随着新能源汽车轻量化,整车零部件的集成化显著提高,其中三电之一的动力电池亦是如此。动力电池的集成,这代表在底盘的有限空间内,可以放置更大容量的电池,进而使电动汽车可以获得更长的续驶里程。另外,动力电池的集成,也可以便于模块化设计,使车辆能够快速补能,以及方便车主自由选择动力电池的容量。
一.电池成组设计→CTM
在电动车上,一个电池包内至少包含了成百上千个电芯,为了方便监测、管理这么多电芯的电压和温度,汽车厂商便把串/并联起来的电芯进行分组,于是就有了电池组(Module)。当各个电池组分别固定、连接,并配上管理模块和冷却系统后,它就成为了能够使用的电池包(Pack)。
在早期的电动车上,电芯集成在电池组中,因此被称为CTM结构(Cell to Module)。CTM结构的优势,是考虑到万一发生碰撞事故或者故障,可以尽量减少模组间的热传递并迅速屏蔽问题模快,并且电芯被外部结构件充分保护所以结构强度好,成组难度小。
宁德汽车但这样设计的缺点也很明显,单个电池模组之中的电芯需要大量连接件与结构件,模组与模组之间也存在这样的问题。想要减少事故发生时的模组间传递,但却没想到这样复杂的连接线缆实际上又带来了很多隐患。而且线缆的重量一直很大,对于整车轻量化也没什么好处,成本也是居高不下。而且电芯对于电池包的空间利用率仅为40%,其中电芯对模组的空间利用率为80%,模组对电池包的空间利用率为50%,模组的硬件费用占电池总成本的15%。
二.无模组(CTP)技术→宁德时代
2019年9月10日,宁德时代全球首款从电芯到电池包(Cell To Pack,CTP)技术正式发布,并率先搭载于北汽EU5车型上。相比传统电池包,采用全新CTP技术的电池包体积利用率提高了15%~20%,零部件数量减少了40%。
除了提高体积利用率之外,CTP电池的另一大变化就是电池组或者电芯不再用机械结构固定,而是用结构胶粘在电池包上。虽然这种工艺导致后期几乎无法单独更换维修电芯,但是原来的螺栓、面板等结构件数量减少了40%。得益于结构优化,宁德时代的第1代CTP电池的空间利用率就达到了55%,电池包能量密度达到了180Wh/kg,生产效率也提高了50%。
传统的动力蓄电池结构由“电芯-模组-电池包”组成。若干个电芯串联/并联组合在一起,被称为“模组”;若干个模组组合在一起,再加上电池管理系统(BMS)配电模块、热管理模块等部件,组成为一个“电池包”CTP技术,它直接把电芯集成到电池包内,以达到简化甚至省略模
组的目的,是电池包内部结构的创新。不过,采用了CTP技术的电芯的电化学体系并没有发生改变。
2022年6月23日,宁德时代正式发布第三代CTP电池包技术——麒麟电池。其创新要点包括:1.将此前电池包内独立的横纵梁、水冷板与隔热垫集成为多功能弹性夹层(图①),有效提升空间利用率;2.冷却板采用内外两层冷却通道,将水冷功能置于电芯之间(图②),使换热面积扩大了四倍。
三.电池底盘一体化(CTC)→特斯拉
在2020年特斯拉“电池日”上,特斯拉首次公布了动力著电池底盘一体化(Cell To Chassis,CTC)集成技术。埃隆·马斯克表示,CTC集成技术配合前后车身一体化压铸技术,可以减少约370个零部件,实现车身减重10%,每千瓦时电池成本降低7%。
CTC技术省去了从电芯到模组,再到电池包的两个装配过程,直接将电池集成到车身底盘(如图所示)。CTC技术的本质是将电池包上壳体和车身下地板合二为一,座椅直接安装在电池包上盖上,电池包既是能量提供装置,又是整车结构部件。
为了解决电池包隔热问题,特斯拉在电池包内部灌满一种特殊胶,防止热量向车内传导。同时,由于汽车侧面是碰撞薄弱点,特斯拉在靠近车身门槛两侧灌胶更多,胶层更厚,当汽车发生侧面碰撞时可以对内部电池起到较好的缓冲保护作用。
由于越过了“模组”和“电池包”两级装配过程,直接将电池集成到车身地板上,在相同空间内可以容纳更多电池,从而可提升续航能力。同时,零部件和结构件减少后,也降低了重量、简化了制造流程、节约了成本。灌胶工艺对电池实行“化零为整”,也能保证车身的刚度。CTC结构的缺点是,由于电池整体集成在车身地板,并用胶水粘连,维修成本极高。
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