當CTP/CTC一往無前，我們拿什么來守護它的安全？

第一電動大牛作者 NE時代 2023-08-31 13:51

在體積密度的提升和成本降低的趨勢下，電池包的集成方案不斷變革，從早期的油改電平臺的異形電池包到特斯拉、比亞迪、寧德時代等推出的“CTP 和 CTC（Cell to Chassis）”方案，動力電池系統(tǒng)集成化進一步拓展。

零部件總數(shù)降低、精密度提高已是大勢所趨，裝配生產(chǎn)的變革已拉開序幕。

收益與風險并存

通過新工藝研發(fā)，優(yōu)化熱管理方案，OEM和電池企業(yè)設(shè)計出高度集成化的系統(tǒng)方案——CTP和CTC，探究如何打造更加高效的電池包結(jié)構(gòu)。

CTP跳出原先的電芯、模組、電池包的三級設(shè)定，實現(xiàn)電芯直接到電池包的高效集成。CTC則更進一步，跨過電池包的設(shè)定，直接集成到車身底盤，實現(xiàn)電芯到整車的進一步深度集成。兩種成組方案均取得了一定的應(yīng)用，不同程度地提升空間利用率，減輕電池包重量，從而提升能量密度，實現(xiàn)成本的下降。

根據(jù)NE時代的調(diào)研，電池包的體積利用率隨著成組方案的演進變化驚人。

傳統(tǒng)模組階段，零件數(shù)量約為600個，體積利用率普遍在40%左右。當成組方案發(fā)展到CTP階段，電池包取消了模組的側(cè)板和底板，使用內(nèi)部框架實現(xiàn)固定，零部件數(shù)量減少到約為400+，體積利用率提升到60%左右。

當寧德時代、比亞迪、零跑等將各自的成組方案升級到CTP 3.0或CTC時，電池包取消橫梁框架，乃至將車身底盤與電池包上蓋融合，進一步減少零件數(shù)量，體積利用率擴至70%以上。

得益于電池結(jié)構(gòu)的革新，方形鐵鋰電池發(fā)揮出超高性價比優(yōu)勢，幫助整車同時在續(xù)航里程的提升和成本的不斷下探兩方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

由于 CTP 和 CTC 技術(shù)在空間、續(xù)航等方面具備明顯的優(yōu)勢，預(yù)計2024 年 CTP 和 CTC 的滲透率總和將超過90%。

從模組集成到CTP，來源：NE時代整理分析

但是，高收益的同時往往也伴隨著高風險。全新的結(jié)構(gòu)對從電芯到箱體的裝配精度都帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

對CTP和CTC電池而言，堆疊而起的大電芯既是能量體又是結(jié)構(gòu)組件，因此需要保證電池單體的質(zhì)量一致性，同時對高速堆疊時電芯的長度尺寸一致性提出高要求。

尤其CTC，電池與車身的集成與密封目前主要分兩種方案，一是電池包作為一個整體與車身集成，此時電池包本身的密封風險可控；二是電池包結(jié)構(gòu)被拆分為上殼體與電池本體兩部分，上殼體與車身合二為一，此時電池本身與電池-車身的匹配界面均需要100%氣密性檢測。

目前OEM和電池廠都在不遺余力的提高電池包的制造精度。OEM從整車設(shè)計需求出發(fā)，向動力電池企業(yè)提出明確的技術(shù)要求，包括在設(shè)計階段、在車輛匹配方面、熱管理策略方面、異常狀態(tài)的監(jiān)測以及測試與驗證等方面要開展深入合作。另一方面，OEM和動力電池企業(yè)要共同嚴格把控產(chǎn)品一致性，確保批量化產(chǎn)品達到安全設(shè)計目標。

不遺余力提高裝配精度

在電池包生產(chǎn)的最終階段，是電芯單體的集成與各機械件、熱管理件和電氣件的裝配，如電池托盤、上蓋、液冷板、高低壓線束、電池管理系統(tǒng)等。

目前，電池模組、Pack 的實際生產(chǎn)條件與期望的高精度仍有差距。在繁多的設(shè)計方案下，不同電池包的孔位、裝配精度、密封手段均有差異。采用人工檢測的話，其不確定性為電池包的安全性埋下了隱患。

模組& Pack生產(chǎn)流程來源：《纖毫畢現(xiàn)，追根溯源–探索電池高效生產(chǎn) 打造高品質(zhì)電池的奧秘》白皮書

要涵蓋尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度的測定的儀器，CT檢測、三坐標測量儀和藍光掃描儀的應(yīng)用必不可少。其通用性強、測量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接的特點，能很好的適應(yīng)電池包的設(shè)計迭代，在未來電池包“CTC”為主導的集成方案中將有更大的舞臺。

如同裸電芯入殼一樣，電池包完成組裝后，內(nèi)部的情況同樣難以知曉。此時，同樣采用對于裝配體的 CT 掃描，不僅可以實現(xiàn)拉鉚孔、基準孔、角銑削面、密封面的面輪廓及位置度的測量，還可以完成Busbar 焊接、涂膠面積、電子元器件等檢測。

裝配后的CT檢測來源：蔡司

這種一次性檢測所有尺寸的工位設(shè)置，除了節(jié)約人工、測量效率高之外，同樣避免了產(chǎn)品的二次移動和裝夾，提高了測量的精度。對于電池模組、Pack 這種尺寸鏈復(fù)雜的裝配體，同時測量多種尺寸還可以較為直觀的分析出關(guān)鍵的低精度位置，比如電芯的對齊度可能是受涂膠不均勻影響。在傳統(tǒng)工序下需要返工才能發(fā)現(xiàn)的問題，如今可以一目了然，并且在數(shù)據(jù)自動上傳MES 后得到系統(tǒng)性的解決。

托盤和上蓋，作為整個電池包的外包裝，需要與整車底盤緊密裝配，起到密封、防碰撞、耐腐蝕、電磁保護和冷卻等作用。面對不同部位用不同材料，以達到性能和成本的最優(yōu)解的混材電池殼，仍能做到高密封性和裝配精度，已成為動力電池系統(tǒng)殼體的主流技術(shù)路線。

高精度的要求，需要通過尺寸檢測來檢出，包括拉鉚孔、基準孔、角銑削面、密封面的面輪廓和平面度，模組支架的安裝面輪廓、定位孔支架的面輪廓及位置度等。不難看出，殼體的尺寸檢測要素多，同時還有很高的檢測效率要求。

目前的挑戰(zhàn)是，由于電池托盤上蓋尺寸較大，要求量機同時具備大尺寸和高精度的檢測能力，同時在生產(chǎn)環(huán)境的灰塵油煙和不斷變化的溫度下保持高穩(wěn)定性。

電池托盤的銑削和鉆孔測量來源：《纖毫畢現(xiàn)，追根溯源–探索電池高效生產(chǎn) 打造高品質(zhì)電池的奧秘》白皮書

蔡司的懸臂式三坐標測量儀 CALENO 結(jié)合了高性能光學或接觸式測頭，用于對整個電池托盤的復(fù)雜特性進行實時過程監(jiān)控，可獲得可靠的免對比可追溯測量和檢測數(shù)據(jù)。同時具備隔熱、及工作環(huán)境中的防塵防污性能。如此，可以非常快速地檢測出電池托盤中的大量特征，可在不影響準確性的情況下縮短檢測周期。

液冷板，通過電池或者模組與板型鋁質(zhì)器件表面接觸，并由內(nèi)部流道中通過的冷卻液帶走熱量，起到調(diào)節(jié)電池包溫度的作用。對于不同形態(tài)的液冷板，平面度測量受形態(tài)影響較大，供應(yīng)商往往需要開發(fā)獨自的非標測試夾具以適配各自產(chǎn)品的檢測，精度很難提高，并且夾具本身較不穩(wěn)定，易發(fā)生批量問題。而且在液冷板尺寸上的個別瑕疵，其后果足以導致該位置的電芯冷卻不充分。

此外，液冷板的與電池包托盤的尺寸精度往往互相影響，想要較好的測量不同零部件在電池托盤內(nèi)的裝配情況，僅依賴特定的非標測量夾具是不充分的。