特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

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特斯拉CTC亮相

从集成式的控制模块到一体化铸造车身,特斯拉这条大鲶鱼,一直在不断地搅动汽车行业的技术格局。

10月,特斯拉在柏林工厂举办的“Giga-Fest”庆典上,特斯拉又照例秀肌肉,展示了最新一代的电池组技术——structure battery(结构化电池)。

关注电池技术的朋友大概已经听了很多诸如大模组、CTP(cell to pack)、CTC(cell to chassis)这样的热词了,那我们就先来看看这些都是缩写都是啥意思。

最初的电池包设计,就是由单个电芯集成为模组,再由模组组合成为电池包。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

电池能量密度的提高也就仰赖于整个电池包中电芯所占的比例,于是乎大家就开始探索如何去掉电池包里的冗余结构件以提高电芯在电池包中的占比。

但是问题也随之而来,软包电芯本身几乎无法承重,必须要有壳体支撑保护。所以在大模组上,软包电池一直进展缓慢。而方形电池和圆柱电池则分别在BYD和特斯拉车型上不断进击,BYD的刀片电池基本上可以认为就是大模组和CTP的一种应用。而特斯拉展示的所谓structure battery 也就是CTC的一种尝试。

马斯克举了飞机油箱(下图)的例子,来说明电池包与车身结构的融合。概念上确实如此,飞机油箱从机翼+油箱变为机翼=油箱,所以车身+电池包也可以变成车身=电池包。而油箱和电池包的区别就在于燃油是液体,电芯则是固体。当然也因为电芯本身的壳体结构,让它有条件成为整体承重结构的一部分,马斯克的类比看起来没毛病。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

回到电池,我们看到特斯拉structure battery中,一个个圆柱电芯被紧密的排列在中地板下方,而应该是电池上盖的部分还长出了与门槛搭接的横梁结构。

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再往下看,这块电池已经没有独立的电池上盖。电池上表面的零件与车身结构连接集成了座椅固定及车身横梁的功能(下图),同时承担电池的密封功能。

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这样的集成方案就意味着不仅省去了一层地板结构,同时也解决了分开设计时地板和电池包之间的间隙预留。这部分空间无论是向上给到座舱,还是向下给到电池包都是很好的加成。

不过这样做也有弊端,就是电池再也无法单独拆下来了,换电肯定不用想,维修性也是大打折扣。Anyway,特斯拉要兜售给大家的是自动驾驶再也不会撞车的未来,电池包自然也是没事儿不要动它。还有就是圆柱电芯照理上下方向比较利于承重,其他方向也起不了太大作用。也就是说宽度方向的力还是少不了结构支撑,前后纵向力也是需要解决的问题。这部分都没有细讲,可能是电池下壳体,也可能是内部填充结构来补足电池包内部梁结构去除后的缺失。

总结一下,structure battery有什么好处?

1. 尽可能减少结构冗余,相同空间里塞更多的电芯,提高能量密度。

2. 电池包与车身结构融合整体刚度更好,电芯集中整体惯量小操控更敏捷。

3. 电芯位置更居中,侧向撞击更难接触到电芯,电池保护更好。

4. 配合特斯拉前舱和后地板的一体压铸结构,零件数量大幅减少。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

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特斯拉描述结构化电池的好处

坏处自然也有,笔者认为以下几点有待商榷:

1. 电池包无法单独拆解,如何检测维修,撞坏了怎么办?

2. 电池包的密封及安全性一系列实验认证怎么做?

3. 电池和前后车身以及侧面结构的连接是怎样?装配顺序怎么改?

4. 前后连接的制动管高压线等管线怎么走,如何保护?

圆柱电池的结构化解决方案近在眼前,方形电池和软包能跟上吗?

方形电池单个电芯比圆柱电池大,灵活性没有这么高。但只要电芯和车宽相匹配一样可以塞到地板底下去,虽然系列化稍差一点但基本还在同一起跑线。

软包电池略尴尬,没有额外的结构无法承力。只能用模组的方式装载到底盘上,那就是MTC(module to chassis)?下图LG公布的软包电池CTC方案,笔者认为还是叫MTC更合适。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

LG软包电池的CTC方案,应该叫MTC更合适(图片来源知化汽车)

严格意义上说structure battery这个概念不难跟随,重点是怎么解决实际问题保证可靠性和实用性,特别是高度集成化方案带来的一系列变化如何应对。

整体铸造的部分废品回用率很高,集成化的电池壳呢?要同时保证电池壳的密封性以及和其他车身结构的连接与承力,精度要求公差控制都是要攻克的课题。

按照目前传统车商的制造体系,笔者认为像特斯拉一样的CTC方案很难跟进。但是这样的方案就是终极形态了吗?或许并非如此。既然可以把电芯集成到承载结构里,那么整个车身的结构组成是不是还有机会改变,零件的材料、拆分有没有更多的变化,期待未来看到更多的创新出现。

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一体化底盘的可能

你可能会问炒的热火朝天的CTC就这么简单?没有别的了吗?

笔者认为structure battery 只能算作CTC的一个部分,真正的CTC恐怕可以扩展的更多,毕竟底盘不止电池这么一点点。传统意义上来说,转向制动驱动单元都算是底盘的范围。仔细一看,电动车的核心部件不都在这了嘛,不仅是核心部件更是高利润部件。所以不管是重新构建滑板式底盘架构的Rivian、Canoo,还是本特勒、宁德时代这样的供应商,都想加入这个可以说改变汽车行业结构的技术竞赛当中。

按照这个技术逻辑,汽车就不再是前舱、座舱、后舱三段的组合,而是要变成底盘+上车体的造车模式了。硬件上底盘和不同形式的上车体分开,软件上智能驾驶底盘控制和智能座舱也可以分开。这么一来,同一个底盘配上不同的车身形式不就可以做出轿车、皮卡、MPV、SUV等等各种各样的车型了嘛。所谓“超级底盘”的概念也就这样发展出来。

慢着,真有这样的好事儿可以一个底盘做出完全不同的车型嘛?作为传统车企从业者,恐怕要说不太可能。且不说哪家企业愿意成为贴牌工厂,给自家车子装上别人家的“灵魂”。单就车型差异来说,也不太可能实现“同一个底盘”涵盖从轿车到皮卡、SUV、MPV这么广泛的车型需求。因为不同车型的诉求是不同的,如果只是拉货那可以换不同高矮胖瘦的上车体来适应不同的货物。但是涉及到人,涉及到不同的坐姿,不同的视野要求以及人员保护,事情就没那么简单了。

下面我们展开来看看,“通用底盘”都有哪些问题有待解决。

看下Canoo的底盘和座舱组合,有没有眼熟?其实早在2014年发布的i3就已经是这种构成了。当年的宝马把它称为“LifeDrive结构”,由一个铝制底盘和一个碳纤维加固的驾驶座舱组成。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

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上图:Canoo的底盘和座舱

下图:i3的底盘和座舱

当年i3的E-NCAP成绩是四颗星,当然这里面有碳纤车身带来的差异,但不妨碍我们定位通用底盘第一大难点——碰撞安全。乘用车的碰撞安全要求主要包括:乘员保护、行人保护和主动安全三大块。在乘员保护上,不管是刚性壁障正碰还是可变形壁障40%重叠碰都对整个车辆结构的力传导有很高要求。

传统车身大概都有三条承力路径,一般中间这条是主力。底盘和座舱分开的设计就必须改变这一分配,从Canoo公布的图上看大概也只有两条路径。这两条路径如何连接,如何分配是一个很大的疑问。再加上它极短的前悬结构,相信挑战会更大。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

传统车与Canoo碰撞传力路径对比

另一大难点就是视野,特别是驾驶员视野。驾驶员在驾驶过程中80%以上的信息要靠视觉得到,听觉及其他感知仅接受不到20%的信息。所以汽车良好的视野,是安全驾驶的基本保障。同一个底盘,要做出差异巨大的不同车型并不现实。要保证一定的视野,当坐姿降低时留给悬架的高度也会减少很多。同平台不同车型的应用很常见,而同底盘不同车型只能说是偷换概念了。要做出不同高度不同坐姿的车型,悬架必定是要做出大幅调整和改变,那么相应的开发验证也是少不了。这还能叫做“同一个底盘“吗?恐怕不行。

特斯拉的“结构化电池”有什么好处?又甩同行几条街?

所以一体化的超级底盘,只能说和传统车厂的平台架构并无二致。最大的差别就是这个排列组合的开发者从整车厂转到了供应商。

那么开发者变了,区别在哪里?这就得看供应商开发的系列化的底盘硬件+电驱动要卖给谁。笔者以为这样的解决方案恐怕只能提供给希望快速造车的互联网车企。那些不以汽车驾驶体验为卖点,而是需要一个平台来承载智能驾驶、智能座舱的企业可能成为目标用户。在可见的当下,互联网车企所需要的就是一套可靠的高续航的底盘及电驱系统,他们的赛道在智能驾驶、智能座舱上。

在这条赛道上传统车企所在意的驾乘体验,似乎驾驶体验要被拿掉了。只是不知道这条赛道的未来能否出现足够的差异化,让消费者有非它不可的冲动。毕竟对待传统车,大家还是会感受不同车厂带来的不同的驾驶体验。不管是什么样的产品,最终要提供的都还是让人愿意买单的东西。如果说自动驾驶真的要开辟一条新的道路,让车上不再有驾驶者,那好像也不用再购买汽车,只要购买旅程就好了。

总的来说,电池从针对传统车辆结构的异形电池,进展到结构更加紧凑可以适应不同续航需求的平板电池;从大模组到CTP的尝试,一直是在提高电池自身的能量密度以及和整车的集成程度。而CTC则是要打破电池与整车的界限,所谓“超级底盘”更是要颠覆车型开发的核心分工。电池和底盘一体化的设计确实可以提高续航里程,同时也可以节省开发时间。但是 “超级底盘“这件事供应商能够做出来,卖给谁能卖多久怕是个问题。对于乘用车,消费者还是需要差异化的价值锚点来认知不同的车型,这种标准化的集成电驱动底盘也许更适用于不拉人只拉货的商用车型。

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