胡建國(guó)

寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 福建省寧德市 352100

1 引言

在新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展的初期，各家OEM發(fā)布了大量“舊瓶裝新酒”的油改電新能源車(chē)型，因其產(chǎn)品延續(xù)著傳統(tǒng)油車(chē)的空間布局和造型設(shè)計(jì)，電池系統(tǒng)在整車(chē)的布局處處受限，產(chǎn)品力低下，用戶(hù)體驗(yàn)不佳。隨著以特斯拉為代表的新勢(shì)力“全新的智能化電動(dòng)車(chē)平臺(tái)”發(fā)布，匹配著一代電池技術(shù)，在全球范圍內(nèi)快速掀起了一場(chǎng)全新的綠色工業(yè)革命。在這種原生純電動(dòng)車(chē)基礎(chǔ)上，電池組得以更高效、規(guī)整的安裝在最理想的空間位置，三電系統(tǒng)可以更合理的布局，整車(chē)的電子電氣架構(gòu)及熱管理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高效的集成，使得車(chē)輛的能效、續(xù)航、智能化等維度產(chǎn)品力極大加強(qiáng)。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)新能源汽車(chē)全年產(chǎn)銷(xiāo)兩旺，銷(xiāo)售完成352.1萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)1.6倍，連續(xù)7年位居全球第一，整個(gè)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)變革驅(qū)動(dòng)、生態(tài)重塑轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段[1]。我國(guó)歷來(lái)重視新能源產(chǎn)業(yè)的布局與發(fā)展，在這次變革中涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的自主研發(fā)設(shè)計(jì)的優(yōu)秀企業(yè)，諸多創(chuàng)新技術(shù)引領(lǐng)著行業(yè)發(fā)展方向，其中動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其性能優(yōu)劣直接決定了整車(chē)的成本、續(xù)航、安全可靠性、使用壽命等各類(lèi)指標(biāo)。

目前主流液態(tài)鋰離子電池材料技術(shù)經(jīng)歷過(guò)去幾年的快速發(fā)展，能量密度的提升與成本下降已經(jīng)進(jìn)步相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展階段，動(dòng)力電池與整車(chē)集成效率進(jìn)一步提升可以為整車(chē)帶來(lái)顯著的輕量化、節(jié)能化、智能化及低成本邊際效益。多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)近幾年重點(diǎn)研究并發(fā)布了pack級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的新技術(shù)，特別是在如電池輕量化[2]、熱管理集成化[3]、高低壓系統(tǒng)集成化[4]等集成化方面取得諸多創(chuàng)新的技術(shù)進(jìn)步。另外電池本身作為機(jī)械、化學(xué)、熱力學(xué)、電氣耦合的復(fù)雜集合零部件，集成技術(shù)發(fā)展方向?qū)⑸婕案艿某叽缈刂?，多功能合一、空間共享、化繁為簡(jiǎn)等多維度更精細(xì)化的設(shè)計(jì)平衡與跨界融合。

2 結(jié)構(gòu)集成

動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)集成指通過(guò)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)件或功能部件與動(dòng)力電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)共用、功能融合，以達(dá)到減少零部件總數(shù)，減少空間，降低成本并能提升整車(chē)強(qiáng)度與實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理性能的集成技術(shù)。目前動(dòng)力電池行業(yè)主流技術(shù)為CTP（Cell to Pack，電芯到電池包）技術(shù)，有向CTC（Cell to Chassis，電芯到底盤(pán)）技術(shù)演進(jìn)的趨勢(shì)，如圖1所示。下面具體介紹CTP技術(shù)和CTC技術(shù)。

圖1 電芯到底盤(pán)的成組路徑

2.1 CTP技術(shù)

CTP技術(shù)由寧德時(shí)代在2016年已有第一代商用車(chē)啟動(dòng)應(yīng)用，2019年下半年乘用車(chē)推出，指電芯跳過(guò)模組，直接集成在電池包中，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)維度的升級(jí)。一是結(jié)構(gòu)件集成效率提升，取消了模組結(jié)構(gòu)件，采用電池包結(jié)構(gòu)梁承載；二是功能融合提升，水冷板與底版共用，電池包上蓋自帶隔熱保溫功能。使得系統(tǒng)體積利用率提升、系統(tǒng)能量密度提高、零部件數(shù)量減少，進(jìn)而降低了成本。

CTP技術(shù)經(jīng)歷了幾代發(fā)展，目前可將箱體結(jié)構(gòu)件、加熱裝置、冷卻裝置、高壓保護(hù)裝置等高度集成，Pack能量密度可達(dá)230Wh/kg，比傳統(tǒng)Pack140Wh/kg提升60%以上。

如圖2所示，寧德時(shí)代第一代CTP通過(guò)采用虛擬大模組，端板結(jié)構(gòu)等技術(shù)，提升了Pack集成化程度，能量密度可達(dá)到180Wh/kg以上；第二代CTP通過(guò)Pack下箱體分區(qū)設(shè)計(jì)，去除端板結(jié)構(gòu)，同時(shí)可兼容NP技術(shù)（不熱擴(kuò)散技術(shù)）和AB電池等，能量密度可達(dá)到200Wh/kg以上；第三代CTP技術(shù)通過(guò)水冷版?zhèn)戎?，即起到隔熱功能，又加?qiáng)了系統(tǒng)的冷卻能力，使得高倍率快速充電成為可能，能量密度可達(dá)到250Wh/kg以上，計(jì)劃于2023年量產(chǎn)。

圖2 寧德時(shí)代CTP技術(shù)演進(jìn)

寧德時(shí)代第三代CTP技術(shù)，稱(chēng)為麒麟電池。其取消橫縱梁、水冷版、隔熱墊原本各自獨(dú)立的設(shè)計(jì)，集成為多功能彈性?shī)A層，內(nèi)置微米橋連接裝置，同時(shí)具備支撐、水冷、隔熱、緩沖四大功能；此外麒麟電池電芯排列采用倒置方式，開(kāi)創(chuàng)性的讓多個(gè)模塊共用底部空間，將結(jié)構(gòu)防護(hù)、高壓連接、熱失控排氣等功能進(jìn)行智能分布。寧德時(shí)代公布的最新參數(shù)表明，體積利用率達(dá)72%，能量密度255Wh/kg，同時(shí)快充性能達(dá)到10分鐘充電10%～80%SoC的能力。

圖3 寧德時(shí)代麒麟電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CTP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，但隨著集成效率的逐漸提高，在高壓安全、熱管理、采樣及算法控制方面給設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。具體有：

（1）結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)鋁型材，擠壓、焊接工藝；（2）水冷板設(shè)計(jì)、水道流向、水流支路流量及制冷量分配；（3）電池包內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度隔離設(shè)計(jì)；（4）電氣間隙、爬電距離、絕緣設(shè)計(jì)匹配；（5）電芯采樣及控制精度，絕緣設(shè)計(jì)及檢測(cè)等。

為了應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，需要電池廠家具有很強(qiáng)的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證及生產(chǎn)制造能力，隨著車(chē)廠逐漸重視電池系統(tǒng)和整車(chē)匹配技術(shù)，行業(yè)上將目光投向CTC技術(shù)，希望通過(guò)CTC能進(jìn)一步提升車(chē)輛的整體性能。

2.2 CTC技術(shù)

電池包技術(shù)從CTP發(fā)展到CTC，零件的外形、材質(zhì)、組合形式等都伴隨電池集成技術(shù)的進(jìn)步發(fā)生改變，整體的方向是一體化、集成化。在乘用車(chē)和商用車(chē)上，都有新一代的產(chǎn)品發(fā)布。

2.2.1 乘用車(chē)CTC技術(shù)

2020年9月，特斯拉發(fā)布了與4680圓柱電芯匹配的CTC技術(shù)，引發(fā)了行業(yè)關(guān)注。電池上蓋與車(chē)身地板集成為一個(gè)部件，車(chē)內(nèi)座椅直接安裝在地板上。為車(chē)內(nèi)增加了10mm高度空間。從結(jié)構(gòu)原理上看，其電芯底托板、電芯布置均為CTP技術(shù)，只是在電池包上蓋上做了集成，特斯拉稱(chēng)可為車(chē)輛降低 10%車(chē)重，減少 370個(gè)零件，單位成本下降 7%。 2022年4月和5月，零跑汽車(chē)和比亞迪汽車(chē)發(fā)布的CTC和CTB技術(shù)原理與特斯拉如出一轍，稱(chēng)可通過(guò)電池包結(jié)構(gòu)件與車(chē)身結(jié)構(gòu)件融合，提升車(chē)輛扭轉(zhuǎn)剛度。[5][6]

2.2.2 商用車(chē)CTC技術(shù)（或稱(chēng)MTC、MTV技術(shù)）

商用車(chē)如客車(chē)、卡車(chē)等，一般為大電量（電量200kWh~450kWh）設(shè)計(jì)，采用多個(gè)電池包通過(guò)串并聯(lián)得到所需電壓和電量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，通過(guò)支架安裝，導(dǎo)致空間利用率低。

圖4 特斯拉CTC結(jié)構(gòu)圖

以客車(chē)為例，現(xiàn)有電池安裝在車(chē)輛下部，如圖5a，導(dǎo)致人員站立位置有臺(tái)階，人員上下車(chē)輛不便。新一代電池安裝在車(chē)輛頂部，如圖5b，電池采用模組到車(chē)輛的集成方式，與車(chē)輛一體化設(shè)計(jì)，體積利用率提升40%，重量能量密度提升10%，并可幫助整車(chē)減重150kg。

圖5

綜上所述，CTP技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，通過(guò)3代技術(shù)的迭代創(chuàng)新，在乘用車(chē)上續(xù)航已可突破1000km。CTC技術(shù)目前處于快速發(fā)展階段，乘用車(chē)廠家發(fā)布的CTC不約而同的采用了電池上蓋與車(chē)身地板集成的方式，與真正意義上的CTC還有較大差距；商用車(chē)的CTC（MTV）技術(shù)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展前景廣闊。

3 熱管理集成

隨著新能源汽車(chē)不斷向高能量密度、高能量效率轉(zhuǎn)換和高集成度發(fā)展，三電系統(tǒng)（電池、電機(jī)、電控）的熱管理需求與日俱增，已經(jīng)關(guān)系到新能源汽車(chē)的整體安全和效率問(wèn)題，同時(shí)新能源車(chē)輛的冬季的里程焦慮與安全事故頻發(fā)一直是阻礙行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)問(wèn)題。在傳統(tǒng)燃油車(chē)中，由于冬季可以采用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行供暖，車(chē)載空調(diào)僅需考慮夏季制冷應(yīng)用即可，但對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的缺失導(dǎo)致車(chē)輛冬季供暖的需求尤為緊迫，另外環(huán)境溫度對(duì)電池的性能指標(biāo)有顯著影響，溫度過(guò)高或過(guò)低不但是驅(qū)動(dòng)力電池的性能指標(biāo)大幅度降低，對(duì)使用壽命和安全系數(shù)也是有較大危害，因而如何更高效的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要，促進(jìn)了一體化集成式熱管理系統(tǒng)的提出、升級(jí)和演化[7]。

3.1 集成式熱管理技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)正經(jīng)歷從常規(guī)單冷空調(diào)技術(shù)到熱泵空調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)變升級(jí)的過(guò)渡階段。熱泵空調(diào)可以簡(jiǎn)單類(lèi)比我們平時(shí)抽水的水泵，兩者概念意思相同，熱泵空調(diào)工作過(guò)程并不只會(huì)搬運(yùn)熱量，夏天的冷氣同樣可以，不過(guò)相比單冷空調(diào)，其成本更高。

新能源汽車(chē)傳統(tǒng)的熱泵空調(diào)技術(shù)主要由乘員艙熱泵空調(diào)機(jī)組，電池專(zhuān)用熱管理機(jī)組及電機(jī)電控?zé)峁芾頇C(jī)組三套分布式系統(tǒng)共同構(gòu)成；乘客艙的溫控主要依賴(lài)熱泵機(jī)組來(lái)源于空氣的熱量進(jìn)行供暖/制冷，考慮到環(huán)境溫度對(duì)熱泵機(jī)組系統(tǒng)的效率影響，在較低溫度需要給乘客室升溫時(shí)，需配合PTC供暖；電池、電機(jī)電控則依賴(lài)于各自獨(dú)立的專(zhuān)用熱管理機(jī)組供暖/制冷。為了進(jìn)一步提高熱管理效能與整車(chē)空間利用率，把空氣、電機(jī)電控和電池的余熱廢熱更高效的耦合利用，集成式的三源熱泵技術(shù)是目前行業(yè)內(nèi)整車(chē)熱管理術(shù)重點(diǎn)研究的解決方案方向之一。

3.2 三源熱泵整車(chē)熱管理集成方案

利 用 熱 泵、熱 回 收、Free-Cooling & Heating、超級(jí)閥及模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)三電系統(tǒng)與空氣之間廢熱轉(zhuǎn)移/轉(zhuǎn)化和低品質(zhì)熱的提升對(duì)駕駛室和電池進(jìn)行加熱或者冷卻，大幅減少車(chē)輛系統(tǒng)PTC加熱的電量消耗，解決或者緩解電動(dòng)車(chē)冬天里程衰減的問(wèn)題，并且已經(jīng)在眾多商用新能源卡車(chē)上配套使用。三源熱泵系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行模式和溫區(qū)的不同，熱泵的熱源可以在：電機(jī)電控，電池及空氣間自由切換。針對(duì)新能源車(chē)輛在使用的不同工況，均可以匹配對(duì)應(yīng)的控制策略，使效率達(dá)到最優(yōu)。圖6列舉了冬季低溫駕駛模式下三源熱泵的工作原理：外界環(huán)境溫低、駕駛室座艙需要加熱、電池需要加熱、電機(jī)電控需要冷卻。

圖6 三源熱泵系統(tǒng)冬季駕駛工況工作原理示意圖

新能源汽車(chē)熱管理集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是將乘客艙的舒適性與三電系統(tǒng)的精準(zhǔn)溫控要求進(jìn)行深度耦合。隨著電池系統(tǒng)熱管理界面的設(shè)計(jì)將與整車(chē)耦合交集越來(lái)越深入，新一代綠色制冷劑應(yīng)用、電池整車(chē)熱管理功能一體化、BMS與整車(chē)熱管理控制智能化將成為未來(lái)熱管理集成系統(tǒng)的關(guān)鍵研究課題。

4 高壓電氣系統(tǒng)集成

新能源汽車(chē)由眾多高壓部件組成。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，高壓電氣集成是節(jié)省整車(chē)空間、提高產(chǎn)品可制造性、實(shí)現(xiàn)降本的必要手段。同時(shí)在電氣集成度逐步提高的進(jìn)程中，也需要重點(diǎn)關(guān)注電氣系統(tǒng)的效率、安全性、可靠性和便捷性。目前高壓電氣集成化推進(jìn)的主要方向是子系統(tǒng)集成及零部件集成。

4.1 子系統(tǒng)集成

新能源汽車(chē)關(guān)鍵零部件主要有整車(chē)控制器（VCU）、電池及電池管理系統(tǒng)、高壓配電箱（PDU）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器（MCU）、減速器、高低壓電源轉(zhuǎn)換器（DCDC）、車(chē)載充電器（OBC）、加上客車(chē)用的氣泵控制器、油泵控制器等，如下圖7所示。

圖7 新能源汽車(chē)關(guān)鍵零部件多合一組合圖

隨著新能源技術(shù)的不斷推廣與運(yùn)用，新能源部件由簡(jiǎn)單集成向高度集成化發(fā)展，多合一集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電能轉(zhuǎn)化效率、機(jī)械空間緊湊化、線(xiàn)束精簡(jiǎn)化、成本等方面具備優(yōu)勢(shì)。目前新能源部件集成化主要可以分成兩條路線(xiàn)：

一條路線(xiàn)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高壓電附件獨(dú)立集成。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器的不同集成組成出常見(jiàn)二合一或三合一。高壓電附件根據(jù)低壓電源轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器、高壓配電箱、氣泵控制器和油泵控制器的不同集成組成出常見(jiàn)二合一、三合一或五合一。

另一條路線(xiàn)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與高壓電附件高度組合集成，常見(jiàn)的有二種方式：第一種是電機(jī)控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器集成四合一；第二種是電機(jī)控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、氣泵控制器和油泵控制器五者集成五合一。

隨著新能源技術(shù)的不斷創(chuàng)新、融合，市場(chǎng)推出更高集成度的七合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如下圖8），該系統(tǒng)直接集成了電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電機(jī)、高壓配電箱和電池管理系統(tǒng)等七大部件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部件和功率部件的深度融合。

圖8 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)七合一

為了更進(jìn)一步提升集成度設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)八合一（如下圖9所示）近期也發(fā)布于市，其融合了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、減速器、高低壓直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）、雙向車(chē)載充電器（OBC）、高壓配電箱（PDU）、電池管理器（BMS）、整車(chē)控制器（VCU）等八大部件為一體。系統(tǒng)整體功率密度提升近20%，重量和體積降低達(dá)15%，綜合效率可實(shí)現(xiàn)89%。

圖9 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)八合一

不論電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與高壓電附件采用獨(dú)立集成還是高度集成方案，均在一定程度上實(shí)現(xiàn)了降本增效，并進(jìn)一步提升了產(chǎn)品安全性和可靠性。但高壓電氣集成化也存在結(jié)構(gòu)、電氣和控制策略方面的難點(diǎn)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)方面，高壓集成方案通過(guò)一體化壓鑄、焊接和機(jī)械連接等工藝形成，需要解決輕量化、強(qiáng)度、散熱等問(wèn)題。對(duì)于輕量化和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，可以通過(guò)三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一是在材料方面采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等新材料的運(yùn)用；二是在結(jié)構(gòu)上采用薄壁化、中空化，復(fù)合化來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；三是在加工工藝上采用摩擦焊接、超聲沖擊處理等方式。對(duì)于結(jié)構(gòu)散熱，可以采用同側(cè)化或同層次、低揚(yáng)程設(shè)計(jì)，提升流道結(jié)構(gòu)流暢性和換熱能力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能減少系統(tǒng)流阻，并在結(jié)構(gòu)和空間上實(shí)現(xiàn)與其它部件隔離，減少熱傳遞和熱輻射對(duì)其它部件的影響。

對(duì)于電氣方面，電氣部件（特別是功率部件）工作時(shí)各自會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，集成設(shè)計(jì)因時(shí)空上的交集容易引發(fā)干擾，集成化程度越高，電磁兼容性（EMC）問(wèn)題就越突出。EMC問(wèn)題可以從EMC產(chǎn)生的三要素（源頭、路徑、設(shè)備）進(jìn)行阻斷和削弱。對(duì)干擾源頭通過(guò)隔離、濾波處理抑止，對(duì)傳播路徑通過(guò)屏蔽、濾波和接地處理進(jìn)行切斷，對(duì)于設(shè)備通過(guò)接地、硬件擴(kuò)頻等方式降敏、阻隔處理。

對(duì)于控制策略方面，在提高集成系統(tǒng)總體能效，提高部件工作于高效區(qū)間占比方面是控制的難點(diǎn)，故可以從三個(gè)階段著手：首先從高壓部件設(shè)計(jì)或選型著手，盡可能使高壓部件額定電壓基本一致；其次，根據(jù)電池、電控和電機(jī)性能特性進(jìn)行典型工況、環(huán)境條件下的仿真和測(cè)試優(yōu)化，使系統(tǒng)獲得最佳匹配；最后，引入自學(xué)習(xí)算法，根據(jù)用戶(hù)使用工況、使用習(xí)慣、運(yùn)行環(huán)境條件、系統(tǒng)自學(xué)習(xí)制定最佳的控制策略和控制方法，實(shí)現(xiàn)因人而異，精準(zhǔn)施策，最大程度上降低能耗，提升車(chē)輛使用經(jīng)濟(jì)性。

4.2 高壓零部件集成

全新的純電動(dòng)平臺(tái)引入了很多新的電氣零部件，零部件的零部件的集成化趨勢(shì)越來(lái)越清晰，典型的高壓零部件集成包括：高壓連接巴片與電芯電壓采樣線(xiàn)集成、手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)（MSD）與熔斷器集成、熔斷器+繼電器集成、高壓連接器集成等，這類(lèi)集成能夠有效的帶動(dòng)零部件成本的降低、安全可靠性提升，并為智能化制造奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2.1 高壓連接巴片+電芯電壓采樣線(xiàn)集成

高壓連接巴片+電芯電壓采樣線(xiàn)集成較傳統(tǒng)的模組設(shè)計(jì)方案，減少了模組生產(chǎn)過(guò)程中巴片和高壓采樣線(xiàn)焊接的工序，從而避免了工序中的particle產(chǎn)生。另外由于巴片與采樣線(xiàn)集成性，也提高了電芯采樣的穩(wěn)定性。在電池包的全生命周期中，電芯會(huì)隨著容量衰減、產(chǎn)氣使其內(nèi)部膨脹力增大，導(dǎo)致電芯出現(xiàn)相對(duì)位移，拉扯高壓連接巴片和電芯電壓采樣線(xiàn)。故在前期的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要對(duì)電芯全生命周期的膨脹力及相對(duì)位移量進(jìn)行計(jì)算，預(yù)留足夠的安全間隙，保障高壓連接巴片和電壓采樣線(xiàn)全生命周期的可靠性。

圖10 高壓連接巴片集成電芯電壓采樣線(xiàn)示意圖

4.2.2 手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)（MSD）+熔斷器集成

手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)（MSD）+熔斷器集成較非集成設(shè)計(jì)，可以節(jié)約大量的布置空間，有助于產(chǎn)品進(jìn)一步提升體積利用率。熔斷器的溫升對(duì)其壽命的影響很大，在過(guò)流條件下會(huì)產(chǎn)生大量的熱，集成之后存在熱量無(wú)法散發(fā)的問(wèn)題。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮熔斷器散熱。主要的散熱方式有：（1）熔斷器接線(xiàn)柱導(dǎo)電面積做大，加快散熱；（2）MSD外殼選用鋁外殼，內(nèi)部填充導(dǎo)熱材料加快熔斷器散。

圖11 手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)（MSD）集成熔斷器示意圖

4.2.3 熔斷器+繼電器集成

熔斷器+繼電器集成方案可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)繼電器的功能（斷高壓，且可恢復(fù)）和熔斷器的功能（異常狀態(tài)下快速、安全的切斷高壓）。在實(shí)現(xiàn)體積利用率提高的同時(shí)還具備智能化的通斷控制，根據(jù)整車(chē)提供的指令（如碰撞、熱失控信號(hào)），實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的快速斷高壓。由于帶電的切斷，會(huì)影響整車(chē)其他部件的正常使用，可能存在一定的行車(chē)安全隱患，故對(duì)于斷高壓的判定邏輯，需要結(jié)合整車(chē)的控制策略共同制定。

圖12 繼電器集成熔斷器示意圖

4.2.4 高壓連接器集成

傳統(tǒng)高壓連接器為單PIN設(shè)計(jì)，以新能源電池系統(tǒng)中的高壓盒為例，通過(guò)將所有高壓接口，由一個(gè)集流排+多個(gè)格蘭頭的形式進(jìn)行集成，可以大大節(jié)省連接器的布置空間，同時(shí)起到一定的降本。集成高壓連接器需要考慮將多個(gè)不同電氣特性的高壓連接器集成在一個(gè)面板中，需要考慮預(yù)留足夠的爬電距離和電氣間隙，同時(shí)要保障結(jié)構(gòu)空間的最大利用率。

圖13 高壓連接器集成示意圖

應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)不斷追求高體積利用率和能量轉(zhuǎn)換率。隨著各高壓零部件和子系統(tǒng)可靠性提升，高壓子系統(tǒng)集成和高壓零部件集成已大批量的應(yīng)用到各類(lèi)車(chē)型，而子系統(tǒng)已越來(lái)越多從四合一、五合一往七合一、多合一集成化。高度的集成化同步提高了大系統(tǒng)的可靠性，降低整體成本。

5 低壓控制系統(tǒng)集成

在汽車(chē)“新四化”（電動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、共享化）發(fā)展趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的分布式汽車(chē)電子電氣架構(gòu)由于其通訊架構(gòu)的復(fù)雜性、電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的多樣性逐漸暴露出諸多問(wèn)題，例如：無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路實(shí)時(shí)高速通訊、高實(shí)時(shí)控制，ECU數(shù)量過(guò)多甚至達(dá)到瓶頸，總線(xiàn)長(zhǎng)度、接口數(shù)量和成本無(wú)法有效優(yōu)化減少，同時(shí)線(xiàn)束連接故障率占比高。因此設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、高集成、高可靠且功能齊全的硬件處理器（域控制器）成為了一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，走在前沿的各大汽車(chē)廠商開(kāi)始嘗試將一些功能相似、分離的ECU集成到一個(gè)域控制器平臺(tái)上。而動(dòng)力電池系統(tǒng)的核心部件電池管理系統(tǒng)（Battery Management System ， BMS），也根據(jù)整車(chē)不同的域控制器架構(gòu)需求集成在不同的域控制器中。

圖14 汽車(chē)電子電器架構(gòu)演變[8]

5.1 電動(dòng)汽車(chē)域控制器及電子電器架構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

2017年德國(guó)博世公布其在整車(chē)電子電氣架構(gòu)方面的戰(zhàn)略圖，將整車(chē)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展劃分為三大類(lèi)：分布式汽車(chē)電子電氣架構(gòu)、集中式域融合架構(gòu)、中央集中+云計(jì)算架構(gòu)方案，并提出經(jīng)典的五域集中式電子電氣架，將汽車(chē)功能劃分為5個(gè)域：動(dòng)力域、底盤(pán)域、車(chē)身域、座艙域、自動(dòng)駕駛域。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，隨著汽車(chē)智能化需求的不斷提升，各大汽車(chē)廠商進(jìn)一步提出域融合產(chǎn)品解決方案。

5.2 電池管理系統(tǒng)的域集成解決方案

目前電池管理系統(tǒng)相關(guān)的整車(chē)域控集中技術(shù)正處于集中式域融合架構(gòu)向中央集中+云計(jì)算架構(gòu)發(fā)展階段，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）可根據(jù)整車(chē)不同域控架構(gòu)需求集成在底盤(pán)域控、動(dòng)力域或網(wǎng)關(guān)、智能駕駛域控或網(wǎng)關(guān)中?，F(xiàn)有如下3種不同解決方案。

方案一：BMS保持獨(dú)立，BMU（Battery Management Unit，BMU）集成了整車(chē)其他功能部件，如VCU、MCU、網(wǎng)關(guān)等，同時(shí)域控制器置于Pack內(nèi)部。該方案因降低了Pack能量密度、域控制器不便維修等問(wèn)題，市場(chǎng)推廣應(yīng)用少。

方案二：動(dòng)力電池僅采樣模塊留在Pack內(nèi)部，其余功能移出Pack，BMU可根據(jù)需要和VCU、MCU等整車(chē)其他部件集成域控制器，目前市面上，部分商用車(chē)或CTC項(xiàng)目上已開(kāi)始嘗試該種解決方案。該集成方案具備如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

① 可將電池、電機(jī)、電控等多個(gè)低壓控制模塊在物理上實(shí)現(xiàn)集成，實(shí)現(xiàn)至少15%以上的物料減少；

②不同控制器的功能模塊得以?xún)?yōu)化調(diào)整：整體代碼量減少＞10%，部分響應(yīng)處理縮短 ＞20ms；

③支持基于單一內(nèi)核的功能更新OTA；

④有利于Pack能量密度提升，并提升了域控制器的可維修性。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，動(dòng)力電池內(nèi)部保留電芯采樣模塊、動(dòng)力電池繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等基本功能部件，其余功能移出Pack與整車(chē)其他部件集成域控制器，實(shí)現(xiàn)BMU1（電池端）+BMU2（整車(chē)域控端）的雙層架構(gòu)。目前市面上，該方案逐漸成為乘用車(chē)的主流解決方案。

隨著中央網(wǎng)關(guān)及高性能處理器等軟硬件設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步，為智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車(chē)的EE架構(gòu)革新帶來(lái)新的動(dòng)力。而適用于智能駕駛的車(chē)載電腦+云計(jì)算EE架構(gòu)將是今后各大車(chē)企研究的重要方向。以此同時(shí)，動(dòng)力電池企業(yè)，也根據(jù)整車(chē)不同域控制器架構(gòu)的需求，將BMS集成到整車(chē)不同域控制器模塊中。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了目前行業(yè)內(nèi)整車(chē)結(jié)構(gòu)、熱管理、高壓電氣系統(tǒng)及低壓控制控制集成方面最新的整車(chē)一體化集成的技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，諸多先進(jìn)技術(shù)也已逐步商用落地，技術(shù)變革會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)全新的乘駕體驗(yàn)。如何在電池包有限空間內(nèi)做好各模塊功能的協(xié)同集成，如何將電池包與整車(chē)更高層級(jí)的進(jìn)一步的系統(tǒng)融合仍將是未來(lái)行業(yè)的重點(diǎn)創(chuàng)新發(fā)展研究方向，集成技術(shù)持續(xù)融合創(chuàng)新能夠給新一代智能網(wǎng)聯(lián)純電座艙帶來(lái)源源不斷的成本下降與性能提升源動(dòng)力，進(jìn)一步推進(jìn)全面電動(dòng)化的時(shí)代的到來(lái)，助力汽車(chē)行業(yè)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。