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【深度】全球新能源汽车及动力电池发展趋势分析

发布时间:2016-5-21

导读: 既然电动汽车市场是未来一段时间锂离子电池产业发展最重要的推动力,这里我们就简单来看一看电动汽车及车用电池未来几年是一个怎样的发展趋势。鉴于电池是电动汽车最核心的零部件,在纯电动汽车的制造成本方面,电池的占比也最高,普遍在30%以上,有的甚至40%或50%以上。

  既然电动汽车市场是未来一段时间锂离子电池产业发展最重要的推动力,这里我们就简单来看一看电动汽车及车用电池未来几年是一个怎样的发展趋势。鉴于电池是电动汽车最核心的零部件,在纯电动汽车的制造成本方面,电池的占比也最高,普遍在30%以上,有的甚至40%或50%以上。自2011年电动汽车商业化元年以来,电动汽车的销量与电池价格的变化密切相关,具体见图1。

  

  电动汽车的销量与电池价格的变化密切相关

  从图1可以看到,车载电池组价格每下降10%,电动汽车销量增长大约在20%~30%之间。不过,随着这几年车载电池组价格的大幅度下降(由2011年的1100美元/kWh下降到2014年的390美元/kWh),现有技术水平下再继续下降的空间不大,价格的驱动力正在用尽,预计本年度车载电池组价格的降幅会到10%以下,而海外电动汽车的市场销量增幅则会降到20%以下。中国电动汽车市场2014年和本年度非常火爆,预计本年度销量将突破20万辆,从而超越美国成为全球最大市场,但这主要是政府强力刺激和市场封闭发展双重措施下的结果,与电池价格的变化的对应关系还不太明显。

  业内认为,电动汽车目前最大的问题是价格和纯电续航里程,解决这两大问题的主要办法除了提高电池组能量密度之外,还有就是标准化和轻量化,其中标准化主要是指核心部件如电池模块、电机等的标准化,而轻量化则是指在不降低车辆安全系数的前提下,将体重较大的部件减重。这就是未来几年电动汽车技术发展的主要方向。这些方向目前都有车企和零部件厂商在积极尝试。这里我们主要介绍车辆和电池方面的进展。

  

  1、进一步降低电池的单位成本

  如图6所示,电动汽车产品开发目前主要存在两类情况,一是在解决纯电续航里程的情况下降低车辆的售价,二是在车辆价格已经比较低的情况下提升纯电续航里程。特斯拉就是第一类情况的代表,他正在积极开发3.5万美元左右的大众型纯电动汽车产品Model Ⅲ,而其中最重要的工作就是要降低电池的单位成本。

  特斯拉一直在致力于降低其车载电池组成本的努力。根据真锂研究掌握的有限的资料来分析,2009年其第一款产品Roadster EV上市销售时,电池组成本大概是1,100~1,200美元/kWh;到2012年中期第二款产品Model S EV上市销售时,大概是700美元/kWh左右,主要得益于电池组系统(BMS、冷却系统和安全系统)价格的下降;2014年特斯拉电池组的成本大概降到了420美元/kWh左右(其中电芯成本大约占比75%),主要得益于电芯价格的下降。特斯拉公开披露的信息显示,其2014年支付松下3.1Ah电芯的采购价大约是3.5美元/只(约合313.62美元/kWh)。

  但是,420美元/kWh的成本对于Model Ⅲ而言还是太高。有分析表明,要保证Model Ⅲ有220英里(350km)的纯电续航里程,需要搭载至少可存储44kWh电量的电池组,这样计算,电池组成本就将1.85万美元,占到了3.5万美元售价的近53%,这显然是不行的。在电机等其他核心部件成本下降空间不大的情况下,必须要大幅度降低电池成本才行,在420美元/kWh的基础上再减掉一半以上是最好。

  为此,特斯拉主要采取了两个办法,一是兴建超级电池工厂Gigafactory,依靠规模降低成本;二是革新电池技术,依靠技术降低成本。Gigafactory已于2014年在美国内华达州的沙漠里开始建设,计划一期生产线2017年建成投产,这也正好是Model Ⅲ计划上市的时间。应特斯拉的要求,松下这几年一直在研发新的由正、负极材料构成的新一代电池,能够降低成本、提高能量密度,延长电池寿命。

  这种新一代电池就是Gigafactory工厂将要大规模量产的20700电芯。据外媒披露,这种新型号电芯的能量密度将增加36%,组成模块后的重量也会较现有产品降低30%以上,更为重要的是,由于减少了很多电芯包装装置的钢和铝等材料(能量密度的提高也主要是这个原因),电芯的制造成本将降低一半。使用新型20700电芯后,模块也减少了一个层级,这样,电池组的控制也得到了很大程度提高。

  业内数据显示,2014年锂离子电池电芯市场均价约1500元/kWh,折合成美元大约245美元/kWh,其中以车载电池为代表的动力电池电芯约300美元/kWh,以手机电池为代表的小型锂离子电池电芯不到200美元/kWh。真锂研究预计到2020年锂离子电池的能量密度会普遍提升30%以上,同时电芯均价会普遍下降1/3以上,降到160美元/kWh以下,其中车载电池电芯的均价会降到200美元/以下。

  

  特斯拉使用的老18650电芯和新20700电芯的情况对比

  2、提升电池组能量密度

  如图6所示,提升电池组能量密度主要有两个办法,一是在不降低安全系数的情况下,使用轻质部材对电池组框架进行轻量化处理,二是提升电芯的能量密度。日产2013年初推出的改款Leaf产品,主要变化是采取了轻量化锂离子电池架构,改进了动力总成布局,这使得Leaf EV的重量减轻了105kg(原来是1,545kg,现在减轻到1,440kg)。减轻重量的具体办法是:①减轻电芯外壳重量(约减轻了20kg);②减少了用来固定电池模块的螺钉的数量,并去掉了支架多余的壁厚;③减轻了电池模块的外装。后两个办法减轻了约85kg。这样,Leaf电池组的能量密度就由之前的86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg,车辆的续航里程也由之前的120km提升到了135km(指实际工况)。

  根本办法还是提升电芯的能量密度。这也同样有两种途径,一是减轻电芯外包装材料的重量,二是提升电池技术水平。上面已经提到,AESC是直接将Leaf用电芯外壳做轻量化处理,而松下是将电芯做大成20700型号,使得同样电量情况下使用的电芯数量更少,从而减轻电芯外壳总重量,以提升能量密度。把电芯做大目前是多数企业采取的办法。这两种办法殊途同归。同样,提升电芯能量密度的根本办法还是要靠提升电池技术水平,现阶段这主要是要依靠正极材料技术水平的提高来实现。几乎所有电池企业都把工作重心放在这上面。通过电池技术进步提升能量密度的办法主要有两个:一是采用5V级正极材料提升电池的电压,二是采用高容量正极材料提升电池的容量,二者结合当然是最佳。

  还是以日产Leaf为例,将于今年晚些时候推出的2016款Leaf EV将会有S、SL和SV三个子款,其中入门版的S款将维持24kWh电池组的配置,而SL和SV则会将电池组可存储电量增加到30kWh,同时电池组体积不变。这样,车辆的续航里程将提升25%,以美国EPA数据看,续航里程将由目前的135km提升到169km。即将采用的30kWh电池组就是采用了新的电池技术,从相关资料来看,正极材料应该是由之前的“LMO+NCA”组合变成了“LNMO+NCA”组合。这个LNMO(镍锰酸锂)就是5V级正极材料。电芯的能量密度也因此由157Wh/kg提升到了200Wh/kg左右。

  正极材料高容量化的技术开发,目前主要集中在两种三元材料身上,分别是镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA),其中NCM的技术开发方向是高镍化。目前动力电池用NCM材料主要使用的是NCM111、NCM532和NCM523这三种,三星SDI给宝马等车企提供的电芯使用的是NCM622,有中国企业开发出了NCM701515,该技术下一步的发展就是NCM811,到了NCM811这个阶段,NCM材料的容量就基本上和NCA一样了。中国电池企业的动力电池技术开发目前大多集中在NCM方向;致力于NCA电池技术开发的还不多,真锂研究目前仅知天津力神已经开发出了NCA电池,NCA材料技术的开发企业主要有贝特瑞、天骄科技等。

  还有一种电池技术值得高度关注,就是全固态锂离子电池技术。使用固态电解质的、能量密度可轻松达到300Wh/kg的全固态锂离子电池技术开发也越来越清晰地看到了量产的曙光丰田已经试制出了2Ah的全固态锂离子电池产品,装配在其微型电动汽车上收集实证试验数据。丰田计划2020年之前将全固态锂离子电池技术投入商业化应用。通用汽车参与投资的美国Sakti3也已掌握了相关技术,目前正在设计开发以最小的设备投资实现最大生产效率的全固态锂离子电池生产线(以现有方式制造的话,生产效率会非常低下,从而导致成本会高得离谱,必须要开发一种全新的生产方式)。

  从媒体的相关报道来看,Sakti3希望在2017年或2018年前后上市销售其全固态锂离子电池产品,至于其产品单位kWh价格,可能会比现有的锂离子电池还要低。如果是这样,那锂离子电池技术就即将迎来一场革命。也有人认为,现有的液态锂离子电池从上世纪70年代开始相关理念和实证试验就在齐头并进推进,但真正开始商业化应用是在90年代。全固态锂离子电池大致是从2010年前后开始广受关注的,相对应,其商业化应用也可能得到2030年前后。但在我们看来,技术的发展自进入21世纪以来一直呈现出加速度发展状态,这从IT技术的巨大进步就可见一斑。只要制造固态电池所需材料的资源不是如白金(燃料电池催化剂的核心用材)般那么稀缺和昂贵,其他都不是问题。

  综合来看,锂离子电池及其相关材料产业已经进入到了技术制胜的发展阶段。技术制胜的根本在于新材料技术的开发和应用。

  3、模块化和标准化

  IT技术的飞跃发展得益于电脑的快速普及,而对于电脑快速普及起至关重要作用的就是电脑部件和各种接口的标准化,因此,假如有一天电动汽车及车载电池也能实现模块化和标准化,不难想象,这肯定会推动电动汽车制造成本快速下降,从而使电动汽车迅速普及。从汽车制造来看,跨国车企们于20世纪90年代兴起的平台化战略极大降低了汽车的制造成本,为汽车快速普及做出了巨大贡献。目前,汽车平台化战略已经发展到了平台精益化和模块化阶段。相对应,电动汽车的制造也要求在精益化的基础上对平台构建进行模块化构建。简而言之,就是在平台内尽可能实现更多的模块共享。模块化平台将有效减少汽车部件的生产成本与固定投资,缩短工程时间,并支持更多车型。显然,全新的模块化平台,将进一步降低电动汽车研发周期和制造成本。

  与模块化发展战略紧密配套的是标准化工作的推进。以大众集团2012年推出的MQB模块化平台为例,该平台是MQB发展的第三阶段。第一阶段的MQB只能在同等级车型中应用,第二阶段则可以跨等级地在中型车小型车上同时应用,现在这个MQB模块化平台则进一步实现了车辆的标准化和定制化。

  MQB模块化平台从最初开发就把变化作为设计的前提,尽可能减少零部件种类。采用MQB同一模块平台的车型,能够共享相同规格的发动机、变速器及空调等总成,零部件通用化比例可达60%;另一个特征是能够适应未来动力传动系统的多样化。车身的设计考虑了支持多种动力传动系统,使同一车身构造可以搭载多种动力传动系统(涡轮增压汽油机、高压共轨柴油增压发动机、天然气发动机、乙醇燃料发动机、双燃料发动机、插电混动系统、纯电动系统等都支持);此外,MQB模块化平台还导入了众多轻量化技术和电子新技术,引入了发动机模块化概念和电池模块化概念。

  

  表6:大众集团和宝马的电动汽车产品的电池和续航情况

  从表6可以看到,德国车企宝马保时捷奥迪大众(后三者同属大众集团旗下车企)等正在共同致力于电动汽车标准化工作。目前已经能够找到一些规律,如:属于高端豪车系列的PHEV产品的纯电续航里程一般在30km级别奥迪Q7 e-Tron例外,在50km级别),属于经济型车或中低端豪车系列的PHEV产品的纯电续航里程一般在50km级别,而纯电动汽车(EV)的续航里程一般在150-200km之间。

  确定车辆的纯电续航里程之后,再根据车辆的性能要求、车重情况等确定要配备多大的电池组。所以我们可以看到,纯电续航里程30km级别的PHEV车款,配备的电池组容量也各不相同;50km级别的PHEV和150-200km之间的EV亦是如此。当然,随着电池技术的进步,电池能量密度的提高,上述纯电续航里程的标准也会相应地水涨船高,如30km级别的PHEV产品2017年前后的发展目标是50km级别,这是在电池组体积不变的前提下要达到的目标。

  此外,大众集团还在不同品牌的车款之间尝试使用相同的电池组,以及在同一款产品的电池组上尝试使用不同电池企业的电芯产品,这就是电池模块标准化工作的核心内容。从表6可以看到,大众集团在奥迪A3e-Tron和大众Golf GTE这两款PHEV车上使用的都是松下提供的8.8kWh电池组,而在E-UP!和E-Golf这两款EV产品上则都分别使用了松下和三星SDI的电芯。

  

  这个工作需要电池企业的密切配合。不仅是大众集团,宝马等其他德国车企也有类似需求。三星SDI目前就在密切配合德国车企的相关工作,并为此制定了自己的动力电池技术目标路线图(见图7)。三星SDI已将其20Ah级别的电芯产品分为20Ah、22Ah、24Ah、26Ah和28Ah这5个子款,每个子款的壳体是固定的,但具体容量和电压都可以根据车企的具体需求而微调。如24Ah子款在体积不变的情况下,容量可以在24~26Ah(不含26Ah)之间微调,电压可以在3.6~3.75V微调。表6中三星SDI提供的24.5Ah、25Ah电芯产品就是这种微调的结果。

  结语

  对于电动汽车、动力电池及相关材料产业的发展,中国很多企业还是很努力的。比如,工信部的相关数据显示,很多国产电动汽车搭载的电池组的能量密度都在80Wh/kg以上,有的甚至超过了100Wh/kg,比前几年有了长足进步。在使用电芯绝大多数还是能量密度较低的磷酸铁锂电芯的情况下,如果没有降低安全系数,那么这种进步还是让人欣喜的。在降低电池制造成本、提升电池组能量密度乃至电池模块的标准化等方面,中国都有企业在积极努力工作,有的已经取得了一定的成果。这是希望!

  毋庸置疑,在政府的精心呵护和强力推动下,中国电动汽车市场的发展前景越来越光明,购买电动汽车的消费者数量在显着增加。不过,对于电动汽车、车用动力电池及相关材料的产业链的发展,我们必须承认,总体来说目前只是数量上去了,但质量还不够,我们还有很多的工作要做。质量上去的核心工作是提高企业的技术水平和制造能力,同时清理产业发展环境,杜绝劣币驱逐良币等不良现象再度发生,鼓励创新,更加旗帜鲜明地保护知识产权。这些工作踏踏实实去做的话,中国电动汽车及其相关产业的发展还是有希望的。

  政府有关主管部门在制定相关产业政策的时候,也希望能够更加周全地考虑问题。比如,有关部门意识到了企业数量众多但规模普遍不大的状况将会影响到日后中国锂电产业的竞争力,已经出台了相关措施。首先工信部于2015年3月公布的《汽车动力蓄电池行业规范条件》规定锂离子动力电池单体(电芯)生产企业的年产能不得低于2亿Wh规模。紧接着工信部又在2015年9月公布的《锂离子电池行业规范条件》规定锂离子电池企业年产能不得低于1亿Wh规模,同时对4大关键材料产业的年产能也做出了相应限制。真锂研究认为,出发点是良好的,但做法欠妥。这样做最容易导致两个结果:一是企业为了生存而不得不扩充产能,导致中低端产能过剩现象进一步加剧;二是那些致力于开发新技术的中小创新型企业可能会因为这样的产能要求而胎死腹中。希望工信部能够继续出台相关配套政策,防止上述不良结果发生。

  在业内人士看来,近年来国际油价一直在跌跌不休,目前已跌到了40美元/桶的超低位水平,但与此同时,电动汽车的销量却丝毫没有受到影响,每年都有显着增长;煤炭价格也屡创新低,煤电成本日益走低的同时风光发电规模却越来越大。这些足以表明新能源新能源汽车的发展势头已不可阻挡。

  我们有理由相信,包括风光发电、电动汽车、锂离子电池及相关材料产业等在内的整个新能源新材料产业体系,将会成为拉动全球经济走出低谷的最大推动力。全球正在经历一次新能源革命,这次革命主要由新材料、新技术推动。任何一个行业的发展不是一帆风顺的,但人类前进的步伐不会停歇,办法总比困难多!

  我们必信:属于新能源新能源汽车和新材料的时代已到来!

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