從功能機到智能機,在穩定性、輕薄度、防水性等多方面因素及利益驅使下,可拆卸電池退出了曆史舞台。以蘋果為代表的廠商們将電池直接集成到手機中,俗稱“電池手機一體化”。
而今,這樣的設計也延續到了汽車領域。
随着電動車及相關技術的發展愈加成熟,人們也不再滿足當下冗餘的結構設計:車身是單獨的車身,電池包是單獨的電池包,二者相加質量大容量小。
所以,“電池車身一體化”便被适時地提了出來。有人叫CTC(Cell to Chassis)、也有人叫CTB(Cell to Body),都表達差不多的意思。
廠家宣傳得神乎其神,技術解析得天花亂墜,再加上一些不明就裡的文章和視頻,這項技術好像就被渲染得非常厲害?
電芯(Cell)、模組(Module)、電池包(Pack)、底盤(Chassis)。動力電池發展初期,電芯作為最小單元會首先構成模組,再由模組構成電池包,安裝在車輛底部。
如此“過度包裝”造成的問題是,電池包的實際空間利用率不高,冗餘的結構設計不僅侵占空間、還額外增加了重量,對電動車視之如命的續航裡程并不友好。
所以,将模組的尺寸擴大甚至直接取消模組設計就變成新的發展方向。原因無他,可以在電池包有限的空間内放入更多的電芯,提高能量密度。
典型代表如比亞迪的刀片電池,采用CTP(Cell to Pack)技術,電芯一步到位直接彙聚成電池包。空間利用率提高50%,材料成本降低25%。此外還有甯德時代、蜂巢能源等公司都在布局該技術。
至此,電池包作為一個單獨整體已經實現了空間利用率的最大化。但與此同時,電池材料創新的步伐同樣趨緩,而人們對純電動車的裡程焦慮卻從未減弱,矛盾漸顯。
現階段的解決方案就是CTC,将電芯直接集成到車身(底盤),相當于突破了電池包的概念。這時候,電池包和車身都不再是單獨存在的個體,二者之間的冗餘結構被再次精簡,達到一種“你中有我、我中有你”的狀态。
所以從概念上來講,CTC就是一種集成度更高的技術,類似手機行業的“電池手機一體化”。用馬斯克的話來講就是,“沒必要往盒子裡再裝一個盒子。”
怎麼實現呢?其實很簡單。動力電池安裝于車底,冗餘部分就在于電池包上殼體和車身下地闆之間,将二者融為一體,就構成所謂的CTC技術。
道破天機,CTC也就比CTP再激進那麼一點點,算不上颠覆。至于這一概念的緣起,至今也無從考究。
2020年9月的特斯拉電池日,馬斯克用飛機油箱為例來講述自家的CTC技術;零跑朱江明受手機電池結構創新的啟發,2016年率先提出CTC概念方案;比亞迪以高強度的蜂窩鋁闆結構為靈感,2022年5月20日随海豹預售一同發布,叫CTB。
該說不說的,大家好像都是第一?
接上文所述,CTC的本質就是将電池包上殼體和車身下地闆合二為一,概念上好理解,但操作起來并不容易。
難點之一在于密封。CTP時代,電池包和車身各自形成密封結構,二者之間通過機械連接即可滿足要求。CTC時代,電池包和車身相互融合,需要二者互相配合才能滿足密封要求。
現階段解決方案有二。其一是将二合一面闆集成于電池包,用電池包上殼體代替一部分車身下地闆的結構,優先滿足電池的密封要求,再通過電池包上殼體密封車身。
其二是将二合一面闆集成于車身,用車身下地闆來代替原有的電池包上殼體,首先滿足車身密封要求,再通過車身下地闆密封電池包。
特斯拉和比亞迪都采用了方案一。優點是電池包本身的性能可以滿足,另外電池包與車身的密封相對簡單,被認為風險可控;缺點是電池包上殼體形狀受到一定限制,理論上效率提升不夠極緻。
二者之間對比,特斯拉的方案要比比亞迪更加極緻。比亞迪在車身結構上保留了安裝座椅的橫梁,而特斯拉取消了該橫梁,直接将座椅安裝于電池包殼體之上。
零跑選擇了方案二。理論上在整體層面可以獲得更加極緻的效率和性能,但電池包結構被拆散,用車身下地闆密封電池包較難實現,增加了安全隐患、降低了生産節拍。
不過嚴格來講,零跑的“CTC”并不屬于真正意義上的CTC,其電池内部依舊保留了模組結構,更準确的稱呼應該是MTC(Module to Chassis),技術難度并沒有想象中那麼高。
尚未将電池内部空間利用到極緻,零跑所謂的“CTC”不免有點搶占概念之嫌。
上圖為特斯拉CTC技術 4680電池
上圖為比亞迪CTB技術
除密封要求之外,CTC技術的難點還在于電池強度設計和冷卻方案布置等多方面。以特斯拉和比亞迪來看,為保證強度,用結構膠作為電芯和箱體的連接方案;另外由于布置空間受限,用水冷闆作為電池包冷卻結構。
CTC的精髓在于集成,采用一體化設計之後,同時也相當于摒棄了“換電”方案。不論是單個電芯還是整個電池包,維修、更換的便利性和成本都受到很大影響。再進一步,維修成本上升導緻保費上升;電池SOH下降但無法換電導緻保值率下降。
以上種種,都需要在使用過程中進一步求證。沒出問題不代表沒有問題,出問題之前也沒人知道會不會出問題,出問題可能需要一定時間而現在連實車都沒有。
或許,我們也可以相信廠家已經解決了CTC技術全生命周期可能會遇到的各種問題?畢竟從現階段官方的宣傳口徑來看,該技術帶來的效果立竿見影。
采用CTC技術 4680電芯和一體式壓鑄前/後車身地闆的Model Y,車身重量減少10%,續航提升14%,整車零部件減少370個,單位成本下降7%。
零跑C11在CTC技術加持下,整車重量降低15kg,車身扭轉剛度提升25%,車身垂直空間增加10mm,電池布置空間增加14.5%,續航提升10%,整車零部件減少20%,結構件成本降低15%。
基于CTB技術,比亞迪海豹動力電池的系統體積利用率提升至66%,系統能量密度提升了10%,車身扭轉剛度達到40500Nm/°,在保證車内高度的情況下,車身高度降低10mm。
一通宣傳猛如虎,總結下來也不外乎三個優勢:
其一是空間利用率的提高。以比亞迪海豹和零跑C11為例,車輛Z向(高度方向)空間均增加10mm。多出來的空間可以給乘員艙或電池包或離地間隙,當然也可以各部分都分一點,給電池包的話,就可以提升能量密度進而提升續航裡程。
其二是結構件數量的減少。一方面可以減少零件成本和工時成本,另一方面還可以降低整車質量,進而提升續航裡程。
其三是車身剛度的增強。電池包乃至電芯都作為結構件參與受力,車輛的安全性、操控性、NVH性能都會得到相應提升。
是不是真的厲害?理論上講是沒有問題的,但CTC作為一項底層技術而汽車作為一個複雜整體,經過層層堆疊之後,很難切實感受到該技術帶來的量化提升。
你可以說CTC好,也可以說車好,但很難說搭載了CTC技術的車就一定好,更不能有意規避其背後潛藏的不足。換言之,CTC是否值得被大肆宣揚?
誠然,技術進步有舍有得,最終能否成功,往往是舍和得之間的博弈,在矛盾中抓關鍵,在對立中找平衡。我們承認CTC技術的廣闊前景,我們歌頌先驅們帶來的技術進步,是舍還是得?隻能交給時間和市場去驗證。
隻是,舍得之間應該公平公正,不能為了得,就避重就輕地将其粉飾成解決一切難題的利器。
特斯拉用CTC,一方面基于自有的電芯及強大的三電系統和整合能力,另一方面也基于單一車型(Model Y)的火爆銷量。因為CTC傾向于标準化定制,一定程度上喪失了車身設計的靈活性,不利于平台化的多車型布局。
比亞迪用CTB,同樣基于自身從電芯、電控、電池到整車的全域自研能力。海豹能不能成為單一的爆款車型?從預售情況來看,有潛力。
曾毓群曾說:“CTC電池技術将使新能源車成本直接和燃油車競争。”但甯德時代在大力發展CTC的同時,也不曾放棄換電方案。
除此之外還有Canoo、悠跑科技、LG、大衆、沃爾沃等公司都在布局該技術,不論主機廠還是電池商,布局與否都有其考量所在。但就現在來看,不乏一些偷換概念的主兒,為了CTC而CTC?
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