商用車動力電池布置現(xiàn)狀解析及發(fā)展趨勢

【摘" 要】通過總結(jié)現(xiàn)階段商用車動力電池的布置現(xiàn)狀，推演出商用車電池布置的發(fā)展趨勢，并列舉4種最成熟的電池布置方案的優(yōu)缺點，著重闡述混合動力車型的布置方案，方便讀者更清楚地了解幾種方案之間的區(qū)別。

【關(guān)鍵詞】商用車；電池布置；MTB；CTB；底部換電；滑板底盤

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0014-02

Analysis of Current Situation and Development Trend of Commercial Vehicle Power Battery Layout

ZHANG Shunyi，QIAN Baocun，SONG Hao

（XCMG Automative Division，Xuzhou 221100，China）

【Abstract】This article summarizes the current status of commercial vehicle power battery layout，deduces the development trend of commercial vehicle battery layout，and lists the advantages and disadvantages of the four most mature battery layout schemes. It emphasizes the convenience of hybrid vehicle layout，making it easier for readers to understand the differences between these schemes more clearly.

【Key words】commercial vehicle；battery layout；MTB；CTB；bottom power exchange；sliding plate chassis

基于“雙碳”大環(huán)境下，商用車逐漸實現(xiàn)電動化，但因為商用車自身構(gòu)造原因，留給電池的空間十分狹小，并且還有著復(fù)雜且惡劣的應(yīng)用場景。在這種情況下，主機廠和電池廠聯(lián)合研發(fā)，提升PACK成組效率的同時，MTB、CTB、底部換電、滑板底盤等技術(shù)逐步向電池與整車布置一體化方向發(fā)展。相對于手機、Pad等電子產(chǎn)品，電動汽車的功率和能量需求要大很多，為了驅(qū)動電路的轉(zhuǎn)換效率，電壓也要高很多，一般乘用車整車電壓350V，商用車整車電壓650V，目前汽車用動力電池為磷酸鐵鋰電池（單顆電壓3.22V）和三元鋰電池（單顆電壓3.7V），因此，需要很多單體電池串并聯(lián)在一起，成為電池組或稱PACK。對于由成百上千顆電池單體組成的電池系統(tǒng)，考慮到整車布置空間需符合國標要求[1]，往往電池系統(tǒng)內(nèi)的電池單體由多個PACK組成。

動力電池技術(shù)路線發(fā)展可概括為：未來5年之內(nèi)，液態(tài)鋰離子動力電池仍是新能源汽車主流，磷酸鐵鋰動力電池仍最適合商用車，長壽命電池、半固態(tài)或全固態(tài)電池因為其高循環(huán)次數(shù)或高能量密度具備發(fā)展前景，但需要一定的開發(fā)周期去驗證；鈉離子電池雖然更安全，耐低溫性能更好，以及原材料資源更豐富，但是其能量密度低，用于乘用車前景并不被看好；商用車電池PACK成組效率可持續(xù)提高到極限，電池PACK除電芯外，機構(gòu)件都將是冗余件，繼續(xù)提升需要與整車布置一體化考慮；后背式換電技術(shù)將從體積能量密度和輕量化角度升級，但考慮其占用貨箱空間和整車中心高的劣勢，各車企將陸續(xù)推出底盤換電技術(shù)車型。

商用車電池布置方案很多，主要列舉4種最成熟的方案，詳細闡述如下。

1" 動力電池后背式布置

動力電池后背式布置如圖1所示，該布置形式主要適用于環(huán)衛(wèi)車，如清掃車、灑水車等，結(jié)合城市工況以及使用場景，電量方案推薦為210～282kWh，適合白天斷斷續(xù)續(xù)工作，晚上或停車時充電。

2" 動力電池底盤式布置

動力電池底盤式布置如圖2所示，該布置形式主要適用于城市工程車輛，如渣土車、載貨車，電量方案推薦為210kWh以內(nèi)的輕卡或中卡車型，與后背式布置比較，其優(yōu)勢是電池體積沒有占用貨箱容積。

3" 動力電池后背+底盤式布置

如圖3所示，該布置形式主要適用于跑長途的牽引車、城際之間的快遞車等，顯然后背282kWh的電量無法滿足長續(xù)航，電池系統(tǒng)方案在后背兩支路基礎(chǔ)上增加一條支路，整車電池系統(tǒng)電量可達到420kWh以上，續(xù)航里程超過500km。

2022年9月23日，三一重卡發(fā)布自主研發(fā)的江山SE-565C是當時行業(yè)已量產(chǎn)的帶電量最大的一款充電牽引車，電池系統(tǒng)電量565kWh，4支路并聯(lián)（后背3支路+左右側(cè)掛一支路），可4槍同時充電。

4" 混動車型布置方案

對于油電、氣電混動或氫燃料車型，整車動力源不再以動力電池為主，電池方案選型時往往不需要大電量，多考慮瞬時放電倍率較大的功率型電池作為整車動力電池方案（除客戶要求特殊場景純電工作以外）。如圖4所示，后背部分為氫燃料電池系統(tǒng)，底盤兩側(cè)布置動力電池。該車型適用于24h工作的港口牽引車，氫燃料可根據(jù)動力電池SOC情況給動力電池策略補電[2]。除牽引車之外，該布置形式也適合于開發(fā)特殊工況自卸車，比如川藏線隧道內(nèi)施工，山體隧道內(nèi)空氣稀薄，故采用純電模式，隧道外采用混動模式。

基于“雙碳”大環(huán)境下，重卡車型和工程機械逐漸實現(xiàn)電動化。但因為重卡和工程機械的自身構(gòu)造原因留給電池的空間十分小，并且還有著復(fù)雜且惡劣的應(yīng)用場景。在這種情況下，主機廠和電池廠聯(lián)合研發(fā)，提升PACK成組效率的同時，逐步向電池與整車布置一體化方向發(fā)展。商用車領(lǐng)域逐漸推出先進技術(shù)并不斷轉(zhuǎn)化為實車并相繼問世。

4.1" MTB技術(shù)方案介紹

MTB技術(shù)是指將由若干個同一規(guī)格的電芯通過串并聯(lián)組成的電池模組直接集成至車輛支架或底盤。通過提升空間利用率來提升動力電池的能量密度。以傳統(tǒng)后背式換電方案為例，相較于傳統(tǒng)的“電池包+車架/底盤”的成組方式，MTB技術(shù)可將電池系統(tǒng)體積利用率提升40%以上，質(zhì)量減輕10%以上，電池系統(tǒng)能量密度達到170Wh/kg以上，電池系統(tǒng)壽命提升2倍以上。MTB布置形式如圖5所示。

MTB不僅可以后背式布置，也可以布置于底盤，同樣可以提升系統(tǒng)能量密度，但需要主機廠開發(fā)高可靠性能的電池框體來匹配整車與電池模組布置。

4.2" CTB技術(shù)方案介紹

如圖6所示，將乘用車成熟的CTB技術(shù)擴展至商用車。目前很多車企在開發(fā)CTB電池。CTB（Cell To Body）利用刀片電池高安全性和高結(jié)構(gòu)強度的特點，融合進車身的整體設(shè)計中。刀片電池的電芯與整個電池包組成類似蜂窩鋁的結(jié)構(gòu)，本身就可以起到車身結(jié)構(gòu)件的作用。

1）除電芯之外，所有部件都是要極力剔除的冗余件，從而提高電池GVED（質(zhì)量能量密度和體積能量密度）優(yōu)勢和壽命。

2）電池不再是受保護件，而是提升整車底盤剛度和強度的結(jié)構(gòu)部件。

3）刀片電池自身優(yōu)勢：僅兩面受熱膨脹，包內(nèi)各電芯溫差可控制在2℃以內(nèi)，電池壽命比傳統(tǒng)電池更優(yōu)。

4）電池與底盤超高集成化與一體化。

4.3" 重卡換電技術(shù)方案

重卡換電技術(shù)方案主要有3種，其中，后背式換電技術(shù)和底部換電技術(shù)如圖7所示。

4.3.1" 后背式換電技術(shù)

目前后背式換電已經(jīng)問世多年，技術(shù)已相當成熟，如圖7a所示，其布置方案及發(fā)展趨勢匯總?cè)缦隆?/p>

1）傳統(tǒng)的充換電框架匹配標準C、H箱方案：常用電量282kWh，后背最高電量350kWh。

2）新開發(fā)框架匹配MTB專用模組方案：模組進行強檢認證，框架雖不需要強檢，但防水性需要達到IP67，同時具備PACK的防爆、耐沖擊振動等性能要求。目前市面公布后背式最大電量為427kWh（三一魔塔電池）。

3）CTB方案：成組后體積能量密度最高，但是整個大包需要達到PACK的強檢要求，大包需要做認證，電量無法靈活組合。

4）輕量化充換電框架匹配全新開發(fā)CTP2.0電池方案：電箱靈活組合，電量范圍100～700kWh，滿足不同車型的空間安裝要求，不同場景續(xù)航無憂。

4.3.2" 底部換電技術(shù)

如圖7b所示，底部換電結(jié)構(gòu)特點如下。

1）重心低：提升車輛側(cè)向穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)彎、高速、坡道等工況下行駛更安全。

2）容積大：不占用貨箱空間，實現(xiàn)貨艙最大化，有效提升裝載容積。

3）加速強：增加后軸軸荷，提升車輛附著力，加速能力更強。

4）轉(zhuǎn)向輕：整車結(jié)構(gòu)緊湊，軸荷分布更均勻，有效減小前軸軸荷。

5）質(zhì)量輕：托架結(jié)構(gòu)輕量化，有效提升負載質(zhì)量利用系數(shù)。

6）車廂掩體功能：降低雨雪暴曬等惡劣天氣對電池影響，使用更安全。

底部換電方案很多，歸納如下。

方案1：整體框架+分塊電池，利用市面上已有的標準包進行集成設(shè)計；可實現(xiàn)行強，產(chǎn)品成熟；可以快速實現(xiàn)裝車；無需認證實驗；開發(fā)費用低。

方案2：整體電池包，將電池模組或電芯直接集成在框架中，集成度更高，需要重新開發(fā)，需要電芯廠深度參與支持；設(shè)計要求高、集成難度大、需要重新認證、開發(fā)費用高。

方案3：分體電池包（左中右三包分別更換），換電機構(gòu)繁瑣，水路、線束接插件較多，輕量化水平低。

4.3.3" 滑板底盤

2002年，通用汽車提出滑板底盤理念，經(jīng)過多年的發(fā)展和醞釀，滑板底盤開始進入量產(chǎn)階段?；宓妆P理念在商用車的應(yīng)用可概括為：①車身結(jié)構(gòu)與底盤上下解耦式分體研發(fā)，縮短整車研發(fā)周期，車身與底盤可上下車體解耦，快速分離；②滑板需要全線控底盤，可實現(xiàn)人機解耦、制動、行駛、轉(zhuǎn)向等，通過線控結(jié)構(gòu)替代機械式結(jié)構(gòu)，以電信號替代機械信號傳導(dǎo)；③商用車滑板底盤車輛包含牽引、載貨、自卸以及攪拌和隨車吊等工程車輛的多平臺拓展車型。

如圖8所示，底盤與車身上下解耦，實現(xiàn)底盤與車身分離設(shè)計、生產(chǎn)；底盤全線控設(shè)計，主要是為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦；電池與底盤采用CTC技術(shù)，其優(yōu)點是底盤重心低。同時懸架、輪胎模塊化，方便車型拓展。

5" 總結(jié)

目前，商用車電池PACK成組效率幾乎已提高到最上限，繼續(xù)提升需要與整車布置一體化考慮。后背式換電技術(shù)升級，乘用車的CTB和底部換電技術(shù)都將進一步提升體積能量密度?？傊?，研發(fā)具有優(yōu)良性能的電池體系是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[3]。重卡行業(yè)各車企將陸續(xù)推出底盤與電池一體化技術(shù)的車型。

參考文獻：

[1] GB 18384—2020，電動汽車安全要求[S].

[2] QC/T 897—2011，電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[3] 肖成偉. 電動汽車工程手冊第四卷動力蓄電池[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019.

（編輯" 凌" 波）

作者簡介

張順義（1986—），男，工程師，研究方向為整車動力電池方案匹配和電器部件開發(fā)。

收稿日期：2023-03-23；修回日期：2023-10-16