为什么电动车看上去都那么胖?

2022年05月28日 14:44 次阅读 稿源:虎嗅网 条评论

从售价25.19万元起的北汽极狐阿尔法S,到最高指导价151.86万元的奔驰EQS,几乎所有的电动轿车从侧面给人的感觉都是——太胖了。极狐阿尔法S的车身高度为1599毫米,而与它车长基本相同的本田雅阁,车高仅为1449毫米,相差15厘米,几乎与成年女性的手掌长度相当。

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雅阁  2022款 锐·混动 2.0L 幻夜·锐尊版 丨图片来源:汽车之家

然而光看账面数据,可能还没法感受到电动轿车的臃肿,毕竟奔驰EQS 1512毫米的车高与奔驰S级1503毫米相比并没有差出多少。但看到两辆车的侧面造型,你显然觉得车高更低的S级,“不知高到哪里去”了。


奔驰S级 2022款 改款 S 450 L 4MATIC丨图片来源:汽车之家


奔驰EQS 2022款 580 4MATIC丨图片来源:汽车之家

造成这一结果的原因,在于位于电动汽车底盘位置的电池包,把整辆车的高度升高了。

优秀如奔驰EQS这样的车型,利用更加巧妙的工程设计将车身高度控制在了与燃油车S级类似的尺寸。而像飞凡ER6这样的“差生”,就算采用了大尺寸后玻璃窗这样“偷空间”的设计,就只能为用户提供这样局促的后排空间了。

相信在上海坐过网约车,打到过这款车的朋友,大多可能有过图中试驾编辑这样糟糕的体验。


飞凡ER6的后排内部空间 图片来源丨汽车之家

因此,为了不让乘客在电动车的后排“磕头”,广大车企操碎了心。而围绕这一目标的最新成果,便是CTC电池底盘技术。


要说什么是CTC电池底盘技术,先要明白为啥过去的电池包这么厚。实际上我们在电动汽车上看到的尺寸庞大的电池包,里面展开了是这么个结构:


在电动汽车行业,电池包被简称为Pack,由电池管理系统BMS、电气系统、结构件、热管理系统和模组构成。其中的模组中,排列分布着电池里的核心储能单元:电芯。

最后,整个电池包会集成到车辆底盘上,为电驱系统提供能量。

在过去,由于电动汽车市场还处于初期阶段,竞争还不激烈。且国家补贴是按照电池质量能量密度,而非整车系统能耗这类涉及实际使用的指标,因此,车企在这方面发力还不多。于是我们看到,包括比亚迪e6、吉利帝豪EV等老一代纯电动车的底盘中部,都拥有像下面这样沉甸甸的电池包。 甚至电池包的下沉厚度,已经超过了车身侧面的下沿。


2018款比亚迪e6 精英版底盘

然而随着车型产品的愈发丰富,以及越来越多的用户开始认可电动汽车的产品力,庞大的电池包不能再满足用户的需求。一方面,过大的电池包将会降低车身的最小离地间隙,导致车辆通过性的降低。更重要的是,从侧面看起来太丑了,即便是在美学上造诣颇深的马自达,整出来的电动车CX-30 EV,也很像一头超重到肚子快拖地的河马;


另一方面,车辆的空间、舒适性开始和续航里程一起,成为消费者选购一款电动车的关键因素。因此,如何对车身尺寸进行优化就成为了摆在车企台面上的问题。其中严重影响了车辆造型和行驶品质的电池包,变成了首当其冲要解决的麻烦。

目前,电动汽车产业链中将电池包分为三个发展阶段。其中,由电芯——模组——PACK(即电池包)构成的层级结构被称之为1.0阶段;去掉模组或减少模组数量,由电芯直接成组构成PACK。该结构被称之为CTP(Cell to PACK),当前宁德时代便在此方面进行了大资源布局;而最后则是终极方案:CTC,即Cell to Chassis,将电池直接放置在底盘上,也就是传说中的电池底盘。 

关于这项技术,全球电动汽车工业的先驱和领头羊特斯拉走过了完整的流程。在2012年特斯拉发布首款电动轿车Model S时,车辆搭载了超过7000个18650锂电池,共分为14到16个模组。之所以将这几千个电芯分拆为14到16个模组最终成组,核心原因有三个:

第一,彼时的电池管理系统BMS还不够先进,无法对逐个电芯进行充放电控制。就像一个万人规模的大公司,领导没有经历关注到每一个员工的OKR完成情况,必须委任“部门领导”。

第二,电池热失控的问题会导致车辆起火爆炸,这项隐患至今仍然在困扰着电动汽车产业,只是在过去更加频发。因此,汽车厂商需要对电池进行物理隔离,避免电芯火烧连营,为事故后的车上乘客赢得逃生时间。

最后,则是电池包内部也需要支撑结构,帮助车身抵抗垂直水平方向上的剪切力。例如在方形电池的电池包内部,拥有类似“井”字型的加强筋,后者也正好可以布置在模组之间的空隙里。


但是,模组的存在必然挤占了电芯的空间。按照“如无必要,勿增实体”的奥卡姆剃刀原则,车企如果要减少电池的整体体积的同时提升续航,必须要削减电池系统内的各项结构,尽可能大地提升电芯占比。因此特斯拉在2017年开始使用能量密度更高且容量更大的21700电池作为车辆储能单元,并将模组的数量减少到了4个。需要注意的是,这个模组数量已经接近了很多号称做出了CTP技术的电池厂商。

最终在今年4月,特斯拉宣布在得州工厂下线的Model Y,开始使用由4680电池构成的能量单元,并采用CTC电池底盘的方案进行整车装配。此时的Model Y已经采用了彻底无模组的设计,所有电池均放置在底盘上,呈蜂窝状排列并削减了垂直方向的车身结构尺寸,由电池直接在上下面板上提供力支撑,加强了在车辆面对极限驾驶时的扭转对抗能力。

特斯拉CTC电池底盘方案带来的好处是明显的。得州工厂生产的Model Y相比上海工厂的同车型车重降低了10%,续航里程增加了14%。更重要的是,生产制造的单位成本降低7%,单位投资下降了8%,工厂的生产效率也大大提升了。 

事实上,意识到了CTC电池底盘方案好处的不止有特斯拉。大众、沃尔沃、博世等车企与供应商都在布局相关领域,量产车型也将在明后年上市。相比之下,这次国内的零跑汽车反而跑在了国际同行的前面。在5月10日,零跑首款实现搭载了CTC方案的量产车C01就实现了发布和预售。


根据介绍,零跑CTC电池底盘的实现方式,是将电池、底盘和下车身进行集成设计。其中,电池布置在下车体结构与电池托盘之间,减少了冗余的结构设计,进而减少能部件数量,提升轻量化水平。零跑方面表示,CTC电池底盘还让车身与电池结构互补,使电池抗冲击能力得到增强,扭转刚度也提升了25%。同时,车辆续航还提升了10%。


更重要的是,零跑的CTC方案减少了电池包与车身之间的安装间隙,让车身垂直空间省下了10毫米。结合车身工程和造型设计,零跑C01的侧面造型明显比前文两款线条更健美,“脂肪”含量更低。

不过,零跑方面虽然开启了预售并宣布了18到27万元的价格区间,但车辆何时会上市交付还没有定论。事实上虎嗅推测,零跑很可能还需要一段时间来对CTC电池底盘技术和制造工艺进行消化。毕竟,这项技术的好处大家都都了解,但工程和技术层面的挑战非常之大。

悠跑科技的相关研发人员告诉虎嗅,打造CTC电池底盘的关键技术难点是动力电池的安全性、可靠性以及密封和连接技术。现在的电动汽车的电池包都是独立布置在底盘上,因此防水密封这类的工艺更多是围绕电池包本身展开。经过几年时间的研发和工艺演进,相关技术已经成熟。在这几年大家也经常在大大小小车展上看到,车企们纷纷采用将电池包整体放入鱼缸,以便用缸里还活蹦乱跳的鱼证明电池的安全性。


但如果采用CTC电池底盘,那么底盘、车身、地板将成为电芯的外壳,必须保证密封性。而这些元器件属于车体相关部件,过去的生产和加工过程中,防水和密封并不是车企要考虑的首要因素。但是汽车底盘糟糕的工作环境,让底盘零件更容易发生破损。而如果不能实现更高标准的安全设计与产品定义,电池发生漏电以及短路风险的概率也会更高。

更要命的是,CTC电池底盘会进一步提升电动汽车在碰撞后的维修成本。由于没有了模组之间的支撑结构,一旦发生重大事故,电芯很可能会相互挤压,最终大面积破损乃至全部报废。当然,即使没有发生碰撞,如果某个电芯出现故障,更换起来恐怕也需要大修乃至拆解底盘,成本非常高。目前,特斯拉声称已经在底盘上开发了铰链和轨道用于更换电芯,但实际效果还需要验证。因此我们可以推断,保险公司很可能将会对采用了CTC电池底盘的车型给予更高的定价。 特斯拉自己做保险业务,大概率也与这项技术有很强的关联性。

诚然,CTC电池底盘技术对车企提出了更大的难题,但广大汽车企业还是对其趋之若鹜。这其中除了有打造更强产品力的考虑之外,还有产业垂直整合方面的野心。毕竟,随着供应链紧张程度和原材料上涨问题的加剧,电动汽车企业正在寻求更强的产业链掌控能力。


“CTC电池底盘没有技术路线之分,各家使用的电芯的规格尺寸不同,采用的集成方式也形态各异。”悠跑的这位电池研发人员对虎嗅说道。在他看来,对于CTC这一概念,市场中其实既没有明确的定义也没有相应的标准。但作为一个技术热点,大家把自己的技术都在往这个概念上靠,有的把大模组集成到一个大平板上再安装到车身上去也在号称为CTC。 

归根结底,各家车企的整车平台形态和尺寸各不相同,因此对于电芯的尺寸和形状都有各自的定制化要求。而作为供应商的电池厂商,基于降本增效的考虑往往会倾向于为各家企业提供标准化电池产品。其中像松下和LG这样的圆柱电池厂商,提供的就是18650和21700两种规格电池。而像宁德时代这样的电池巨头,则倾向于提供方形电池。

而随着CTC电池底盘方案成为行业共识,各家车企都开始提出自己的电池需求。毕竟有了特斯拉的引领效应,车企们在意识到这项技术的可行性之余,心中也燃起了垂直整合的野望。

CTC电池底盘对于电池的管理控制、车身的匹配度提出了更高要求,需要从产品乃至整车平台定义阶段就加以考虑和布局。而这部分能力,仅有车企具备。而相比较宁德时代的方形电池,电芯体积更小,能量密度更高且布置更加灵活的圆柱形电池开始受到了车企们的青睐。

因此我们看到,宝马已经在研发4690圆柱电池,预计2024年实现量产。长城汽车也开发了果冻电池,即将在该集团旗下的沙龙、魏等品牌车型上使用。更不用说汽车行业的垂直整合王者——比亚迪了,该公司在2020便发布了刀片电池。该电池方案通过结构的优化,将磷酸铁锂电池改为长方形薄板的形式在底盘中纵向叠放,让电池外壳成为底盘横向与垂直方向的加强结构。


对此,宁德时代也在自己的方形电池赛道继续发力。根据该公司发布的信息显示,其研发的第三代CTP电池技术——麒麟电池,“能量密度比4680电池还要高13%”。但究竟这款电池实际表现如何,以及有哪些车企会在CTC方案中选择它,还需要时间来证明。 

对于汽车企业和电池厂商而言,围绕CTC电池底盘的研发和博弈已经成为了下一阶段的主旋律。相信随着技术的演进,电动轿车的车身造型会从臃肿变得苗条。后排乘客也不会坐15分钟车,猛磕50次头了。

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