新能源汽車動力電池結(jié)構(gòu)及成組技術(shù)綜述

邱偉

摘 要：動力電池作為新能源汽車的核心部件，不僅直接影響整車的續(xù)航里程、安全性、動力性、環(huán)境適應(yīng)性和長期可靠性等方面性能，同時也決定了整車成本的高低。近年來，雖然新能源汽車滲透率快速提升，但動力電池在材料體系方面的突破仍然有限，因此結(jié)構(gòu)和成組技術(shù)創(chuàng)新的重要性就愈加凸顯。本文主要從新能源汽車電池結(jié)構(gòu)集成的角度，分析和論述動力電池成組技術(shù)的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池 結(jié)構(gòu) 成組技術(shù)

1 引言

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年我國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長35.8%、37.9%，實現(xiàn)產(chǎn)銷兩旺。根據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年我國動力電池裝車量達到387.7GWh，同比增長31.6%。

雖然近幾年新能源汽車產(chǎn)銷量和動力電池裝機量都實現(xiàn)了較大幅度的增長，但是以三元鋰和磷酸鐵鋰為主體的鋰電池材料體系性能并沒有實現(xiàn)突破，而是步入相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。相反，Pack層級結(jié)構(gòu)和成組技術(shù)的創(chuàng)新成果豐碩，有力的推動了行業(yè)的快速發(fā)展和進步。

2 動力電池結(jié)構(gòu)概述

新能源汽車動力電池是機械、電氣、電化學(xué)和熱力學(xué)等多學(xué)科交匯耦合的部件，在整車上應(yīng)用面臨著來自內(nèi)部和外部多重因素的疊加影響，因此其具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來確保自身的強度、安全性、可靠性、熱適應(yīng)性和效率。

2.1 電芯結(jié)構(gòu)

電芯作為動力電池的核心部件，是電池系統(tǒng)存儲能量的基本單元，決定著能量密度、功率性能、安全性和壽命等核心性能。電芯從結(jié)構(gòu)形式上劃分，主要有圓柱、方殼和軟包三種，如圖1所示。

圓柱電芯一般采用鋼殼，尺寸小巧、布置靈活，生產(chǎn)工藝成熟，一致性較高，但存在成組效率低、單體容量小、BMS管理復(fù)雜度高和壽命差的問題。圓柱電芯的主要生產(chǎn)企業(yè)有LG化學(xué)、松下、三星SDI等，主要應(yīng)用車企為特斯拉、現(xiàn)代、保時捷等。

方殼電芯具有易成組、效率高、單體容量大、高安全性等優(yōu)點，但需要開模，成本高，且工藝設(shè)備兼容難度大。方殼電芯的主要生產(chǎn)企業(yè)為寧德時代、比亞迪、國軒高科等，主要應(yīng)用車企有特斯拉、比亞迪、吉利、北汽、蔚小理等。

軟包電芯采用疊片工藝進行裸電芯制作，鋁塑膜熱封裝，尺寸變化靈活，但殼體機械強度低，成組效率低，成本相對較高。軟包電芯的主要生產(chǎn)企業(yè)有AESC、LG 化學(xué)、孚能科技等，主要應(yīng)用車企有雷諾、日產(chǎn)等。

根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2022年國內(nèi)方殼電池市場占比達到93.2%，占據(jù)絕對優(yōu)勢。相比之下，圓柱和軟包的市場份額分別為4.5%和2.3%。

2.2 電池包Pack或系統(tǒng)組成

乘用車動力電池多為單箱系統(tǒng)，我們稱之為電池包或Pack。Pack在結(jié)構(gòu)上大體可以分為單體（電芯或模組）、下箱體、上箱蓋、高低壓線束、BMS、功能組件等幾個部分。圖2為某乘用車動力電池Pack。

商用車由于電池電量較大，且整車的布置空間較為充分，對重量的敏感度相對更低，因此電池系統(tǒng)一般由多個Pack通過高低壓線束和高壓箱串并聯(lián)形成，如圖3所示為某客車動力電池系統(tǒng)組成。

3 動力電池成組技術(shù)

將電池由單體集成為Pack的技術(shù)叫成組技術(shù)，主要涉及結(jié)構(gòu)、熱管理、電連接設(shè)計和BMS技術(shù)。縱觀動力電池發(fā)展的歷史，成組技術(shù)起步于MTP（Module To Pack），到今天的以CTP（Cell To Pack）為主流，并繼續(xù)探索更高集成效率的CTC（Cell To Chassis）、 CTB（Cell To Body & Braket）和MTB（Module To Body）等成組技術(shù)。

3.1 MTP（Module To Pack）

2016年以前，動力電池主要采用MTP（Module To Pack）技術(shù)進行成組，即先由電芯集成為模組，再由模組集成為Pack。MTP技術(shù)的特征是模組可拆卸和更換，具有較好的可維護性，因此對電芯層級的一致性要求較低。但由于模組的存在，不參與電化學(xué)能量儲存的結(jié)構(gòu)件數(shù)量較多，故而成組效率較低，重量成組效率約60%～75%，體積成組效率約35%～45%。

MTP成組技術(shù)的核心在于模組設(shè)計。模組一般由框架（端板、側(cè)板、底板）、Cell、高低壓電氣連接組件、CCS組件、絕緣和緩沖組件組成。如圖4所示為某單排模組爆炸圖。好的模組設(shè)計，不僅要充分考慮適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強度、合理的尺寸公差、安全可靠的電氣連接及采樣，同時還需要具備高效的熱管理設(shè)計、精準的電芯膨脹力應(yīng)對設(shè)計和輕量化設(shè)計。

3.2 CTP（Cell To Pack）

CTP是Cell To Pack的縮寫，指將電芯直接集成到Pack的技術(shù)。2016年，寧德時代率先在客車上推出全球第一代CTP Pack產(chǎn)品，取消了傳統(tǒng)的模組結(jié)構(gòu)，用簡易模組（僅含電芯、端板、鋼帶或綁帶）取而代之，并通過高強度的結(jié)構(gòu)膠與下箱體進行固定，如圖5所示。由于取消了模組，Pack的零部件數(shù)量減少了40%，重量能量密度提升了10%～15%，體積能量密度提升了10%～20%，同時生產(chǎn)效率提升了50%[1]。

CTP技術(shù)的特征在于電芯與箱體通過高強度結(jié)構(gòu)膠永久性粘合固定，因此無法拆卸和維護。哪怕僅有一顆電芯出現(xiàn)質(zhì)量問題，就需要整包更換，這對電芯的一致性和長期可靠性提出了非常高的要求，以至于在寧德時代推出CTP產(chǎn)品的最初幾年鮮有友商敢于跟進。

寧德時代CTP技術(shù)起源于商用車磷酸鐵鋰標(biāo)準Pack產(chǎn)品開發(fā)，并拓展應(yīng)用到乘用車三元 Pack設(shè)計，衍生出多種變形版本。圖6、圖7分別是寧德時代商用車和乘用車CTP產(chǎn)品的發(fā)展演進情況。其中乘用車CTP3.0的麒麟電池，進一步將箱體橫縱梁、水冷板、電芯間隔熱墊和緩沖墊等集成為四合一多功能彈性夾層部件（如圖8所示），大幅度提升了空間利用率，實現(xiàn)72%的超高體積成組效率，Pack能量密度高達255Wh/kg。

比亞迪的刀片電池也屬于CTP成組技術(shù)范疇，不同的是電芯的形狀為扁長條狀，形似刀片，可以作為Pack結(jié)構(gòu)件的一部分，以此來減少箱體橫、縱梁結(jié)構(gòu)的數(shù)量，從而有效的利用Pack內(nèi)部的空間。

3.3 CTC（Cell To Chassis）

CTP技術(shù)有效提升了Pack層級的成組效率，但仍然存在Pack與整車耦合的過程。如果能夠?qū)ack取消，直接將電芯集成到整車或底盤上，將進一步提升電池的成組效率。正是基于這一目標(biāo)，近年來新能源整車和動力電池企業(yè)都在探索電池與整車一體化集成技術(shù)。

電池與整車一體化集成技術(shù)根據(jù)底盤和車身是否可以解耦可以劃分為CTC（Cell To Chassis，電芯集成到底盤）和 CTB（Cell To Body，電芯集成到車身）兩種路線。CTC技術(shù)主要應(yīng)用于非承載式車身，整車有完全獨立的底盤，且底盤與上車身解耦，可以根據(jù)需要更換上車身。CTC與線控底盤系統(tǒng)、域控集成、整車熱管理集成和高壓電氣集成一起組成一體化底盤集成技術(shù)的五大關(guān)鍵特征，圖9為某CTC一體化底盤。

采用CTC成組技術(shù)的電池不再是一個獨立的總成，而是融合為底盤的一部分，進一步減少了零部件數(shù)量，降低重量，節(jié)約成本。相對于CTP，CTC的空間利用率可以提升10%～15%，因此整車可以裝進更大的電量以提升續(xù)航里程。

盡管CTC技術(shù)優(yōu)勢明顯，其在安全性、維修性和生產(chǎn)制造等方面同樣面臨著較大的困難和挑戰(zhàn)。由于取消了Pack，整車發(fā)生碰撞時電芯直接受外力沖擊導(dǎo)致失效的可能性大幅增加，電池的碰撞安全性降低。其次，電芯通過高強度結(jié)構(gòu)膠粘接在底盤上，維修成本較CTP更高。另外，電池的裝配過程置于底盤生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大增加了總裝的復(fù)雜性和困難度，同時也對產(chǎn)線規(guī)劃、工藝設(shè)備和生產(chǎn)效率帶來新的挑戰(zhàn)。

3.4 CTB/MTB（Cell/Module To Body）

CTB/MTB技術(shù)即Cell/Module To Body，電芯或模組集成到車身，主要應(yīng)用于承載式車身，是傳統(tǒng)Pack To Body技術(shù)的延申，特征是將電池Pack的上蓋和乘員艙地板進行集成整合，從而在Z向上額外獲取10～15mm的空間，或用于布置電池，或用于提升乘員艙總體高度。表1為兩種CTB/MTB成組技術(shù)對比。零跑汽車宣稱其MTB技術(shù)相對于傳統(tǒng)電池包方案零部件數(shù)量減少20%，電池布置空間提升14.5%，同時得益于大量高強度鋼的使用，整車扭轉(zhuǎn)剛度提升了25%[2]。

3.5 MTC/MTV（Module To Chassis/Vehicle）

對于商用車來說，電池系統(tǒng)的配電量比較大，動輒200～450kWh[3]，甚至更高。同時，商用車小批量多品種的屬性特點要求整車的電量配置可以靈活調(diào)整，同一個底盤平臺產(chǎn)品可能要兼容多個電量配置，且電量跨度也大。此外，整車的應(yīng)用工況也較乘用車更加惡劣，這些特點要求商用車電池具有更安全的界面性能和出色的可維護性，因此MTC/MTV技術(shù)應(yīng)運而生。

MTC/MTV技術(shù)是將模組直接集成到底盤或整車的技術(shù)。這一技術(shù)雖然保留了模組，但由于其具有獨立的機械強度、電氣設(shè)計和一定等級的防護性能，以及標(biāo)準化對外接口和清晰的性能界面，可以省去Pack層級的結(jié)構(gòu)部件，因此，可以更充分的利用底盤或車身空間。以重卡后背換電為例，在換電框架尺寸相同的前提下，采用MTC/MTV技術(shù)相較于CTP電池Pack方案可以提升約34%的系統(tǒng)電量。此外，模組可以靈活的串并聯(lián)組成不同電量的系統(tǒng)，兼具良好的維修性能，能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用場景和嚴苛的工況要求。圖10為重卡和客車MTV應(yīng)用方案示意。

3.6 電芯倒置與側(cè)躺

在各種成組技術(shù)的實際應(yīng)用中，電芯基本都是正立放置的（主要指方殼電芯）。2022年6月寧德時代發(fā)布麒麟電池，首次提出了電芯倒置成組方案，可以提升6%空間利用率。2023年12月，小米汽車發(fā)布的SU7車型，是全球首款搭載寧德時代電芯倒置電池的車型，如圖11所示。

電芯倒置方案可以將正立方案中電芯極柱上方用于Busbar、絕緣片、采樣線等部件的空間，與為滿足底部球擊標(biāo)準要求而設(shè)計的電芯底部緩沖空間合二為一，進而在Z向尺寸上額外挖掘出5～10mm，實現(xiàn)空間利用率的提升。此外，由于電芯泄壓閥朝下，配合Pack獨特的泄壓路徑設(shè)計，可以保證電芯在熱失控情況下快速向下釋放熱量和壓力，從而最大程度保障上方乘員艙的安全。

2022年6月，上汽乘用車首次發(fā)布了“魔方電池”O(jiān)NE PACK，其特征在于將方殼電芯側(cè)躺，并進行2層堆疊布置。電芯側(cè)躺的優(yōu)勢在于電解液的浸潤更加充分和均勻，因此可以有效改善循環(huán)壽命。同時，2層堆疊的設(shè)計大幅度降低了電芯膨脹力的影響，Pack可以通過更簡單的結(jié)構(gòu)來約束電芯膨脹。

方殼電芯側(cè)躺方案的局限在于電芯堆疊的層數(shù)有限，進而影響電量拓展的靈活性。堆疊層數(shù)增加會降低Pack的整體結(jié)構(gòu)強度，增加熱管理和熱失控防護方面的難度。因此，目前除上汽以外，鮮有采用方殼電芯側(cè)躺的應(yīng)用案例。

3.7 電池包內(nèi)熱管理

動力電池系統(tǒng)熱管理是通過冷卻或加熱的方式來調(diào)整和控制電池的溫度，使之在合理的溫度區(qū)間運行，從而達到保障電池運行安全和提高電池使用壽命的目的[4]。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)根據(jù)功能可以劃分為冷卻技術(shù)和加熱技術(shù)兩類，其中冷卻技術(shù)主要有自然冷卻、液冷和直冷[5]；加熱技術(shù)主要有電加熱膜加熱、液熱和高頻電芯自加熱技術(shù)。

不同的熱管理技術(shù)直接影響電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖12為主流電池冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)組成示意，冷板根據(jù)需要可以合理的設(shè)置在電芯底部、側(cè)部或上部，以獲得最佳的冷卻效果和性價比。圖13為主流加熱技術(shù)結(jié)構(gòu)組成示意。表2是當(dāng)前主流的幾種電池冷卻和加熱技術(shù)對比。

上述電池?zé)峁芾砑夹g(shù)并未與整車其他系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)和集成。隨著新能源汽車對效率和成本的追求日漸嚴格，電池系統(tǒng)的熱管理將與乘員艙熱管理、電機熱管理等進行深度整合，共同組成新能源整車集成熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)優(yōu)良性能的同時獲得更低的能耗和成本。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)性介紹了新能源汽車動力電池的結(jié)構(gòu)及組成，并從動力電池結(jié)構(gòu)角度歸納總結(jié)了不同成組技術(shù)的分類和特點。同時還延申探討了Pack內(nèi)部電芯倒置和側(cè)躺的優(yōu)缺點以及面臨的挑戰(zhàn)。此外，也對當(dāng)前動力電池主流熱管理方案進行了梳理和對比分析。

動力電池成組技術(shù)的發(fā)展與進步，既可以有效提升新能源汽車整車的綜合性能、降低成本，也會對整車結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、供應(yīng)鏈關(guān)系等方面帶來深遠的影響和新的挑戰(zhàn)。在鋰離子電池材料與材料體系創(chuàng)新未取得重大進步的階段，動力電池成組技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，是引領(lǐng)新能源汽車產(chǎn)品競爭力躍升的重要路徑。

參考文獻：

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