1.从CTM到CTP、CTC——电芯集成方式的革新
在电动汽车领域中,电池的应用可以分为电池的设计、加工、正极材料、负极材料以及最后的组装部分。其
中在最后的组装方面,电芯的集成方式是一直以来的一大发展重点。
图表1电动汽车中电池从制备到应用的几大环节
传统的集成方式是CTM,即“CelltoModule”,它代表的是将电芯集成在模组上的集成模式。模组是针对不同车型
的电池需求不同、电池厂家的电芯尺寸不同而提出的发展路径,有助于规模经济的形成与产品的统一。过去几年电
池系统集成化的重点就是不断提升标准化电池模组的尺寸,如比较典型的是355、390、590模组。总的配置方式是:电芯-模组-PACK-装车。这种方法带来了一个问题,即模组的存在占体积,该种配置方式的空间利用率只有
40%。这很大程度地限制了其他部件的空间。
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图表2传统CTM集成模式
CTP的全称是“CelltoPack”,即跳过标准化模组环节,直接将电芯集成在电池包上,有效提升了电池包的空间利用率和能量密度。该集成方式最早由宁德时代在2019年提出,此后比亚迪、蜂巢能源等陆续发布了各自的CTP 方案。其中比较具有代表性的是比亚迪的"刀片"电池,它将单个电芯通过阵列的方式排布在一起形成阵列,然后像“刀片”一样插入到电池包里,这也是大家称之为“刀片电池”的原因。
图表3比亚迪刀片电池电芯安装方法
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从产品的性能来看,CTP方式较传统体积利用率提高15-20%,零件-40%,生产效率+50%,能量密度200Wh/kg +。比亚迪的刀片电池正是基于CTP集成模式得以达到60%的空间利率,进而得到大规模的
商业应用。而宁德时代也在中披露,通过高集成结构设计,提升电池包体积利用率。从第一代CTP到最新的第三代麒麟电池,电池包体积利用率从55%提升到67%。
图表4宁德时代提出的CTP模式与传统电池包的对比
CTC是“CelltoChassis”的简称,即电芯直接集成于车辆底盘的工艺。它进一步加深了电池系统与电动车动力系统、底盘的集成,减少零部件数量,节省空间,提高结构效率,大幅度降低车重,增加电池续航里程,被认为是新能源汽车下一个阶段的关键核心技术。在2020年9月,特斯拉在电池日发布了CTC技术。将电芯或模组安装在车身,连接前后车身铸件,并在电池上盖取代座舱底板。该技术计划22年用在柏林工厂的Y上。特斯拉在电池日的报告中预测,随着CTC技术的应用,每GWH投资将减少55%,占用空间也将减少35%。
与CTP技术相比,CTC技术要求电池制造商从更早的阶段介入车型设计,这就要求电池企业具备更强的研发设计能力,配合部分主机厂进行深度开发。对相应的底盘技术要求也更高,具有更高的技术壁垒。
图表5特斯拉提出的CTC结构
2.CTB——实现电池车身一体化的新型电芯集成方式
CTB(Cell to Body)是比亚迪新提出的一种全新的电芯集成方式,实现从车身一体化向电池车身一体化的转变,
有助于空间利用率的提高以及电动车性能的进一步释放。
从结构设计来看,比亚迪的CTB技术把车身地板面板与电池包上壳体合二为一,集成于电池上盖与门槛及前后
横梁形成的平整密封面通过密封胶密封乘员舱,底部通过安装点与车身组装。即在设计制造电池包的时候,把电池
系统作为一个整体与车身集成,电池本身的密封及防水要求可以满足,电池与成员舱的密封也相对简单,风险可控。
图表6 CTB 技术实现电池车身一体化
起亚福瑞迪怎么样与CTP 技术相比,CTB 将原来的“电池上盖-电芯-托盘”的三明治结构转向了“车身踏板集成电池上盖-电芯-托盘”的整车三明治结构,在结构上更加简化直接,减少了因车身与电池盖相连接而导致的空间损失,有望进一步提高整体的空间利用率。并且在这种结构模式下,电池不仅仅是能量体,同时也作为结构体参与整车传力和受力,能够使得整车侧柱碰侵入量减少45%。
图表7
CTP
特斯拉电池日
结构示意图  图表8 CTB 结构示意图
此外,CTB 技术实现了车身与电池系统的高度融合,整车扭转刚度提升一倍。搭载CTB 技术的纯电动车型,车身扭转刚度可以轻松超过40000N·m/°,而整车扭转刚度的提升能够有效抑制车身振动,能够更好地在实际场景中的连续减速带、鹅卵石等特殊路况中应用。
图表9搭载CTB技术电动车型具有更高的扭转刚度卡罗拉 轩逸
在抗压方面,紧密排列的刀片电池、上盖板和地板组成。“类蜂窝”三明治结构具有更好的安全性,能够实现电池系统结构强度的突破,相关的测试数据表明,搭载CTB技术的海豹车型已经顺利通过50吨重卡碾压的极端测试,表明能够在更严苛复杂的条件下应用。
图表10刀片电池、上盖板和地板组成的“类蜂窝”结构
同时,CTB刀片电池包的质心更均衡,实现整车50:50黄金轴荷比,整车质心更低,车辆的稳定性更好、惯量更低、车身响应跟随更快。在电动车的运动性能方面,搭载CTB刀片电池包的海豹四驱版可以实现3.8s百公里的加速。汔车之家