无模组化电池深度报告：无模组化降本路径清晰，磷酸铁锂有望复苏.pdf

电气设备 | 证券研究报告 行业深度 2020 年 5 月 29 日 Table_Industr yRank 强于大市 公司名称 股票代码 股价 (人民币 ) 评级 宁德时代 300750.SZ 147.84 买入 比亚迪 002594.SZ 57.48 买入 德方纳米 300769.SZ 86.10 增持 贝特瑞 835185.OC 45.91 未有评级 湘潭电化 002125.SZ 7.82 未有评级 资料来源：万得，中银 证券 以 2020 年 5 月 28 日当地货币收市价为标准 中银证券 股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry Table_Analyser 沈成 (8621)20328319 cheng.shenbocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300517030001 朱凯 (86755)82560533 kai.zhubocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300518050002 Table_Title 无模组化电池深度报告 无模组 化降本路径清晰，磷酸铁锂有望复苏 Table_Summary 无模组化电池技术是动力电池 提升能量密度并降低成本 的主要方式之一，未来有望持续提升新能源汽车整体竞争力 ，并强化动力电池龙头企业的核心竞争力； 无模组化电池技术有望率先应用于安全性能更优异的磷酸铁锂电池体系，或将加速磷酸铁锂电池需求回暖 ； 维持行业 强于大市 评级 。 支撑评级的要点 模组逐渐由非标准化发展为无模组化。 动力电池发展初期为了提高安全性引入模组作为电芯与电池包的中间结构，其主要问 题是成本增加与成组效率较低。模组的发展主要分为三个阶段： 1）非标准化转变为标准化：主要由德国推出 VDA 标准，大众推出 355 模组逐步实现； 2）模组大型化：大众 MEB 平台推出 590 模组； 3）无模组化：宁德时代 CTP 技术与比亚迪刀片电池技术，进一步提升能量密度并降低成本。 无模组化技术降本路径清晰。 动力电池系统的降本来源于规模效应、技术进步、原材料降价， 2015-2019 年期间电池价格与成本大幅下降是由于三因素共振。根据我们的测算， 2019 年，在三元、磷酸铁锂动力电池系统中，模组与 PACK 材料成本占比分别为 22.5%、 27%。无模组化技术有望通过改变电池结构设计，优化和精简电池结构，减少部分材料用量，减轻电池系统质量，简化生产工艺，实现降本效果。 国内龙头企业无模组化技术进入商业化应用。 宁德时代 CTP 技术注重电池包轻量化设计，不改变电芯尺寸，体积利用率提高 15%-20%，电池包零部件数量减少 40%，生产效率提升 50%，电池包能量密度提升 10%-15%，可达到 200Wh/kg 以上，大幅降低动力电池的制造成本。比亚迪刀片电池创新性提出更长、更薄的电芯形状，省去结构件，将电池包壳体内部的空间利用率由原来的 40%-50%提 升至 60%-80%。 CTP 与刀片电池在降本增效方面有异曲同工之效，并有望提升电芯厂在产业链中的话语权。 无模组化技术有望加速磷酸铁锂电池需求回暖。 无模组化技术推出初期，会更多的采用电芯和材料安全性更好的磷酸铁锂体系；随着工艺技术的成熟度提升，有望逐步应用在高镍三元等能量密度更高的材料体系上。无模组化技术弥补了磷酸铁锂电池能量密度低的短板，在补贴持续退坡的背景下成本优势凸显，磷酸铁锂渗透率有望持续提升。同时，储能领域对磷酸铁锂电池需求亦有望快速增长。我们预计到 2023 年，全球磷酸铁锂电池需求有望达到 136GWh，磷酸铁锂材料需求量将达到 31.4万吨， 2019-2023 年均复合增速为 36.5%。 重点推荐 无模组化电池技术是动力电池提升能量密度并降低成本的主要方式之一，未来有望持续提升新能源汽车整体竞争力， 维持行业 强于大市 评级。无模组化电池技术有望强化动力电池龙头企业的核心竞争力，推荐 宁德时代 、 比亚迪 。此外，无模组化电池技术有望率先应用于安全性能更优异的磷酸铁锂电池体系，或将加速磷酸铁锂电池需求回暖，推荐磷酸铁锂材料龙头 德方纳米 ，建议关注湘潭电化、贝特瑞等。 评级面临的主要风险 新冠疫情影响超预期，产业政策不达预 期，技术进步不达预期，价格竞争超预期。 Table_Companyname 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 2 目录 模组逐渐由非标准化发展为无模组化 . 5 电池模组为动力电池包提供安全保障 . 5 模组导致电池包成组效率降低和成本增加 . 6 从技术进步与产业发展看模组发展趋势 . 7 无模组化技术降本路径清晰 . 11 规模优势与退坡压力双重刺激，电池价格持续下降 . 11 模组与 PACK 环节降本大有可为 . 12 国内龙头企业无模组化技术进入商业化应用 . 16 宁德时代推 出 CTP 技术 ，有望提升能量密度并降低成本 . 16 比亚迪推出刀片电池，具备高体积能量密度与高安全性 . 19 无模组化技术的核心优势与壁垒 . 24 无模组化技术有望加速磷酸铁锂电池需求回暖 . 26 磷酸铁锂电池在新能源乘用车中的渗透率有望提升 . 26 储能市场对磷酸铁锂电池需求有望迎来快速增长 . 26 磷酸铁锂材料新增供给有限，行业格局有望改善 . 27 投资建议 . 29 风险提示 . 30 德方纳米 . 32 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 3 图表 目录 图表 1. 方形电池模组结构 . 5 图表 2. 圆柱电池模组结构 . 5 图表 3. 动力电池模组生产工序 . 6 图表 4. 动力电池模组的性能要求 . 6 图表 5. 电池包成组效率汇总 . 7 图表 6. 动力电池模组发展趋势推演 . 7 图表 7. 德国 VDA 电池标准尺寸 . 8 图表 8. LG 推出的 355 电池模组 . 8 图表 9. 微宏动 力推出的 355 电池模组 . 8 图表 10. 2016-2019 年国内动力电池企业装机量 CR 3 与 CR 5 . 9 图表 11. MEB 平台 ID.3 电池模组结构 . 9 图表 12. ID.3 电池包系统结构示意图 . 9 图表 13. 蜂巢能源 CTP 技术介绍 . 10 图表 14. 宁德时代 2015-2019 年动力电池系统价格 . 11 图表 15. 宁德时代 2015-2019 年动力电池系统毛利率 . 11 图表 16. 新能源乘用车 2020 年补贴政策和 2019 年补贴政策对比 . 11 图表 17. 动力电池系统结构组成分解示意图 . 12 图表 18. 三元电池系统与磷酸铁锂电池系统成本拆分结构 . 12 图表 19. 2015-2019 年正极材料价格走势 . 13 图表 20. 2015-2019 年负极材料价格走势 . 13 图表 21. 2015-2019 年六氟磷酸锂与电解液价格走势 . 13 图表 22. 2015-2019 年隔膜价格走势 . 13 图表 23. 动力电池系统降本路径 . 14 图表 24. 三元电池系统成本结构 . 15 图表 25. 磷酸铁锂电池系统成本结构 . 15 图表 26. 传统电池包系统爆炸图 . 16 图表 27. CTP 电池包系统爆炸图 . 16 图表 28. 电芯单元结构示意图 . 16 图表 29. BMS 组件结构示意图 . 16 图表 30. CTP 电池包中电芯与 BMS 组件安装步骤流程 . 17 图表 31. CTP 无模组化技术电池包系统爆炸图 . 18 图表 32. CTP 技术与传统模组电池包技术优势比较 . 19 图表 33. CTP 无模组化电池包立体图 . 19 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 4 图表 34. CTP 技术散热板结构示意图 . 19 图表 35. 传统电池包示意图 . 20 图表 36. 刀片电池包示意图 . 20 图表 37. 比亚迪汉 EV . 20 图表 38. 比亚迪汉性能参数 . 20 图表 39. 传统模组组成的电池包爆炸示意图 . 21 图表 40. 刀片电池包立体结构示意图 . 21 图表 41. 刀片电池单体电芯结构示意图 . 21 图表 42. 刀片电池包立体结构示意图 . 21 图表 43. 传统模组电池包与刀片电池性能比较 . 22 图表 44. 比亚迪刀片电池能量密度显著提升 . 22 图表 45. 刀片电池散热性能对比情况 . 23 图表 46. 刀片电池针刺实验效果图 . 24 图表 47. 宁德时代 CTP 与比亚迪刀片电池技术对比 . 24 图表 48. 2015-2019 年磷酸铁锂动力电池渗透率情况 . 26 图表 49. 2018 国内新能源汽车磷酸铁锂电池占比情况 . 26 图表 50. 2019 年磷酸铁锂需求结构 . 27 图表 51. 2019-2025 年全球储能领域对锂电池需求预测 . 27 图表 52. 2019 年国内磷酸铁锂材料竞争格局 . 28 图表 53. 2015-2019 年国内磷酸铁锂产能及产量情况 . 28 图表 54. 2019-2023 年全球磷酸铁锂材料需求量预测 . 28 附录图表 55. 报告中提及上市公司估值表 . 31 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 5 模组逐渐由非标准 化 发展为无模组化 电池模组为动力电池包提供安全保障 模组是动力电池系统的次级结构之一。 动力电池系统的常规结构设计流程为电芯 模组 系统，模组主要是单体电芯通过串并联方式，加保护线路板及外壳后，构成能够直接供电的组合体，是单体电芯与 PACK 的中间产品。电池模组主要由单体电芯、固定框架、电连接装置、温度传感器、电压检测线等部分组成。按照单体电芯的形状不同，市场上的电池模组分为方形电池模组、圆柱电池模组、软包电池模组。 模组是弥补单体电芯一致性与稳定性 差 的重要环节。 2012 年以前，动力电池行业处于导入期阶段，其特点为： 1） 企业生产 规模小，大部分生产单体动力电芯的企业由传统 3C 小型锂电池企业转型而来； 2） 电池生产技术的成熟度低，流程中工艺管控能力薄弱， 单体电芯 的一致性和稳定性相对较差。模组作为单体电芯与电池包 之间 的 缓冲 环节， 有利于保障电池包的稳定性和安全性。 图表 1. 方形电池模组结构 图表 2. 圆柱电池模组结构 资料来源：高工锂电， 中银证券 资料来源：高工锂电， 中银证券 从生产工序来看，模组处于电芯和 PACK 之间。 电芯厂制备单体电芯后， PACK 厂商通过单体电芯测试与挑选、单体电芯通过串并联焊接成电芯模组、电芯 模组集成与封装、安装电池管理系统（ BMS）、充放电循环测试、产成品封装入库，最终得到动力电池系统。 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 6 图表 3. 动力电池模组生产工序 资料来源：东方精工公告，中银证券 电池模组的主要作用在于提升电池系统的安全性。 1）电池模组的主要作用是连接、固定和安全保护；2）各个模组独立管理部分的电芯，有助于温度控制、防止热失控传播。模组对制造效率、自动化程度、电池装车后的性能表现影响较大。衡量电池模组质量的标准为机械强度、电性能、热性能、故障处理能力。 图表 4. 动力电池模组的性能要求 衡量模组的主要指标 具 体要求 机械强度 能够固定电芯的位置，并保护器件不发生有损性能的形变 电性能 满足电芯的载流性能要求 热性能 对电芯的温度进行控制 故障处理能力 在遇到严重异常时能够自动断电，避免热失控的传播 资料来源： 中国知网，中银证券 模组能够有效降低电池包售后维修的难度与成本。 由于电池包系统中拥有多个独立的模组块，任何一个模组出现故障或者短路，能够快速更换该模组单元，方便快捷且节约后期维护成本。 模组导致电池包成组效率降低和成本增加 重量增加、成组效率低带来系统能量密度低。 由于每一个模组都需要独立的管理 系统，同时需要封装的外壳，外部需要有线束连接其他的模组，对应的零部件数量较多，增加了电池包系统的整体质量，影响成组效率，影响电池包的能量密度。目前行业内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%。 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 7 图表 5. 电池包成组效率汇总 电池类型 模组成组效率 系统成组效率 方形电池包 89% 70% 软包电池包 85% 60% 圆柱电池包 87% 65% 资料来源： 高工锂电，中银 证券 模组端成本占比较高。 模组带来的结构件、零部件增加，成本增加是模组的主要问题之一。根据高工锂电数据，电芯成本占比约为 80%， PACK 成本占整个电池包比例的 20%左右。 从技术进步与产业发展看模组发展趋势 动力电池技术进步带来单体电芯 品质提升 ，弱化了对模组的性能要求。 随着单体电芯以及上游原材料的制备技术不断提高，单体电芯稳定性及安全性能不断提升，模组功能逐渐弱化。 模组的短板 能量密度低与成本占比高成为市场关注的方向。 市场关注度开始针对模组的短板 能量密度低、成本占比高的问题寻求解决方案，从而推动 电池模组走向标准化、大型化，以及无模组化的发展趋势。 图表 6. 动力电池模组发展趋势推演 资料来源：高工锂电，中银证券 从具体的产业推动来看， 电池模组 主要分为 四 个 发展阶段。 第一阶段：补贴政策刺激车企由燃油车改版新能源汽车，模组与 单体电芯呈现多样化。 从国内的新能源汽车发展历程来看，补贴政策加码刺激国内燃油车改版成新能源汽车，各家车企的底盘装载电池空间各不相同 ，导致对应的模组尺寸需求各不相同，对 单体电芯尺寸需求多样化，导致电芯制造工艺繁琐，同一产品型号的产线工艺技术积累难度加大，产线设备规模化效应带来 的成本优势较小，出现大量的市场冗余。 这个阶段市场的成熟度相对较低，产品形状和性能均呈现多样化，企业的规模效应较差，成本较高。 第二阶段：德国 VDA 电池标准与大众 355 模组推出，规范行业标准。 随着新能源汽车规模逐渐扩大，德国汽车工业联合会（ VDA）基于市场上众多尺寸的电芯推出了系列标准，定义了圆柱、方形 、 软包电池对应电动车的尺寸要求，车型上包括了 EV、 HEV、 PHEV 等。继德国 VDA 电池标准后，大众内部推出 355 模组。根据高工锂电资料， 355 模组尺寸为 355*151*108 的电池模组，可以设计为软包或者方形电 池模组，软包模组设计为由 12 个软包电芯组成的电池模组，排布有 2x6 或者 3x4 等串并联方式；方形模组为 4 个方形电芯组成。国内微宏动力首先推出 355 模组产品，目前 宁德时代 、比亚迪、国轩高科、力神、中航锂电等主流电池厂商均在生产 355 电池模组， 355 模组逐渐成为动力电池模组市场主流。 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 8 图表 7. 德国 VDA 电池标准尺寸 方形电池 适用车型 宽度 mm 厚度 mm 高 mm HEV 120 12.5 85/89 PHEV/REV 173 21 85/95 PHEV/REV 148 26.5 91/101 EV 173 32 115/125 EV 173 45 115/125 软包电池 适用车型 宽度（厚度） mm 长度 mm 高 mm HEV 没有规定 243 121（不含极耳） HEV 没有规定 141 161（不含极耳） PHEV/REV 没有规定 227 165（不含极耳） EV 13 162 330（不含极耳） 圆柱电池 适用车型 长度 mm 直径 mm HEV 136/145 37.6 资料来源： 高工锂电，中银证券 图表 8. LG 推出的 355 电池模组 图 表 9. 微宏动力推出的 355 电池模组 资料来源：高工锂电， 中银证券 资料来源：高工锂电， 中银证券 动力电池装机量集中度提升，模组标准化渗透率有望进一步提升。 新能源汽车需求爆发带来动力电池产能迅速扩张，行业出现低端产能过剩并洗牌加剧、高端产能持续扩产抢占市场份额的现象，产业集中度不断提升，模组与电芯的标准化程度逐渐提升。对于标准化后的模组： 1）有利于电芯厂对于标准化制备工艺的技术积累； 2）有利于标准化产能建设，规模优势凸显带来成本下降； 3）有利于电池包产品质量管控，提高产品一致性与安全性； 4）尺寸标准化有利于产品的升级换代，新产品可以直接替换电池包。 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 9 图表 10. 2016-2019 年国内动力电池企业装机量 CR 3 与 CR 5 40%50%60%70%80%90%2016 2017 2018 2019CR3 CR5资料来源：高工锂电，中银证券 第三阶段：大众 MEB 平台有望引领 590 模组时代。 355 模组同样面临了一些问题： 1）尺寸相对较小，只适合轴距小的新能源汽车，需要车型平台的尺寸小。 2） 355 模组装载 12 个软包电芯或 4 个方形电芯，对电池包而言，成组效率仍较低，成本相对较高。对于纯电动车型，所需电量较大，采用更大尺寸的模组，能够进一步减少系统内模组数量，减少零部件数量，有利 于成本控制和轻量化带来的系统能量密度提升。据电车资源资料，大众 MEB 平台的核心即为标准化的模组，有望采用更大尺寸的 590 标准模组，尺寸为 590*225*108，其优势在于尺寸大，成组效率更高，更具成本和续航里程优势。大众 MEB 平台设计的标准化模组优势就在于只要能够满足模组尺寸的要求，能够兼容软包、圆柱、方形三种形态的单体电芯，避免受制于电芯的单一供应商，保障电芯供应量，进一步提升话语权。 2019 年 11 月 4 日，大众首款 MEB 平台电动汽车 ID.3 在德国工厂投产， ID.3 装有高电压电池系统，外观类似于一块巧克力 ，电池模组的数量可以调配，最多可以安装 12 块电池模组，每个模组中含有 24个单体电芯，同时为了减重，电池组 外壳采用铝结构。 图表 11. MEB 平台 ID.3 电池模组结构 图表 12. ID.3 电池包系统结构示意图 资料来源：高工锂电， 中银证券 资料来源：高工锂电， 中银证券 2020 年 5 月 29 日 无模组化电池深度报告 10 第四阶段：走向无模组化，国内主流企业开始推广 CTP 技术与刀片电池。 在经历模组标准化和大型化后，为了进一步优化模组结构，国内企业率先提出无模组化方案，主要是以宁德时代推出的 CTP（ Cell To PACK）技术，以及比亚 迪推出的刀片电池技术。根据高工锂电资料，宁德时代的 CTP 电池包体积利用率提高 15%-20%，电池包零部件数量减少 40%，生产效率提升 50%，电池包能量密度提升10%-15%，可达到 200Wh/kg 以上，大幅降低动力电池的制造成本。蜂巢能源发布会资料显示，与传统 590 模组相比， CTP 第一代减少 24%的零部件，第二代成组效率提升 5%-10%，空间利用率提升 5%，零部件数量再减少 22%。 图表 13. 蜂巢能源 CTP 技术介绍 资料来源： 高工锂电 ，中银证券