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电动汽车“CTC”电池底盘一体化技术介绍

来源:火狐体育全站APP 作者:火狐体育官网登录下载 发布日期:2022-09-25 11:01:29   浏览量:2

  CTC (Cell to Chassis) 电池技术是将电芯直接集成到车辆底盘内部的电池技术。

  CTC 技术省去了从电芯到模组,再到电池包的两个步骤,直接将电芯安装在车辆平台上,是 CTP(Cell to Pack)的进一步集成方案。

  CTC 的技术思路与飞机将燃料箱融于机翼一体而不是另做燃料箱这一设计相类似,其目的是高度集成化,减少零部件的数量与总装工艺,起到提高效率,降低成本的作用。

  特斯拉 CTC 技术将首次运用于 Model Y 车型上,并将在德国柏林工厂实现量产,预计量产时间为 2022 年。CTC 工艺技术的进步有望显著降低 Model Y 的 成本,并提升生产效率。

  在1.0时代,动力电池被称为标准化模块,结构非常繁琐,从内到外分别为电芯、模组和电池包。

  许多个电芯打包成一个模组,许多个模组再打包成电池包,最后安装在车上。但只有电芯是用来供电的,这种“过度打包”不仅需要设计、生产额外的零部件,也要占用额外的空间,这就导致电芯的空间占比减小了。

  2.0时代被称为“大模组”时代,主要思路就是设计更大的模组,减少模组数量甚至是无模组,来尽可能减少这个层面的零件数量和空间占用,最有代表的就是宁德时代的CTP技术和比亚迪的刀片电池。

  3.0时代标志着电池和底盘集成设计的方案开始问世。CTC是“cell-to-chassis”的简称,就是“将电池和底盘融合设计”的意思。同时,还要有更智能的BMS(电池管理系统),对电池的使用进行更智能的监控、管理和优化。

  方案一:地板面板与电池包上壳体合二为一,集成于电池,相当于电池上壳体替代了中地板的一部分结构。电池上盖与门槛及前后横梁形成的平整密封面通过密封胶密封乘员舱,底部通过安装点与车身组装。

  电池包作为一个整体与车身集成,电池本身的密封及防水要求可以满足,电池与成员舱的密封也相对简单,风险可控。

  方案二:地板面板与电池包上壳体合二为一,集成于车身,相当于将电池包的结构分为上壳体和电池本体两个部分。通过密封胶实现车身与电池本体的密封,底部通过安装点与车身组装。

  拆散了电池包的结构,下车体框架密封电池,由于车身结构较多连接接头、定位孔、漏液孔等影响,现IP67等级(沉水1m,半小时,无水气侵入)电池密封困难,IP69更难实现。下车体框架密封电池,严重增加电池进水造成电芯短路起火风险,安全隐患严重。

  动力电池的热管理具有极高重要性,直接影响电池续航里程和使用寿命,也是保证电池甚至整车安全的关键。温度过低时,电池性能下降,续航里程缩短;温度过高时,出现严重的热聚集后可能导致热失控,发生严重的事故。

  动力电池系统温度一致性要求高,热管理系统技术难度大。一方面,由于“木桶效应”,电池系统的性能、可靠性、系统安全性取决于最不稳定的电芯;一方面,在保证电芯一致性的前提下,二次不一致性对汽车厂商的电池系统集成水平、热管理设计水平也提出了很高的要求,否则会在使用过程中逐渐扩大单体差异,带来性能衰退与安全风险;另一方面,“链式反应”可能会因为一颗电芯的热失控导致整个系统的热失控。因此,由于动力电池对温度一致性的极高要求,其热管理系统的设计通常非常复杂,技术难度大,具有较高的技术壁垒。

  热管理系统的重要性和技术难度也将因 CTC 而提升。CTC 将电池电芯直接集成到底盘中,没有了模组和 PACK 的结构保护,其安全性和稳定性将受到极大的挑战,对电池系统温度一致性要求更高,热管理的重要性将进一步提升,技术上也将更加复杂。因此,我们认为热管理系统上具备技术优势的供应商将受益于 CTC。

  当技术还处于概念阶段的时候,往往看起来比较遥不可及;但当技术开始走向落地时,进展往往会超出预期。4 月 25 日,零跑正式发布了 CTC 电池底盘一体化技术,该技术可以提升车辆续航约 10%,零跑C01车型将率先搭载。此外,零跑还宣布将对 CTC 技术免费开放共享。

  除了零跑之外,我们来看看都有哪些企业押宝这一技术?他们各自的优劣势又是什么?

  特斯拉的概念是电池既是能源设备,也是结构本身。在2020年9月的电池日上,特斯拉发布了全新的整包封装技术 CTC(Cell to Chassis),即取消电池包设计,直接将电芯或模组安装在车身上。应用CTC技术后的新架构是物理层面的创新,将电池组作为车身结构的一部分,连接前后两个车身大型铸件,取消原有座舱底板,取代以电池上盖,座椅直接安装在电池上盖上。

  --CTC技术有助于将车辆的结构平台进一步单元化,从而进一步降造成本。马斯克曾表示,采用了CTC技术后,配合一体化压铸技术,可以节省370个零部件,为车身减重10%,将每千瓦时的电池成本降低7%。

  --CTC技术并非仅适用4680电芯,同样适用其2170电芯,预计未来还会兼容其它尺寸电芯。目前特斯拉柏林工厂将采用CTC技术生产Model Y。

  通过胶粘剂填充电芯上下以及电芯之间的距离,提高整个电池系统的强度、刚度和抗扭、抗剪切力,胶除了结构连接之外,对导热也起到一定阻隔的效果;

  电池的上盖涵盖了密封电池和车身地板的两个功能,由多个结构加强结合在一起,前排座椅的承载结构所在箱盖有加强设计,座椅承载件横向布置,对整车横向碰撞起到加强作用;

  该方案属于承载式车身技术路线,是将电池框架与车身下车体集成,在装配时在上方整个车身完成装配(车身+前铸件+后铸件)后,再将结构电池与车身完成连接。

  另外Canoo最为出名的是它家的滑板底盘,Canoo在2019年即推出了滑板式底盘,并提出将电池和底盘合二为一的方案。Canoo采用的滑板式底盘结构中,并没有设计单独的动力电池包,而是将动力电池组与底盘融为一体,在减轻底盘重量的同时也可以降低一部分成本。并且它家的三款车型均基于其滑板底盘式纯电平台开发。

  不同于特斯拉将电芯直接集成到底盘的方案,Canoo的方案是将模组集成到底盘。从公布的专利看,Canoo的方案主要是将模组布置在底盘中间,由纵横梁构建的隔间内,前后四个模组沿轴向、中间四个模组沿横向:

  --两侧模组沿着轴向方向进行布置,这样可以作为底盘的纵向结构件,增强底盘的刚度,以抵抗在前后碰撞时造成的形变;同样,中间的模组横向进行布置,可以增强在侧碰时的刚度,抵御侧碰带来的形变。

  --由于没有电池箱体,对模组的密封与防护由支架的上盖和底板来完成。Canoo将支架与模组密封起来。此外为了加强对底部冲击的防护,在底板的外面增加了一层底部防护板。

  前不久比亚迪宣布停产燃油车全力转向电动化时代,可见比亚迪在转型这方面的决心是巨大的,早在2021年9月8日,比亚迪发布了全新e平台3.0。e3.0平台全系标配刀片电池,通过电池车身一体化、纯电专属传力路径强化电动汽车的车身强度。

  发布会上还公布了基于纯电专属e平台3.0中型平台打造的全新概念车ocean-X,并宣布ocean-X上会采用CTC电池车身一体化技术。

  海豹作为e3.0平台将要推出的最重磅的车型之一,预计也将搭载CTC技术。从目前 CTC 技术基础来看,采用 CTC 技术的车型相较于 CTP 技术,电池容量将比后者高出约 5%-10% 。

  根据宁德时代董事长曾毓群介绍,宁德时代的集成化CTC技术不仅会重新布置电池,还会纳入包括电机、电控、DC/DC、OBC等动力部件。宁德时代的CTC技术,将电芯与车身、底盘、电驱动、热管理及各类高低压控制模块等集成一体,使行驶里程突破1000公里;并通过智能化动力域控制器优化动力分配和降低能耗,百公里电耗有望降至12度以下。

  LG在2021年首次公开了一份CTC专利,专利公开号为KR72A,这是它在CTC方向发展的一个重要信号,也说明LG也在CTC上面开始发力。

  众所周知:软包由于自身的结构特性,是无法独立固定的,所以,LG的这个CTC方案选择的是模组到车底盘的集成(Module to Chassis)。

  LG的考量初衷是进一步去掉冗余结构件,提高模组的空间利用率和系统比能,同时简化电池系统和整车的工艺,该方案的总体思路,如下(这里为了展示,将产品倒过来了):

  其实国内外还有许多企业都重视起了CTC技术,国外像福特、沃尔沃、大众,国内初创公司悠跑科技以滑板底盘为主打,也会应用CTC技术作为动力支持。

  因此有这么多家大牌车企和电池厂商都入局这一技术,相信安全性是可以保障的,并且可以大幅降低成本和开发效率,相信这一技术可以引领未来的潮流。