新能源汽车动力电池成本拆解深度报告.docx
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新能源汽车动力电池成本拆解深度报告
新能源汽车动力电池成本拆解深度报告
投资要点
♦模型枢架:
动力电池的成本是市场关注的重点。
新能源汽车行业仍在拐点之前,传统燃油车与电动汽车的成本差是新能源汽车渗透率增长的重妥因素。
为了定莹研究动力电池成本,我们将电池成本和性能结合起来,建立了一个自下而上的模型。
利用该模型可以特态地计算材料成本、哽件成本以及各工序的生产制造成本,并且可以动态地区分材料价格变化、技术进步、工艺改进等因素导致的成本下降。
♦车辆及电池设计:
(1)车辆设计:
从用户需求出发,设计单车带电童/续驶里程及Pack内电芯/模组的数莹和组合方式。
(2)材料层面:
材料属性决定电池的电化学性能及物理参数。
(3)电芯设计:
核心是确定正负极材料涂层的厚度,进而设计电芯的外形尺寸。
(4)模组及Pack设计:
由电芯参数外推得出。
♦物料成本:
(1)物料用量:
由电芯容童、活性材料克容童等参數计算出正/负极材料、电解液、隔膜、铜蹈、铝箔及其他组件的理论用萤,并根据良品率、材料利用率孑进行调整。
(2)物料价格:
根据市场价格做出假设,包括主/辅材及硬件。
(3)物料成本汇总:
由物料用童和价格计算得出。
♦生产成本:
(1)工厂设计:
对动力电池年产能、良品率、人员工资、设备折旧率、间接费用假设等做出假设。
(2)生产工序:
主妥是各工序的设备投资额及人员配置。
(3)直接人工/制造费用计算:
根据设备折旧、人员工资费用及间接费用计算出结杲。
♦成本汇总及验证:
将物料成本和生产成本汇总到一起,得到动力电池Pack的成本。
根据计算绪果,LFP/NCM622/NCM523Pack的成本分别为0.66/0.76/0.80元/Wh,宁德时代2018年动力电池综合成本约0.76元/阴;动力电池Pack成本中,直接材料占比约84%-89%,直接人工占比约2.8%-3.8%,制送费用占比约8.6%-11.8%,基本符合现实。
♦投资建议
根据模型,降低动力电池成本的路径包括:
更具性价比的材料体系;更精简的电池设计;更低的物料价格;工艺改进;设备改进。
根据以上结论,建议关注:
(1)宁德吋代、比亚迪、国轩商科等优质电池企业;
(2)当升科技、容百科技、璞泰来、贝特瑞、恩捷股份等材料龙头企业;(3)先导智能、贏合科技等设备企业。
♦风险分析:
政策风险、技术路线变更风险、竞争加剧风险、原材料价格波动风险。
投资聚焦
♦研究背隶
动力电池是新能源汽车的核心构成之一,直接决定车辆性能和成本,电池成本下降的幅度直接影响新能源汽车的推广应用。
在本篇研报中,我们参考一些学术资料及产业人士的观点建立了成本橈型,对动力电池成本的诸多问题展开系列研究。
♦创新之处
目前市场对动力电池成本的研究相对简单而且偏赫态。
我们系统性地建立了自下而上的成本橈型,可以对直接材料、直接人工、制造费用三大项进行拆分,并且可以动态区分材料价格变化、技术进步、工艺改进导致的成本下降。
在后续的系列报告中,我们将对不同材料体系的动力电池进行对比研究,并且对成本下降的可能路径进行分析。
♦投资观点
目前新能源汽车的销量渗透率不足5%,用户体验(充电、续航、智能■网朕)还有待改善,更重要的是,电动汽车与燃油汽车之间还存在较大的成本差。
我们相信,随着动力电池成本的下降,新能源汽车有望迎来高速增长的拐点。
根据成本模型,我们对动力电池的降本路径进行了初步分析,结论如下:
(1)不同的材料体系对应不同的电池成本,例如LFP/LMO电池Pack的成本比NCM523低18%/22%,电芯成本低了25%/29%;
(2)物料价格下降可以降低成本,如果将NCA、NCM811正极活性材料的价格由195元/kg调整至15()元/炖(下降23%),那么NCM811电芯的成本将由620元/kVCh下降至548元/kWh(下降12%);
(3)更精简的电池设计有助于降低成本,参考CATL提出的CTP技术,假设模组硬件物料成本降低80%,减掉相应的模组组装设备和人员,那么Pack成本下降约10%-15%;
(4)工艺改进也是动力电池降本的方式之一,在模型中,我们假设电芯良品率为95%,如呆良品率提升至98%,那么成本下降约1.5%-2%0
(5)设备改进也能使得电池成本下降,在楔型中,我们假设单Gwh设备投资额为3亿元,如果降低1()%至2.7亿元,则动力电池Pack成本降低不到1%。
综上所述,动力电池成本的下降主要依赖:
(1)更具性价比的材料体系;
(2)更精简的电池设计;(3)更低的物料价格;(4)工艺改进;(5)设备改进。
建议关注:
(1)宁德时代、比亚迪、国轩高科等优质电池企业;
(2)当升科技、容百科技、璞泰来、贝特瑞、恩捷股份等材料龙头企业;(3)先导智能、赢合科技寻设备企业。
1、模型框架:
自下而上建立动态成本模型6
2、车辆及电池设计9
2/1、材料层面:
电圖电化学属性9
2.2、车辆耐:
翻车性能决定Pack孙12
2.X电芯设计:
性能决定尺寸参数12
2.4、模娜PackM:
由电芯彳目岀14
3、物料成本15
3.4、物料用最:
主檸辭才+结剛牛15
3.2、物料价格:
价格由市场决定17
3.3、物料妬汇总:
由枷耳用ftttl价格计算得出20
4、生产成本22
4.1、工厂谢:
W6Gwh,良22
4.2、曲3:
盼制备+电芯装配+模组沪ack瞬23
4.3、厂房、设备及人员:
单轆輙超齡3彳乙元24
4.4、曲瞬予电:
直接人丄+制造费用25
5、成本汇总、脸证及降本路径26
5.4、嗨DS:
物料瞬+新瞬26
52結果验证:
总成本和1斥分结呆基本符合现实27
5.3、降本般至:
林■工艺改瞬29
6、投资建议33
7、风险分析34
1、模型框架:
自下而上建立动态成本模型
动力电池的成本一直是市场关注的重点。
动力电池成本定量硏究的意义在于:
(1)动力电池价格下降使得电动车的成本降低,从而推动新能源汽车的广泛使用,硏究动力电池成本下降空间有助于跟踪电动车销量拐点;
(2)动力电池成本下降节奏直接影响电池厂商盈利状况;
(3)作为动力电池的上游,电池材料厂商的量价趋势也与电池成本相关。
根据Gartner的数据,全球智能手机渗透率自2009年起迅速提升,2009-2015每年平均提升9pcts,2007-2008年均仅提升约lpcto智能手机的高增长依赖技术逬步、移动网络速度提升、用户体验改善等因素,拐点之后的手机产业链为投资者带来了巨大收益。
参考智能手机行业,几个关键要素取得突破后,行业进入高增长阶段。
新能源汽车行业目前仍在拐点之前,市场驱动下的高速增长主要依赖成本下降、用户体验改善(充电、续航、智能网联)等,由于汽车消费占收入比重较高,消费者对价格的敏感性更高,传统燃油车与电动汽车的成本差是新能源汽车渗透率增长的重要因素。
根据BNEF的数据,2018年美国纯电动中型车动力电池系统的成本占整车税前售价的35%,随看动力电池价格的下降,整车售价有望在2023年左右与传统燃油车持平。
图4:
美国纯电动中型车价格构成及燃油车对比(单位:
千美元)
注:
Battery是动力电池,Powertrain是传动系统,Vehicle是车辆其它组成部分(如车身、底盘等);ICE为传统燃油车。
近年来动力电池价格不断下调,以龙头公司宁德时代为例,2015年其动力电池系统价格为2.27元/Wh,2018年降至1.16元/Wh,年均复合下降约20%;同时,动力电池业务的毛率也不断下降,2015年部分厂商的毛利率在40%以上,到2018年已
为了定量硏究动力电池成本,我们参考ANL等机构的硏究成果,将电池成本和性能结合起来,建立了一个自下而上的模型。
在该模型中,可以设定具体的参数(如功率、容量等),以此来静态地计算材料成本、硬件成本以及各工序的生产制造成本,并且可以动态地区分材料价格变化、技术进步、工艺改逬以及规模效应导致的成本下降。
成本模型的框架主要是两大部分:
直接材料的测算
1.车辆/Pack设计:
主要因素包括车辆续驶里程/带电量、功率、Pack设计(电芯数量、串并联方式等)
2.电芯材料属性:
主要是一些电化学性能及物理参数,比如正负极材料的克容量、密度、孔隙率以及ASI、OCV-SOC曲线等
3.约束条件:
包括极片涂层厚度、电池组件及外形设计等
4.计算电池参数:
结合以上物理和化学参数,可以计算出电池的材料用量、质量等
5.直接材料成本计算:
结合材料用量(考虑良品率、材料利用率等)和材料价格,可以计算出直接材料成本
二、直接人工/制造费用的测算
6.工厂设计:
包括产能、良品率以及人员工资、设备折旧率、间接费用假设等
7.生产工序:
主要是各工序的设备投资额及人员配置
8.直接人工/制造费用计算:
结合以上两点可以计算出结果
图6:
劝力电池成本模型的框架
图7:
动力电也材料用童的测算思路
2、车辆及电池设计
2・1、材料层面:
电池的电化学属性
目前常见的电池体系包括NCA、NCM(811/622/523/333\LFP、LMO等,下表列出了正极材料的基本参数和假设:
(1)根据分子式可以计算出对应正极活性材料的分子量;
(2)参考各大正极材料企业的材料参数,列出活性材料的克容量,同时列出真密度;
(3)假设活性材料/导电齐”粘结剂的质量比例为89:
6:
5,溶剂通常采用NMP,假设孔隙率为32%。
表1:
正极材科基於泰数及假设
I正极材科
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMO
96.1
97.3
94.4
94.0
93.9
157.8
180.8
汨性讨村克氏适,mAh/g
198
197
仃6
159
150
145
100
总营%
涪性材科
89
89
89
89
89
89
89
6
6
6
6
6
6
6
5
5
5
5
5
5
5
NMP
NMP
NMP
NMP
NMP
NMP
NMP
孔廉卓,%
32
32
32
32
32
32
32
八密处.a/cm3
帶柱材外
4.78
4.65
465
4.65
4.65
3.45
4.23
1.825
1.825
1.825
1.825
1.825
1.825
1.825
1.77
1.77
1.77
1.77
1.77
1t77
回
负极材料采用石墨体系,下表是负极材料的基本参数和假设:
(1)N/P比,是指单位面积的负极容量和正极容量的比值,通常N/P比在1-1.5之间,越接近1,电池容量会越大,但充电时发生负极析锂的概率也越高,我们假设三元体系的N/P比为1.25,LFP、LMO为1.2;
(2)石墨的克容量为360mAh/g,同时列出真密度;(3)假设负极活性材料/粘结剂的质量比例为95:
5,溶剂为水f孔隙率34%。
表2:
负极材料基於累數及假设
负如材料
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMO
N/P比
1.25
1.25
1.25
1.25
1.25
1.2
1.2
活桂对H免*乞・mAh/g
360
360
360
360
360
360
360
总*仏比・%
活社材H
95
95
95
95
95
95
95
&电刑
0
0
0
0
0
0
0
祐估刑
5
5
5
5
5
5
5
水
水
水
水
水
氷
水
孔耳冲.%
34
34
34
34
34
34
34
4密Zt,Q^cm^
活汕材料
2.24
2.24
2.24
2.24
2.24
2.24
2.24
1.95
1.95
1.95
1.95
1.95
1.95
1.95
1.10
1.10
1.10
1.10
1.10
1A0
•7血
(1)假设正极集流体铝箔厚度为12pm,负极集流体铜箔厚度为8pm;
(2)隔膜厚度为12pm,孔隙率40%,则可以计算出隔膜密度为0.368g/cm3;(3)电解液密度为1.2g/cm3o
表3:
集流体/隔购电解液基尿参數及侃设
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMOI
正极条浇体
铝
43
铝
te
4S
序段,pm
12
12
12
12
12
12
12
林*t
饵
4H
钢
*i
再心pm
8
8
8
8
8
8
8
厚欢,pm
12
12
12
12
12
12
12
乱每伞,%
40
40
40
40
40
40
40
沁,g/cmJ
0.368
0.368
0.368
0.368
0.368
0.368
0.368
—屯解滾密度,g/cm3_
1.2_
1.2
1・2
1・2
1.2
J.2
4.2
根据分子式及分子量,可以计算出锂电池中重要金属元素的质量占比,如下表所示,正极材料和电解液是锂的来源;三元材料体系中,NCA/NCM811中的钻含量大幅低于其他材料,NCM622和NCM523的钻含量几乎相同。
表4:
电池中铉.怙、4L质量占比
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMO
换含■
正拔,giz/g活材卅
0.0722
0.0713
0.0772
0.0775
0.0776
0.0440
0.0384
SIH.QilfQ活材钟
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
«tMJ4(1.2mo»;LLiPF6).
g;讥电解液
8.3292
8.3292
&3292
8.3292
8.3292
8.3292
8.3292
过浪金属含虽
惊.gig材枷
0.4887
0.4827
0.3545
0.2965
0.1979
0.0000
0.0000
怙,gig法社材林
0.0920
0.0606
0.1186
0.1191
0.1967
0.0000
0.0000
li.g/g忌社材针
0.0000
0.0565
0.1106
0.1665
0.1852
a.caou
U6C/7
SOC(stateofcharge,荷电状态)是指当前状态下实际所能提供的电量与完全充满电所能提供的电量的比值,比如50%SOC可以理解为当前电池电量还剩下50%;OCV(opencircuitvoltage,开路电压)是指电池在开路状态下的端电压。
在一定的温度下,SOC与OCV呈现一一对应的关系。
下表是几款锂电池的OCV-SOC曲线。
A5:
电池ocv-soc曲銭
I
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMO
OCV-20%SOC,V
3.55
3.55
3.57
3.52
3.52
3.25
3.83
OCV-50%SOC.V
3.68
3.68
3.75
3.67
3.67
3.28
3.95
OCV-80%SOC.V
3.84
3.84
4.00
3.90
3.90
3.50
4.02
ocv・(oo%soc,V
4.10
4.10
4.20
4.10
4.10
03
22车辆设计:
电动车性能决定Pack设计
动力电池的单车电量、电芯容量等基参数由车辆需求决定。
假设:
(1)纯电动车乘用车的单车带电量为60kWh,单车1个电池包,采用液冷热管理方案,电池包由20个模组串联,单个模组再由12个电芯串联,可计算出电芯容量;
(2)为防止电池过放设置电池可用容量为90%,车辆育擬为约131.7Wh/公里,则车辆实际续驶里程约410公里。
表6:
车轩及电也基越假设
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMOI
单本电受.kWh
(>:
:
60
60
60
60
60
60
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
Pack所tj;劝九,kW
250
250
250
250
250
250
250
谒签&的电芯怎迂,Ah
68.3
68.3
67.0
68.4
68.4
76.9
63.5
$柄能耗・Wh/km
131.7
131.7
131.7
131.7
131.7
131.7
131.7
车辆绫放里社・km
410
410
410
410
410
410
410
0本屯池包做呈
1
1
1
1
1
1
1
◎个屯他也中後俎冀逐
20
20
20
20
20
20
20
单个供如中电芯It*
12
12
12
12
12
12
12
直半电若數进合计
240
240
240
240
240
240
24Q
2.3.电芯设计:
性能决走尺寸参数
为了便于计算,我们以方形尋片电池为例。
假设:
(1)端子和电池的宽度一样,正极端子在电池的一端,负极端子在另一端;
(2)集流体双面涂覆,正负极材料由活性物质、导电剂和粘结剂组成;
(3)采用液冷热管理方式(乙二醇水溶液X
图9:
动力电池外形
对于电芯尺寸,最核心的是确定正负极材料涂层的厚度。
涂层厚度越厚,电池的空间利用率越高,但离子迁移的路径也就越长,导致内阻增加;而且从工艺角度来看,涂层越厚,脱粉的几率也会增加。
因此,考虑化学性能和工艺,选择合适的涂层厚度都是非常重要的。
在模型中,考虑离子迁移速率、充电极限、放电功率等因素后,可以计算岀合适的涂层厚度(三元正极涂层厚度约50-70pmX
确定涂层厚度之后,根据电芯的厚度(假设20mm,宁德时代42Ah电芯厚度23mm),可以计算出Bicell的层数。
通过电芯容量、材料克容量、材料密度可以计算出极片有效面积,进而确定极片的宽度和长度,最终确定电芯的长度和宽度。
Pack总电量60kWh,由240个电芯组成,则单电芯的电量为250Wh,根据电芯重量可计算出电芯能量密度,从表7可以看出,LFP、LMO电池能量密度显著彳氐于三元
体系,三元体系电池的擦含量越高能量密度越高。
图10:
Bicell示意图
负极极片
bicell-
隔膜
正极极片
隔膜
负极极片
表7:
劝力电池电芯尺寸參数
NCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMOI
乜茜厚皮,mm
20
20
20
20
20
20
20
电芯宽茂・mm
83
84
85
87
88
99
95
电芯長mm
274
275
279
285
289
322
309
屯芯体积.cm3
456
460
471
500
512
635
584
乜芯尢依怡点耳pm
100
100
100
100
100
100
100
乜苦壳休禺度(PET+AHPP),pm
150
150
150
150
150
150
150
Bi-cell(97%有效UtOilt)
69
68
65
63
61
54
43
正极极片龙度,mm
81
82
83
85
86
97
93
正极极片K度・mm
244
245
249
255
259
292
279
止杖长寛比
3
3
3
3
3
3
3
正枫涂层厚/Vpm
51.6
53.0
59.3
65.6
69.5
90.9
127.6
虫腴过址曲報,%
3.30
3.28
3.24
3.15
3.10
2.75
2.88
瑤子厚庆,mm
1
1
1
1
1
1
1
该子宽度・mm
73
74
75
77
78
89
85
该子尺庚,mm
50
50
50
50
50
50
50
电总虫量,9
1042
1045
1080
1158
1192
1370
1365
电芯能虽密鹿・Wh/kg
240
239
231
216
2U
w
8?
2A模组及Pack设计:
由电芯参数推导得岀
因为模组由12个电芯串联组成,所以模组容量和电芯容量相等;模组的尺寸由电芯尺寸决定;假设其外壳为铝制,厚度为0.5mm。
Pack可用电量为90%,有效电量为54kWh;Pack长度约1.3m,竟度约1.2m,厚度约0.12m;Pack由电芯/模组、冷却液、外壳及其他硬件、BMS及连接器件等组成,三元体系Pack总重量320-370kg,LFP及LMO体系Pack总重量高于400kg;电池系统能量密度也基本符合现实情况,成组效率75%-80%之间。
表8:
劝力电池模俎參败
jNCA
NCM811
NCM622
NCM523
NCM333
LFP
LMOI
・Ah6&3
68.3
67
6&4
68.4
76.9
63.5
快如於度,mm282
283
287
293
297
330
317
mm267
265
265
268
266
264
264
根俎鬲皮,mm85
86
87
89
90
101
97
模加依和,L6.38
6.44
6.59
6.98
7.15
8.83
8.12
Hl俎外売材轴C
铝
铝
铝
4S
根如外尢耳皮・mm0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
棋加外处眉量・g328
330
334
347
351
398
379
快俎埸子朋受,g65
65
64
65
65
71
60
根组*无kg13.42
13.47
13.90
14.87
15.30
17.58
17.45
根俎焦覺密皮,Whfkg223
223
216
202
196
171
172
表9:
动力电池Pack
NCANCM811
NCM622
NCM523
NCM
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