新能源汽车电池车身一体化技术及工艺.pdf

6 2023年第04期特别报道SPECIAL REPORTS新能源汽车电池车身一体化技术及工艺随着新能源汽车渗透率的快速提升，消费者对汽车的续驶水平和补能效率越来越关注。他们希望纯电动汽车能够充电更快、跑得更远，这推动着汽车制造商和电池供应商努力提高动力电池的能量密度和充电倍率。虽然目前最常用的磷酸铁锂电池和三元锂电池等动力电池已经基本达到了性能极限，但是从材料创新方面，提高体积能量密度和质量能量密度的目标依旧很难在短时间内实现。汽车制造商和电池供应商持续推进电池结构创新（图 1），以在有限的空间内实现更多电池的最大限度装载，确保车辆在行驶中的性能和续驶里程。结构的创新需求驱动了电池车身一体化进程。电池车身一体化将电池直接嵌入到汽车的车身结构中，使得电池更紧凑、更安全，并提高了车辆的刚度。与传统的电池组方案相比，电池车身一体化可以提高空间利用率、集成化、轻量化及车身扭转刚度，并实现总装工艺简化和成本降低。电池结构演进路径随着新能源汽车市场的迅速发展，电池结构创新成为趋势并持续推进，以提高电池利用效率，本文通过介绍电池车身一体化解决方案的工艺设计等，全面阐述当下新能源汽车电池车身一体化解决方案的优势与挑战。实践证明，电池车身一体化方案在兼顾集成化与电池空间利用率方面表现出色，可以实现车身刚度和轻量化水平提升，以及生产效率的提升。安徽江淮汽车股份有限公司 金奎 何鹏申同时减少零件数量，增加空间，减轻电池组的重量，并实现更高的能量密度和更长的续驶里程。为实现这一目标，OEM 和电池供应商将重点放在电池结构创新上，通过去模组化、集成化来简化电池结构，促进电池结构的演进向电池车身一体化发展。电池结构的演进路径（图 2）从 CTM（Cell to Module，电芯模组电池包车身）到 CTP（Cell to Pack，电芯电池包车身）应用，再到 CTC（Cell to Chassis，电芯底盘/车身），其中 CTC 方案集成化程度最高，通过将电池直接安装在车身结构上，将电池与车身完美融合，从而实现空间利用率和电池装载量显著提升。CTM、CTP 和 CTC 三种技术对比分析见表 1，从集成化程度、对电池性能的影响来看都是逐步递进的，整车结构逐步简化、空间利用率逐步提升。目前整个行业还处于从标准化模组加速向 CTP技术发展的过程中。CTP 方案通过省略原先的电池模组，把电芯直接安装于电池包内的方式，较传统体积利用率提高 15%20%，零件减少 40%，生产效率提升 50%，能量密度增加 200 Wh/kg 以上。比亚迪通过 CTP 技术（图 3 左），安装新型刀片电池实现电池包体积能量密度提升 60%左右。宁图 1 动力电池创新发展路径电芯6-21 特别报道 终.indd 62023/6/26 17:44:3272023年第04期表1 CTM、CTP、CTC三种技术对比分析CTM技术CTP 技术CTC 技术概念将电芯集成在模组上：电芯模组电池包车身将电芯集成在电池包上：电芯电池包车身电芯直接集成于底盘/车身：电芯车身集成方案先电池本身集成，再安装到车身上先电池本身集成，再安装到车身上1.电池包有独立上盖，代替车身地板2.电池包无独立上盖，车身地板作为电池上盖优点电池包开发简单；可单独更换模组，维修方便1.空间利用率较 CTM 提高 10%20%2.零件数量减少 40%，生产效率提高 50%3.能量密度增加 200 W h/kg 以上1空间利用率最高 2.零件数量更少3.整车刚度更高4.电量增加 5%10%缺点空间利用率 40%；零部件多，系统成本高维修性好，可单独更换模组电芯一致性要求高；维修便利性差，只能更换电池电芯一致性要求最高 技术难度大 维修便利性较差布局企业奔驰、宝马、大众等宁德时代、比亚迪等特斯拉、零跑、比亚迪、宁德时代（还未发布）等应用品牌/车型奔驰、宝马、大众等特斯拉、蔚来、小鹏、比亚迪等特斯拉新款 Model Y、零跑 C01、比亚迪海豹德时代从第一代 CTP 到最新的第三代麒麟电池（图 3 右），电池包体积利用率从 55%提升到67%。如果说 CTP 是一种电池包技术，那么 CTC 应该是一种整车技术，是车企定义整车底盘的话语权的关键，将成为未来OEM 的关键核心竞争力。CTC电池技术的空间利用率最高，对于电池电量的提升有显著的效果，但同时需要考虑如何实现密封和电池承载载荷。随着车企整车集成度和垂直整合能力的进一步提升，相关工程问题的优化解决，CTC 快速进入量产应用，目前特斯拉、大众、比亚迪和零跑等已提出电池车体一体化解决方案。纯电动电池车身一体化技术概述CTC 作为全新一代电池系统技术，实现电池、底盘和下车身等的集成设计，简化了产品设计和生产工艺，提升了车辆刚度和空间，在降低成本的同时还能提升电池容量和续驶里程。和 CTP 无模组技术相比，CTC 主要通过将地板面板和电池包上盖合二为一，减少了二者之间的缝隙和连接所需零件，简化了生产步骤，而电芯既是为整车提供动能的来源，也是增加底盘/车身刚性的结构件。根据车身形式 CTC 又分为电芯集成至底盘（非承载式车身，滑板底盘，无量产车型）和电池参与车身（承载式车身，多款量产车型），如图 4 所示。其中，电池参与车身又称为“电池车身一体化设计”。本文主要针对承载式车身进行 CTC 技术的研究。CTC 的优点是高度集成化、减少了零部件数量和总装工艺，能够进一步化繁为简、降本增图 3 比亚迪刀片电池（左）和宁德时代麒麟电池（右）图 2 电池结构演进路径电芯车身电芯电池包车身电芯模组电池包车身6-21 特别报道 终.indd 72023/6/26 17:44:338 2023年第04期特别报道SPECIAL REPORTS效。但是 CTC 结构也带来了困难和挑战：1）对电池零部件要求更严苛：电芯一致性的要求再次提高；需要更高要求的电池热管理技术来保证电池系统温度的一致性；更智能的 BMS 来监控管理电池的使用；更精准的智能制造设备在制造过程中保证质量管控。2）维修的便利性大幅降低：拆装“电池包”将涉及更多的整体结构件，例如需要拆除座椅横梁、地板内饰等部件；电池内部电芯间填充了树脂材料，导致难以更换单个电芯。3）要求 OEM 和电池厂跨领域融合：OEM 需要更多地掌握电芯、三电系统相关的设计和集成能力，整体设计切入更早期的环节；电池厂不再止于供应电池，还需参与整车设计。电池车身一体化解决方案对比解析目前 CTC 电池车身一体化技术方案分为两种结构。第一种是地板面板与电池包上壳体合二为一，集成于电池（Pack to Open Body，自密封 PACK，可靠性更高），相当于电池上壳体替代了中地板的一部分结构（例如比亚迪 CTB 和特斯拉CTC）。第二种是地板面板与电池包上壳体合二为一，集成于车身（Open Pack to Colse Body，非自密封 Pack，密封性差），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（例如零跑 CTC）。1.特斯拉特斯拉 CTC 方案将电池框架与车身下车体集成（图 5），在装配时在上方整个车身完成装配（车身+前铸件+后铸件）后，再将电池结构与车身完成连接。该方案取消了模组设计，电芯密集排布在车辆底盘中，电池上盖肩负密封电池与车身地板两项功能，座椅则可直接装在电池包上。结构的变化对Pack 设计、热管理以及碰撞安全设计提出了更高的要求。特斯拉 CTC 方案带来了空间利用率、轻量化、生产效率、车身扭转刚度以及降低供应商依赖度等优势。但另一方面，特斯拉 CTC 方案存在维修便利性差、无法实现换电路线兼顾等缺点，见表 2。2.比亚迪从结构设计来看，比亚迪的CTB 和特斯拉 CTC 想法类似，采用车身减法，围绕电池设计的路线，把车身地板与电池包上壳体合二为一（图 6），集成于电池，即电池上盖代替了中地板的一部分。但比亚迪 CTB 方案保留了地板上的一些横梁，这样车体刚度和车身整体稳定性更好。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。即在设计制造电池包的时候，把电池系统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，电池与乘员舱的密封也相对简单，风险更可控。比亚迪 CTB 技术实现了车身与电池系统的高度融合，整车扭转刚度提升一倍，搭载 CTB技术的海豹见表 3，车身扭转图 4 CTC 的两种类型图 5 特斯拉 CTC 应用图示广告威猛 AI2023-04 2815.indd 12023/6/20 16:46:546-21 特别报道 终.indd 82023/6/26 17:44:3310 2023年第04期特别报道SPECIAL REPORTS表3 比亚迪海豹车型的CTB方案项目CTB 方案解析结构设计1.整车三明治结构：车身地板集成电池上盖-电芯-托盘2.电池系统与车身集成：横向钢梁留在车身，车身地板与电池包上壳体合二为一，与门槛及前后横梁形成的平整密封面密封乘员舱3.刀片电池作为结构件直接参与整车安全：内部上盖采用“蜂窝”结构+刀片电池层层叠加，运用了“筷子”原理 电池模组具有极高的防撞击和碾压性能优势1.能量密度：动力电池系统利用率提升 66%，系统能量密度提升了 10%续驶 700 km2.体积利用率：72%；垂直空间：增加 10 mm3.保留横梁车身强度更好，车身整体稳定性更好，制造难度更低4.性能：超低质心/惯性，50:50 黄金轴荷比，车辆的稳定性更好、惯量更低、车身响应跟随更快。整车扭转刚度提升一倍，突破 40000 N m/，有效抑制车身振动 5.安全性：正碰结构安全提升 50%，侧碰安全性提升 45%，承受碾压的极端测试难题及缺点1.与特斯拉一样密封性不如 CTP 车型2.与特斯拉一样电池维修不够便利，无法兼顾换电路线3.集成性不如特斯拉表2 特斯拉Model Y车型的CTC方案项目CTC 方案解析结构设计1.电池包上盖与电芯粘接，与座椅等车辆结构件直接连接，电池包涵盖了密封电池和车身地板的两个功能，由多个结构加强结合在一起，前排座椅的承载结构所在箱盖有加强设计，座椅承载件横向布置，强化整车横向碰撞强度2.通过胶粘剂填充电芯上下以及电芯之间的距离，提高整个电池系统的强度、刚度和抗扭、抗剪切力，胶除了结构连接之外，对导热也起到一定阻隔的效果3.将以往铝丝连接改为 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；4680 电芯正极朝上放置，从车身横向布置，电芯采用侧面冷却；电池包一侧配置了 8 个泄压阀，加强热失控管理4.电芯间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，增加冷却均匀性优势1.减少支撑件、减轻整车质量、提升整体电池容量等优势，为车辆降低 10%车重，增加 14%续驶里程2.结合一体化压铸技术减少 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难题及缺点1.维修便利性差：电池结构作为车身结构件，失去了独立更换电池包的可能性和各种性价比超高的维修方案2无法实现换电技术：电池与车身是一个密不可分的整体，彻底断绝换电补能技术路线3Pack 区域空开，车体扭转高度不高（相比其他 CTC 方案），车体整体稳定性不高 Pack设计和制造精度要求更高刚 度 突 破 了 40000 N m/，有效抑制车身振动，能够更好地在实际场景中的连续减速带、鹅卵石等特殊路况中应用。“类蜂窝”三明治结构具有更好的图 6 比亚迪 CTB 应用图示安全性、稳定性，能够实现电池系统结构强度的突破。相比特斯拉在刚度、车身整体稳定性和 Pack 设计方面更具优势，但比亚迪 CTB 方案也无法兼顾换电路线，电池维修依然不够便利。3.零跑零跑 CTC 方案如图 7 所示，与特斯拉、比亚迪存在一定的差异。零跑的 CTC 方案先用电芯形成模组，再将模组集成到车身上的，而不是像特斯拉、比亚迪直接将电芯参与车身。严格意义上来说，零跑的 CTC 方案相当于只去掉了电池包环节，属于模组集成于车身地板，并不属于纯粹的 CTC 技术，而是“MTC（Module To Chassis）”。零跑 CTC 方案见表 4，保留了原车身地板，并在下面设置以腔体，将没有上盖的电池包装进来，形成密封结构。该方案实际上更易于量产，且具备一定维修便利性。因为电池下盖是可以打开的，坏了可以直接打开维修。由于模组这个中间形态依然存在，所以零跑 CTC 方案在空间释放效率、集成度、成本优势及减少配件等各个方面都不如特斯拉极致。零跑 CTC 方案与特斯拉一样，不能兼顾换电路线。虽然在维修便利性上比特斯拉方案好些，但是也存在着风险。一旦拆解更换模组或电池，将会降低车身刚性和电池气 密性。综上所述，三者最大的区别就是电池结构与车身结合的形式和程度不同，在简化零件、高度集成化设计理念及形式上是趋同的。三种方案因结合的形式和程度不同，在集成性、性能、轻量化、空间及可维修性等方面各有差异，具体对比信息见表 5。三种方案有各自的优缺点，6-21 特别报道 终.indd 102023/6/26 17:44:34112023年第04期不能武断地说哪一种解决方案是最优的。企业需根据自身能力和产品定位来选择最适合自己的解决方案。基于电池车身一体化解决方案的工艺设计1.电池车身一体化解决方案总装工艺方案特斯拉和比亚迪的电池车身一体化解决方案的工艺布局方案与常规新能源车型基本一致，整体安装工序保持不变，将地毯、门槛等调整至电池安装后作业。因为电池包安装工位位置与传统新能源车型一致，未提前将电池包在内饰线之前进行安装，地板为空，为保证总装人员作业的安全性和便利性，内饰线体可以提供人员进出车内作业的支撑板或将大板中部垫高便于顶棚作业（图 8）。特斯拉的 CTC 方案，结合更多一体化铸造零件，将白车身分成了前部、后部、电池（车底）、左右侧围和“四门两盖”这几个大的部分，按照实际工艺需求实现前后车体和电池作为“直接组装”的总成，形成全新的“并行式”生产流程：“四门两盖”和左右侧围冲压成形后就直接送到喷涂车间，而前后车体这些采用一体压铸的部件就可以直接送到总装线上，和电池包一起，同步进行焊接和装配。全新的“并行式”生产流程对组装工艺进行了简化（图 9），降低了组装过程的复杂程度，从而缩短工期，提高效率，当然也能降低成本。2.电池车身一体化解决方案的密封方案根据电池车身一体化方案的不同，总装后电池车图 7 零跑 C01 CTC 应用图示广告112023年第04期6-21 特别报道 终.indd 112023/6/26 17:44:3412 2023年第04期特别报道SPECIAL REPORTS广告巴尔查斯 AI2023-04 3231.indd 12023/6/20 16:36:59身的密封工艺有两种：比亚迪CTB 和特斯拉 CTC 的密封工艺基本是一致的，即电池密封车身的思路，电池本身密封方案与过去一致；零跑 CTC 方案采用的是用车身密封电池包的方案，电池重构了密封方式，电池的密封性取决于整车的密封性。从安全性和不确定性出发考虑，特斯拉/比亚迪的电池密封车身方案综合更优（图 10）。结论综上所述，新能源车身电池一体化技术路线无法兼顾换电路线。未来的 CTC 将不单是电池集成，而是融合三电系统、动力域、热管理、电子电气及智驾等系统的高度模块化的集成体，带来的不单是电池结构的创新，更是研发分工和生产运营形式的变革。未来的发展趋势，要求主机厂、电池供应商等必须具备跨域融合的能力，共同参与产品设计、研发、生产和营运等环节。图 9 汽车组装方式的演进图 10 电池车身一体化解决方案的密封方案图 8 特斯拉 Model Y 内饰线和合装线表5 对比信息对比内容地板总成电池包上盖板车体刚度空间及减重可维修性密封难度特斯拉 CTCPack 区域完全空开有且集成了座椅安装横梁良，车体整体稳定性差优不好中等比亚迪 CTB只保留横梁有优优不好中等零跑 CTC整体保留无优良可更换模组大表4 零跑C01车型的CTC方案项目CTB 方案解析结构设计1.保留了原车身地板，将没有盖的电池舱装进来，形成密封结构2.没有做电芯直接集成，而是采用了模组集成的方式3.去掉电池包上盖与整车集成，电池包其他部分、以及与整车装配、固定基本不变优势1.采用模组集成目前阶段更易实现，下盖可打开，具备一定的维修性2.整车的零件数比传统方案减少 20%、结构件成本降低 15%，增加了 14.5%的电池布置空间车身垂直空间增加了 10 mm，续驶增加 10%，车身扭转刚度提升 25%至 33897 N m/rad，减重 15 kg3.该方案整车的装配线、工艺等不需要做大的调整，可以继续沿用；但由于少了上盖，整包的密封和对乘员舱的热失控管理需要加强难题及缺点1.空间释放效率、集成度、成本优势及减少配件等各个方面都不如特斯拉极致2.密封性相比特斯拉和比亚迪方案要求更高，对装配、运输要求高，电池密封难度大3.维修便利性比特斯拉方案好些，但需拆解更换模组或电池，会降低车身刚性和电池气密性6-21 特别报道 终.indd 122023/6/26 17:44:35