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文章正文
特斯拉带队,这些车企想要干掉电池包
作者:    发布于:2022-06-13 17:52:15    文字:【】【】【

电动车企扎堆搞CTC技术,到底有啥区别?

头部的新能源汽车中,特斯拉早在2020年的电池日活动上就讲解了CTC技术,认为这项技术能够省掉370个车身零部件,减轻10%的车身重量,而另一个头部玩家比亚迪也在今年发布了CTB技术(本质上仍然为CTC技术)。

▲特斯拉展示CTC技术

动力电池行业的头部玩家宁德时代也积极发展CTC技术,前华为智能汽车解决方BU智能车控领域总经理蔡建永加入了宁德时代将会全力推进CTC电池底盘一体化业务。

而国内的新造车企业零跑也在4月份正式对外公布了其CTC技术,可将其首款轿车C01的续航提升到700公里以上。

此外,哪吒、大众、沃尔沃等车企都将会在CTC技术方法发力,哪吒汽车更是明确了要在明年推出这一产品。

从这些车企的动作来看,CTC技术无疑已经成为了今年动力电池领域最热的话题之一了。

新能源汽车发展到现在,动力电池的发展已经到了天花板,急需破局之道。从化学材料上来看,三元锂电池的天花板逐渐显现,而固态电池距离量产仍然有很长的道路要走。

在这种情况之下,特斯拉、比亚迪这样的新能源汽车行业巨头和宁德时代这样的动力电池大佬都开始在电池的封装技术层面做布局。

从众多车企和电池企业的动作来看,目前新能源汽车领域头部的车企都已经加入了CTC大军,在可以预见的未来,这一技术或将成为主要的动力电池封装技术。

那么,CTC技术的主要难点是什么?主要分为哪些技术路径?目前已经发布的车企主要采用了哪些路径?

01 .

车身结构需重新设计 集成电芯也有难度

首先我们先简单地了解一下CTC技术,其全称为Cell to Chassis,即电芯到底盘。字面意思理解,就是把电芯直接放置到车辆底盘中,区别于此前底盘和电池包分离的设计。

而之所以这么做,主要是为了通过提升空间利用率的方式提升电池的能量密度。将电芯直接集成到底盘之后,可以节约大量的材料,相应地扩大了可装置电芯的体积,车企通过增加更多的电芯,增加体积能量密度,从而实现更长的续航表现。

另一方面,由于节省了比较多的材料,也降低了动力电池的成本。

从上面的描述来看,CTC技术确实存在很多优点,但目前还没有大规模量产的事实也说明了这项技术还存在一定的难度。

整体来看,CTC技术存在多个核心技术点。

首先,Cell to Chassis意味着传统的车辆底盘结构需要做出一定的改变。

一位车身工程师告诉车东西,为了节省成本,大多数车企会从供应商处直接拿电池包,然后根据电池包来设计车身结构。

车身、电池包和底盘构成一个三明治结构,电池包处在车身和底盘之间,也就是说,电池包一直处在车身结构的保护之中,不会直接承受外部撞击。

而CTC技术则将电芯直接集成到了车辆底盘上,电池包成为底盘的一部分,车厢内部底板担当了传统电池包的上盖,电芯和下托盘被塞进了车身里,让电池包也成为车身受力结构之一。

▲零跑汽车发布的CTC技术

这让传统的车身和电池包分开设计的模式不再适用,车身设计师从一开始设计车身时就要考虑到底盘电芯的布局情况,这对大部分车身设计师来说都是一个不小的考验。

另一方面,CTC技术也给车身设计的灵活性造成了一定的影响,对于规模比较大的车企来说,它们都会设计一个通用的汽车平台,可以延伸出各种车型,而在电池方面做的改变也就是拉长缩短等操作。

但采用了CTC技术之后,在车身结构发生变化的时候,会导致底盘的电池结构也发生改变,最终导致设计成本的增加。

更重要的是,电芯和车身底盘集成在一起之后,维修的成本和技术难度也会随之提升。

从这点来看,CTC最关键的技术之一的就是车身结构的设计。

接着让我们把目光放到电池包本身,CTC技术非常重要的一个要素就是彻底取消了模组和Pack,直接将电芯集成到底盘里面。

▲特斯拉CTC技术

这也意味着车辆底盘内需要直接铺上电芯,而没有了模组和PACK结构的保护,就需要对电芯做好绝缘支撑。

除了电芯方面所必需的一些设计,电池热管理等方面也需要进行更新设计。

电芯和电芯直接排列在一起,意味着一旦一个电芯发生热失控,就很容易传导到临近的电芯,从而导致整个电池的热失控。

在设计的时候就需要考虑水冷板究竟放在什么位置以及泄压阀如何设计,这些问题直接关系到车辆和乘客的安全,所以这方面的设计丝毫马虎不得。而整个电池包的BMS设计也非常重要。

整体来看,如果想要采用CTC技术,那么对车身的结构设计和电池包的设计都会生产一定的影响,这些主要难点也就成为CTC技术最关键的地方。

02 .

分为两种途径 均已到达量产前夜

目前来看,CTC技术还比较新,也只有少数几家车企展示了自己的方案和产品,大多数车企还没有产品展出。

从已经发布的产品来看,CTC技术主要有两种体现形式。一种是目前多个车企采用的方式——将电芯直接集成到车辆底盘中。

这一方式有点接近智能手机领域的发展思路:从最开始电池可拆卸转变成为电池一体化设计。

具体来看,车企直接取消了电池包的上板结构,或者说将车辆内底板作为电池组的上板结构,然后将电芯布置在托盘上,将托盘和车身内底板组合在一起,形成新的车身结构。

▲特斯拉电池专利截图

车辆的座椅可以直接安装在电池包上方,进一步扩大车身的空间结构,而在电池布局上也可以增加更多的电芯,续航也可以因此实现提升。

那么,这种方式是如何应对技术上的难题呢?这方面不同车企的策略有所不同,在车身结构方面,特斯拉采用了前后一体式压铸技术更改了车身结构,前后两个大件可以直接拼接成车辆底盘,可以提前把底盘的空间预留好,为电芯集成做好准备。

而比亚迪也采用了全新的车型平台e3.0,虽然还不清楚比亚迪是怎么做的,但在新的车型平台也一定会对车身结构进行调整。

散热方面,目前大多还采用的水冷板散热,特斯拉的方案中,水冷板是放在电芯的正上方,这样方便阻隔电芯的热量不会上传到驾驶舱,而电池包的泄压阀则在电芯下方,进一步保证了电池包的安全性。而电芯之间则采用了低密度的胶,降低了彼此之间热传导的风险。

零跑的方案中则在电芯下方采用了水冷板、隔热层,而在电芯的上面同样也采用了隔热层,防止热量上升到座舱内部。

另一种是滑板底盘,同时涵盖了CTC技术、线控技术等,将车辆底盘的行驶系统、转向系统与车辆的乘员舱完全解耦,底盘和车体直接独立。

车东西此前曾经观看过悠跑科技所设计的滑板底盘,通过遥控装置,车辆底盘可以自如完成前进后退,甚至是自动泊车的一系列指令。

▲悠跑科技UP超级底盘

这一设计方式类似于燃油车时代的非承载式结构,底盘和车身分离设计。但不同的是,这种滑板底盘的能力更加强大,可以说是车辆的灵魂所在。

只要底盘和车身达成一致的通讯协议,就可以根据滑板底盘制造各种车型。

得益于此前的非承载式车身结构设计经验,采用滑板地板之后并不需要花费过多精力进行车身的重新设计,几乎可以照搬此前的非承载式车身设计方案。

电池包结构和散热对于滑板底盘来说尤为关键,Lucid CEO兼CTO Peter Rawlinson曾经解读过如何对滑板底盘进行安全保护和散热。他认为电池组与车辆的车身外壳结合,本就可以增加汽车的结构刚度,使汽车更便于操作,稳定了汽车尾部碰撞缓冲区的中央结构,吸收能量,保护乘客不受碰撞,同时也能保护电池。

而Lucid的方案中,电芯基本上是倒置安装的,电池向下散热,同时还有一层额外的冷却剂。

不过,目前这一技术也没有实现大规模量产,头部企业Rivian和Lucid目前正处在产能爬坡阶段,迟迟未能完成大规模交付。除此之外,其他滑板底盘企业均未实现量产。

▲电动R1T皮卡

整体来看,将电芯直接集成到底盘里已经成为车企之间共同的选择了。因此,目前在CTC技术方面发力的车企也明显增多了。

特斯拉、比亚迪、零跑已经发布过了自己的CTC方案,大众和沃尔沃也在2021年就已经提出了CTC方案,未来也将会投入量产,而哪吒汽车也在其电池分享会上表示将会在明年推出CTC技术。

在电池企业方面,宁德时代早在2020年8月份就提出了要发展CTC技术,目前还迎来了华为车BU高管的加盟,其量产产品应该也会很快亮相。

此外,其他的动力电池企业如蜂巢能源等也已经加速了这方面的布局。

目前来看,CTC技术或许真的能够成为电池技术的一个重要突破点,对于缓解续航焦虑,提升电池安全性来说都非常重要。

03 .

三家车企已经发布 主要策略较为类似

虽然已经有多家车企公布了自己的CTC计划,但现阶段来看,只有特斯拉、比亚迪和零跑进行了产品发布,并且已经有很多产品图了。

从产品设计方面来看,这三家车企都是选择上述的第一种形式,直接采用了CTC技术。不过,从设计细节上来看的话,这三家企业的策略上也存在一些不同之处。

下面主要从结构、电芯集成和制造工艺三个方面对特斯拉、比亚迪和零跑的方案进行对比。

从结构上来看,特斯拉可能是做出改变最彻底的企业。根据特斯拉柏林工厂和得州工厂流出来的图片来看,其CTC技术彻底打通了电池包和车厢的联系。

▲特斯拉座椅直接安装在电池上

电池包上方设有一根横梁,前排座椅直接安装到了横梁上,而后排的固定结构则与电池包无关。

这样一来,前排两个座椅的下压力直接由电池包承受,同时前排乘客和后排乘客的脚部位置的力也直接由电池包承受。

比亚迪和零跑的方案则比较接近。零跑汽车在发布会上展示的图片显示,其CTC方案在原来的车辆底盘上仍然保留了车身上的骨架环形梁式结构。

▲零跑CTC技术展示

电池包的上板直接和底盘的结构梁焊接在了一起,相当于既是车厢的底板又是电池的上板结构。车辆座椅则直接安装到了车身的结构梁上。电池包则只承担了前后排乘客脚步空间的力。

从曝光的图片来看,比亚迪和零跑的设计非常相似,也将车厢的底板和电池的上板结构合二为一,座椅的设计方案也比较类似。

▲比亚迪CTB技术

虽然特斯拉、比亚迪和零跑的方案略有不同,但这些方案之间并没有好坏之分。

在这些方案中,车内乘客距离电芯都只隔了一个电池上板结构,因此,这三家车企都需要做缓冲设计,避免车主大力踩底板时直接压到电芯,减少不必要的麻烦。

另一方面,在电芯上方增加隔热材料也非常必要,这样可以避免发生热失控之后,热量在第一时间传递到乘客舱。

车身结构之外,电芯集成也是非常关键的一点,这也是三家车企差别最大的地方。

还是先从特斯拉看起,关于特斯拉的电芯已经非常明确了,无论是柏林工厂展示的图片还是得州工厂展示的图片,其CTC技术都和4680电芯紧密相连。

▲特斯拉底盘布满了4680电池

特斯拉主要通过4680电芯在底盘上进行排列组合,内部没有模组,一眼看过去全是密密麻麻的4680电芯。根据特斯拉展示的图片来看,一列约有34个,一共分为24列,中间有水冷板进行散热。

从这点来看,特斯拉真正贯彻了Cell to Chassis。

目前比亚迪还没有曝光过CTC电池的内部图片,但根据此前海豚电池包的设计,可以猜测其做法与特斯拉类似,采用了刀片电池直接集成到底盘的方式。

与特斯拉的圆柱电池不同,比亚迪的刀片电池更长,几乎横贯车身,并且在CTP时代就已经取消了模组,目前很有可能会直接采用刀片电池集成到底盘。

▲比亚迪刀片电池

而零跑的做法则略有不同。从结构图上来看,零跑的CTC采用了模组集成到底盘中的方式,采用了7个大模组,这样节省的零部件数量有限,空间利用率并没有达到最好。

所以从这点来看,零跑的策略更像是MTC,而不是CTC。

▲零跑CTC技术仍然有电池模组

不过这也跟零跑汽车没有参与电芯开发分不开,比亚迪一直都在采用自己的电芯,特斯拉最近也在积极生产4680电芯,自产电芯的好处就是这两家企业在开发CTC的时候可以提前根据自己的电芯标准来开发。

对于零跑来说,目前并没有自产电芯的能力,主要还是从供应商处购买电芯,直接集成模组则更加高效便捷。

而从制造工艺上来看,特斯拉革新了制造工艺,采用了前后一体压铸技术,与CTC技术起了相辅相成的作用,可以更高效地制造车身,而比亚迪和零跑方面在车身制造工艺上并没有太大的改变,在未来也有可能会引入一体压铸技术。

整体来看,特斯拉和比亚迪的CTC方面,无论从结构上,还是从整体设计上,都更加彻底,而零跑并不具备电芯集成的能力,还有很大的提升空间。

但这三家车企都已经迈出了关键的一步,相信之后还会有更多车企加入到这一行列。

04 .

结语:电池技术革新迫在眉睫

在目前的新能源汽车领域,动力电池仍然是非常重要的一个零部件,甚至决定了一辆电动汽车的下限。但目前其发展遇到了一定的瓶颈,始终无法进一步突破。

车企和电池汽车主要从两个方面来寻找解决方案,一是从化学体系方面入手,研发新的化学体系,研发固态电池等方式,但进展并不明显。

另一种方法就是通过改进封装工艺,在单位体积内塞入更多的电芯。在这条路径上,车企和电池企业推出了CTP技术,即cell to Pack,取消电池模组;现阶段又推出了CTC技术。

但这对于目前的电池行业来说还不够,在原材料价格持续疯涨的情况下,还需要推动电池技术的革新。


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