半岛彩票:一文教你如何优雅地拆解动力电池成本

　　利用该模型可以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、工艺改进等因素导致的成本下降。

　　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要因素。为了定量研究动力电池成本，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、工艺改进等因素导致的成本下降。

　　(1)车辆设计：从用户需求出发，设计单车带电量/续驶里程及Pack内电芯/模组的数量和组合方式。(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。

　　(1)物料用量：由电芯容量、活性材料克容量等参数计算出正/负极材料、电解液、隔膜、铜箔、铝箔及其他组件的理论用量，并根据良品率、材料利用率等进行调整。(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：由物料用量和价格计算得出。

　　(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：主要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果。

　　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。根据计算结果，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/Wh;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%，制造费用占比约8.6%-11.8%，基本符合现实。

　　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、赢合科技等设备企业。

　　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模型，对动力电池成本的诸多问题展开系列研究。

　　目前市场对动力电池成本的研究相对简单而且偏静态。我们系统性地建立了自下而上的成本模型，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。

　　目前新能源汽车的销量渗透率不足5%，用户体验(充电、续航、智能网联)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。

　　(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%，如果良品率提升至98%，那么成本下降约1.5%-2%。

　　(5)设备改进也能使得电池成本下降，在模型中，我们假设单Gwh设备投资额为3亿元，如果降低10%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、赢合科技等设备企业。

　　动力电池的成本一直是市场关注的重点。动力电池成本定量研究的意义在于：(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，研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1pct。智能手机的高增长依赖技术进步、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%，随着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。

　　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，动力电池业务的毛利率也不断下降，2015年部分厂商的毛利率在40%以上，到2018年已降至约30%。

　　为了定量研究动力电池成本，我们参考ANL等机构的研究成果，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、工艺改进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：

　　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. 约束条件：包括极片涂层厚度、电池组件及外形设计等

　　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

　　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，同时列出线)假设活性材料/导电剂/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%。

　　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，同时列出线)假设负极活性材料/粘结剂的质量比例为95：5，溶剂为水，孔隙率34%。

　　SOC(state of charge，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(open circuit voltage，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、车辆设计：电动车性能决定Pack设计

　　动力电池的单车电量、电芯容量等基础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%，车辆能耗为约131.7Wh/公里，则车辆实际续驶里程约410公里。

　　为了便于计算，我们以方形叠片电池为例。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)。

　　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，可以计算出合适的涂层厚度(三元正极涂层厚度约50-70μm)。

　　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电池能量密度显著低于三元体系，三元体系电池的镍含量越高能量密度越高。

　　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，宽度约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。

　　负极材料采用石墨体系，主要由活性材料和粘合剂组成，其中活性材料的质量=电芯容量/负极活性材料克容量*N/P比*(1+负极过量面积比例)。性材料/导电剂/粘合剂质量配比为95/0/5，可计算出单电芯中负极材料的总质量，进而计算出粘合剂的质量。

　　(2)假设负极铜箔比正极铝箔的长和宽大2mm，负极铜箔的面积=(正极极片宽度+2mm)*(正极极片长度+未涂覆的集流体长度+2mm)*(BiCell层数+1)。

　　(3)假设隔膜的宽度比正极极片大4mm，长度比正极极片大6mm，则单电芯隔膜的面积=(正极极片宽度+4mm)*(正极极片长度+6mm)*2*BiCell层数。

　　(4)电解液填充在正负极、隔膜及其他孔隙中，单电芯电解液体积=(正极材料质量/正极材料密度*孔隙率+负极材料质量/负极材料密度*孔隙率+隔膜面积*厚度*孔隙率+电芯厚度*正极极片宽度*正极极片长度*2%)。

　　为了更加直观地观察电池材料的数量关系，可计算出单kWh动力电池对应的材料用量(前面假设动力电池单电芯电量250Wh)。

　　假设12μm正极铝箔的价格为1元/m2;8μm负极铜箔的价格为6.41元/m2;隔膜价格为3元/m2;电解液价格为55.8元/L。

　　并联电池组对应一个SOC，串联电池组需要对每个电芯的电压进行控。