宁德时代、特斯拉、大众入局CTC,电池车身一体化或成未来发展新趋势!

2021-11-17 10:02:15 作者:给予迩温柔   阅读:171 次  点赞:2 次  鄙视:0 次  收藏:0 次  由 1788ta.cn 收集整理
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CTC技术是目前纯电动车电池与整车集成的发展趋势。然而要推广CTC并非易事,事实上,CTC也是一种优点和缺点都很明显的方案。相信在智能化、电动化的浪潮下,技术越来越成熟,汽车行业将会创新出更多商业模式,涌入更多新玩家来推动技术的发展与完善。

作者简介:小龙,电池硕士

宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火在第十届全球新能源汽车大会上透露,宁德时代将于2025年前后正式推出高度集成化的CTC(Cell to Chassis)电池技术。

无独有偶,不少车企也提出CTC技术路线,一是去年9月马斯克在特斯拉电池日上发布的结构性电池(structural battery);二是今年7月初,在沃尔沃和大众集团举办的战略发展大会上,两家传统车企巨头都不约而同地提及CTC,和特斯拉一样要把CTC作为未来技术路线的重点方向。

那么,这个CTC到底有何神秘之处?

1、

在搞明白CTC技术之前,我们先来了解一下什么是CTP(无模组技术),以及他们之间的联系。

CTP技术(无模组技术)全称为Cell To Pack,是减少或去除电池“电芯-模组-整包”的三级Pack 结构的技术。CTP电池包即是电芯直接集成到电池包内,这种电池由于省去了电池模组,电池包集成到车身地板上作为整车结构件的一部分。国内称之为CTP。相比于传统电池包,可以使体积利用率提升15%-20%,零件数量减少40%,生产效率提升50%并降低动力电池的制造成本。

具体来说,电池模组是指若干关联的零部件组成的模块。而电池包(Pack)是由若干个模组、BMS、配电模块组成。比如特斯拉最早是将7000多支电芯预先集成若干个模块,最后安装在电池箱体内部。通过这种模组工艺大大降低了装配复杂程度,生产效率也得以提升。此外,模块化设计有利于动力电池维修保养,方便更换模块或模组,所带来的个别问题是模组的应用增加许多其他零部件,致使电池包(Pack)的质量增加、成本增加。目前采用CTP技术的主要有比亚迪、蜂巢新能源和宁德时代。

比亚迪电池组的CTP技术能将电池容量提高20%~30%,电池寿命延20%~30%。刀片电池也首次用于比亚迪的汉EV电动汽车。比亚迪刀片电池的制作依赖于CTP 技术。刀片电池基于磷酸铁锂技术的创新,具有启动放热温度高、温升慢、产热少、不释氧等优点。此外,刀片电池变长变薄,表面积也增加,整体散热更好。电池的短路电路相对较长,产生的热量较少,所以刀片电池的安全性能是非常出色的。

图1 比亚迪CTP技术-刀片电池

蜂巢新能源使用的CTP技术,采用无模组方案可以有效缩短生产线,减少生产过程中的浪费。电芯在线堆叠,测试后直接放入电池盒,大大减少了流动过程,减少了模块传统的框架焊接过程。与传统590模组相比,CTP第一代减少24%的零部件,第二代成组效率提升5-10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%。

图2 蜂巢新能源CTP技术

宁德时代CTP技术是将一个大的模块通过若干个塑料散热片分割成小空间,这些塑料散热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。去掉电池模块,将电池直接集成到电池组中,可以提高电池组的空间利用率,减轻电池组的质量,提高能量密度,降低成本与传统的电池相比,CTP电池组的容量利用率增加15%~20%,零部件的数量减少了40%,生产效率提升了50%,电池的能量密度提高10%~15%,这将大大降低动力电池的制造成本。电池组由至少两个大模块组成,每个模块通过紧固件连接到电池托盘上,最后将电池组固定到不同的横梁上。

图3 宁德时代CTP技术

2、

尽管CTP技术有很多优势,但仍然有些问题需要不断改善。

首先是电池的碰撞安全。利用CTP 技术在电池组中使用,去除电池组的侧梁,电池将直接承受碰撞的影响。因此,CTP 电池组需要具备足够的扛碰撞能力。

其次,电池热管理对电池安全问题至关重要。宁德时代的各个模块采用CTP技术,在壳体中部填满导热胶,在电芯侧壁与壳体之间设有压力或温度传感器,它用于检测电池的形状变化和温度变化,以消除电池的故障,并提前测量热逃逸现象。

然后是售后维护成本、难度是否会增加? 传统电池包内部有模组,电池产生问题时可以通过更换电池模组解决;一旦无模组电池包出现问题,是不是要整包替换呢?这恐怕不是4S店可以解决的了,大概率要退回电池厂家维修。不过,一些新能源电池厂家表示他们的CTP技术已经考虑过这个问题,他们的CTP可以在一定程度上实现电芯的拆卸,以方便维修和梯次利用。

最后是电池的一致性,电池生产与电池使用的一致性是一个难以解决的问题。采用CTP 技术的电芯可以由几个较小的电芯一个接一个地串联起来。电池包由数百个不同的电池组成,输出的数量由最差的电池决定。如何监控并控制每个电芯的充放电状态对电池管理系统BMS提出了更高的要求。

自从推出第一代CTP电池技术后,电池结构的创新成为了诸多电池企业降本增效的重要手段,而此次CTC技术的曝光进一步验证在现有电池技术没有革命性成功之前,电池组结构的创新将会是未来的主流发展趋势。

3、

那么什么是宁德时代最新披露的CTC技术呢?

CTC电池集成方案是直接将电芯集成在地板框架内部,将地板上下板作为电池壳体。它是CTP方案的进一步集成,完全使用地板的上下板代替电池壳体和盖板,与车身地板和底盘一体化设计,从根本上改变了电池的安装形式。

CTC技术的目的是高度集成化和模块化,简化总装工艺和降低成本,追求的是苹果的一体化设计,在这种思想的指导下维修便利性确实是一个挑战。对于电池本身来说是由电芯直接组装成电池包,而且电芯通过胶的封装形成一个高强度的整体,同时又被多层的防护材料包裹,因此对于单个电芯是无法进行维修和更换的,如果出现问题,只能整体更换电池包。对于电池包与车身的安装来说,如果需要维修或更换电池包,需要拆除座椅横梁,去掉密封胶,维修相对复杂,对于维修的便利性问题还需要进一步研究。

图4 宁德时代CTC技术

4、

我们看下不同电池集成技术的对比,如图5和表一所示。

CTC电池技术的空间利用率最高,对于电池电量的提升有显著的效果,同时需要考虑如何实现密封和电池承载载荷。但是CTC还是一个在现有电池本身技术不变的条件下,最有效提升电量的方案。

图5 不同电池包技术间的演变

表 1 不同技术对比

目前电动汽车最重要的技术指标,也是消费者关注度高的,是汽车的续航里程,而对续航里程最直接的影响就是电池电量,因此增加电池电量就成为增加汽车续航里程的最有效方案。为了实现更高的电量,电池的集成趋势已经由小模组发展为大模组、超长模组,甚至无模组方案,这种方式已经在一定程度上提升了空间利用率,增加了电量。但是为了追求更苛刻的需求,所以提出结构化电池的概念,让电池本身成为车身的一部分(类似现代民航飞机将整个机翼作为油箱的思路),也就是CTC,也称为电池车身一体化。

CTC技术是目前纯电动车电池与整车集成的发展趋势。然而要推广CTC并非易事,事实上,CTC也是一种优点和缺点都很明显的方案。相信在智能化、电动化的浪潮下,技术越来越成熟,汽车行业将会创新出更多商业模式,涌入更多新玩家来推动技术的发展与完善。

参考资料:

[1] 张涛.CTC集成技术在电动汽车电池布置中的应用[J].科学技术创新,2021(05):172-174.

[2] 朱小燕.无模组技术在新能源汽车动力电池中的应用与研究[J].科技与创新,2020(15):159-161.

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