4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?
时间:2024-2-7 15:32       作者:李善安       阅读:3337       频道:前沿资讯
威锐网 主站首页 前沿资讯 查看内容






关注并扫码完成调查问卷,可获得海量资料(图示仅为冰山一角)


前言
“埃隆·马斯克对特斯拉做出的最重要的一个决定,也是在特斯拉成功之路上起决定性作用、对汽车行业产生关键影响的一点,就是车企要尽可能自己生产关键部件,而不是采购独立供应商的数百个零部件后再组装成一辆车。特斯拉通过垂直整合来掌控自己的命运,把控车辆的质量、成本和供应链。”

——《埃隆·马斯克传》

1. 4680 电池+CTC 技术,推进降本制造革命




特斯拉 4680 圆柱电池:高容量、高倍率、低成本。



特斯拉电池降本计划拆解

4680 电池指的是直径 46mm、高度 80mm 的圆柱电池,于 2022 年特斯拉电池日上首次亮相,是圆柱电池从较小的 1865 到 2170 之后,进一步做大的结构创新。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w6.jpg

电池成本和直径的关系,大圆柱利于降本

根据特斯拉的测算,46mm 直径是在圆柱电池对于整车续航里程提升的最优解,并且将带来可观的成本降低。4680 电池相比特斯拉此前采用的 2170 电池,单体容量提升 5 倍(体积、质量也增加约5倍)、车型续航提升16%、功率提升 6 倍,每千瓦时成本降低约14%。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w7.jpg

特斯拉三代动力电池能量密度及尺寸变化

2. 4680 电池:大圆柱+全极耳+干电极技术

大圆柱电池降本增效,减少单位 GWh 投资。4680 电池计划采用大圆柱+全极耳+干电极等全新技术,大幅提升能量(5 倍)、功率(6 倍)、续航里程(16%)降低每千瓦时成本(14%)、单位 GWh 投资(7%)。松下、LG、三星、亿纬、宁德时代、比克等电池企业纷纷跟进布局大圆柱技术路线。



特斯拉在 2022 年电池日上提出五大创新点,分别为电芯设计、电芯工厂、正极材料、负极材料、电芯车身一体化,若均兑现将会改善以下方面:

1)续航里程提升:电芯设计、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献16%、20%、4%、14%,续航总共提升 54%;

2)单位 KWh 成本下降:电芯设计、电芯工厂、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献 14%、18%、5%、12%、7%,单位 KWh 成本总共下降 56%;

3)单位 GWh 投资减少:电芯设计、电芯工厂、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献 7%、34%、4%、16%、8%,单位 GWh 投资总共减少 69%。

创新点 1:全极耳设计,降低内阻,支持大电流快充。相比于以前的圆柱电池,4680 电池最大的结构创新是无极耳,又称全极耳。传统的圆柱体电池,正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕,为了引出电极,会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线叫极耳。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w9.jpg

单极耳(上)与全极耳(下)电子流通路径对比

根据中国汽车工程学会赵宇龙的论文《动力电池 4680 全极耳技术扫描》,传统的 1865 电池卷绕长度是 800mm,以导电更好的铜箔为例,极耳从铜箔上把电导出来长度就是 800mm,相当于电流要通过 800mm 长的导线,通过计算得到电阻大约是 20mΩ;

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w10.jpg

2170 电池中的单极耳结构

2170 电池卷绕长度约是1000mm,电阻约 23mΩ;4680 电池把整个集流体都变成极耳,导电路径不再依赖极耳,电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输,整个导电长度由 1865 或者 2170 铜箔长度的 800~1000mm 变成了 80mm(电池高度),电阻降到 2mΩ,内阻消耗由 2W 降到0.2W,降低了一个数量级。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w11.jpg

4680 电池中全极耳结构

全极耳设计使得 4680 电池支持大电流快充,根据 George Bower 发布于InsideEVs 的测算,预计最大充电速率从 2170 电池组的 250kW 增加到 4680 电池组的 275kW,在 85 华氏度的环境温度下,4680 电池组从10%充电到 80%的计算充电时间为 15 分钟,快于 2170 电池组(25 分钟)。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w12.jpg

湿法电极涂布

创新点 2:干电极涂布,降低电芯生产成本。传统的电极涂布采用湿法工艺,先将电极粉末与溶剂混合制成浆料,之后均匀地涂布在箔材集流体上,最后进行烘干回收溶剂;

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w13.jpg

干法电极涂布

而干法电极直接将电极粉末与粘结剂 PTFE 混合,通过辊压的方式涂布在集流体上,省去了高能耗的烘干环节,从而降低电芯生产成本。同时,特斯拉通过电芯工厂减少 18%生产成本,主要系工艺提升、制造流程简化、生产线效率提高。其中干电极涂布设备占地减少 10 倍,能耗减少 10 倍,成本降低10%-20%,并提高化成效率使得化成投资成本减少 86%,占地面积减少75%。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w14.jpg

特斯拉电芯工厂电极涂覆、卷绕、装配、化成提高效率

创新点 3:硅基负极+高镍正极材料优化,提升能量密度。在 2022 年电池日活动中,特斯拉介绍了 4680 将采用高镍正极和硅基负极材料。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w15.jpg

4680 高镍正极材料

1)正极材料上,镍含量提升一方面能够增加电池的能量密度,另一方面相对价格昂贵的钴含量降低,高镍正极通过兼顾价格与能量密度,使成本降低 12%。



4680 高镍正极材料发展

2)负极材料上,硅的比容量可达 4200mAh/g,是石墨容量(372mAh/g)的 10 倍以上,使用硅基负极可以提高电池的能量密度。截至 2022 年底的 4680 电池尚未采用硅基负极。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w17.jpg

正极成本拆解显示,正极的制造工序是降本的关键之一

4680 电池结合 CTC 技术,已应用至 Model Y AWD 基础款车型。目前该设计已应用至德州工厂 Model Y AWD 基础款车型,该车型于 2023 年 4 月推出,EPA续航里程最高达 449 公里。此外 Cybertruck 也将采用 4680 电池+CTC 技术。

3.  CTC 技术:高集成度助力降本制造




4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w18.jpg

特斯拉结构化电池

特斯拉采用 CTC 技术降本减重,提高集成度。2022 年 9 月,特斯拉在电池日上推出CTC技术,4680电池直接集成在底盘上,作为结构化电池(Structural battery)为底盘提供强度,节省电池包内 module 级和 pack 级的结构件,以此降低整车成本,提高系统集成度。特斯拉计划通过 CTC 技术搭配一体化压铸,实现车身和电池的一体化,减少 370 个零部件,减重 10%。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w19.jpg

车身+电池一体化设计

从 CTP 到 CTC,提升电池集成技术。1.0 时代标准化模组的步骤为电芯-模组电池包-车身,2.0 时代 CTP 技术在此基础上省略模组环节,3.0 时代 CTC/CTB技术采用电芯-底盘/车身集成方案,进一步提高系统集成度。其中零跑 C01 和特斯拉 Model Y AWD 基础款采用 CTC 技术,比亚迪海豹采用 CTB 技术。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w20.jpg

CTP、CTC 和 CTB 技术路线对比

减少安全隐患为 CTC 技术首要挑战,特斯拉采用以下技术解决物理冲击、热失控等安全问题:

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w21.jpg

CTP、CTC 和 CTB 技术图解

1) 采用蜂窝结构吸收物理冲击,增强结构强度:4680 电池包底部是一层蜂窝状镂空层,根据 George Bower,蜂窝设计可以吸收电芯热失控时产生的气体,并在发生碰撞时吸收物理冲击。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w22.jpg

特斯拉储能系统集成技术专利

2) 电芯间填充聚氨酯材料,进行热保护和结构性支撑:特斯拉在电芯上下和电芯之间填充聚氨酯材料,一方面固定电芯,对电芯间进行隔离和缓冲,其中电池靠近车身门槛的两侧灌胶相对更厚,起缓冲作用以避免电芯被挤压起火;另一方面聚氨酯具备隔热性能,可阻挡热量向车内传导。



电芯间填充聚氨酯材料

3) 热失控管理提升:特斯拉在 CTC 方案中电池包一侧配备八个泄压阀,热失控时可以快速打开泄压阀以降低电池起火风险。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w24.jpg

电池包一侧安装八个泄压阀

4. 研发无稀土电机,降低成本




4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w25.jpg

下一代动力系统计划减少 75%碳化硅使用量

2023 年 3 月 2 日特斯拉投资者日,特斯拉负责动力总成工程的副总裁 Colin Campbell 称,特斯拉的下一代永磁电机将不再使用稀土材料,下一代动力系统计划减少75%碳化硅使用量。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w26.jpg

下一代永磁电机不再使用稀土资源

永磁同步电机为特斯拉车型的主流电机。最初特斯拉 Model S 和 Model X 搭载交流感应电机,自 2022 年 Model 3 起以及后续车型均搭载永磁同步电机,包括3D1、3D5、3D6、3D7 型电机等。目前特斯拉主要使用的是最大功率 194kW、最大扭矩 340Nm 的 3D7 型,具备尺寸小及耗电量均衡等优点。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w27.jpg

永磁同步电机

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w28.jpg

交流感应电机

计划搭载无稀土电机,降低成本。我们估计特斯拉计划搭载无稀土电机主要出于降本需求。特斯拉在现行使用的电机中采用的稀土元素主要为镝(10g)、铽(10g)、钕(500g)三种。中国为稀土主要出口国,截至 2023 年 6 月,中国镝、铽和钕的价格分别为 2740 元/千克、10400 元/千克和 617.5 元/千克,按照特斯拉稀土元素用量换算得每个电机驱动单元的稀土成本为440 元。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w29.jpg

2022 年全球稀土储备国家分布情况以及稀土产品价格

实现无稀土电机的可能途径有二:1)采用不需要永磁体的电机;2)在永磁电机基础上使用稀土替代品做永磁体。其中,电机类型方面,交流感应电机和同步磁阻电机存在效率较低问题,未必能满足前沿新能源汽车效能需求,而电励磁电机已搭载至宝马第五代 eDrive 电驱动系统和东风日产 增强现实ARIYA 并实现量产。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w30.jpg

实现无稀土电机愿景的可能途径

永磁体方面,稀土永磁的最大磁能积比铁氧体的大 10-15 倍,远高于铁氧体,氮化铁磁体、铁镍磁体和锰铋基磁体等新型磁性材料还处于研制阶段,前沿是否能满足新能源汽车效能需求并实现量产有待关注。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w31.jpg

BMW 第五代 eDrive 三合一电驱系统

宝马第五代电力驱动系统采用电励磁同步电机,已搭载至量产车型。电励磁同步电机为无稀土电机,磁场由电流通过励磁绕组产生。宝马第五代 BMW eDrive 电力驱动系统采用的电励磁同步电机,电驱系统效率达 93%,已成功搭载至 BMW iX3、宝马 i4 及 2022 年底上市的纯电动 BMW i7 上,其中 i7 xDrive60L 车型 400千瓦和 745Nm 的动力储备使其百公里加速成绩达到 4.7 秒。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w32.jpg
BMW 第五代 eDrive 三合一电驱系统分解图

2023 年 7 月上市的东风日产新版 增强现实ARIYA 500 也采用电励磁同步电机,最大综合功率为 160kW,最大扭矩达到 300Nm。

宝马第五代 BMW eDrive 电驱系统全面升级,高度集成。宝马第五代 BMW eDrive 电力驱动系统将电动机、变速箱和电力电子集成在同一中央壳体中,采用的电励磁同步电机在定子和转子方面都有所提升。

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w33.jpg

BMW 第五代 eDrive 发卡扁线定子

电机定子绕组设计从常规的圆线设计进化至四层“Hairpin”发卡扁线,并采用和电控、变速箱共壳体设计,仍采用水冷设计但将冷却系统集成到共用的壳体上,实现高度集成。电机转子采用电励磁方案,通过直流电励磁,可以通过调整电流来改变转子磁场的大小,具备更高的灵活度。



BMW 第五代 eDrive 电励磁转子

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w35.jpg

4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜? 4680 电池+CTC 技术+一体化压铸+无稀土电机,还只是压「榨」成本的开胃小菜?w36.jpg

活动报名





第二届国际新能源商用车电驱桥创新应用大会将在沪隆重举行,携手构建智电全新格局( 此处立刻了解会议内容)



END


往期回顾





关于「转」子动平衡的那些事



「独家」2024年新能源汽车与动力电池产业展望



【新能源周报】华若汀新能源汽车行业信息周报(2024年1月27日-2月3日)



免责声明:本文为作者独立观点,不代表云想电驱动立场。如因作品内容、版权等存在问题或者其他任何异议,欢迎联系。



来源:“云想电驱动”
声明:转载此文章仅供网友阅读了解该主题,出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述!

上一篇:超级蒙烯材料:石墨烯家族的新成员
下一篇:迈向26%+:n型高效晶硅光伏电池与组件技术路线与展望
关注威锐网,随时随地,阅读分享元宇宙!

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

最新评论






威锐网元宇宙ARVRAI前沿科技网站-记录ARVRAI前沿科技见证元宇宙未来-本站除原创AR增强现实VR虚拟现实AI人工智能元宇宙前沿科技新闻资讯-其它内容来源自网络·已标明来源出处,如已侵犯您的版权,请联系我们删除