“CTC”、“CTB”,名称各不同,电池车身一体化技术是大势所趋还是宣传噱头?
时间:2024/4/11 9:07:33                  来源:电子电器家用电器质量检验所                  点击率:869


新能源汽车续航一直是消费者关注的焦点,而车企在解决这个问题的方式上,大部分的做法是扩大电池包,不仅造价上升,安全性也有待商榷,那纯电车的未来,如何解决这个问题?除了堆电池,还能有什么方式来有效提升电池包性能和安全性?

电池车身一体化技术就是目前许多主机厂和电池制造商给出的答案,有的叫CTC(Cell to Chassis)、也有的叫CTB(Cell to Body),但表达的意思是差不多的。

各个厂家的宣传都将这一技术展现得多么厉害和超前,但究竟是真的颠覆性技术还是宣传噱头,一些不明就里的消费者自然是不敢轻举妄动。于是本文笔者将对这一技术进行深度解读,并对目前各厂家之间的技术差异进行分析。

电池车身一体化技术的推出背景

说到电池车身一体化技术之前,我们可以先聊聊汽车动力电池的发展。总的来说汽车动力电池能够一步步走到今天这个程度,主要是在车企和电池厂商在化学和物理两方面做的努力。

最开始纯电汽车诞生后,大家比拼的自然是谁的续航更高,谁的续航低了,那你就落后了。当时除了最简单的“比谁堆的电池更多”这样的基本物理层面竞争之外,还有化学层面的比拼,比如三元电池从最初的NCM523(NCM后面的数字,指的是镍钴锰的占比),到NCM622,再到NCM811,众厂家都在为了拼能量密度,疯狂的在电池中加“镍”。

但由此带来的就是越来越多的自燃时间,给行业敲响了警钟,盲目追求电池材料本身的能量密度,会极大的影响到安全性。于是,能量密度更低,但更为安全的磷酸铁锂电池,又重新回到了人们的视野。到现在,市面上电动车磷酸铁锂电池的比例依然要比三元电池更多一些。

既然动力电池在化学层面的竞争逐渐放缓,于是行业内又开始了一场新的物理层面的竞争。早期,动力电池生产工艺成熟度还不够,造出来的电芯不仅非常脆弱,易燃易爆炸,一致性也比较差。为什么一致性重要?因为一致性不好的话,电量少的那块电芯不但会让整块动力电池发电量降低,还可能会导致发热发烫,甚至爆炸。

于是工程师们只好用钢壳或铝壳,把电芯们按照5-6个一组捆绑在一起,先形成电池模组,再把很众多块模组放入电池包里。显然,让每个模组保持一致性,肯定要比那么多电芯保持一致要容易很多,同时模组外壳还能对电芯起到一定的保护作用。

但到最近几年,电池生产工艺越来越先进,电芯一致性也得到了明显的提升,又重又占地方的模组外壳就开始变得越来越鸡肋,还不如多装一些电芯。于是,模组直接被取消掉,电芯直接被装进了电池包里,也就形成了CTP电池包方案,即Cell to Pack,绕过模组。这样一来,就可以大幅提升电芯体积利用率。目前比亚迪所用的刀片电池包,就属于CTP电池包方案。

但显然各厂商不会停止优化电池结构,于是在CTP技术上更进一步的CTC(Cell To Chassis)技术应运而生。CTC就是在CTP的基础上,不仅取消模组设计,更是直接将电芯集成在底盘之上,电池骨架结构和底盘车身结构合二为一。

简单来说,就是车身、电池和底盘融为一体,大幅提升电池包的能量密度,效率提升,车辆整体也会更加轻量化。这一众优点正是众厂商所追求的目标,也是CTC技术诞生的原因。

电池车身一体化技术优缺点分析

电池车身一体化技术优点:

电池车身一体化技术最明显的优势就是更高的安全性,因为车身跟电池已经被完全融为一体,不再是以前简单的外挂电池包。

外挂电池包的方式其实不只是“油改电”车型经常使用,其实一些基于纯电平台推出的车型同样也有使用。向下方凸出的主要原因就是车辆的垂直空间实在不够用,如果电池不往下移动,整个车舱的坐姿就要往上移动,驾乘人员的头部空间将会被极度压缩,于是工程师团队就只能牺牲安全性把电池包往下移动。

用了电池车身一体化技术之后,电池不再需要安装上壳体,电芯融入本来就需要存在的汽车底盘空间里面,垂直高度就减少了很多,最低离地间隙提升,蹭底的风险大大降低。这时候,就能够把超高强度钢材的成本都拿来放在底盘上。电池车身一体化对于用户而言的另一个巨大的产品优势,就是压缩无用空间之后,车厢内部可供乘员使用的垂直空间增加,整个空间表现更接近燃油车。

电池车身一体化技术还具有对整个行业来说更长远和宏观的优势:第一个优势是电池车身一体化跟整车的匹配度极高,因为电池车身一体化电池本身就是车身的一部分,从设计之初就能够完美匹配。

第二是电池车身一体化的设计,比现有的外观尺寸各异、内部布局各显神通的电池包要规范很多,所有电芯和配套系统都是高度模块化与集成化的产物,可以适配各种车体结构、各种等级定位的电池车身一体化纯电产品,因此往远一点说还可以实现跨车系家族的柔性生产。

第三是刚刚说的高度模块化与集成化,对于电池的智能控制系统和热管理系统也是通用的,这两块都是标准化产品,可以柔性生产。

电池车身一体化技术缺点:

最主要的就是维修和更换方面的难度。因为车身就是电池组本身,所以在发生碰撞时,车身一旦受损,电池组势必也会受到损伤,虽然各个厂家都宣称自家的电池车身一体化技术在安全方面的保障绝对没有问题,但相信大家心里都清楚,不怕一万就怕万一。

同时更换维修也是一个大问题,因为电芯材料的电化学特性,电池在经过一段时间的使用之后,会因为活性下降,造成容量衰减,影响正常使用,到时候必然要更换电池。此时,和底盘合为一体的电池组无法进行单独更换,就只能拆开底盘,更换里面的电芯。但对电池包的加工需要工厂级的环境,对安装技术也有着非常高的要求,更换之后是否能达到应有安全标准也需后续测试。如此一来,一旦出现问题,电池车身一体化技术的车型所要花费的成本就比独立电池包高许多了。

另一个容易被忽视的缺点就是电芯散热和防止热扩散。在传统电池组中,电芯经过多级分装,散热问题可在多个环节中分散解决,而在电池车身一体化技术中,电芯直接抱团,对整体的热管理也提出了更高的要求。

所以站在消费者的角度来说,电池车身一体化技术最直接的缺点就是这辆车很可能会变成一次性产品,碰撞和维修的成本极高,相当于换车。如此一来,新车的保险费用也会增加。而对车企来说就是更高的技术要求。

各家电池车身一体化技术对比

就像上文所分析的一样,电池车身一体化技术本质上就是将电池包上壳体和车身下地板合二为一,听起来很简单,但真正需要做到却是非常不容易的。其中的一个难点就在于密封性。在CTP技术上,电池包和车身各自形成密封结构,二者之间通过机械连接即可满足要求。CTC时代,电池包和车身相互融合,需要两者互相配合才能满足密封要求。

现阶段的解决方案有两个。其中之一是将二合一面板集成于电池包,用电池包上壳体代替一部分车身下地板的结构,优先满足电池的密封要求,再通过电池包上壳体密封车身;另外一个是将二合一面板集成于车身,用车身下地板来代替原有的电池包上壳体,首先满足车身密封要求,再通过车身下地板密封电池包。

特斯拉和比亚迪都采用了前一个方案。优点是电池包本身的性能可以满足,另外电池包与车身的密封相对简单,所以风险是可控的;缺点是电池包上壳体形状受到一定限制,理论上效率提升不能达到极致。

如果再将特斯拉和比亚迪对比,特斯拉的方案要更加的追求极致。因为比亚迪在车身结构上依然保留了安装座椅的横梁,但是特斯拉直接取消了该横梁,直接将座椅安装于电池包壳体之上。

而另外一位选手零跑则选择另一个方案。理论上在整体层面可以获得更加极致的效率和性能,但电池包结构被拆散,用车身下地板密封电池包较难实现,增加了安全隐患、降低了生产节奏。但其实,严格意义上来说,零跑的CTC技术并不成熟,因为它的电池内部依旧保留了模组结构,更准确的称呼应该是MTC(Module to Chassis),技术难度并没有想象中那么高。

除密封要求之外,电池车身一体化技术的难点还在于电池强度设计和冷却方案布置等多个方面。以特斯拉和比亚迪为例,为保证强度,用结构胶作为电芯和箱体的连接方案;另外由于布置空间受限,只能用水冷板作为电池包冷却结构。

电池车身一体化的精髓在于集成,采用一体化设计之后,同时也相当于放弃了换电技术。不论是单个电芯还是整个电池包,维修、更换的便利性和成本都受到很大影响。再进一步,维修成本上升导致保费上升;电池SOH下降但无法换电导致保值率下降。所以这一技术还需要辩证看待。

目前搭载电池车身一体化技术的车型

目前采用电池车身一体化技术的车型有:特斯拉Model Y、零跑C11、比亚迪海豹。三者各有优势:

采用CTC技术+4680电芯和一体式压铸前/后车身地板的Model Y,车身重量减少10%,续航提升14%,整车零部件减少370个,单位成本下降7%。

零跑C01在CTC技术加持下,整车重量降低15kg,车身扭转刚度提升25%,车身垂直空间增加10mm,电池布置空间增加14.5%,续航提升10%,整车零部件减少20%,结构件成本降低15%。

比亚迪海豹基于CTB技术研发,动力电池的系统体积利用率提升至66%,系统能量密度提升了10%,车身扭转刚度达到40500Nm/°,在保证车内高度的情况下,车身高度降低10mm。

后续随着各车企和电池供应商在技术方面的突破,搭载这一技术的车型会显著增加。

电池车身一体化技术于换电技术之争

在电池车身一体化技术风口的面前,还有另一项技术也同时在发展——换电技术。很显然,采用电池车身一体化技术的车型电池的拆卸就是一个很艰难的事情,因为其是车身结构的一部分,那么这一部分车型自然而然就很难拆卸,换电技术就很难使用在这一部分车型上。

如此看来,换电技术就站在了电池车身一体化技术的对立面。另外,一旦电池出现质量问题或者老化需要更换,那么比起传统方案和可换电的车型来说,势必就是一件很难的事情。

不得不承认,目前换电技术确实是纯电车型最理想的补能方式。目前市面上的换电站,其最慢的换电时间也能控制在5分钟左右,奥动新能源最新的第四代换电站已经实现换电过程20秒,全流程仅需1分钟。而且,换电更加类似加油的在途补能方式,车辆即换即走,决定效率的只有换电速度和电池存量的因素。

但换电技术只能在现阶段成为“最理想”的补能方式,我们可以从过去、现在、未来三个方面来解答。

新能源汽车刚发展的阶段,那时整包电池能量密度普遍在20-30kWh,实测续航里程不足两百公里,快充桩覆盖率远不及用户使用需求的时代,换电自然成为补能最便捷的方式。

再看现在,电池技术迭代频繁,换电能够满足不同终端用户的续航刚需。比如蔚来最初有70、84kWh的两种电池容量,后来又升级为75、100kWh,之后还计划量产150kWh的固态电池,而无论是2018款首发版的 ES8,还是最新交付的ET7,都可以根据不同的续航需求升级不同容量的电池包。所以现在依然很吃香。

但在未来,当电动车的实测续航超过燃油车、当电动车的快充效率与加油速度相同,换电技术可能就会因为更高的成本而淘汰也说不定。

其实能够看出电池车身一体化技术与换电技术之间的争议,本质上就是充电与换电之间的矛盾。在电动汽车的补能方式上,充电与换电这两种模式孰优孰劣,一直都存在着激烈的争论,而国内对于这两种模式的发展也并没有说只发展某一种技术。从商业角度来看,充电换电两种补能模式各有千秋、各有市场,两种模式都考虑到了盈利模式的可行性。

所以,从消费者到车企,再到供应链,这都是一个完全可行的商业链条闭环,并且双方在未来的规划都还有很大的上升空间,没有必要执着于充电与换电之间孰优孰劣、谁好谁坏。

写在最后

其实对于电池车身一体化技术应该向对待所有新技术一样,辩证的来看待。不是说搭载了电池车身一体化技术的车就一定好,因为这个技术是一项极其考验系统集成度的技术,没有强大的设计和系统性能支撑,电池车身一体化也难以发挥优势。虽然电池车身一体化技术对于特斯拉Model Y这种产能高、标准化制造的车型,能显著降低成本。但国内的比亚迪海豹、零跑C01能够作为单一的爆款车型就比较难说了。

       从另一角度出发,大肆宣扬电池车身一体化技术多么超前、多么黑科技也没有必要。毕竟,一台车好不好,还是要根据个人的真实驾驶感受来说,就算没有使用电池车身一体化技术,只要它行驶品质好、续航性能好,维护简单方便,也是一款好的纯电车。 
 
      来源:维科网 
地址:上海市闵行区江月路900号 邮编:201114 电话:021-64678393 传真:021-54336281 E-mail:xinlong@sqi.org.cn
版权所有:上海市质量监督检验技术研究院 沪ICP备 11029408        

沪公网安备 31011202002431号