零跑首发CTC技术 ,甩掉电池包“重负”,新能源汽车界将迎来新风口

发布时间 :2022-05-12 浏览次数 : 1136
2022年4月25日下午,“智能时代·源力觉醒·零跑智能动力CTC电池底盘一体化技术发布会”(以下简称“零跑智能动力CTC技术”)在线上开启。零跑科技董事长朱江明在现场宣布将对智能动力CTC技术免费开放共享,与全行业共享全域自研最新成果。

在去年的广州车展,零跑发布了智能动力技术及旗下的智能电驱,并开创了“智能汽车完全体”概念,即“只有集智能座舱、智能驾驶、智能动力三位一体,才能实现全车智能控制”。此次智能动力CTC技术的发布,补全了零跑智能动力的最后一块拼图——智能电池。

基于对技术发展趋势的前瞻性洞察,在行业还普遍处于传统模组1.0时代向CTP大模组技术过渡之时,零跑汽车先人一步,实现了CTC技术量产落地。以智能手机的集成式电池设计为灵感,零跑的电池研发团队从2016年开始着手研发电池、底盘一体化集成技术。经过6年攻坚克难,零跑汽车最终在CTC技术的研发潮流中,拔得头筹,自研出国内首款可量产CTC电池底盘一体化技术。

零跑科技电池产品线总经理宋忆宁在这次发布会上分享道:“零跑智能动力CTC技术,即cell -to -chassis,是指将电池、底盘和下车身进行集成设计,简化产品设计和生产工艺的前沿技术。通过重新设计电池承载托盘,使整个下车体底盘结构与电池托盘结构耦合,创新了安装工艺,真正做到了Less is more。通过减少冗余的结构设计,能有效减少零部件数量,在提升空间利用率和系统比能的同时,让车身与电池结构互补,使电池抗冲击能力及车身扭转刚度得到大幅度提升。”

值得一提的是,零跑智能动力CTC技术应用车身结构作为电池包外部结构,取消了电池包的部分结构设计,从这个意义来说,搭载零跑智能动力CTC技术的零跑C01,将成为全球首款无独立电池包的电动车。

动力电池的“瘦身史”

动力电池的设计大致可以分为3个大的阶段,分别是标准化模块的1.0时代,采用大模组的CTP 2.0时代,和代表目前业界最高水平的CTC 3.0阶段。

在1.0时代,动力电池被称为标准化模块,结构非常繁琐,从内到外分别为电芯、模组和电池包。许多个电芯打包成一个模组,许多个模组再打包成电池包,最后安装在车上。但只有电芯是用来供电的,这种“过度打包”不仅需要设计、生产额外的零部件,也要占用额外的空间,这就导致电芯的空间占比减小了。

2.0时代被称为“大模组”时代,主要思路就是设计更大的模组,减少模组数量甚至是无模组,来尽可能减少这个层面的零件数量和空间占用,最有代表的就是宁德时代的CTP技术和比亚迪的刀片电池。

3.0时代标志着电池和底盘集成设计的方案开始问世。CTC是“cell-to-chassis”的简称,就是“将电池和底盘融合设计”的意思。同时,还要有更智能的BMS(电池管理系统),对电池的使用进行更智能的监控、管理和优化。

CTC技术到底难在哪里?

说起来容易,但要真实现CTC,技术问题非常多。将电池和底盘做融合,目的就是通过这种集成化的设计减少零件数量,压缩空间体积,提高整车的电量和续航。但到底要怎样融合,如何保证电池的防水性能,减少层层包装后电池安全性如何保证,如何调整生产线、如何测试、量产、维修,这些都是需要考虑的问题。

最早的CTC理念就是零跑提出的,而且国内真正实现了量产CTC技术的,零跑也是第一个。

在2016年,零跑汽车董事长朱江明受到智能手机电池集成式设计的启发,率先在内部提出了将动力电池和底盘集成为一体的想法。经过6年的的不断研发、试验、改进,最终实现了CTC技术的量产化落地,将搭载在他们的新款旗舰车型零跑C01上同步量产。

CTC技术硬件创新上,最基础也是最关键是“怎么把底盘和电池做成一体化”,零跑给出的答案是“一体化托盘结构”。设计思路是把电池安装到一个电池托盘内,然后再把这个托盘安装到底盘下方,像是一个倒扣的餐盘。为了提高电池的牢固程度,电池的上下也和托盘、底盘固定。整个集成化设计既是车身结构,又是电池结构。

就像现在的手机大多数可以做到电池和电路结构的防水,电动车在雨天、涉水路况上也需要做到良好的防水。在1.0的2.0的电池结构中,经过层层包装,动力电池的防水性能其实不难做到,但到了3.0的CTC时代,模组和电池结构都被精简,如何靠底盘和托盘结构实现防水,是一个非常难的问题。

大面积的金属板件是通过焊接的方式组合到一起的,考虑到防水性能,传统的焊接和检测方式也就不再适用了。为了解决这个问题,零跑采用了特殊的工艺,提高了焊接质量、精度控制和焊接的一致性,也提出了新的气密性检测方法和返厂维修方案。在底盘和托盘的连接处,采用了“铆钉+密封胶条”的组合,保证防水性能。

除了防水,行驶过程中磕磕碰碰在所难免,电池要能够在这些外力下依旧“坚挺”,一体化托盘的结构也能很好的实现这一点。比如,托盘并不是平整的一张板,上面有横纵交错的梁作为骨架,可以很好地增强底盘和托盘的强度。在车身侧面,还装有吸能结构,有事儿它真扛:当发生侧向的剧烈碰撞时,冲击力会优先传导至吸能板,吸能板产生形变从而吸收掉冲击力,最大程度降低对支撑结构和电池的影响,保证电池的安全。

零跑CTC实现软硬件双重创新

用户需求是创新的指南。零跑智能动力CTC技术作为零跑智能动力体系下最新重要突破,通过软硬件双重创新,为产品全面赋能。同时,它还兼具高适配和强拓展属性,可实现快速柔性化生产,未来更兼容更高电压平台及各级别、类型的车型,具备不断进化的潜力,成为“可持续进化的能量母体”。

在空间方面,零跑智能动力CTC技术在硬件、结构设计方面进行创新,通过取消电池上部结构,减少冗余的结构设计,整车垂直空间增加10mm,电池布置空间增加14.5%,使得车内空间布置更加灵活实用。

在续航方面,零跑智能动力CTC技术相比传统方案具备更好气密性,可以提升电池保温性能、电池可布置空间等,同时基于创新性软件应用AI BMS大数据电池管理系统带来的能耗经济性管理,综合提升整车续航里程10%。随着零跑智能动力CTC技术的不断进化,未来可以实现“加油式”充电——充电5分钟,续航超过200km。

在性能方面,零跑智能动力CTC技术可以为整车带来扭转刚度提升25%,轻量化系数达到2.4,提升20%。车身扭转刚度越高,抵御共振能力就越强,意味着整车能够拥有更加出色的驾控性能,更好的底盘响应效率,对NVH性能也能有所助益。

在安全方面,零跑在开发过程中针对于智能动力CTC技术,进行了多轮严苛试验,如底部球击、挤压、热扩散等将近30项试验,确保电池安全,其中有8项安全测试结果远超国家标准;同时,基于零跑AI BMS大数据智能电池管理系统,零跑可以为用户提供触达电芯级别的实时云端安全保护,在电池安全、电池寿命、电池性能层面得到全方位的提升。

特斯拉CTC将推动汽车产业新一轮生产制造革命

特斯拉在 2021 年 6 月公开了一份电池系统的专利,专利名为 INTEGRATEDENERGY STORAGE SYSTEM,专利号为 US 2021/0159567 A1,专利中详细阐述了 4680 Structural Battery(CTC)电池系统集成技术。特斯拉于 2021 年 10 月在德国柏林工厂举办参观活动,并首次对外展示了 4680 Structure Battery(CTC),整体设计思路方案与专利披露信息基本一致。

根据专利中公开披露的内容,可以对特斯拉 CTC 有整体的方向性认知:

①在特斯拉 CTC 方案的整体结构上,电池包上盖与车辆结构如座椅直接连接在一起,成为乘员座舱地板的结构;②电芯之间填充树脂材料,特斯拉认为这一方面可以提供热保护,另一方面可以为电芯提供结构性支撑:③在与“大模组”方案的对比中,CTC 方案具有减少支撑件、减轻整车质量、提升整体电池容量等优势。

总结特斯拉《INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM(专利号 US 2021/0159567 A1)》专利及今年 10 月在柏林超级工厂公开展示的相关信息,特斯拉 4680 StructuralBattery(CTC)方案主要有以下几个特点:①电池包上盖与电芯粘接在一起,并与座椅等车辆结构件集成,成为乘员舱地板的结构;②电芯上下和电芯之间填充树脂材料,起到热保护和结构性支撑的作用;③由于单个电芯所承受的电流增大,方案中将以前的铝丝连接改为 Busbar 连接,利用母排引脚将电连接和电池管理系统的采集板直接连接在一起;④在热失控管理的方面,相比于之前位于后方位置的 2 个泄压阀,CTC 方案在电池包一侧配置了 8 个泄压阀;⑤电芯间的蛇形管布置与车桥方向平行,通过减少蛇形管长度而减少流阻,增加冷却均匀性。

特斯拉动力电池系统的进化伴随着其电芯技术的迭代。Model S/X 上市时,电池包为搭载 18650 电芯的传统方案布局,共 14/16 个模组;Model 3 上市时,电池包为搭载 2170 电芯的大模组方案布局,共 4 个模组;目前,应用搭载 4680电芯的 CTC 方案的 Model Y 样车已经对外展示,模组结构被彻底取消。电芯的迭代为动力电池系统的进化奠定了基础,一方面是因为单体电芯体积越大,电池容量越大,电池包中所需的电芯数量越少,从安全性等角度才能够跳出“电芯-模组-PACK”分级架构,实现对电芯的直接管理;另一方面是因为电芯体积越大,其外壳的结构性能越强,在车辆实际运行时能够抵抗更强的外力,因此靠灌胶以蜂窝状粘接在一起的 4680 电芯本身就起到了对车体的结构支撑作用。

特斯拉 CTC 方案的应用将为车辆降低 10%车重,增加 14%续航里程,减少 370个零件,单位成本下降 7%,单位投资下降 8%,大幅提升汽车生产制造的效率。

甩掉电池包的“包袱”可以让汽车更轻、跑得更快,前有特斯拉,后有零跑,特别有作为风向标的特斯拉的引领,你觉得CTC技术会很快在新能源汽车界掀起一阵风口吗?

文章来源:钛媒体APP,果壳,未来智库

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