無模組技術(shù)在新能源汽車動力電池中的應用與研究

朱小燕

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 常州213025）

1 引言

截至2019 年底，國內(nèi)新能源車保有量381 萬臺。新能源汽車指使用氫能源、太陽能、動力電池、石墨烯等作為動力源，在動力系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)采用先進技術(shù)，具備新型結(jié)構(gòu)、新型技術(shù)的汽車[1]。新能源汽車的快速發(fā)展，帶動了人們對動力電池的巨大需求，動力電池對新能源汽車的續(xù)航、充電和安全起著決定性的作用。動力電池的成本占整車成本的40%以上，具體可分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等[2]。

鋰離子電池的能量密度取決于正極和負極材料，正極材料分為鈷酸鋰（LCO）、磷酸鐵鋰（LFP）、錳酸鋰（LMO）和三元材料（鎳鈷錳NCM/鎳鈷鋁NCA）[3]。

2015—2018 年，動力電池主要為三元電池和磷酸鐵鋰電池，減少“模組”成本未能從根本上降低動力電池的成本，無模組的技術(shù)已經(jīng)成為一種有效改善當前動力電池的能量密度的方法，不僅提高容量利用率和減少電池組的零件的數(shù)量，還提高了生產(chǎn)效率。

2 CTP 技術(shù)概述

2.1 CTP 技術(shù)的概念

模組指將若干關(guān)聯(lián)的零部件組成模塊，在電池包（Pack）由若干個模組、BMS、配電模塊組成，動力電池模組是將N支電芯、采樣單元、導電排和必需的結(jié)構(gòu)部件集合于一體的模塊[4]。比如特斯拉將7 000 多支電芯預先集成若干個模塊，模塊中集成了部分電芯，最后安裝在電池箱體內(nèi)部。通過這種模組工藝大大降低了裝配復雜程度，生產(chǎn)效率也得以提升。此外，模塊化設計有利于動力電池維修保養(yǎng)，方便更換模塊或模組，所帶來的個別問題是模組的應用增加許多其他零部件，致使電池包（Pack）的質(zhì)量增加、成本增加。無模組技術(shù)（CTP 技術(shù)）全稱為Cell To Pack，是減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級Pack 結(jié)構(gòu)的技術(shù)。目前有兩種不同的技術(shù)路線：以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組的方案；以寧德時代CTP 技術(shù)為代表的小模組組合成大模組的方案。

2.2 CTP 技術(shù)的優(yōu)勢

2.2.1 輕量化

CTP 技術(shù)可以最小化電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如側(cè)板、底板緊固件、連接器、縱梁、橫梁等模塊之間的部件，實現(xiàn)電池的輕量化。

2.2.2 電池能量密度高

CTP 技術(shù)主要從質(zhì)量比和體積比這兩個維度，提升能量密度[5]。寧德時代CTP 技術(shù)的重能密度比可達200 W·h/kg，比亞迪的CTP 技術(shù)將其能源密度提高了50%。

2.2.3 成本低

CTP 技術(shù)可以大大降低動力電池的成本。比亞迪的刀片成本包括電池組本身的控制成本、簡化制造和組裝過程等因素，這些因素使不良率降低了20%～30%；寧德時代生產(chǎn)效率提高50%帶來的積極影響，顯著降低了成本。

3 CTP 技術(shù)在動力電池中的應用分析

3.1 比亞迪CTP 技術(shù)

比亞迪刀片電池，基于前殼電池，使電池“長”和“薄”的形狀與刀片類似，如圖1 所示。比亞迪有五種不同的電池規(guī)格。這種電池與目前的方殼電池相比，高度沒有變化，厚度比軟殼電池略厚。主要的變化是長度，由435 mm 增加到2 500 mm。電池的制作依賴于CTP 技術(shù)，一方面，該技術(shù)提高了電池組的內(nèi)裝空間利用率，提高了內(nèi)裝功率；另一方面，它減少了背包的質(zhì)量，提高了整個背包的能量密度。刀片電池基于磷酸鐵鋰技術(shù)的創(chuàng)新，具有啟動放熱溫度高、溫升慢、產(chǎn)熱少、不釋氧等優(yōu)點。此外，葉片電池變長變薄，表面積也增加，整體散熱更好。電池的短路電路相對較長，產(chǎn)生的熱量較少，所以刀片電針的性能是非常完美的。結(jié)合比亞迪的綜合高溫“陶瓷電池”技術(shù)，刀片電池的安全性得到了極大提高。除了高安全性外，葉片電池還具有續(xù)航時間長、強度高的優(yōu)點。

圖1 比亞迪刀片電池

在電池組整體體積相同的情況下，現(xiàn)有電池組結(jié)構(gòu)中各模塊有側(cè)板、端板、緊固件、橫梁、縱梁等構(gòu)件，空間利用率約為40%。比亞迪電池組的CTP 技術(shù)不包括電池管理系統(tǒng)、配電箱等部件，電池組的空間利用率約為62%。受不同單元布局的影響，包裝的空間利用率分別為55%、60%、62%和65%，甚至在有需求時可以達到80%[6]。即使是同一款車，CTP 電池組也能將電池容量提高20%～30%，電池壽命延長20%～30%。刀片電池將首次用于比亞迪的漢EV 電動汽車。

3.2 寧德時代CTP 技術(shù)

寧德時代推出了全新的CTP 高集成動力電池開發(fā)平臺，即將電池單體直接集成到電池組中[7]。與傳統(tǒng)的電池相比，CTP 電池組的容量利用率增加15%～20%，零部件的數(shù)量減少了40%，生產(chǎn)效率提升了50%，電池的能量密度提高10%～15%，這將大大降低動力電池的制造成本。電池組由至少兩個大模塊組成，每個模塊通過緊固件連接到電池托盤上，最后將電池組固定到不同的橫梁上。

寧德時代CTP 技術(shù)是將一個大的模塊通過若干個塑料散熱片分割成小空間，這些塑料散熱片可以像電腦硬盤一樣插入小空間。每個電池的側(cè)面還貼有一個導熱硅膠墊片，并且在電池寬度方向的散熱板上有一個冷卻通道，可以直接與外部冷卻管路連接[8]。這可以減少大約40%來自模塊之間連接線束、側(cè)板、底板等的部件。去掉電池模塊，將電池直接集成到電池組中，可以提高電池組的空間利用率，減輕電池組的質(zhì)量，提高能量密度，降低成本。寧德時代CTP 技術(shù)電池如圖2 所示。

圖2 寧德時代CTP 技術(shù)電池

3.3 蜂巢新能源CTP 技術(shù)

蜂巢新能源的CTP 技術(shù)既有無模方案又有大模方案，如圖3 所示。與傳統(tǒng)的蜂窩590 模塊相比，CTP-G1 減少了24%的零件數(shù)量，電池成本降低了0.1 元/W·h。CTP-G2 使電池組效率按質(zhì)量增加5%～10%，空間利用率提高5%，零件數(shù)量減少22%，電池成本降低0.21 元/W·h。CTP 技術(shù)的另一個優(yōu)點是生產(chǎn)過程簡單。傳統(tǒng)技術(shù)的電芯通過一定的框架結(jié)構(gòu)形成一個模塊，模塊到離線檢測，然后存儲、傳輸。如果包裝和模塊不在同一家工廠，則需要額外儲存、來料檢驗、在線檢驗等。這些過程需要人力、設備、場地和其他資源的投入。采用無模組方案可以有效縮短生產(chǎn)線，減少生產(chǎn)過程中的浪費。電芯在線堆疊，測試后直接放入電池盒，大大減少了流動過程，減少了模塊傳統(tǒng)的框架焊接過程。

圖3 蜂巢新能源的CTP 電池

4 CTP 技術(shù)的分析

4.1 電池碰撞安全

電池碰撞安全是影響新能源汽車發(fā)展的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]。傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)的電池組提供了額外的一層保護，防止碰撞模塊。利用CTP 技術(shù)在電池組中使用，去除電池組的側(cè)梁，電池將直接承受碰撞的影響。包裝框架采用直接擠壓鋁制成，增加強度；每個大模塊內(nèi)部的塑料外殼采用注塑成型。在注射成型過程中，將冷卻板嵌入箱體模具中，實現(xiàn)整體成型[10]。因此，對CTP 電池組提出了更高的防撞要求。

4.2 電池熱管理

隨著新技術(shù)對電池組結(jié)構(gòu)的改變，對電池的熱管理系統(tǒng)甚至BMS 系統(tǒng)提出了新的設計要求和策略[11]。例如，比亞迪為電池組設計了新的排氣口和排氣通道。排氣口與閥芯兩端的防爆閥相對，當火焰、煙氣或氣體從防爆閥排出時，通過排氣孔進入排煙通道，從電池組排出。寧德時間的各個模塊采用CTP 技術(shù)，并內(nèi)置在上下殼層。殼體中部填滿導熱膠，在電芯側(cè)壁與殼體之間設有壓力或溫度傳感器，它用于檢測電池的形狀變化和溫度變化，以消除電池的故障，并提前測量熱逃逸現(xiàn)象[12]。

4.3 售后維修成本和便捷性

完善和細化售后服務體系已成為汽車公司和電池公司的售后服務迫切需要。由于電池以某種方式直接固定在電池組托盤上，未來的維護將需要制訂更高的技術(shù)要求，或者一個電池有故障可能需要更換整個電池組。整體電池更換成本較高，因為消費者在購買電動車時享受的國家補貼僅針對車輛，動力電池不單獨享受補貼，所以動力電池的更換比車輛成本高。除了高昂的售后維修費用和保修、回購、折價條件的諸多限制，新能源汽車的售后服務存在售后維修網(wǎng)點少、維修周期長等缺點。售后服務配套體系滯后，也對消費市場的培育產(chǎn)生了一定的負面影響。完善和細化售后服務體系已成為汽車公司和電池公司的迫切需要。

4.4 電池的一致性

電池生產(chǎn)與電池使用的一致性是一個難以解決的問題。采用CTP 技術(shù)的電芯可以由幾個較小的電芯一個接一個地串聯(lián)起來。電源包由數(shù)百個不同的電池組成，輸出的數(shù)量由最差的電池決定。由于鋰電池充電和放電有一定的危險，嚴重的可能會導致火災和爆炸，所以在電池、電池管理系統(tǒng)可以實時收集每個電池的電壓，當電壓超過充電截止電壓和放電電壓時，主動切斷電池，確保不會再有收費行為，保證電池的安全。一旦電池管理系統(tǒng)檢測到數(shù)千個電池中的一個已經(jīng)充滿電，它就會停止整個充電過程。放電是一樣的，只有一個電池已經(jīng)放電，就會切斷整個電池的輸出。電池的稠度差，就像新舊電池混在一起。電池的差別很大，除了會拖下正常的電池，還是整個電池組的弱項，過充、過放電、發(fā)熱等，都由它們來決定。

4.5 電池回收

2018—2020 年，報廢動力電池總量將達到12 萬噸～20萬噸，到2025 年，報廢動力電池總量將超過75 萬噸[13]。如果大規(guī)模廢舊電池被不當處理，不僅會浪費大量寶貴的資源，阻礙行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還會成為破壞生態(tài)環(huán)境、危害公眾健康的重大隱患。從技術(shù)角度看，中國動力電池回收還存在一些技術(shù)問題需要解決。從成本角度來看，目前廢舊電池數(shù)量尚未完全形成規(guī)模，企業(yè)難以實現(xiàn)規(guī)模效應和獲得利潤[14]。因此，中國的動力電池回收政策和產(chǎn)業(yè)體系建設還有待完善，需要探索新的商業(yè)模式，鼓勵更多的社會資源參與到動力電池回收商業(yè)模式的創(chuàng)新中來。

5 結(jié)語

CTP 技術(shù)是基于高質(zhì)量電池的系統(tǒng)進行工藝創(chuàng)新。隨著CTP 技術(shù)的推廣，將進一步提升現(xiàn)有成熟技術(shù)的潛力，給固態(tài)電池帶來巨大的壓力。環(huán)境在變化，科技在進步，隨著新能源汽車動力電池技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，TCP 技術(shù)必將在未來的新能源領域得以廣泛應用。