【PACK设计】一文看懂电池包结构CTP/CTC/CTB/CTM的优劣

文摘   汽车   2024-10-11 11:40   江苏  

电池包的不同形式简介

针对目前电池包的形式,即CTP、CTC、CTB、CTM,下面我将简要介绍一下它们的含义。

CTP:Cell To Pack,意为将电芯直接组装成电池包。在这种结构中,电芯直接连接在一起形成整个电池包,省去了传统模组的组装过程。这种形式可以提高空间利用率,减少电池包的体积和重量,使得电池包更加紧凑,并且减少了连接电芯之间的损耗。

CTC:Cell To Chassis,意为将电芯直接集成到底盘结构中。这种结构将电池芯片直接安装在车身底盘内部,以最大限度地提高空间利用率。这种形式在理论上效率最高,但由于电动汽车的特殊性和安全要求,目前的技术条件还无法简单地实现这种结构。

CTB:Cell To Body,意为将电芯直接集成到车身结构中。这种结构通过将电池芯片直接安装在车身内部,使得整个电池包与车身紧密结合,最大限度地提高空间利用率。这种形式在增加续航里程方面具有优势,但目前技术条件尚不成熟,实际应用较少。

CTM:Cell To Module,意为将多颗电芯组合成为一个单体模组,然后通过一定的串并联方式连接多个模组,形成整个电池包。使用这种结构可以单独更换有问题的电芯,但制造工艺相对较为简单,综合性能不如其他形式。


以上是对这几种电池包形式的简要介绍,不同的形式有各自的优缺点,随着技术的发展和需求的变化,电池包的形式也在不断演进。


 “宁王”为代表的Cell To Pack


2019年,宁德时代推出了一种名为CTP的全新电池技术。CTP技术的核心在于取消了传统的模块设计,直接将电芯与壳体相结合,减少了端板和隔板的使用,进一步提高了电池包的一体性和内部空间利用率。

然而,随之而来的问题是模块固定和冷却的处理。从宁德时代开始至今,主流方法是采用钢带或胶带等材料将结构相对简单的方块电池进行固定,并通过导热结构胶将大块电池粘接到液冷板上。同时,底壳的工艺也采用了铸铝或铝挤底壳,相比以往的大钢板折边焊接方式,更加符合量产和正向设计的要求。通过设计添加定位销或卡槽的方式对电芯进行限位。

散热方面,采用了大面积冷板和托盘焊接的方式,同时冷板也起到了隔热、温控、缓冲和支撑的作用。相比之前简单粗暴地在每个或每2-4个相邻模组下放置一块单独的水冷板的方式,这种制造工艺能够彻底解决电池包内冷却液泄漏的风险,并且具有更高的散热效率。

虽然“宁王”采用的CTP1.0设计并非纯无模块设计,但在结构上要比原来的技术更为优越。CTP3.0麒麟电池技术则采用了更先进的制造方式,可以说是真正的无模块设计。电芯的位置也从正置改为侧置,采用全新的冷却方案,冷板不仅起到散热的作用,还兼具隔热、温控、缓冲和支撑的功能。底壳也采用相应的限位设计固定电池,通过粘接方式成为一个整体。从外观上看,CTP3.0相比于CTP1.0更加整齐统一。

到目前为止,几乎所有的新能源车都采用了类似的CTP制造方式。然而,电芯的粘接方式使得后期无法单独更换某颗电芯。如果电池包内的某个电芯出现故障,只能整个电池包一起更换,最终报废。这是我咨询某头部电池制造商工程师所得到的答案。

然而,正是这种结构设计证明了目前电芯性能的稳定性已经大大提高,基本不会出现单体故障的问题,因此无需单独更换电芯。同时,电芯的稳定性提高也为CTP技术的实现提供了前提条件。

CTB(Cell To Body)和CTC(Cell To Chassis)

时髦先进的CTB(Cell To Body)和看起来很美的CTC(Cell To Chassis)之间存在本质区别,其核心区别在于“底盘”一词。需要先提出结论:迄今为止,在乘用车领域,CTC作为商业化车型尚未成熟。


关于某些厂商所宣称的CTC,我理解其只是为了在商业运营中打造差异化、引起记忆和制造话题而采用的词语。因为真正的CTC必须满足一个必要条件,即与底盘直接融合,将电池芯与底盘结合成一个整体。

然而,当前绝大多数乘用车都采用“承载式车身”,根本没有所谓的“底盘”。因为只有非承载式车身,在车身上拆掉上部车厢后仍能够继续行驶的车型,才能真正称之为具备底盘的车型。

当然,作为汽车媒体,在评价承载式车身的乘用车时,我们经常使用“底盘”一词来评价整车的操控性和稳定性能,主要是为了方便大家理解。但事实上,需要明白的是,承载式车身就是绝大多数市面上乘用车的车身结构,它们并没有真正意义上的“底盘”。

因此,在承载式车身上,最准确的说法应该是CTB,可以理解为:目前所看到的CTC和CTB实际上是相同的东西。只有当非承载式车身的“滑板底盘”真正出现时,才能称之为CTC。

而CTB和之前提到的CTP最大的区别在于电池和车厢的密封完整性。CTP需要保留完整的电池模块上下壳体,车厢和电池各自独立进行密封;而CTB则是将电池模块的上盖与车身底板合二为一,因此,电池模块和车身底板中必然有一个是不完整的。

关于独立完整的车厢和单独密封的电池不需要过多解释,大家都很清楚。我尝试以形象的方式描述一下不完整密封形式之间的差异:要么通过车身底板对电池进行密封(例如比亚迪海豹),要么就是车载者坐在电池模块上一起驾驶(例如特斯拉Model Y)。

CTB的优势在于将电池系统纳入整车开发流程中,整体布局、车身、悬挂和动力电池部门需要密切协作。在平台和车型开发的早期阶段就需要考虑电池设计对其他部分的影响,而不像以往的CTP和CTM可以进行后期改动。

这样一来,整车战略布局正式将电池包系统纳入考虑范围。这一决策对车辆的统一性、合理性、结构设计和人机工程等方面带来了显著改善。另外,通过取消上盖或车身底板的设计,车辆在Z向空间上得到了更大的自由度,可以增加大约10mm以上的高度。这个概念可以类比增加一个遮阳帘的厚度。

这也解释了为什么开比亚迪海豹时觉得它的人机工程接近传统燃油车。这里所指的接近传统燃油车是褒义,因为在前几年,由于电池结构的限制,电动轿车的舒适度明显低于燃油车。然而,通过采用比亚迪的刀片电池技术以及CTB技术,电池整包的厚度进一步减小,最终实现了非常出色的前后排人机工程体验。

需要再次强调的是,如果不采用CTB技术,放在SUV上大家可能不会有太多感知,但放在轿车上,立即就能发现差异(例如蔚来ET5、ET7与类似燃油车型后排人机工程舒适度的差异)。

此外,与CTM相比,CTP和CTB为整车结构强度提供了相当大的优势,尤其是在扭转刚度方面。CTM采用模组与底壳机械螺丝固定的方式,模组组件不参与力传导,因此在车辆扭转过程中无法提供更多的帮助。而CTP和CTB则采用电芯与底壳粘接的方式。

特斯拉的CTB技术更加突出,整个电池包内部填充了用于绝缘和固定的粉色材料,具有极高的强度。可以理解为车底下塞了块大号铁板,因此其扭转刚度超过40000N·m/deg,这在许多高性能和超豪华车型上才有的表现。

比如,之前在宣传中,比亚迪海豹就声称其扭转刚度能与劳斯莱斯媲美,从这一点来看,并不夸大其词。

另外,还有一种被称为“MTB”的设计,即“Module To Body”,采用电芯模组固定的方式,并取消电池上盖,直接安装在车辆上。目前零跑就采用了这种方案。

总的来说,无论采用哪种设计,都有各自的特点,但本质上都是为了尽可能地利用空间,塞入更多的电池。将电池包与车身结合进行设计和制造,还可以减少零部件的使用,提高量产效率,降低成本,进一步提升车辆的性能表现。

购买车辆时,普通用户很容易被官方的言辞所误导,尤其是那些无法查证的百分比数据(比如车身车架提高了xx%的扭转刚度,容量提升了xx%等等,百分比相对于的基准不明确,只是一个空洞的数据)。我认为,我们不必过分关注这些数字游戏,最终还是要根据自己的感受来做出判断。

毕竟,无论宣传得多么花哨,如果开起来不好、坐起来不舒服、维护起来麻烦,那么最终会被时代所淘汰。

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