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)車市場的日益興旺,消費(fèi)者對電動(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)識到這些需求并在研發(fā)階段做出了積極的應(yīng)對,針對其中最受關(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,提升市場競爭力,公司決定通過技術(shù)預(yù)研尋找新的機(jī)會,策劃與供應(yīng)商合作在新平臺上開展提升電池容量的預(yù)研項(xiàng)目。

本文主要通過對比市場主流企業(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,在綜合評估了供應(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)開展分析工作。并對電池具體布置方案、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比分析

對電池集成的趨勢可以從電池模組變化的趨勢來分析。對于整車廠和電池供應(yīng)商來說都希望在有限的空間內(nèi)裝載更多的電芯,并通過模塊化、規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)成本的降低,因此出現(xiàn)了從小模組、中模組、大模組到超長模組的進(jìn)化過程?？梢钥闯鲅葑兊倪^程是從小模組到大模組甚至無模組的趨勢。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,以應(yīng)對最為苛刻的剪切力；b.對工藝提出更高的要求,如果制造出現(xiàn)不合格,就會導(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

通過上表對比可知,CTC方案的空間利用率最高,對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,電池的集成趨勢已經(jīng)由小模組發(fā)展為大模組、超長模組,甚至無模組方案,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密封膠密封乘員艙,底部通過安裝點(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簡單,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。通過密封膠實(shí)現(xiàn)車身與電池本體的密封,底部通過安裝點(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（沉水1m,半小時(shí),無水氣侵入）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：a.需在總裝車間開發(fā)檢測線和返修線,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)問題,漏氣點(diǎn)排查困難,無法短時(shí)間內(nèi)返修完成,存在停線風(fēng)險(xiǎn)。c.無法返修將導(dǎo)致整臺車身報(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,對標(biāo)BYD的CTP 與特斯拉結(jié)構(gòu)化電池來看,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,這種膠固化后非常堅(jiān)硬,足以應(yīng)對最為苛刻的剪切力。結(jié)構(gòu)化電池較大的概率會繼續(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。

通過上述的技術(shù)方案對標(biāo),如圖6,7,我們采用了冷卻板的方案對電池系統(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,通過水泵和控制器驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng)來對電池進(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)。對于電池本身來說是由電芯直接組裝成電池包,而且電芯通過膠的封裝形成一個(gè)高強(qiáng)度的整體,同時(shí)又被多層的防護(hù)材料包裹,因此對于單個(gè)電芯是無法進(jìn)行維修和更換的,如果出現(xiàn)問題,只能整體更換電池包。對于電池包與車身的安裝來說,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,維修相對復(fù)雜,對于維修的便利性問題還需要進(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,電池通過密封膠實(shí)現(xiàn)成員倉的密封；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)：由于電芯本身無法承受載荷,只能通過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)：通過冷卻板對電池側(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,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)過對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電芯進(jìn)行封裝加固,來實(shí)現(xiàn)與車身共同承載受力。同時(shí)對于成員倉的密封和電池系統(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。