风险。

       随着汽车通信网络的普及,恶意软件和病毒所带来的风险也会增加。这些程序可能有机会重写电池管理系统的程序,通过停用功能、突然改变电池容量来导致电池变形或着火。

【5】雪佛兰的Bolt又如何?

       Bolt的BMS与特斯拉相比,有六个方面的差异值得注意:

       ①特斯拉的芯片是自行设计的,而Bolt的芯片却是外购的。

       例如,Bolt BMS中监控电压及温度的芯片是LG化学设计的,然后交由半导体制造商ST微电子生产。自行设计的产品可以有更好的适应性及更快速的调整能力。

       ②Model 3拥有18个BMS MCUs,而Bolt有25个。

       通过估算,Model 3的BMS MCUs价值72美元一个,而Bolt使用的MCUs价值84美元一个,差别不大。不过不排除特斯拉的成本更高,因为专利费用没有包含在估算模型内。

       ③Model 3的电芯平衡采用两阶段法,而Bolt只有一个阶段。

       由于Bolt只有单阶段的电芯平衡,如果增加电池容量,则容易会造成电芯平衡精确度的失衡,从而带来更快的衰减速度。

       ④特斯拉的BMS是分布式的,而Bolt的BMS是集中式的。

       特斯拉为了保险起见,安装了两个BMS的控制芯片,即使一个出现了故障,整个系统依然能够正常运作。而集中式的BMS可能会有较低的抗风险能力。

综合而言,特斯拉的BMS确实非常优秀。

source:http://www.juda.cn/news/51149.html

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