新能源动力电池PACK结构与一体压铸的变迁

在电池PACK结构简化的过程中，不同结构与材料的增加或减少使用以及传统结构件在生产供应的格局上均发生较大变迁。CTP电池包一方面新增部分材料件（如导热胶和结构胶，以及绝缘件)的使用， 另一方面传统结构件的产业链结构开始发生迁移，客户结构从原来的以汽车企业为 主慢慢向电池企业渗透，不同环节供应格局也将发生较大变化。

一、结构件：电池托盘铝型材挤压为当前主流，压铸尝试渗透

1.冲压→挤压/压铸：当期挤压将代替冲压，远期压铸正在局部尝试

铝挤压工艺相比于传统的冲压等生产工艺，具有高刚性、抗震动、抗挤压、抗冲击等性能，更能适应CTP结构化对电池托盘的新要求，其当前的主流工艺地位将进 一步巩固。冲压工艺由于自身缺点与CTP结构化的要求存在冲突，故预期在此环境 下将面临较大的应用限制。

另外，远期来看，一体化压铸电池托盘也在不断尝试：①铝型材的焊接工序很长，效率很低，压铸快速成型，效率更高；②型材焊接的焊缝质量问题，一体化压铸可较好的解决。③从生产成本的角度，无需投资多种铝型材的设备，仅需一台压铸设备，整体工艺生产流程简化。

虽然此前一体化压铸由于产能与金属材料性能方面的限制，一体化压铸电池包仍多用于混电车型的小能量电池包。但未来随着多种类合金材料的性能提升，大型压铸机等的产能放量，纯电车型的大能量电池包也有望实现一体化压铸成型。多家企业已提早布局，如当前宁德时代等与广东鸿图等压铸厂探寻合作电池包相关的一体化压铸，比亚迪也在逐步开始应用到一体化压铸成型工艺来做一些电池包结构件 等。

2.挤压的连接方式上：FDS替代FWS

FSW（摩擦搅拌焊技术）是以旋转的搅拌针以及轴肩与母材摩擦产生的热为热 源，通过搅拌针的旋转搅拌和轴肩的轴向力实现对母材的塑化流动来得到焊接接头。FSW焊接接头强度高、密封性好，被广泛应用于电池包箱体焊接领域，是当前电池托盘的主流焊接方法。但FSW也存在因焊接变形导致的精度一般的问题，在CTP结构化的环境下难以满足新的更高要求。

FDS（螺栓自拧紧技术）连接是一种通过设备中心拧紧轴将电动机的高速旋转传导至待连接板料摩擦生热产生塑性形变后，自攻螺丝并螺栓连接的冷成形工艺， 通常配合机器人使用，自动化程度高。FDS技术精度更强、变形更小、气密性更好， 在保证足够连接强度的同时实现箱体良好的密封性能，预期在CTP结构化环境下未 来将成为主流焊接技术。

综上：①生产工艺上，目前已成为主流的铝挤压电池托盘将继续拥有更强的主导地位；连接方式上，对应的焊接技术将从FSW向FDS进行渗透。②未来远期一体化压铸可期。

3.当前铝挤压主要市场参与者对比

当前电池托盘的型材挤压以及核心焊接技术仍在不断创新突破。凌云股份与敏实集团一体化生产能力强，产能全球布局，主机厂客户积累较深。和胜股份切入电池厂托盘供给、产能快速扩张。

二、结构件材料：电池托盘探索镁铝合金应用

1.电池包结构件材料应用不断升级

CTP跳过模组环节，技术难度更大，对电池托盘提出了更高的要求——电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差两个问题需要在整个电池包层面进行解决， 因此CTP技术对电池托盘提出了更高的防震、气密性，以及轻量化等要求。使用材料也在不断演变：钢制→铝合金→镁铝合金/塑料及碳纤维复合材料。

（1）早期：钢质材料

钢材料具有价格经济，有优良的加工及焊接性能，良好的抗石头冲击的能力（实际路况中由于电池托盘受到不同工况的影响， 如易受到碎石的冲击等）等优点。但重量较大，装载于车身时是影响新能源汽车的续航里程的重要因素之一。且其其刚性较差，在发生碰撞过程中易发生挤压变形。早期电动汽车如 Nissan Leaf、Volt等采用钢制电池箱体；不过当下传统钢制电池下箱体技术路线已经基本被抛弃。

（2）当前：铝合金为主，镁铝合金以及非金属复合等轻质材料也在不断开发

①当前电池包结构件多采用铝合金为主要材料。在诸多轻量化材料中，铝是最早替代钢材成为车企欢迎的一种新型汽车制造材料。与汽车用钢铁材料相比，铝及其合金具有强度高、耐蚀性优良、适合多种成型加工方法、较易再生利用、抗冲击性 能好等优点，因而成为应用上比较成熟的轻量化材料。当前主流的多采用：压铸型与挤压-拼焊铝箱多用在电池包下箱体，冲压-拼焊铝箱用在电池包上箱盖。

②性能更优的镁铝合金材料已在逐渐渗透至电池托盘的生产制造

镁铝合金重量轻契合电池包轻量化趋势：其密度为铝的三分之二，钢的四分之 一，原来电池壳体使用铝合金，重量达125公斤，采用镁合金制成同尺寸电池壳体仅 需60-70，减重效果达50%。

除轻量化以外，强度高、模铸生产率高也适用于电池包制造：镁有极好的吸震性能、可吸收震动与噪音，对于用作设备机壳减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷 十分有利，与铝相比，单位体积热含量更低，能在模具内更快凝固（生产率比铝压铸 高出40%-50%，最高可达2倍）

③其它非金属复合材料在托盘制造种的使用亦在不断探索，尚有待应用验证

塑料复合材料作为重要的轻量化材料，其比重轻、耐腐蚀，具有很强的设计性和良好的工艺性能。碳纤维复合材料作为汽车部件，相比于传统铝合金、高强钢和玻纤复合材料等材料，具有高强轻质、耐冲击性好、零部件一体化、可设计性好、耐 腐蚀性能好等优点，其减重效果和强度优势更加明显。不过当前，制约各种非金属 复合材料大范围应用的主要因素包括性价比、供应商的结构和能力、汽车发展和产 品环境等影响。同时生产和加工技术尚不够成熟，在新能源车的量产使用上仍有待 持续的发展验证。

现如今单一的材料已很难满足汽车刚度和强度方面的需求，除了克服单一材料现有加工工艺上的技术难点，如何将多种轻量化材料的加工工艺形成技术融合，也是当前轻量化研究领域的热点和发展趋势。

2.新材料企业切入电池包结构件的压铸生产制造

2020年11月，三祥新材与宁德时代、江苏万顺机电集团有限公司、广东文达镁业科技股份有限公司，在宁德寿宁县共同设立宁德文达镁铝科技有限公司，开展“镁 铝合金压铸项目”。该项目引进一批压铸2500吨、5000吨压铸机进行电池托盘的一 体化生产压铸探索。

2022年2月，据三祥新材公告，该项目整套压铸单元成功试车生产，首个压铸件 电池端板下线。

三、材料件：结构胶与导热胶应用增加

结构下对用胶产生了新的需求：以结构胶和导热胶为主

CTP结构电池包设计省却或大幅省去中间模组部件，使用大量胶来连接固定电芯。其中胶类的应用主要有两大需求点：第一类为结构胶，即以结构粘接为主，兼顾 一定的导热作用；第二类为导热胶，即以导热粘接为主，胶粘剂应用的目的是将电芯工作时产生的热量导出到外部的散热部件，实现热管理的部分功能作用，兼顾结构粘接要求。

结构胶是指应用于受力结构件胶接场合，能承受较大动负荷、静负荷并能长期使用的胶粘剂。代替螺栓、铆钉或焊接等形式用来接合金属、塑料、玻璃、木材等的结构部件，属于长时间经受大载荷、而性能仍可信赖的胶粘剂。

导热胶主要用于完成电芯与电芯之间，以及电芯与液冷管之间的热传导，胶的具体使用形式包括垫片、灌封、填充等。

2.结构胶

结构胶需起到将电芯与pack壳体可靠连接、固定的作用，代替原来模组结构的机械连接，对于强度、柔韧性、耐老化、阻燃绝缘和导热性都提出了较高的性能要 求。

动力电池包结构胶主要有聚氨酯结构胶、丙烯酸结构胶、硅胶、环氧结构胶、UV胶和耐高温热熔胶，根据其不同的特点分别应用于不同的场景。

对于不同类型的结构胶，评价其粘接性能的具体指标有3点：接头的强度、破坏形式（内聚破坏是最理想形式，达到接头处材料最大强度）和胶的断裂伸长率（反映胶体弹性）。目前我国主要的动力电池包结构胶生产厂商中丙烯酸技术路线的有晶华新材和赛伍技术，采用聚氨酯路线的回天新材则是在聚氨酯粘胶剂上有多年的技术储备。

3.导热胶

导热胶主要由树脂基体（环氧树脂、有机硅和聚氨酯等）和导热填料（提高导热 性，有氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化硅（Si3N4）、氧化铝（Al2O3）、氧化镁 （MgO）、氧化锌（ZnO）等）组成。电池包在CTP发展趋势下，电池厂商对导热胶需求量大且有不断降本需求，同时减少结构件的设计也对用胶产生较高强度（大于 10Mpa）的粘接固定需求，因此在粘接强度、经济成本上占优的聚氨酯导热结构胶成为主流导热用胶选择。

由于电池电芯的最佳工作温度带较窄（20-40℃），CTP结构下导热胶在电芯之间、电芯与液冷板之间实现均衡散热，从而使得电芯温度和电芯间的温差下降1-2℃ 将极大有利于电池热管理系统。

4.市场情况

随着CTP与刀片电池技术的应用，对胶粘剂要求和用量的提高，单个PACK包胶黏剂用量会从目前的1-2公斤呈现较高倍数的增长，单pack价值量也会从200-300元 增长至400-900元。

四、材料件：新增缓冲垫其它绝缘件使用

后对减震与保温的要求更高：新增缓冲垫片与保温贴片需求

单体电池模组可以提高散热的效率，减小热失控的风险。CTP去除了模组设计的环节，因此一方面对保温和热扩散防护要求变得更高，另一方面需要用粘胶、缓冲垫等材料实现电芯与电芯、电芯与托盘之间的固定与减震。所以相比于传统模组， CTP电池包对减震与保温的要求更高，主要表现形式为缓冲垫和保温贴片需求增加。

缓冲垫原本有蜂窝铝、PVC发泡、有机硅发泡、橡胶等多种材料。但橡胶需要硫化不易控制温度；PVC低温环境下发硬且粘接不稳定；有机硅机械强度低，发泡后粘接性比聚氨酯差。与之相比，聚氨酯树脂发泡材料能够在提供持续的反弹力同 时，起到防尘防水密封作用，避免因碰撞振动造成损坏，具有优异的防尘密封、减震、抗压缩回弹、压缩永久变形、低温缓冲性等性能。以聚酯材料替代部分硅发泡 来用于缓冲，在CTP下具有更强的适用性。

保温贴片是贴在电池外部的零部件。聚氨酯泡沫塑料质量轻、导热系数低、耐热性好，具有良好的保温性能，可用作保温贴片，包覆于电池包壳体实现保温。

2. 缓冲垫与保温贴片材料：聚氨酯在CTP结构下优势显现

聚氨酯（一般缩写为PU）是指主链中含有氨基甲酸酯特征单元的一类高分子，可用于制作导热、粘接、减震、保温等材料件。聚氨酯制品主要包括泡沫塑料、弹性体、纤维塑料、革鞋树脂、胶粘剂和密封胶等，其中泡沫塑料所占比重最大。因其优异性能，聚氨酯制品广泛地应用于新能源汽车（CTP无模组、刀片电池等）、密封件浇注件、电子元件、插头插座灌封，也可作为胶粘剂使用。

3.主要市场参与者：

（1）汇得科技：公司是聚氨酯材料细分龙头，主要产品为合成革用聚氨酯（PU 合成革）、聚氨酯弹性体及原液、聚酯多元醇。动力电池包聚氨酯产品方面，目前量产的有电池包液冷板缓冲垫、电池包保温贴片、更换电池用支撑缓冲块，正在研发泡沫包封胶等新产品。公司现有产能合计为25万吨/年，年产18万吨聚氨酯树脂及其改性体项目（二期）目前仍在建设。公司2020年9月起与宁德时代建立业务关系，目前正与宁德时代商议缓冲垫和保温贴片供应方案，部分产品已完成测试，开始小批量生产 并试销；与中航锂电、蜂巢、比亚迪等电池厂商也在进行产品的送样或对接。

（2）祥源新材：公司主要产品为聚烯烃、聚氨酯等新型发泡材料，主要应用于建筑装饰材料、 消费电子产品、汽车内饰材料、家用电器产品、医疗器械产品等五大领域。公司目前正积极配套开发新能源动力电池-电芯缓冲隔热、隔热垫、边框密封等系列产品。在动力电池方面，公司产品在汽车动力电池和电动二轮与三轮的动力电池中均有应用，占销售比例较小。

五、CTC 后底盘开启一体化压铸新纪元

1.特斯拉引领汽车制造工艺创新极简，开启一体化压铸新纪元

2020年9月，特斯拉于电池日上宣布Model Y将采用一体化压铸后地板总成，可减少下车体总成重量30%，降低40%制造成本，且车身生产工艺流程大幅简化，制造时间由传统冲压-焊装-涂装-总装制造工艺的1-2小时缩短至一体化压铸的2-3分钟。

2021年5月，特斯拉前舱一体化总成铸件试验也已披露下线，主要构成包括左右 车轮罩、溃缩吸能区、横梁、以及与车身连接的端面和与前碰撞梁或车前端连接的结构端面，整体重量约为130kg。

当前，特斯拉正在探索一体化压铸的进一步集成，将整个车辆的结构构成大大简化为四个部分：①前舱一体式压铸总成+②乘员舱结构压铸总成+③一体化电池结构压铸总成+④后底板一体化压铸总成。其中，据特斯拉发布会介绍，其利用3个大型压铸件（前底板+CTC电池包+后底 板）替换由370个零件组成的整个下车体总成，实现整体减重10%，续航增加14%。

2. 一体化压铸是汽车制造提升集成效率，以及轻量化与降成本必经之路

（1）一体化压铸相对传统工艺，极大的提升了汽车车身的生产效率

传统车身的制造工艺包括冲压-焊装-涂装-总装等多个流程。主车厂采购由全国各供应商通过冲压、压铸制造的多个结构件，将之组装连接（包括焊接、铆接、涂胶 等）在一起，形成汽车的白车身总成（BIW）。一辆车由大约几百个不同形状、不同材料的零件焊接而成。任一零件的误差波动都将对最终的车身精度造成影响。

一体化总成零部件一次压铸成型，极大提升了汽车生产效率与集成质量。据特斯拉数据显示采用了一体式压铸后地板总成的Model Y，由于所有零件一次压铸成型， 零件数量比Model3减少79个，由于应用了新的免热处理合金材料，因此省去了热处理环节，制造时间由传统工艺的1-2小时缩减至 120-180s。且只有一个零件，无需开发过多的工装设备，也大幅降低大量零件连接带来的误差累计，提升制造精度。

（2）一体化压铸有效实现了汽车轻量化需求

据中国汽车工程学会给出的国内汽车轻量化分阶段目标来看，国内汽车制造轻量化趋势也在不断加速推进。采用铝合金一体化压铸的全铝白车身重量约在200- 250kg，而同级别钢制车身的重量在350-450kg。重量降低约 150-200kg，采用全铝一体化压铸工艺极大的提升了汽车的轻量化程度。

（3）一体化压铸大幅简化生产成本

一方面，大幅降低了生产线成本。在原有的有生产技术成本（冲压、焊装、涂 装、总装）框架下，传统生产70个零部件，每个零部件均需布置机器和模具，以及生产线周边的机器臂、传输线、夹具等；而一体化压铸成型仅需一台大型压铸机和一套模具，工艺流程简化过后其它耗材和设备的减少、机加工简化、物料运输、压铸成本都更小；且省去了热处理设备和过程、省去了塑型设备[修复热处理后的变形]和过程、省去了钝化设备和过程、省去了结构胶等，综合经济性能更好。另外，一台大型压铸机占地面积仅100平方米，根据埃隆-马斯克的表示，采用大型压铸机后，工 厂占地面积减少了30%。

另一方面，大幅降低人力成本。国内主流汽车工厂一个焊装工厂大概配套200- 300名生产线工人，采用一体压铸技术后，所需的技术工人也将大幅减少。据特斯拉在2020年电池日发布会上表示，modelY后底板一体化压铸工艺较原方案降低了40% 制造成本。

3.主车厂与电池厂均跟进，加速布局新能源车底盘一体化压铸项目，行业景气高增

（1）各新能源车厂加速跟进推进一体化压铸：

①沃尔沃布局一体化压铸

2022年2月28日，沃尔沃汽车将投资100亿瑞典克朗给位于瑞典的Torslanda 制造工厂，以准备生产的下一代全电动汽车。公司将采用大型铸造铝车身部件，新建电池组装厂和总装车间。其中关键一项是使用 8000T 锁模力的巨型压铸机生产汽车后底板，这意味着沃尔沃开始在大型汽车零部件中引入压铸工艺。同时，沃尔沃汽车公司和领先的电池公司诺斯沃特也宣布，将投资300亿瑞典克朗，用于开发和制造用于沃尔沃下一代纯电动车型的高品质定制电池。新建的电池组装厂将导入方壳 CTC 的工艺，为下一代更长续航里程、更快充电速度 和更低成本的纯电车型作准备。传统车企开始布局一体化压铸工艺，也意味着一体化压铸应用推广的进一步加快。

②新势力造车企业携手第三方，开始布局一体化车身压铸

除特斯拉外，新势力造车企业如蔚来、小鹏等也开始布局汽车的一体化压铸后底板。2021年12月蔚来发布新车 ET5，该车后座板使用一体压铸工艺。小鹏武汉工 厂除了规划了常规的冲压、焊接、涂装车间，还加入了一体化压铸工艺车间，将引进一套以上超大型压铸岛及自动化生产线。

（2）电池厂商宁德时代深度布局电池包结构压铸

2021年8月，宁德时代与上海临港签订合作协议，拟投资28亿元建设一体化电动底盘项目。2022年2月19日基地正式开工。项目涉及布局包括先进材料、系统结构、 极限制造和商业模式创新在内的“四大创新体系”。与三祥新材股份有限公司（“三祥新材”）、江苏万顺机电集团有限公司、广东 文达镁业科技股份有限公司，在宁德寿宁县共同投资了“镁铝合金压铸项目”。

该项目引进一批2500T、5000T吨的压铸设备，用于电池包内部结构件的压铸。随着CTC电池包的高度集成化，底盘结构件、电机电控部件等进行一体化压铸 也将成为可能。传统汽车铝合金压铸厂商以及电池包、电驱动壳体的压铸厂商都将有机会和动力往价值量更大的一体化压铸CTC电池包以及全车身方向延申。

4.压铸厂商亦高度受益行业景气高增，单车价值量大幅提升，市场空间广阔

除车厂采购压铸机自研一体化压铸后底盘外，车身结构件的压铸厂商以及电池包和电驱动壳体的压铸厂商同样进行着一体化压铸业务的布局。在当前新能源车销量高增以及大型压铸件使用不断扩张背景下，零部件厂商高度受益压铸件需求放量。

当前新能源车单件一体化压铸后底板重量约为50-60kg，以50~60元/kg的产品定价模式预计，一体化压铸后底板单车价值量约为3000元。若将一体化铸件拓展至 CTC电池包（80-90kg）、前舱总成（130kg），合计重量270kg，单车价值量将有望达到1.2~1.5万元。

5.一体化压铸对设备-模具-工艺配套流程要求更高，技术壁垒明显，竞争格局更优

（1）一体化压铸“设备-模具-材料-工艺”集成综合壁垒高

在设备端，大型一体化成型件需要采用高吨位压铸机，当前国内外各压铸机设备厂商开始实现大型压铸机研制突破。为了满足大尺寸部件的制造要求，且同时保证其强度和量产效率，一体化压铸对压铸机的锁模力、模板尺寸、压射量、压射压力以及速度控制等均需要更高的要求，具有较高的技术难度。2019年力劲集团成功突破6,000吨合模力的大型压铸单元，并与意大利子公司意德拉共同为特斯拉的全球工厂供货。根据意德拉官网产品介绍，6,200吨大型压铸机设备长19.5米，自重430吨， 相比于其他大型压铸机产品，在合模力、压射力、模板尺寸、射料量上均有明显突破。近两年国内压铸设备厂商海天集团、伊之密等也相继研发出高吨位大型压铸机。各主车厂及第三方压铸厂纷纷采购超大吨位压铸机来实现业务拓展布局。

在模具端，大型压铸产品结构复杂，对模具的要求亦进一步增加。在材料端，免热处理合金材料的研制突破助力大型一体化压铸的适用推广。传统压铸工艺中，需要使用到热处理等工序来提高零部件的机械性能、耐腐蚀性能等。但加热冷却过程中产生的热胀冷缩效应，带来零部件的形变误差，特别是对于一体化的大体积部件，进一步放大了变形风险。当前，特斯拉，美国镁铝，帅翼驰集团， 华人运通，广东鸿图，立中集团等均在开发以及使用免热处理铝合金材料，使得大 型一体化压铸更加可靠。

在压铸工艺端，将设备-模具-材料大要素有机地加以综合运用在当前仍具备较高 的技术壁垒，其关键点在于能稳定的、有节奏的和高效的生产出外观、内在质量好、 尺寸符合要求的合格铸件。目前国内已试件一体化压铸成功的压铸企业有：广东鸿图、文灿股份、拓普集团。

（2）第三方压铸厂凭借压铸工艺优势以及生产规模效应等实现跑马圈地

当前各家零部件压铸厂商均开始进行一体化汽车底盘研制工作，其在压铸方面的工艺优势以及工厂线规模效应及成本控制方面优势将有望助力其在一体化压铸市场中占据一席之地。