自打电动车在市场崭露头角后,关于电池咋布置的讨论就压根没停过。电池作为电动车的关键部件之一呀,它不光又沉又占地方,还得考虑散热和安全问题呢。所以为了让电池跟车身能更完美适配,工程师们就弄出了“CTP、CTC、CTB”这些技术名词,各家新车发布会上也会花大把篇幅去宣传。可发布会上那些宣传话术呀,难免有自吹自擂的情况,咱消费者压根分不清它们到底有啥区别,更别说好坏啦。今儿个,咱就来唠唠各家都在吹的 CTP、CTC、CTB 到底是啥!
要说电池布置呀,咱得先弄明白电动车的电池结构咋回事。从原理上讲呢,电池就只是个统称,本质上是由超多电芯(Cell)构成的,电芯里面是正负极材料还有电解液。因为那传闻里的“固态电池”暂时还没法大规模量产呢,液态电池现在还是绝对主流。在技术没突破的情况下,电芯的能量密度可没法大幅提升,各大厂商和供应商就把注意力转到电池结构上啦。
在电池设计里呀,单个电芯的电压也就 3 到 4 伏那样,可电动车得的电压最低都得 100 伏往上呢,现在的新车甚至有七八百伏的电压呢,所以就得给电池升压。学过初中物理的都晓得,电池串联能增加电压,电池并联就能增加电流。为了满足电动车的电流和电压要求,就得把不同的电芯用串联、并联组合的法子连一块儿。
在电动车上呀,一个电池包里起码包含着成百上千个电芯呢,为了便于监测和管理这么多电芯的电压还有温度,汽车厂商就把串并联在一起的电芯给分组啦,然后就有了电池组(Module)。等各个电池组分别固定好、连接上,再配上管理模块和冷却系统,它就变成能使用的电池包(Pack)啦。
就像之前说的哈,在早期的电动车上呢,电芯都集成在电池组里,所以它也叫 CTM 结构(Cell to Module)。可随着市场对长续航电动车呼声变大,各大厂商瞅见 CTM 电池结构有个咋都克服不了的缺点,那就是电池空间利用率太低啦。
就这么说哈,在 CTM 结构里呢,每个电池组都得有金属面板还有螺栓来固定,虽说方便后续拆解维修单独换电芯,可固定电池组的那些结构件得占点空间。而且呢,为了保证散热效果,电池组之间还得留一定间距,这么一来又把电池包那宝贵的空间给占了。
这就跟学校宿舍似的,同一层楼,房间越多,实际住的人就越少,得给墙壁、走廊啥的分更多空间。要是全都是大开间,那就能住更多人(这只是个比喻,不太人性化)。正因为这样,CTM 结构的电池空间利用率才 40%,也就是电池包里能用来放电芯的空间就四成,其余全是其他附件。
为了让电动车续航性能更长,汽车厂商得在那空间有限的电池包里塞更多电芯,可传统的 CTM 结构不太好优化,于是工程师们就盯上电池包啦……
Model 3 的标准续航版电池组呀
从前面 CTM 电池结构能看出,电池包里电池组越多,那固定电池组用的面板、螺栓以及冷却散热空间也就越多。所以在 2019 年那会儿,宁德时代率先搞出了 CTP 结构(Cell to Pack)。简单讲呢,CTP 结构就是把电池组环节给减少或省掉,直接把电芯装进电池包。就像宁德时代给特斯拉 Model 3 标准续航版提供的 CTP 磷酸铁锂电池,它的电池包就只有 4 个电池组,而用 CTM 电池的车型,电池包通常包含 8 到 12 个电池组。
除了电池组数量大幅减少外,CTP 电池还有一大变化,那就是电池组或电芯不再用机械结构固定,而是用结构胶黏在电池包上。虽说这种工艺使得后期基本没法单独更换维修电芯,但原来的螺栓、面板等结构件数量减少了 40%。靠着结构优化,宁德时代第一代 CTP 电池的空间利用率能到 55%,电池包能量密度达 180Wh/kg,生产效率也大幅提升啦。
比亚迪后续推出的“刀片电池”也是 CTP 结构哦,只不过它对比宁德时代的 CTP 电池更彻底呢。简单来讲呀,刀片电池把原本“砖块”状的电芯,改成了像“刀片”那样扁平的长方形,并且还采用了无电池组设计,除了散热板、结构胶,电池包里基本都是刀片电芯,所以刀片电池的空间利用率能到 60%呢。大伙都晓得,磷酸铁锂电池自身能量密度比不上三元锂,可比亚迪靠着刀片电池在空间利用率上的优势,把磷酸铁锂电池包的能量密度提升到了 140Wh/kg,达到了当年的政策补贴标准哟。
电动车的 CTP 电池性能挺不错啦,跟最初的 CTM 一样,电池包照旧是独立部件,通过结构件装在底盘下面,所以 CTP 和 CTM 都能支持换电功能。可在成本、空间还有重量方面,CTP 没达到极致水平,于是汽车厂商又琢磨出 CTC 技术,也就是电池底盘一体化。
简单来讲,CTC 就是在 CTP 基础上把结构给简化了,还把电池跟底盘/车身给融合到一块儿啦,所以 CTC 电池就不再是单独的部件啦,而是底盘/车身的一部分哟。得说一下,按照车身结构形式不一样,CTC 也分两种类型,在非承载式车身上,电芯直接搁底盘大梁里呢,这种 CTC 技术在行业里叫滑板底盘;在承载式车身上,电芯布置在车身底下的底盘上,所以叫电池底盘一体化。
2020 年呀,特斯拉最先提出了 CTC 电池概念,还把它用在了美国德州生产的 Model Y 上(咱国内版暂时没用上)。虽说 Model Y 的 CTC 电池也是从车底下装上去的,可跟 CTP 电池不一样,Model Y 的电池上盖板既起密封电池的作用,还是车身的地板呢。从图上能看出,Model Y 的电池包还是个完整的组件,而车身地板是镂空的,这部分让电池上盖给替代啦。
既然用电池上盖当地板,那为保证车辆地板强度,特斯拉给 Model Y 的电池上盖设计了横向加强筋,用它来替代原本在车底的横梁,电池组外框就相当于原来的车身纵梁。多亏了 CTC 技术的应用,Model Y 车内垂直空间能增加 10 毫米以上,这样就能有更低的坐姿和更宽敞的头部空间。要是利用这空间布置电池,就能把容量提高 5%到 10%。
但从 Model Y 的布局能看出,由于车子没了传统地板,所以 Model Y 的地毯和座椅直接安在电池盖板上啦,这就使得车辆底盘隔音得有更高要求。而且,特斯拉的 CTC 结构让电池没法单独拆卸,要修换电池就得把座椅、地毯都拆掉,所以维修比 CTP 还麻烦呢。
除了特斯拉外,咱国内的新势力品牌零跑也老在宣传 CTC 技术呢,不过零跑这 CTC 的设计思路跟特斯拉有点不太一样。简单说就是零跑保留了车身地板,把电池上盖给取消了,用地板当电池上盖,跟特斯拉正好反过来。这两种设计效果差不多,可要是用车身地板取代电池上盖板,那对底盘的密封性能要求就更高啦,因为这种结构的电池包可不是个完整组件,就跟托盘似的装在底盘上。这就意味着一旦底盘遇水,要是密封没做好,就可能导致电池包进水短路。而特斯拉的 CTC 方案呢,电池包是完整组件,就算车身密封不好,顶多也就是有水渗到车内地毯上,电池没啥大影响。
还有啊,零跑之前在 C01 上宣传的 CTC 跟特斯拉的可不一样,那是因为 C01 的电芯是装在电池组里,又不是把电芯装在电池包里。从结构上来说呢,零跑是把电池组集成到底盘上去了,所以在业内就叫 MTC 结构。一直到最新的车型 C10 用了 CTC 2.0 技术后,零跑才把电池组给取消了,所以 C10 那才是真正的 CTC 呢。
嘿,大伙都晓得哈,特斯拉推出了 CTC 技术后呀,到 2022 年比亚迪又在海豹上整出了个 CTB 技术,也就是 Cell to Body,那是电池车身一体化呢。虽说两者名字看着不一样,但在理念上那是一样的哟。
海豹的那种 CTB 车身结构呗
在结构方面呀,比亚迪的 CTB 跟特斯拉的 CTC 方案差不多,都是用电池上盖替换车身地板。只不过呢,比亚迪的 CTB 方案留着车身底部的横梁,电池上盖板是个平板。所以 CTB 方案车身扭转刚度更好,基于这技术打造的比亚迪海豹,车身扭转刚度能到 40000Nm/°,在电动车里那可是相当厉害的水平。
再者呀,比亚迪的刀片电池本身强度极高,碰撞时刀片状电芯能替代纵梁、横梁成车身传力部件呢。基于刀片电池设计的 CTB 结构,那电芯自然而然就成了车身碰撞传力路径啦。在比亚迪的 CTB 电池上能瞧见,电池不光给车辆供能,还是车身底部重要的结构件呢。
瞧见这儿大伙都能看出来,为能提升电动车的电池容量跟空间利用率,各家的工程师那可真是费劲心思,从早先的 CTM 到如今最普及的 CTP,后来又出现了集成度更高的 CTC 和 CTB,只有专心搞技术的车企,才能真正引领行业发展。
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