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CTC集成技术在电动汽车电池布置中的应用

2021-11-21 09:49:53·  来源：新能源汽车动力电池  
　
传统的电池包集成方式是由电芯组成模组，再由模组构成电池包，最后将电池包安装到车身地板上。目前新的研究方向是意图将电芯直接集成到车身上，此项技术能够最大
传统的电池包集成方式是由电芯组成模组，再由模组构成电池包，最后将电池包安装到车身地板上。目前新的研究方向是意图将电芯直接集成到车身上，此项技术能够最大程度的提升空间利用率，也就是说能在相同的空间内布置更多的电池，从而提升电池电量，达到增加续航里程的目的。
1 项目概况
本文主要通过对比市场主流企业的技术发展方案，分析每种技术路线的优点和缺点，同时分析了电池集成的发展趋势，在综合评估了供应商提供的技术条件后，最终决定采用CTC的电池集成方案继续开展分析工作。并对电池具体布置方案、整车重量、续驶里程影响、电池密封、电池装配工艺等开展详细的分析，从技术可行性的角度进行横向对比，并最终决策实施方案
2 典型电池集成方案对比分析
对电池集成的趋势可以从电池模组变化的趋势来分析。对于整车厂和电池供应商来说都希望在有限的空间内装载更多的电芯，并通过模块化、规模化实现成本的降低，因此出现了从小模组、中模组、大模组到超长模组的进化过程。可以看出演变的过程是从小模组到大模组甚至无模组的趋势。这种形式虽然提升了电池内部的空间利用率，但增加的电池电量是有限的，因此考虑增加车辆和电池集成的最大空间利用率，才能进一步达到增加电量的目的。
2.1 传统电池集成方案
传统电池包形式是由电芯组成模组再组成电池包，从下部与车身地板组装。电池上盖的高度与地板面位置相同可代替一部分地板结构。
优点：a.电池包由多个模组组成，每个模组都有单独壳体保护和控制单元，便于电池的控制和热管理；b.可以单独更换电池模组，维修成本和便利性高。
缺点：a.由于模组间的壳体和安全间隙，整体的重量较高，空间利用率较低；b.每个模组都配置了单独的控制单元，导致成本相对较高。
2.2 CTP(Cell to Pack)电池集成方案
电池集成方案取消模组结构，由电芯直接组成电池包，电池包集成到车身地板上作为整车结构件的一部分。国内称之为CTP（如图1所示）。


优点：a.减少了模组之间的布置间隙，增加了电芯的数量；b.减少了模组结构，从而降低了整体电池包的重量。
缺点：a.电池包需要作为结构件的一部分承载载荷；b.对电池的结构设计提出了更高的要求。
2.3 CTC(Cell to Chassis)电池集成方案
CTC电池集成方案是直接将电芯集成在地板框架内部，将地板上下板作为电池壳体。它是CTP方案的进一步集成，完全使用地板的上下板代替电池壳体和盖板，与车身地板和底盘一体化设计，从根本上改变了电池的安装形式。在此之前，电芯只起到一个作用，即能量存储和释放的单元，现在电芯将增加一个功能，作为整车结构件的一部分。
优点：a.极大地提高空间利用率，可使续航增加15%-25%；b.取消了电池包的结构件，降低了重量；c.可以实现高度集成和模块化。
缺点：a.电芯需要作为结构件的一部分承载载荷，需要考虑如何将电芯与上下结构件固定起来，以应对最为苛刻的剪切力；b.对工艺提出更高的要求，如果制造出现不合格，就会导致整个电池报废，可维修性低。
上述电池集成方案对比如下：


通过上表对比可知，CTC方案的空间利用率最高，对于电池电量的提升有显著的效果，同时需要考虑如何实现密封和电池承载载荷。但是CTC还是一个在现有电池本身技术不变的条件下，最有效提升电量的方案。
3 CTC电池集成技术介绍
为了实现更高的电量，电池的集成趋势已经由小模组发展为大模组、超长模组，甚至无模组方案，这种方式已经在一定程度上提升了空间利用率，增加了电量。但是为了追求更苛刻的需求，福特提出结构化电池的概念，让电池本身成为车身的一部分（类似现代民航飞机将整个机翼作为油箱的思路），也就是CelltoChassis简称CTC，也称为电池车身一体化概念。
4 CTC电池集成要点分析
以承载式车身为例，CTC集成方案需要重点解决电池与车身的安装方案，电池的防水密封方案，电芯的封装方案，电池冷却方案，以及如何解决电芯作为结构件承载载荷的问题。最后还要考虑电池的可维修性。本文主要从以下几个方面进行可行性的分析。
4.1 电池与车身的集成与密封
电池与车身的集成主要的难点在于：
（1）需要保证电池本身的密封性能，安全性；
（2）需要保证电池与车身集成后，成员舱的密封性能。为了解决这个问题，主要的解决方案有以下两种：
方案一：如图2，地板面板与电池包上壳体合二为一，集成于电池，相当于电池上壳体替代了中地板的一部分结构。电池上盖与门槛及前后横梁形成的平整密封面通过密封胶密封乘员舱，底部通过安装点与车身组装（如图3）。此种方案优点在于电池包作为一个整体与车身集成，电池本身的密封及防水要求可以满足，电池与成员舱的密封也相对简单，风险可控。


方案二：如图4，地板面板与电池包上壳体合二为一，集成于车身，相当于将电池包的结构分为上壳体和电池本体两个部分。通过密封胶实现车身与电池本体的密封，底部通过安装点与车身组装（如图5）。此种方案的风险在于：


拆散了电池包的结构，下车体框架密封电池，由于车身结构较多连接接头、定位孔、漏液孔等影响，现IP67等级（沉水1m，半小时，无水气侵入）电池密封困难,IP69更难实现；
下车体框架密封电池，严重增加电池进水造成电芯短路起火风险，安全隐患严重；
电池-车身匹配界面所有零件及总成均需进行100%气密性检测：a.需在总装车间开发检测线和返修线，导致生产节拍大大降低，增加成本及工时。b.如出现问题，漏气点排查困难，无法短时间内返修完成，存在停线风险。c.无法返修将导致整台车身报废。
综上所述，方案一更为合理，可行性高，风险相对较低。
4.2 结构强度分析
由于CTC方案中电芯要作为结构件承载载荷，对标BYD的CTP与特斯拉结构化电池来看，胶仍然是目前最为合适电芯与箱体的连接手段。根据马斯克的说法，特斯拉将使用一种兼顾结构胶+耐火阻燃胶的多功能胶，将电芯与上下结构件固定起来，这种胶固化后非常坚硬，足以应对最为苛刻的剪切力。结构化电池较大的概率会继续3&Y的灌封设计，这样整个电芯与箱体粘为一体，形成一个强度和刚度都非常大的结构体。
4.3 电池冷却分析
目前大多数电动车的冷却都是采用液冷的方式，冷却液通过在电芯间的管路将单个电池模块的热量带走。CTC方案由于电芯直接组成电池包，电池包内的空间几乎全部被占据，留给布置冷却系统的空间非常有限，因此在一定程度上增加了电池冷却系统的布置难度。目前比亚迪和特斯拉针对这种情况给出的解决方案是采用水冷板，冷却电芯的侧面，特斯拉还为此申请了专利，根据特斯拉的描述，该系统能够帮助消除电池组在使用过程中产生的热量。另外，除了使用冷凝板之外，当电池的某个区域发生机械故障的时候，可以自动断路，这样就避免了一个电芯出现故障，导致其他电芯损坏的情况。从而对整个电池包形成有效的保护，降低电池的安全隐患。
通过上述的技术方案对标，如图6，7，我们采用了冷却板的方案对电池系统进行冷却，其中冷却板也同时承担了电池的底板结构，热熔胶与电芯粘接。


冷却板由铝制基板和铝制冲压板（有水道结构）组合而成。其中边缘的主水道和四组分支水道组成，通过水泵和控制器驱动冷却液流动来对电池进行智能化管控。
4.4 电池维修性分析
CTC技术的目的是高度集成化和模块化，简化总装工艺和降低成本，同时也是一种摒弃换电的技术，追求的是苹果的一体化设计，在这种思想的指导下维修便利性确实是一个挑战。对于电池本身来说是由电芯直接组装成电池包，而且电芯通过胶的封装形成一个高强度的整体，同时又被多层的防护材料包裹，因此对于单个电芯是无法进行维修和更换的，如果出现问题，只能整体更换电池包。对于电池包与车身的安装来说，如果需要维修或更换电池包，
需要拆除座椅横梁，去掉密封胶，维修相对复杂，对于维修的便利性问题还需要进一步研究。
5 CTC电池集成技术方案总结
经过上述分析，总结CTC技术要点：
5.1 电池与车身集成
方案总结：为了保证电池本体的密封、性能、安全，采用能够保证电池完整性的CTC方案，即车身中地板的结构集成到电池上盖，然后电池作为整体与车身集成。这种方案能够有效保证电池的完整性，对电池本体的性能影响最小。
技术难点：需要车身地板前后横梁与门槛梁组成平整的密封面，电池通过密封胶实现成员仓的密封；需要电池的上盖板设计为平整的表面，从而实现与车身有效的密封。
5.2 电池需要承受载荷
方案总结：电芯通过高性能的热熔胶形成坚固的整体，能够作为结构件承受一定的载荷。
技术难点：由于电芯本身无法承受载荷，只能通过高性能的热
熔胶冷却后形成的坚固整体结构受力，这对胶的性能提出了非常高的要求。
5.3 电池冷却
方案总结：通过冷却板对电池侧面进行冷却。
技术难点：布置空间有限，冷却效果有待验证。
5.4 维修便利性
方案总结：由于电池包与车身集成度高，且有密封胶，所以维修便利性低，需要寻找有效的维修可行性方案。
技术难点：需要通过技术手段降低维修需求，并考虑如何进行模块化维修方案。
5.5 研究结论与展望
CTC方案是目前纯电动车电池与整车集成的发展趋势，根据目前乘用车的主流车身形式，主要分析了承载式车身采用CTC方案的可行性。经过对电池包与车身的集成方案，密封方案，结构强度，冷却方案，维修便利性的分析，确认了采用电池包自身先集成，之后电池上壳体与车身中地板合二唯一，并与车身一体化集成，采用高性能的热熔胶对电芯进行封装加固，来实现与车身共同承载受力。同时对于成员仓的密封和电池系统的冷却方案也进行了研讨，并初步确认了可行的方案。对于CTC可行性的预研已完成并达到了预期的目的，为后续项目的实施奠定了基础。
希望通过本文研究，能够为电动车电池与整车的集成方式提供切实可行的解决方案，同时也希望CTC技术能够尽早在量产车上得到应用，真正实现电池与车身的高度集成。
恒大恒驰新能源汽车研究院（上海）有限公司，张涛
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