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动力电池新工艺:CTC技术进展

激光制造网 来源:ForceInstitute2022-05-26 我要评论(0 )   

【摘要】CTC(Cell to Chasis)技术目前正处于从概念到量产的阶段。2020年9月特斯拉在电池日上发布了4680电芯、CTC技术和一体化压铸技术,并宣布其柏林工厂将采用CTC技...

 

摘要

  • CTCCell to Chasis技术目前正处于从概念到量产的阶段。2020年9月特斯拉在电池日上发布了4680电芯、CTC技术和一体化压铸技术,并宣布其柏林工厂将采用CTC技术生产Model Y。2022年3月,零跑科技发布了旗下第四款车型C01,预计4月首发,6月预售,8月上市,或将成为首款搭载CTC电池技术的量产车型。

  • 当技术尚处于概念阶段的时候,往往看来起来比较遥远;但当技术开始落地时,进展往往会超出预期。以下主要对布局和计划应用CTC技术的公司及其相关的技术方案进行了进一步梳理。

  • 从目前的进展上看,特斯拉、Canoo和零跑处于量产/准量产阶段,而三者的技术方案有所差别:

  • 特斯拉的方案:取消模组设计,直接使用电芯进行集成,并取消座舱底板,取代以电池上盖;

  • Canoo的方案:将模组布置在底盘中间由纵横梁构建的隔间内,通过支架的上盖和底板对模组进行密封;

  • 零跑的方案:采用了模组集成的方式,去掉电池包的上盖,将电池包的其他部分与整车底盘集成。

  • 除了特斯拉、Canoo和零跑之外,整车企业如比亚迪、大众、沃尔沃、福特,电池企业如宁德时代、LG,创业公司如悠跑科技等,均在CTC技术的研发与应用上有所布局。

  • 随着越来越多的企业研发、布局、应用CTC技术,CTC技术有望加速实现大规模的量产应用。



1)特斯拉

  • 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 toChassis),即取消Pack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,从而进一步降低制造成本。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。根据柏林工厂开放日释放的信息,特斯拉柏林工厂将采用CTC技术生产Model Y。

 

座椅直接安装在电池上盖上:


电池组作为车身结构一部分,前后链接大型铸件:

特斯拉4680

特斯拉的4680 structure battery方案具有以下特点:

  • 4680 电芯正极朝上放置,从车身横向布置,电芯采用侧面冷却的方式;

  • 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structurebattery 与车身完成连接。

 

4680电芯正极朝上放置:


座椅承载结构的加强设计:

 

2Canoo

  • 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。

  • Canoo目前推出了三款车型,分别是CanooLifestyle Vehicle、Muti-Purpose Delivery Vehicle和Pickup Truck,均基于其滑板底盘式纯电平台开发。

 

Canoo的滑板式底盘及应用的车型:


  • 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,在底板的外面增加一层底部防护板。

 

Canoo的模组集成方案:

 

Canoo通过上盖和底板密封和防护模组:

 

3)零跑汽车:

  • 2022年3月,零跑汽车发布旗下第四款车型C01,定位纯电中大型轿车,或将成为首款搭载CTC电池技术的量产车型,预计4月首发,6月预售,8月上市。

  • CTC电池底盘一体化技术的量产,标志着零跑的动力电池技术经过VDA标准化模组(1.0时代)、 CTP大模组(2.0时代)后,进入了3.0全新时代。

  • 根据零跑的发布,CTC 电池底盘一体化技术将电池与下车身、底盘进行集成设计,让零部件数量减少20%,结构件成本减低15%,整车刚度提高25%,简化了总装工艺,高度集成化和模块化。

 

零跑的电池技术迭代过程:

 

结合零跑的专利以及其公布的CTC示意图看,我们认为零跑的CTC方案主要有两个特点:①模组集成;②去掉电池包上盖与整车集成。

  • 模组集成:零跑的方案并没有做电芯直接集成,而是采用了模组集成的方式。该方案在目前阶段更容易实现,此外能够具备较好的维修性。

  • 去掉电池包上盖与整车集成:零跑的CTC集成方案是去掉电池包的上盖,但电池包其他部分、以及与整车的装配、固定是基本不变的。该方案下整车的装配线,工艺等不需要做大的调整,可以继续沿用;但由于少了上盖,整包的密封和对乘员舱的热失控需要加强。

 

零跑的CTC方案:

 

4)比亚迪:

  • 2021年9月8日,比亚迪发布全新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,让燃油汽车结构的上限成为电动汽车的下限。

  • 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,预计也将搭载电池车身一体化技术。而根据新出行的报道,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 5%-10% 的区间。

 

5)大众集团:

  • 2021年7月,大众集团在Power Day上宣布将采用Cell2 toPack(CTP)以及Cell to Car(CTC)技术。

  • 在此前的大众集团高压系统负责人Dr. HolgerManz的报告《Future Trends on Battery Systems-ready for thenext Generation》中,介绍了大众集团降电池成本途径主要在于标准化、模块化和简化。目前大众的MEB平台化技术,主要为标准模组技术(Cell-Module),未来将在此基础上开发应用CTP以及CTC技术。

 

大众集团的CTC技术规划:

 

6)沃尔沃:

  • 2021年6月30日,沃尔沃汽车集团发布Volvo CarsTech Moment,在活动上,沃尔沃透露了诸多动力电池技术方面的信息,包括第二代PACK技术、下一代CTC方案以及自产电芯等。

  • 在第三代电动汽车产品方面,沃尔沃表示其第三代电池系统集成技术的电池组将成为汽车结构不可或缺的一部分,这意味着或将是CTC方案,从而获得更高的能量密度(1000 Wh/L)和更长的续航(1000km)。

  • 该技术与特斯拉、大众、宁德时代等企业的方案类似,路线都是进一步减少模组层级不必要的结构,将电芯和底盘集成一起,再把电机、电控、整车高压如DC/DC、OBC等通过创新的架构集成在一起。

 

沃尔沃的电池技术路线规划和电池集成方案示意:

 

7)福特:

  • 福特在2019年的专利《Body-on-frameelectric vehicle with battery pack integral to frame》中,即给出了一种把电池集成到车体底板的方案。

  • 在福特的专利中,该方案在车身左右框架中设置多根横梁,由这些横梁对整个结构进行分割,在里面容纳电池,分割出来的空间下面通过底板进行支撑。

 

福特将电池集成到车体底板的专利方案:

 

8)宁德时代:

  • 宁德时代计划在2025年实现集成化CTC,2030年实现智能化CTC。

  • 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,百公里电耗降至12度以下。

 

宁德时代系统集成技术规划:

 

9LG

  • LG同样在2019年申请了相关的专利《Under Bodyfor Vehicle》,将电池包的下箱体和车底盘进行集成,但从专利上看该方案实际上还是将模组集成到底盘上。

  • LG的该方案可以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。该方案以框架的形式在底盘上构建了用于安装模组并提供防护的一个托盘,模组安装于下托盘纵横梁形成的隔间内,通过螺栓与底盘固定起来。框架的前端留有空间,用于安装BMS及高压控制器件,两侧及中间的通道用于高低压走线。

 

LG的电池包的下箱体和车底盘集成方案:

 

10)悠跑科技:

  • 创业公司悠跑科技主打标准化的UP超级底盘,CTC电池系统是其UP超级底盘的重要组成部分。

  • 悠跑科技UP超级底盘的CTC电池系统可以带来以下优势:①电池舱有效容积增加10%;②同等车长,续航提升10%;③最高续航可达到1000km以上;④可为客户提供灵活的电池组合方案。

 

悠跑科技UP超级底盘采用的CTC电池系统:

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