【摘要】
CTC(Cell to Chasis)技術(shù)目前正處于從概念到量產(chǎn)的階段。2020年9月特斯拉在電池日上發(fā)布了4680電芯、CTC技術(shù)和一體化壓鑄技術(shù),并宣布其柏林工廠將采用CTC技術(shù)生產(chǎn)Model Y。2022年3月,零跑科技發(fā)布了旗下第四款車型C01,預(yù)計4月首發(fā),6月預(yù)售,8月上市,或?qū)⒊蔀槭卓畲钶dCTC電池技術(shù)的量產(chǎn)車型。
當(dāng)技術(shù)尚處于概念階段的時候,往往看來起來比較遙遠;但當(dāng)技術(shù)開始落地時,進展往往會超出預(yù)期。以下主要對布局和計劃應(yīng)用CTC技術(shù)的公司及其相關(guān)的技術(shù)方案進行了進一步梳理。
從目前的進展上看,特斯拉、Canoo和零跑處于量產(chǎn)/準(zhǔn)量產(chǎn)階段,而三者的技術(shù)方案有所差別:
特斯拉的方案:取消模組設(shè)計,直接使用電芯進行集成,并取消座艙底板,取代以電池上蓋;
Canoo的方案:將模組布置在底盤中間由縱橫梁構(gòu)建的隔間內(nèi),通過支架的上蓋和底板對模組進行密封;
零跑的方案:采用了模組集成的方式,去掉電池包的上蓋,將電池包的其他部分與整車底盤集成。
除了特斯拉、Canoo和零跑之外,整車企業(yè)如比亞迪、大眾、沃爾沃、福特,電池企業(yè)如寧德時代、LG,創(chuàng)業(yè)公司如悠跑科技等,均在CTC技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用上有所布局。
隨著越來越多的企業(yè)研發(fā)、布局、應(yīng)用CTC技術(shù),CTC技術(shù)有望加速實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)應(yīng)用。
1)特斯拉
電池既是能源設(shè)備,也是結(jié)構(gòu)本身。在2020年9月的電池日上,特斯拉發(fā)布了全新的整包封裝技術(shù) CTC(Cell toChassis),即取消Pack設(shè)計,直接將電芯或模組安裝在車身上。應(yīng)用CTC技術(shù)后的新架構(gòu)是物理層面的創(chuàng)新,將電池組作為車身結(jié)構(gòu)的一部分,連接前后兩個車身大型鑄件,取消原有座艙底板,取代以電池上蓋,座椅直接安裝在電池上蓋上。
CTC技術(shù)有助于將車輛的結(jié)構(gòu)平臺進一步單元化,從而進一步降低制造成本。馬斯克曾表示,采用了CTC技術(shù)后,配合一體化壓鑄技術(shù),可以節(jié)省370個零部件,為車身減重10%,將每千瓦時的電池成本降低7%。
CTC技術(shù)并非僅適用4680電芯,同樣適用其2170電芯,預(yù)計未來還會兼容其它尺寸電芯。根據(jù)柏林工廠開放日釋放的信息,特斯拉柏林工廠將采用CTC技術(shù)生產(chǎn)Model Y。
座椅直接安裝在電池上蓋上:
電池組作為車身結(jié)構(gòu)一部分,前后鏈接大型鑄件:
特斯拉4680
特斯拉的4680 structure battery方案具有以下特點:
4680 電芯正極朝上放置,從車身橫向布置,電芯采用側(cè)面冷卻的方式;
通過膠粘劑填充電芯上下以及電芯之間的距離,提高整個電池系統(tǒng)的強度、剛度和抗扭、抗剪切力,膠除了結(jié)構(gòu)連接之外,對導(dǎo)熱也起到一定阻隔的效果;
電池的上蓋涵蓋了密封電池和車身地板的兩個功能,由多個結(jié)構(gòu)加強結(jié)合在一起,前排座椅的承載結(jié)構(gòu)所在箱蓋有加強設(shè)計,座椅承載件橫向布置,對整車橫向碰撞起到加強作用;
該方案屬于承載式車身技術(shù)路線,是將電池框架與車身下車體集成,在裝配時在上方整個車身完成裝配(車身+前鑄件+后鑄件)后,再將structurebattery 與車身完成連接。
4680電芯正極朝上放置:
座椅承載結(jié)構(gòu)的加強設(shè)計:
2)Canoo
Canoo在2019年即推出了滑板式底盤,并提出將電池和底盤合二為一的方案。
Canoo采用的滑板式底盤結(jié)構(gòu)中,并沒有設(shè)計單獨的動力電池包,而是將動力電池組與底盤融為一體,在減輕底盤重量的同時也可以降低一部分成本。
Canoo目前推出了三款車型,分別是CanooLifestyle Vehicle、Muti-Purpose Delivery Vehicle和Pickup Truck,均基于其滑板底盤式純電平臺開發(fā)。
Canoo的滑板式底盤及應(yīng)用的車型:
不同于特斯拉將電芯直接集成到底盤的方案,Canoo的方案是將模組集成到底盤。
從公布的專利看,Canoo的方案主要是將模組布置在底盤中間,由縱橫梁構(gòu)建的隔間內(nèi),前后四個模組沿軸向、中間四個模組沿橫向:
兩側(cè)模組沿著軸向方向進行布置,這樣可以作為底盤的縱向結(jié)構(gòu)件,增強底盤的剛度,以抵抗在前后碰撞時造成的形變;同樣,中間的模組橫向進行布置,可以增強在側(cè)碰時的剛度,抵御側(cè)碰帶來的形變。
由于沒有電池箱體,對模組的密封與防護由支架的上蓋和底板來完成。Canoo將支架與模組密封起來。此外為了加強對底部沖擊的防護,在底板的外面增加一層底部防護板。
Canoo的模組集成方案:
Canoo通過上蓋和底板密封和防護模組:
3)零跑汽車:
2022年3月,零跑汽車發(fā)布旗下第四款車型C01,定位純電中大型轎車,或?qū)⒊蔀槭卓畲钶dCTC電池技術(shù)的量產(chǎn)車型,預(yù)計4月首發(fā),6月預(yù)售,8月上市。
CTC電池底盤一體化技術(shù)的量產(chǎn),標(biāo)志著零跑的動力電池技術(shù)經(jīng)過VDA標(biāo)準(zhǔn)化模組(1.0時代)、 CTP大模組(2.0時代)后,進入了3.0全新時代。
根據(jù)零跑的發(fā)布,CTC 電池底盤一體化技術(shù)將電池與下車身、底盤進行集成設(shè)計,讓零部件數(shù)量減少20%,結(jié)構(gòu)件成本減低15%,整車剛度提高25%,簡化了總裝工藝,高度集成化和模塊化。
零跑的電池技術(shù)迭代過程:
結(jié)合零跑的專利以及其公布的CTC示意圖看,我們認(rèn)為零跑的CTC方案主要有兩個特點:①模組集成;②去掉電池包上蓋與整車集成。
模組集成:零跑的方案并沒有做電芯直接集成,而是采用了模組集成的方式。該方案在目前階段更容易實現(xiàn),此外能夠具備較好的維修性。
去掉電池包上蓋與整車集成:零跑的CTC集成方案是去掉電池包的上蓋,但電池包其他部分、以及與整車的裝配、固定是基本不變的。該方案下整車的裝配線,工藝等不需要做大的調(diào)整,可以繼續(xù)沿用;但由于少了上蓋,整包的密封和對乘員艙的熱失控需要加強。
零跑的CTC方案:
4)比亞迪:
2021年9月8日,比亞迪發(fā)布全新e平臺3.0。e3.0平臺全系標(biāo)配刀片電池,通過電池車身一體化、純電專屬傳力路徑強化電動汽車的車身強度,讓燃油汽車結(jié)構(gòu)的上限成為電動汽車的下限。
發(fā)布會上還公布了基于純電專屬e平臺3.0中型平臺打造的全新概念車ocean-X,并宣布o(jì)cean-X上會采用電池車身一體化技術(shù)。
海豹作為e3.0平臺將要推出的最重磅的車型之一,預(yù)計也將搭載電池車身一體化技術(shù)。而根據(jù)新出行的報道,從目前 CTC 技術(shù)基礎(chǔ)來看,采用 CTC 技術(shù)的車型相較于 CTP 技術(shù),電池容量將比后者高出 5%-10% 的區(qū)間。
5)大眾集團:
2021年7月,大眾集團在Power Day上宣布將采用Cell2 toPack(CTP)以及Cell to Car(CTC)技術(shù)。
在此前的大眾集團高壓系統(tǒng)負責(zé)人Dr. HolgerManz的報告《Future Trends on Battery Systems-ready for thenext Generation》中,介紹了大眾集團降電池成本途徑主要在于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和簡化。目前大眾的MEB平臺化技術(shù),主要為標(biāo)準(zhǔn)模組技術(shù)(Cell-Module),未來將在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用CTP以及CTC技術(shù)。
大眾集團的CTC技術(shù)規(guī)劃:
6)沃爾沃:
2021年6月30日,沃爾沃汽車集團發(fā)布Volvo CarsTech Moment,在活動上,沃爾沃透露了諸多動力電池技術(shù)方面的信息,包括第二代PACK技術(shù)、下一代CTC方案以及自產(chǎn)電芯等。
在第三代電動汽車產(chǎn)品方面,沃爾沃表示其第三代電池系統(tǒng)集成技術(shù)的電池組將成為汽車結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分,這意味著或?qū)⑹荂TC方案,從而獲得更高的能量密度(1000 Wh/L)和更長的續(xù)航(1000km)。
該技術(shù)與特斯拉、大眾、寧德時代等企業(yè)的方案類似,路線都是進一步減少模組層級不必要的結(jié)構(gòu),將電芯和底盤集成一起,再把電機、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等通過創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起。
沃爾沃的電池技術(shù)路線規(guī)劃和電池集成方案示意:
7)福特:
福特在2019年的專利《Body-on-frameelectric vehicle with battery pack integral to frame》中,即給出了一種把電池集成到車體底板的方案。
在福特的專利中,該方案在車身左右框架中設(shè)置多根橫梁,由這些橫梁對整個結(jié)構(gòu)進行分割,在里面容納電池,分割出來的空間下面通過底板進行支撐。
福特將電池集成到車體底板的專利方案:
8)寧德時代:
寧德時代計劃在2025年實現(xiàn)集成化CTC,2030年實現(xiàn)智能化CTC。
根據(jù)寧德時代董事長曾毓群介紹,寧德時代的集成化CTC技術(shù)不僅會重新布置電池,還會納入包括電機、電控、DC/DC、OBC等動力部件。
寧德時代的CTC技術(shù),將電芯與車身、底盤、電驅(qū)動、熱管理及各類高低壓控制模塊等集成一體,使行駛里程突破1000公里;并通過智能化動力域控制器優(yōu)化動力分配和降低能耗,百公里電耗降至12度以下。
寧德時代系統(tǒng)集成技術(shù)規(guī)劃:
9)LG:
LG同樣在2019年申請了相關(guān)的專利《Under Bodyfor Vehicle》,將電池包的下箱體和車底盤進行集成,但從專利上看該方案實際上還是將模組集成到底盤上。
LG的該方案可以進一步去掉冗余結(jié)構(gòu)件,提高模組的空間利用率和系統(tǒng)比能,同時簡化電池系統(tǒng)和整車的工藝。該方案以框架的形式在底盤上構(gòu)建了用于安裝模組并提供防護的一個托盤,模組安裝于下托盤縱橫梁形成的隔間內(nèi),通過螺栓與底盤固定起來??蚣艿那岸肆粲锌臻g,用于安裝BMS及高壓控制器件,兩側(cè)及中間的通道用于高低壓走線。
LG的電池包的下箱體和車底盤集成方案:
10)悠跑科技:
創(chuàng)業(yè)公司悠跑科技主打標(biāo)準(zhǔn)化的UP超級底盤,CTC電池系統(tǒng)是其UP超級底盤的重要組成部分。
悠跑科技UP超級底盤的CTC電池系統(tǒng)可以帶來以下優(yōu)勢:①電池艙有效容積增加10%;②同等車長,續(xù)航提升10%;③最高續(xù)航可達到1000km以上;④可為客戶提供靈活的電池組合方案。
悠跑科技UP超級底盤采用的CTC電池系統(tǒng):
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