CTC 集成技術(shù)在電動(dòng)汽車電池布置中的應(yīng)用

張濤

（恒大恒馳新能源汽車研究院（上海）有限公司,上海201613）

隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的日益興旺,消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)車性能的需求也逐漸清晰,并主要集中在續(xù)航里程、智能駕駛、電池安全等方面。各大主機(jī)廠也清晰地認(rèn)識(shí)到這些需求并在研發(fā)階段做出了積極的應(yīng)對(duì),針對(duì)其中最受關(guān)注的續(xù)航里程上的研究付出的努力是最大的。對(duì)于增加續(xù)航里程,最直接的就是增加電池電量,在電池類型、電極材料、能量密度等現(xiàn)有電池技術(shù)前提下,想要在短期內(nèi)獲得突破是非常困難的事情,因此在汽車有限的空間內(nèi)尋找一種最優(yōu)的電池集成方案就成為能夠有效提升整車?yán)m(xù)航里程的研究課題[1]。

傳統(tǒng)的集成方式是由電芯組成模組,再由模組構(gòu)成電池包,最后將電池包安裝到車身地板上。目前新的研究方向是意圖將電芯直接集成到車身上,此項(xiàng)技術(shù)能夠最大程度的提升空間利用率,也就是說(shuō)能在相同的空間內(nèi)布置更多的電池,從而提升電池電量,達(dá)到增加續(xù)航里程的目的。

1 項(xiàng)目概況

為了增加車型續(xù)航里程,提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,公司決定通過(guò)技術(shù)預(yù)研尋找新的機(jī)會(huì),策劃與供應(yīng)商合作在新平臺(tái)上開(kāi)展提升電池容量的預(yù)研項(xiàng)目。

本文主要通過(guò)對(duì)比市場(chǎng)主流企業(yè)的技術(shù)發(fā)展方案,分析每種技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),同時(shí)分析了電池集成的發(fā)展趨勢(shì),在綜合評(píng)估了供應(yīng)商提供的技術(shù)條件后,最終決定采用CTC的電池集成方案繼續(xù)開(kāi)展分析工作。并對(duì)電池具體布置方案、整車重量、續(xù)駛里程影響、電池密封、電池裝配工藝等開(kāi)展詳細(xì)的分析,從技術(shù)可行性的角度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?并最終決策實(shí)施方案。

2 典型電池集成方案對(duì)比分析

對(duì)電池集成的趨勢(shì)可以從電池模組變化的趨勢(shì)來(lái)分析。對(duì)于整車廠和電池供應(yīng)商來(lái)說(shuō)都希望在有限的空間內(nèi)裝載更多的電芯,并通過(guò)模塊化、規(guī)模化實(shí)現(xiàn)成本的降低,因此出現(xiàn)了從小模組、中模組、大模組到超長(zhǎng)模組的進(jìn)化過(guò)程。可以看出演變的過(guò)程是從小模組到大模組甚至無(wú)模組的趨勢(shì)。這種形式雖然提升了電池內(nèi)部的空間利用率,但增加的電池電量是有限的,因此考慮增加車輛和電池集成的最大空間利用率,才能進(jìn)一步達(dá)到增加電量的目的。

2.1 傳統(tǒng)電池集成方案。傳統(tǒng)電池包形式是由電芯組成模組再組成電池包,從下部與車身地板組裝。電池上蓋的高度與地板面位置相同可代替一部分地板結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：a.電池包由多個(gè)模組組成,每個(gè)模組都有單獨(dú)殼體保護(hù)和控制單元,便于電池的控制和熱管理；b.可以單獨(dú)更換電池模組,維修成本和便利性高。

缺點(diǎn)：a.由于模組間的殼體和安全間隙,整體的重量較高,空間利用率較低；b.每個(gè)模組都配置了單獨(dú)的控制單元,導(dǎo)致成本相對(duì)較高。

2.2 CTP（Cell to Pack）電池集成方案。電池集成方案取消模組結(jié)構(gòu),由電芯直接組成電池包,電池包集成到車身地板上作為整車結(jié)構(gòu)件的一部分。國(guó)內(nèi)稱之為CTP（如圖1 所示）。

優(yōu)點(diǎn)：a.減少了模組之間的布置間隙,增加了電芯的數(shù)量；b.減少了模組結(jié)構(gòu),從而降低了整體電池包的重量。

缺點(diǎn)：a.電池包需要作為結(jié)構(gòu)件的一部分承載載荷；b.對(duì)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

圖1 CTP 電池包形式

2.3 CTC（Cell to Chassis）電池集成方案。CTC電池集成方案是直接將電芯集成在地板框架內(nèi)部,將地板上下板作為電池殼體。它是CTP 方案的進(jìn)一步集成,完全使用地板的上下板代替電池殼體和蓋板,與車身地板和底盤一體化設(shè)計(jì),從根本上改變了電池的安裝形式。在此之前,電芯只起到一個(gè)作用,即能量存儲(chǔ)和釋放的單元,現(xiàn)在電芯將增加一個(gè)功能,作為整車結(jié)構(gòu)件的一部分。

優(yōu)點(diǎn)：a.極大地提高空間利用率,可使續(xù)航增加15%-25%；b.取消了電池包的結(jié)構(gòu)件,降低了重量；c.可以實(shí)現(xiàn)高度集成和模塊化。

缺點(diǎn)：a.電芯需要作為結(jié)構(gòu)件的一部分承載載荷,需要考慮如何將電芯與上下結(jié)構(gòu)件固定起來(lái),以應(yīng)對(duì)最為苛刻的剪切力；b.對(duì)工藝提出更高的要求,如果制造出現(xiàn)不合格,就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池報(bào)廢,可維修性低。

上述電池集成方案對(duì)比如下：

傳統(tǒng)方案 CTP 方案 CTC 方案 基本概念 電芯→模組→電池包→車身 電芯→電池包→車身 電芯→車身 空間利用率 低 高 高 集成方案 先電池本身集成，再安裝到車身上 先電池本身集成，再安裝到車身上 電池包有獨(dú)立上蓋，可代替車身地板 車身地板作為電池上蓋 空間利用率 車內(nèi)空間無(wú)變化，電池包內(nèi)空間利用率增加 地板內(nèi)空間被利用，進(jìn)一步增加空間利用率 電池電量 電量增加約10%-15% 電量再增加約5%-10% 電池是否承載載荷 否 否 是 可維修性 可單獨(dú)更換模組 只能更換電池包 只能更換電池包 更換電池包且重新密封

通過(guò)上表對(duì)比可知,CTC方案的空間利用率最高,對(duì)于電池電量的提升有顯著的效果,同時(shí)需要考慮如何實(shí)現(xiàn)密封和電池承載載荷。但是CTC還是一個(gè)在現(xiàn)有電池本身技術(shù)不變的條件下,最有效提升電量的方案。

3 CTC 電池集成技術(shù)介紹

目前電動(dòng)汽車最重要的技術(shù)指標(biāo)也是消費(fèi)者關(guān)注度高的是汽車的續(xù)航里程,而對(duì)續(xù)航里程最直接的影響就是電池電量,因此增加電池電量就成為增加汽車?yán)m(xù)航里程的最有效方案,為了實(shí)現(xiàn)更高的電量,電池的集成趨勢(shì)已經(jīng)由小模組發(fā)展為大模組、超長(zhǎng)模組,甚至無(wú)模組方案,這種方式已經(jīng)在一定程度上提升了空間利用率,增加了電量。但是為了追求更苛刻的需求,福特提出結(jié)構(gòu)化電池的概念,讓電池本身成為車身的一部分（類似現(xiàn)代民航飛機(jī)將整個(gè)機(jī)翼作為油箱的思路）,也就是Cell to Chassis 簡(jiǎn)稱CTC,也稱為電池車身一體化概念。

4 CTC 電池集成要點(diǎn)分析

以承載式車身為例,CTC 集成方案需要重點(diǎn)解決電池與車身的安裝方案,電池的防水密封方案,電芯的封裝方案,電池冷卻方案,以及如何解決電芯作為結(jié)構(gòu)件承載載荷的問(wèn)題。最后還要考慮電池的可維修性。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行可行性的分析。

4.1 電池與車身的集成與密封。電池與車身的集成主要的難點(diǎn)在于：（1）需要保證電池本身的密封性能,安全性；（2）需要保證電池與車身集成后,成員艙的密封性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題,主要的解決方案有以下兩種：

方案一：如圖2,地板面板與電池包上殼體合二為一,集成于電池,相當(dāng)于電池上殼體替代了中地板的一部分結(jié)構(gòu)。電池上蓋與門檻及前后橫梁形成的平整密封面通過(guò)密封膠密封乘員艙,底部通過(guò)安裝點(diǎn)與車身組裝（如圖3）。此種方案優(yōu)點(diǎn)在于電池包作為一個(gè)整體與車身集成,電池本身的密封及防水要求可以滿足,電池與成員艙的密封也相對(duì)簡(jiǎn)單,風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖2 CTC 集成方案一

圖3 密封方案一

方案二：如圖4,地板面板與電池包上殼體合二為一,集成于車身,相當(dāng)于將電池包的結(jié)構(gòu)分為上殼體和電池本體兩個(gè)部分。通過(guò)密封膠實(shí)現(xiàn)車身與電池本體的密封,底部通過(guò)安裝點(diǎn)與車身組裝（如圖5）。此種方案的風(fēng)險(xiǎn)在于：

拆散了電池包的結(jié)構(gòu),下車體框架密封電池,由于車身結(jié)構(gòu)較多連接接頭、定位孔、漏液孔等影響,現(xiàn)IP67 等級(jí)（沉水1m,半小時(shí),無(wú)水氣侵入）電池密封困難,IP69 更難實(shí)現(xiàn)；

下車體框架密封電池,嚴(yán)重增加電池進(jìn)水造成電芯短路起火風(fēng)險(xiǎn),安全隱患嚴(yán)重；

電池- 車身匹配界面所有零件及總成均需進(jìn)行100%氣密性檢測(cè)：a.需在總裝車間開(kāi)發(fā)檢測(cè)線和返修線,導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍大大降低,增加成本及工時(shí)。b.如出現(xiàn)問(wèn)題,漏氣點(diǎn)排查困難,無(wú)法短時(shí)間內(nèi)返修完成,存在停線風(fēng)險(xiǎn)。c.無(wú)法返修將導(dǎo)致整臺(tái)車身報(bào)廢。

綜上所述,方案一更為合理,可行性高,風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

圖4 CTC 集成方案二

圖5 密封方案二

由于CTC方案中電芯要作為結(jié)構(gòu)件承載載荷,對(duì)標(biāo)BYD的CTP 與特斯拉結(jié)構(gòu)化電池來(lái)看,膠仍然是目前最為合適電芯與箱體的連接手段。根據(jù)馬斯克的說(shuō)法,特斯拉將使用一種兼顧結(jié)構(gòu)膠+耐火阻燃膠的多功能膠,將電芯與上下結(jié)構(gòu)件固定起來(lái),這種膠固化后非常堅(jiān)硬,足以應(yīng)對(duì)最為苛刻的剪切力。結(jié)構(gòu)化電池較大的概率會(huì)繼續(xù)3&Y的灌封設(shè)計(jì),這樣整個(gè)電芯與箱體粘為一體,形成一個(gè)強(qiáng)度和剛度都非常大的結(jié)構(gòu)體。

4.3 電池冷卻分析

目前大多數(shù)電動(dòng)車的冷卻都是采用液冷的方式,冷卻液通過(guò)在電芯間的管路將單個(gè)電池模塊的熱量帶走。CTC方案由于電芯直接組成電池包,電池包內(nèi)的空間幾乎全部被占據(jù),留給布置冷卻系統(tǒng)的空間非常有限,因此在一定程度上增加了電池冷卻系統(tǒng)的布置難度。目前比亞迪和特斯拉針對(duì)這種情況給出的解決方案是采用水冷板,冷卻電芯的側(cè)面,特斯拉還為此申請(qǐng)了專利,根據(jù)特斯拉的描述,該系統(tǒng)能夠幫助消除電池組在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量[2]。另外,除了使用冷凝板之外,當(dāng)電池的某個(gè)區(qū)域發(fā)生機(jī)械故障的時(shí)候,可以自動(dòng)斷路,這樣就避免了一個(gè)電芯出現(xiàn)故障,導(dǎo)致其他電芯損壞的情況。從而對(duì)整個(gè)電池包形成有效的保護(hù),降低電池的安全隱患。

通過(guò)上述的技術(shù)方案對(duì)標(biāo),如圖6,7,我們采用了冷卻板的方案對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,其中冷卻板也同時(shí)承擔(dān)了電池的底板結(jié)構(gòu),熱熔膠與電芯粘接。

圖6 冷卻系統(tǒng)爆炸圖

圖7 冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

冷卻板由鋁制基板和鋁制沖壓板（有水道結(jié)構(gòu)）組合而成。其中邊緣的主水道和四組分支水道組成,通過(guò)水泵和控制器驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng)來(lái)對(duì)電池進(jìn)行智能化管控。

4.4 電池維修性分析

CTC技術(shù)的目的是高度集成化和模塊化,簡(jiǎn)化總裝工藝和降低成本,同時(shí)也是一種摒棄換電的技術(shù),追求的是蘋果的一體化設(shè)計(jì),在這種思想的指導(dǎo)下維修便利性確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于電池本身來(lái)說(shuō)是由電芯直接組裝成電池包,而且電芯通過(guò)膠的封裝形成一個(gè)高強(qiáng)度的整體,同時(shí)又被多層的防護(hù)材料包裹,因此對(duì)于單個(gè)電芯是無(wú)法進(jìn)行維修和更換的,如果出現(xiàn)問(wèn)題,只能整體更換電池包。對(duì)于電池包與車身的安裝來(lái)說(shuō),如果需要維修或更換電池包,需要拆除座椅橫梁,去掉密封膠,維修相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于維修的便利性問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

5 CTC 電池集成技術(shù)方案總結(jié)

經(jīng)過(guò)上述分析,總結(jié)CTC技術(shù)要點(diǎn)：

5.1 電池與車身集成

方案總結(jié)：為了保證電池本體的密封、性能、安全,采用能夠保證電池完整性的CTC方案,即車身中地板的結(jié)構(gòu)集成到電池上蓋,然后電池作為整體與車身集成。這種方案能夠有效保證電池的完整性,對(duì)電池本體的性能影響最小。

技術(shù)難點(diǎn)：需要車身地板前后橫梁與門檻梁組成平整的密封面,電池通過(guò)密封膠實(shí)現(xiàn)成員倉(cāng)的密封；需要電池的上蓋板設(shè)計(jì)為平整的表面,從而實(shí)現(xiàn)與車身有效的密封。

5.2 電池需要承受載荷

方案總結(jié)：電芯通過(guò)高性能的熱熔膠形成堅(jiān)固的整體,能夠作為結(jié)構(gòu)件承受一定的載荷。

技術(shù)難點(diǎn)：由于電芯本身無(wú)法承受載荷,只能通過(guò)高性能的熱熔膠冷卻后形成的堅(jiān)固整體結(jié)構(gòu)受力,這對(duì)膠的性能提出了非常高的要求。

5.3 電池冷卻

方案總結(jié)：通過(guò)冷卻板對(duì)電池側(cè)面進(jìn)行冷卻。技術(shù)難點(diǎn)：布置空間有限,冷卻效果有待驗(yàn)證。

5.4 維修便利性

方案總結(jié)：由于電池包與車身集成度高,且有密封膠,所以維修便利性低,需要尋找有效的維修可行性方案。

技術(shù)難點(diǎn)：需要通過(guò)技術(shù)手段降低維修需求,并考慮如何進(jìn)行模塊化維修方案。

5.5 研究結(jié)論與展望

CTC方案是目前純電動(dòng)車電池與整車集成的發(fā)展趨勢(shì),根據(jù)目前乘用車的主流車身形式,主要分析了承載式車身采用CTC方案的可行性。經(jīng)過(guò)對(duì)電池包與車身的集成方案,密封方案,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,冷卻方案,維修便利性的分析,確認(rèn)了采用電池包自身先集成,之后電池上殼體與車身中地板合二唯一,并與車身一體化集成,采用高性能的熱熔膠對(duì)電芯進(jìn)行封裝加固,來(lái)實(shí)現(xiàn)與車身共同承載受力。同時(shí)對(duì)于成員倉(cāng)的密封和電池系統(tǒng)的冷卻方案也進(jìn)行了研討,并初步確認(rèn)了可行的方案。對(duì)于CTC可行性的預(yù)研已完成并達(dá)到了預(yù)期的目的,為后續(xù)項(xiàng)目的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

希望通過(guò)本文研究,能夠?yàn)殡妱?dòng)車電池與整車的集成方式提供切實(shí)可行的解決方案,同時(shí)也希望CTC技術(shù)能夠盡早在量產(chǎn)車上得到應(yīng)用,真正實(shí)現(xiàn)電池與車身的高度集成。