电池包技术革命：影响全球动力电池行业格局新变量.pdf

证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 未经许可，禁止转载 证 券 研 究 报告 电气设备 行业深度研究报告 推荐 （ 维持 ） 电池包技术革命：影响全球动力电池行业格局新变量 结构 设计 优化有助于动力电池包成本降低。 动力电池包由电芯 /模组 /辅材 /各类管理系统 等共同 构成。由于车用电池包商业化时间短，在早期的解决方案中存在冗余设计，堆高电池包成本，并拉低电芯到电池包的能量成组效率。随着新能源汽车产业的发展，大巴车中使用的磷酸铁锂电池已经进行数轮技术迭代，提高了电池包成组效率 ； 而新能源乘用车企业考虑电池成本降低及能量密度提升，也对以三元材料锂电为代表的动力电池包结构进行持续优化。 两者比较看，降低电池模组数量，减少零部件使用量，是 pack 结构优化的 共同努力方向 。 从少模组到无模组，乘用车电池包设计正迎来新变化。 近期，比亚迪提出的“刀片电池”，和宁德时代提出的 CTP（ Cell-To-Pack，无模组）技术，带来新能源乘用车电池包结构设计新变化。此新结构对于动力电池体积能量密度提升，制造成本降低改善显著。同时 2020 年将有数款新上市车型配套此类新设计的电池包结构，初步尝试验证该技术的商业价值 。 特斯拉的电池包技术验证了模组结构优化设计的技术上限。 特斯拉 Model S的电池包中。单个模组管理 电芯 为 450 只左右，而到了 Model 3，单个模组最多可以管理 1150 只 电芯 。当前特斯拉采用的圆柱形电池最高容量为 5.1Ah（松下生产的 21700 圆柱电池），但 全球一线的 方形和软包电池 生产商其产品容量远大于此 。那么如果方形或软包电池的生产质量能够达到特斯拉电池包设计的品控要求， 从产品技术可行性来看， 将加剧少模组和无模组结构设计在全球新能源汽车市场的推广 。 电池包结构设计新技术或将影响动力电池行业格局。 电池包模组结构的优化，快速的提升电池包能量密度，使得早期存在能量密度短板的磷酸铁锂电池在中高端乘用车中具备一定应用价值，且放大了磷酸铁锂电池天然的成本优势。 需要说明的是， 此过程也将利于三元材料锂电池综合性能的快速优化。 但由于集成化的结构设计加大了电池后期的故障维护成本，所以对动力电池企业品控管理提出更 高 要求，这将加速 动力电池 行业集中度提升。另外，在此技术路线下，方形电池与圆柱电池和软包电池的综合成本比较中有望脱颖而出，从而 助力 方形电池在全球动力电池市场份额 的 提升 。 风险提示 ： 国内新能源汽车产业政策发生重大变化；新技术应用受安全性等方面影响延期 。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 EPS（元） PE（倍） 简称 股价（元） 2019E 2020E 2021E 2019E 2020E 2021E PB 评级 宁德时代 130.57 1.99 2.48 3.19 65.61 52.65 40.93 8.75 强推 亿纬锂能 60.3 1.68 2.28 2.79 35.89 26.45 21.61 16.41 强推 欣旺达 24.3 0.53 0.74 0.94 45.85 32.84 25.85 7.12 强推 璞泰来 89.44 1.69 2.21 2.91 52.92 40.47 30.74 13.38 强推 恩捷股份 59.1 1.01 1.28 1.51 58.51 46.17 39.14 12.42 推荐 天赐材料 25.15 0.07 0.8 1.07 359.29 31.44 23.5 4.89 强推 资 料 来源： Wind，华创证券预测 注：股价为 2020 年 01 月 23 日 收盘价 证券分析师：胡毅 电话： 0755-82027731 邮箱： huyihcyjs 执业编号： S0360517060005 占比 % 股票家数 (只 ) 193 5.12 总市值 (亿元 ) 18,511.9 2.81 流通市值 (亿元 ) 14,595.27 3.04 % 1M 6M 12M 绝对表现 5.36 12.56 25.68 相对表现 7.62 8.17 0.62 电气设备行业重大事项点评：特斯拉引领新能源汽车产业发展步入新周期 2020-01-06 电气设备行业周报（ 20190106-20200110）：新能车 2020 年补贴环境趋于宽松，一季度光伏风电景气延续 2020-01-12 电气设备行业周报（ 20200113-20200117）：风电行业业绩靓丽，新能车市场加速车型升级 2020-01-19 -1%8%18%28%19/02 19/04 19/06 19/08 19/10 19/122019-02-11 2020-01-23沪深 300 电气设备相关研究报告 相对指数表现 行业基本数据 华创证券研究所 行业研究 电气设备 2020 年 02 月 02 日 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 2 目 录 一、 Pack 结构优化有助于动力电池成本降低 . 4 （一） Pack 结构优化对降低电池成本有较大空间 . 4 1、从电芯（ Cell）到模组（ Module）再到电池包（ Package），电池 Pack 基本情况介绍 . 4 2、电池 Pack 加工环节成本占比大，具有降低空间 . 5 （二）新能源商用车电 池 Pack 结构优化提升能量密度并降低成本 . 6 （三）新能源乘用车电池包结构优化已在路上 . 7 二、从少模组到无模组，乘用车电池包设计正迎来新变化 . 10 （一）从补贴退坡到市场化竞争，倒逼动力电池包设计结构持续升级 . 10 （二） 2020 年即将量产的比亚迪的 “刀片电池 ”技术和宁德时代的 “CTP”电池技术 . 10 1、比亚迪推出刀片电池技术 . 10 2、宁德时代即将量产 CTP 电池技术 . 11 （三）特斯拉 Pack 结构的持续迭代 . 12 三、电池包结构设计优化，将加剧动 力电池行业集中度再次提升 . 15 （一）电池包设计优化，拓展铁锂动力电池应用空间，也同样利于三元材料电池成本降低 . 15 （二）降低安装成本增加维护难度，对产品品质提出更高要求：加剧行业集中度提升 . 15 （三）电池包少模组方案或将加剧方形电池在全球动力电池市场份额提升 . 16 四、风险提示 . 17 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 3 图表目录 图表 1 动力电池包结构示意 . 4 图表 2 典型方形电池模组设计方案 . 4 图表 3 典型软包电池模组设计方案 . 4 图表 4 典型圆柱电池模组设计 方案 . 5 图表 5 典型动力电池包设计方案 . 5 图表 6 Pack 在动力电池包成本中占有较高比重 . 5 图表 7 客车车电池种类分布趋势 . 6 图表 8 客车磷酸铁锂动力电池能量密度趋势提升 . 6 图表 9 宁德时代 商用车动力电池包单体电芯容量不断提升，并迭代 Pack 设计 . 7 图表 10 日产 LEAF 产品迭代 . 7 图表 11 日产 LEAF 销量统计 . 8 图表 12 日产 LEAF 电池包结构迭代变化 . 8 图表 13 日产 LEAF 动力电池包结构变化 . 8 图表 14 国家产业规 划对于 Pack 设定的发展目标 . 10 图表 15 比亚迪刀片电池结构设计示意 . 11 图表 16 宁德时代 CTP 动力电池开发平台于传统电池包比较 . 11 图表 17 宁德时代 CTP 动力电池结构设计 . 12 图表 18 宁德时代 CTP 结构电芯与 BMS 连接（考虑后期维护） . 12 图表 19 特斯拉 Model S 和 Model 3 电池包结构比较 . 13 图表 20 宁德时代纯电动乘用车动力电池在售产品 . 13 图表 21 比亚迪 “汉 ”基本情况介绍 . 15 图表 22 电芯性能一致性影响电池包使用寿命 . 16 图表 23 方形 /圆柱 /软包电池市场份额比较 . 16 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 4 一、 Pack 结构 优化 有助于动力电池成本降低 （一） Pack 结构优化对降低电池成本有较大空间 1、 从电芯（ Cell）到模组（ Module）再到电池包（ Package）， 电池 Pack 基本情况介绍 通过大量公开信息，我们可以知道新能源汽车中动力电池包是单体电芯（ cell）通过串并联组合之后，外加一些管理、冷却系统后，形成的驱动汽车行驶的能源储存单元。在当前主流的电池包结构中，一款新能源汽车动力电池包主要由电池包电池模组电芯三个层级构成。 图表 1 动力电池包结构示意 资料来源：华创证券 根据公开资料 整理 电池通过模组形式安装于电池包中，其物理结构设计可以对电芯起到 支撑、固定和保护作用 ，方便对电芯进行 机械强度，电性能，热性能和故障处理 等方面管理。 图表 2 典型方形电池模组设计方案 图表 3 典型软包电池模组设计方案 资料来源 ： 华创证券 根据公开资料整理 资料来源： 华创证券 根据公开资料整理 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 5 图表 4 典型圆柱电池模组设计方案 图表 5 典型动力电池包设计方案 资料来源： 华创证券 根据公开资料整理 资料来源： 华创证券 根据公开资料整理 在动力电池包设计过程中，需要考虑结构电气系统安全可维护，电池热管理系统耐久有效，电池包结构防 尘 /防 水设计 、电池安全失效 泄压 及应急处理 等等，所以在主流车企在最初进入该领域积累设计和使用经验时，均会优先实现在实现设定功能情况下，预留一定的冗余空间 。此过程，自然在推高动力电池包 BOM 成本同时，降低电池包的能量密度和使用性能。 2、 电池 Pack 加工环节成本占比大，具有降低空间 在行业早期进行电池包设计过程中， 根据经验统计， 圆柱电芯的模组成组效率约为 87%，系统成组效率约为 65%;软包电芯模组成组效率约为 85%，系统成组效率约为 60%;方形电芯的模组成组效率约为 89%，系统成组效率约为70%。虽然之后经过数代的方案迭代，逐步提高了模组和系统的电芯成组效率，但是由于其在动力电池成本绝对值中依然占有较大比例，所以该环节持续推进的结构设计优化，对降低动力电池成本依然有重要意义。 图表 6 Pack 在动力电池包成本中占有较高比重 资料来源： 华创证券测算 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 6 （ 二 ） 新能源商用车 电池 Pack 结构优化提升能量密度并降低成本 当前国内新能源大巴车由于技术指标要求， 考虑到动力电池安全性和成本因素， 主流车企以磷酸铁锂技术路线为主要技术路线。 图表 7 客车车电池种类分布趋势 资料来源： 工信部， 华创证券 整理 我们知道，磷酸铁锂本身由于存在能量密度较低的瓶颈，但在过去技术升级中，商用车动力电池能量密度依然得到提升，同时成本也持续降低。其背后，一方面是电池材料体系持续发生的渐进式进步（磷酸铁锂改性、降低铜铝箔 /隔膜厚度等），另外一方面也是通过动力电池包结构不断优化升级实现。 图表 8 客车磷酸铁锂 动力电池 能量密度趋势提升 资料来源： 工信部， 华创证券 整理 以 宁德时代为代表的动力电池生产商，自 2013 年国内新能源商用车逐渐形成市场规模之后，也在通过电芯 （提升单体电芯容量）和模组 结构迭代（如 combo 模组集成技术 ）和电池包结构设计，来推动 铁锂 电池包能量密度提升，和制造 成本的降低。 根据行业统计，其大巴车动力电池包的成组效率从早期 72%提升至 90%左右水平。与此同时， 以宇通客车为代表的国内一流电动大巴车生产商，也通过大量运营数据和渐进式的电池包技术优化，积累了丰富的电电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 7 池 pack 经验，在新能源商用车电池包少模组设计领域处于行业领先地位。 图表 9 宁德时代商用车动力电池包单体电芯容量不断提升，并迭代 Pack 设计 资料来源： 微信公众账号 “ 汽车电子设计 ” （ 三 ） 新能源 乘用车电池包结构优化 已在路上 日产 LEAF（聆风），作为一款 2010 年上市之后经过数代产品迭代并经久不衰的产品，目前在全球已经有 超过 45万辆销售规模 （截止到 2019 年底） 。早期 LEAF 上市之时，采用初代电池包技术，带电 24Kwh，续航里程只有 140km左右。 2015 年，日产在欧洲和美国发布了 30kwh 电池包容量的升级版本，单车续航里程提升至 170km 左右。 2017年 10 月，日产推出第二代 LEAF，搭载 40Kwh 容量电池包，单车续航提升至 240km。 2018 年 7 月，日产发布 LEAF NISMO 的官方图片 ，该车将搭载 60kwh 电池，续航里程提升至 360km。 图表 10 日产 LEAF 产品迭代 资料来源： 行业网站 “ EV 知道 ” 从全球销量来看 ，日产 LEAF 过去 5 年每年能够稳定在 4 万台左右全球销量规模，凭借其稳定可靠的产品质量、便捷的操控和低碳环保的能耗，在日本、英国和美国受到广泛欢迎。 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 8 图表 11 日产 LEAF 销量统计 资料来源： 行业网站 “ EV 知道 ” 从电池包结构角度看， LEAF 也在通过电芯容量提升，及电池 Pack 结构设计的迭代，来实现电池包容量，和成组效率提升。 图表 12 日产 LEAF 电池包结构迭代变化 LEAF电池包 电芯数量 模组数量 pack 重量（ kg） pack 容量（ kwh） 单模组电池数量 电池能量密度wh/kg 电芯能量密度Wh/kg 成组效率 第一代 192 48 270 24 4 89 157 57% 第二代 192 24 303 40 8 132 174 76% 第三代 288 16 335 60 27(3P9S)/12(3P4S)/21(3P7S) 180 224 80% 资料来源：华创证券 整理 测算 图表 13 日产 LEAF 动力电池包结构变化 资料来源： 微信公众账号 “ 汽车电子设计 ” ， 华创证券 整理 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 9 电气设备 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 10 二 、 从少模组到无模组，乘用车电池包设计正迎来新变化 （一） 从 补贴退坡 到市场化竞争 ， 倒逼 动力电池包设计结构 持续升级 自 2016 年以来，国家新能源汽车补贴的退坡和技术升级，一直是倒逼产业快速进行技术升级，降本增效的关键驱动力。随着补贴逐步退去， 新能源汽车行业 迎接与燃油车的市场化竞争， 能否持续改善电池包性能降低电池包成本，或将成为不同车企能否继续保持快速发展顺利完成汽车电气化智能化升级的关键。 图表 14 国家产业规划对于 Pack 设定的发展目标 资料来源： 中国汽研中心，华创证券整理 （ 二 ） 2020 年即将量产的 比亚迪的“刀片电池” 技术 和宁德时代的“ CTP”电池 技术 在国内降低电池包模组优化 pack 设计的各个方案中，比亚迪提出的“刀片电池”结构和宁德时代提出的“ CTP”结构 具有广泛知名度，两家企业率先将这种新型的电池包设计应用于磷酸铁锂电池推广，在降本增效方面体现出明显的改善。 1、 比亚迪 推出刀片电池 技术 在 2020 年 1 月组织的百人会上，比亚迪董事长兼总裁王传福表示比亚迪新开发的“刀片电池”是将首次搭载于 2020年推出的全新系列车型“汉”，有望在 6 月正式上市。根据王传福董事长介绍，“刀片电池”是新一代磷酸铁锂电池， 在体积比能量密度上比传统铁电池提升了 50%，电池成本降低 30%。 通过公开资料发现，比亚迪提出的“刀片电池” 的电芯结构 ，较以往方形电池 电芯 长度更长（ 800mm 左右），厚度降低 20mm，在电池包中并排侧立放入（电芯之间导热绝缘）。该结构设计增加电芯散热面积，便于电池包热管理，或节省空间提高电池能量密度同时，将有利于 安全性能的提升。 另外电芯结构变化使得 pack 设计方案迭代，降低零部件使用量，从而降低电池 pack 成本。 由于“刀片电池”在电芯结构设计方面与以往差别明显，比亚迪标识后续将新建产能以满足该电池设计对应车型的生产需求（刀片电池生产工厂定于重庆）。