劉渺然 翟旭亮 呂寧 王文健 陳永勝

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

0 引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)快速普及和消費(fèi)群體增多，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短、成本高等問(wèn)題日益突出[1-2]，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[3]備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)主機(jī)廠及動(dòng)力電池供應(yīng)商均在尋求高集成動(dòng)力電池系統(tǒng)的解決方案，以滿足用戶需求。近年來(lái)，行業(yè)不斷通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新突破，逐步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量密度、集成效率等方面顯著提升，助力整車(chē)實(shí)現(xiàn)更高續(xù)駛里程、緩解用戶里程焦慮和降低整車(chē)成本的目標(biāo)[4-6]。

在此背景下，動(dòng)力電池逐漸朝著高能量與高集成效率方向發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有邊界下電池能量密度的提升成為當(dāng)前行業(yè)共同面臨的挑戰(zhàn)。本文主要綜述不同類(lèi)型動(dòng)力電池集成方案的技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)勢(shì)及不足、應(yīng)用趨勢(shì)，并進(jìn)行綜合對(duì)比。

1 動(dòng)力電池集成關(guān)鍵技術(shù)概述

圖1為動(dòng)力電池集成關(guān)鍵技術(shù)分類(lèi)。早期動(dòng)力電池通常采用典型的“電芯-模組-電池系統(tǒng)”集成方式，其顯著的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)件數(shù)量多、集成效率低、能量密度低。為適應(yīng)車(chē)輛和用戶的需求，提高動(dòng)力電池系統(tǒng)集成效率和能量密度，行業(yè)陸續(xù)推出無(wú)模組式集成技術(shù)，如電池?zé)o模組技術(shù)（Cell To Pack，CTP）；一體化式集成技術(shù)，如電池車(chē)身一體化技術(shù)（Cell To Body，CTB）和電池底盤(pán)一體化技術(shù)（Cell To Chassis，CTC），實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)集成技術(shù)創(chuàng)新[7-8]。目前典型式集成電池、無(wú)模組式集成電池應(yīng)用較為廣泛，一體化式集成電池應(yīng)用較少（圖1）。

圖1 動(dòng)力電池集成技術(shù)分類(lèi)

2 典型式集成

動(dòng)力電池集成形式與內(nèi)部電芯成組方式密切相關(guān)，典型的設(shè)計(jì)方式是先將若干電芯按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行組裝形成電池模組[9]，進(jìn)而將若干電池模組與電池箱體進(jìn)行安裝連接形成電池系統(tǒng)。電池包內(nèi)每個(gè)模組具有端板、側(cè)板、頂蓋結(jié)構(gòu)，進(jìn)行獨(dú)立封裝。典型式集成電池包一般在其內(nèi)部采用螺栓連接[10-11]方式將電池模組與電池箱體進(jìn)行固定連接，不同模組之間需要按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留電氣間隙和裝配間隙。王明等[12]設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池總成采用24個(gè)電池模組安裝，如圖2所示，其每個(gè)電池模組均具有端板和側(cè)板結(jié)構(gòu)，模組與模組之間需要通過(guò)高壓連接排進(jìn)行連接。周琪等[13]設(shè)計(jì)的電池系統(tǒng)采用12個(gè)電池模組裝配，均具有上述類(lèi)似特點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 典型式集成電池結(jié)構(gòu)1示意[12]

圖3 典型式集成電池結(jié)構(gòu)2示意[13]

上述典型式集成電池的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配簡(jiǎn)單、裝配工藝要求較低。若內(nèi)部電芯發(fā)生故障時(shí)可以單獨(dú)更換電池模組進(jìn)行維修，同時(shí)具有維修成本低、可維修性好的特點(diǎn)。典型式集成電池內(nèi)部空間被較多模組端板、側(cè)板占用，且每個(gè)模組之間需預(yù)留較大的空隙，導(dǎo)致電池包內(nèi)可放置電芯的空間較少，因此典型式集成電池包具有能量密度低的缺點(diǎn)，一般很難滿足純電動(dòng)汽車(chē)日益增加的續(xù)駛里程需求。目前市場(chǎng)上在售車(chē)型中大多數(shù)采用典型式集成的動(dòng)力電池，包括純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。

3 無(wú)模組式集成

目前動(dòng)力電池行業(yè)通過(guò)持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐，涌現(xiàn)出大量電池系統(tǒng)集成創(chuàng)新方案及成果，其中在電池內(nèi)部集成設(shè)計(jì)方面主要是基于“少件化”的理念，減少或取消動(dòng)力電池內(nèi)部模組和其它結(jié)構(gòu)件，進(jìn)而提升電芯整體的可用空間、提升電池系統(tǒng)能量密度[14-15]。

3.1 CTP電池

電池?zé)o模組（CTP）[14]是將典型式集成電池成組方式中的模組環(huán)節(jié)取消，直接將電芯集成在電池包內(nèi)所形成的創(chuàng)新式方案，其顯著特征是大幅度減少電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)件數(shù)量（如典型式集成電池內(nèi)的模組端板、側(cè)板、模組之間高壓連接排、低壓采樣線束、用于固定模組的結(jié)構(gòu)），從而提升可用于放置電芯的空間，降低電池包質(zhì)量。一般采用具有超強(qiáng)黏結(jié)性、高導(dǎo)熱性的混合型結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱膠，將所有電芯端部與電池包箱體進(jìn)行黏結(jié)，同時(shí)節(jié)省大量固定螺栓標(biāo)準(zhǔn)件，電池包2端電芯相鄰端板不再承受螺栓擰緊作用，也可采用輕量化的非金屬材質(zhì)替代，進(jìn)一步減輕電池包質(zhì)量。此外，電池包內(nèi)部沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)模組限制，可以廣泛應(yīng)用在不同車(chē)型上。游凱杰等[16]設(shè)計(jì)的CTP 電池如圖4 所示，電芯排列于電池箱體內(nèi)部，各電芯與電池箱體之間通過(guò)結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)固定，結(jié)構(gòu)膠能夠起到固定作用的同時(shí)又能省掉典型式集成電池中模組的框架結(jié)構(gòu)，電池箱體內(nèi)零部件數(shù)量較少，電芯可用布置空間大，同時(shí)節(jié)省了工藝流程，提高裝配效率和降低制造成本。

圖4 CTP電池結(jié)構(gòu)示意[16]

上述CTP 電池的主要優(yōu)點(diǎn)是電池包內(nèi)部集成效率高、能量密度高和少件化帶來(lái)電池包整體成本降低，從而在同等整車(chē)邊界下CTP 電池具有更高電量，能夠提升整車(chē)?yán)m(xù)駛里程。其零部件數(shù)量相比典型式集成電池減少40%、能量密度提升10%～15%、體積利用率提升15%～20%[17]。電池包內(nèi)部電芯主要固定方式為黏結(jié)，而結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱膠固化后一般難以進(jìn)行非破壞性拆解，若電池包內(nèi)部電芯發(fā)生故障，無(wú)法更換局部電芯，導(dǎo)致電池包整體可維修性差。電池包內(nèi)部的成組方式?jīng)Q定各電芯之間高壓連接排的焊接需要采用更復(fù)雜、尺寸更大的工藝設(shè)備，其制造投入成本相對(duì)較高?？傮w上，CTP電池能夠更好適應(yīng)和滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于高續(xù)駛里程的需求，逐漸成為目前新能源汽車(chē)行業(yè)高續(xù)駛里程車(chē)型的主流選擇。

3.2 刀片電池

刀片電池[14]是無(wú)模組集成電池的另外一種代表方案，因其電池包內(nèi)電芯形狀為細(xì)長(zhǎng)條狀，形似刀片而得名。其關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)同樣是通過(guò)“少件化”方式取消電池模組結(jié)構(gòu)，采用加長(zhǎng)尺寸的電芯[18-19]和電芯極柱側(cè)出的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的創(chuàng)新。同時(shí)減少或不使用電池包內(nèi)橫、縱梁結(jié)構(gòu)，從而減少橫、縱梁在電池包中占據(jù)的空間，提高了電池包的空間利用率，盡可能地使更多的電芯布置在電池包中，進(jìn)而提高整個(gè)電池包的容量、電壓以及續(xù)駛里程，降低了電池包質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化。王傳福等[20]設(shè)計(jì)的刀片電池如圖5 所示，其主要方案為在電池包內(nèi)排列若干電芯，形成電池陣列，其電芯長(zhǎng)度尺寸為600～2 500 mm，電芯極柱由2 側(cè)引出，電芯與電芯之間無(wú)橫縱梁占用空間，電芯底部與電池箱體采用黏結(jié)方式固定。

圖5 刀片電池結(jié)構(gòu)示意[20]

上述刀片電池的主要優(yōu)點(diǎn)是電池包內(nèi)集成效率高、體積成組率高，其電池包內(nèi)體積成組率相比典型式集成電池可提升15%以上，同時(shí)其成組方式簡(jiǎn)化了電池包裝配工藝、降低了生產(chǎn)成本；電芯尺寸也可以根據(jù)不同邊界需求進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，能夠廣泛應(yīng)用于不同車(chē)型上。刀片電池由于其電芯尺寸較長(zhǎng)，導(dǎo)致電芯的制造工藝難度增加。電池包內(nèi)電芯和箱體采用黏結(jié)固定方式，導(dǎo)致電池包整體可維修更換性差，若電芯發(fā)生不可恢復(fù)故障時(shí)，需整體更換電池包，造成維修成本增加?？傮w上，刀片電池作為無(wú)模組式集成創(chuàng)新的解決方案，能夠增加電池包電量，滿足提升整車(chē)?yán)m(xù)駛里程需求。

4 一體化式集成

動(dòng)力電池內(nèi)部的集成技術(shù)和市場(chǎng)推廣應(yīng)用逐漸成熟，新能源汽車(chē)行業(yè)、動(dòng)力電池行業(yè)也在創(chuàng)新探索動(dòng)力電池外部與整車(chē)之間的一體化式集成技術(shù)。相較于電池內(nèi)部減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量的集成設(shè)計(jì)方案，一體化式集成電池技術(shù)的關(guān)鍵特征是在整車(chē)維度下將電池包與整車(chē)車(chē)身、底盤(pán)部件進(jìn)行一體化結(jié)合[21]，通過(guò)電池包外部連接界面集成化創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)整車(chē)總體質(zhì)量減少、結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，以提升車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

4.1 CTB電池

電池車(chē)身一體化（CTB）是在CTP電池或刀片電池基礎(chǔ)上優(yōu)化電池包上蓋結(jié)構(gòu)，使電池包上蓋替代車(chē)輛乘員艙地板，從而實(shí)現(xiàn)電池包與車(chē)身的一體化集成。采用CTB 電池的車(chē)輛相對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)輛減少乘員艙地板，取消傳統(tǒng)車(chē)輛動(dòng)力電池包與乘員艙地板之間間隙，可減輕車(chē)輛整體質(zhì)量。同時(shí)，在車(chē)輛高度方向上獲得至少10 mm以上可用布置空間，一方面可用于提升電池布置空間以增加電池裝載量、提高車(chē)輛續(xù)駛里程，另一方面可用于降低車(chē)輛整體高度尺寸以?xún)?yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)性能、降低車(chē)輛能耗。電池包上蓋替代車(chē)輛乘員艙地板同時(shí)，需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保證上蓋與電池下箱體之間密封、上蓋與車(chē)身邊梁和框架之間密封，因此可靠性要求高。通常CTB電池以獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元形式存在，可以單獨(dú)進(jìn)行裝配、測(cè)試和強(qiáng)檢認(rèn)證，一般適用于承載式車(chē)身形式的車(chē)輛，其與整車(chē)裝配工藝與傳統(tǒng)車(chē)輛類(lèi)似。PIRES 等[22]設(shè)計(jì)的CTB 電池方案如圖6所示，電池包上蓋作為車(chē)輛乘員艙地板的同時(shí)還集成乘員艙座椅支撐結(jié)構(gòu)，可以取消和簡(jiǎn)化車(chē)身結(jié)構(gòu)件，從而降低車(chē)輛質(zhì)量，提升續(xù)駛里程。凌和平等[23]設(shè)計(jì)的CTB電池方案如圖7所示，電池包上蓋同時(shí)作為電池液冷板和乘員艙地板，電池在冷卻或加熱過(guò)程中，同時(shí)與乘員艙內(nèi)部進(jìn)行熱交換，可以改善乘坐舒適性、降低車(chē)輛能耗、提高續(xù)駛里程。該方案中電池與車(chē)身邊梁設(shè)置2道密封墊，可以實(shí)現(xiàn)防塵、降噪、保溫和密封功能。

圖6 CTB電池結(jié)構(gòu)1示意[22]

圖7 CTB電池結(jié)構(gòu)2示意[23]

上述CTB 電池的主要優(yōu)點(diǎn)是在整車(chē)層面減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量、提高電池或車(chē)輛可用空間或優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)降低車(chē)輛總質(zhì)量、增加電池裝載量、降低車(chē)輛能耗，保證車(chē)輛能夠?qū)崿F(xiàn)更高續(xù)駛里程；工藝方面，電池包與整車(chē)的裝配方式相較傳統(tǒng)車(chē)輛保持一致，裝配工藝成熟；維修性方面，若電池包發(fā)生故障時(shí)可單獨(dú)更換，可維修性較好；碰撞安全性方面，由于電池包保留下箱體等主要承載結(jié)構(gòu)，與車(chē)身門(mén)檻梁、邊梁同時(shí)構(gòu)成雙層防護(hù)，可以更好防護(hù)內(nèi)部電芯。CTB電池由于對(duì)電池包上蓋的密封、承載要求較高，可靠性開(kāi)發(fā)、可靠性驗(yàn)證方面還存在技術(shù)難題需要突破；由于減少一層車(chē)身地板防護(hù)，在電池?zé)崾Э胤矫嫘枰訌?qiáng)設(shè)計(jì)以保證乘員艙的安全性，尤其是電芯極柱頂出電池方案的安全性設(shè)計(jì)是新能源汽車(chē)行業(yè)難點(diǎn)。總體上，CTB 電池作為一體化式集成方案之一，目前新能源汽車(chē)行業(yè)部分車(chē)企已開(kāi)始試點(diǎn)應(yīng)用，并會(huì)逐漸成為行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4.2 CTC電池

電池底盤(pán)一體化（CTC）[24]是將動(dòng)力電池與車(chē)輛進(jìn)行高度集成形成的一體化電動(dòng)智能底盤(pán)技術(shù)，電池包取消了自身下箱體主要承載電芯的部件，其電芯直接在車(chē)體邊梁與橫梁之間進(jìn)行布置與集成。采用CTC電池的車(chē)輛一般將車(chē)架與底盤(pán)部件同時(shí)進(jìn)行一體化集成，相對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)輛或采用CTB電池的車(chē)輛更進(jìn)一步減少了整車(chē)結(jié)構(gòu)件數(shù)量，從而降低整車(chē)質(zhì)量和整車(chē)能耗。電池作為一體化集成技術(shù)的組成部分，不再以單獨(dú)的電池包形式存在，這也決定了電池自身的裝配、測(cè)試、強(qiáng)檢認(rèn)證均無(wú)法獨(dú)立開(kāi)展，電池與整車(chē)的裝配工藝也需要進(jìn)行大幅度改變，通常適用于非承載式車(chē)身的車(chē)輛。集成CTC 電池的一體化底盤(pán)同時(shí)具有平整和緊湊的特點(diǎn)，某些企業(yè)形象地稱(chēng)之為“滑板底盤(pán)”，“滑板底盤(pán)”有利于實(shí)現(xiàn)模塊化車(chē)型開(kāi)發(fā)應(yīng)用[25]。除電池與車(chē)輛、底盤(pán)之間在結(jié)構(gòu)方面集成外，一體化集成技術(shù)也會(huì)實(shí)現(xiàn)電池控制單元等控制器與整車(chē)域控制器的集成統(tǒng)一，從而在電子電氣架構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)集成和創(chuàng)新。目前行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求，CTC電池技術(shù)開(kāi)發(fā)仍處于預(yù)研階段，國(guó)內(nèi)并未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?；诜浅休d式車(chē)身的技術(shù)特性，車(chē)輛乘員艙可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，因此集成CTC電池的一體化底盤(pán)平臺(tái)也會(huì)帶來(lái)整車(chē)商業(yè)模式上的變化。盧軍等[26]設(shè)計(jì)的CTC 電池如圖8所示，電芯集成在一體化底盤(pán)的中間部位，采用典型的非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)。

圖8 CTC電池結(jié)構(gòu)示意[7]

上述CTC 電池的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整車(chē)層面結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少，從而降低整車(chē)質(zhì)量，增加車(chē)輛續(xù)駛里程。CTC 電池的非獨(dú)立性是與其它種類(lèi)電池的顯著區(qū)別特征，相對(duì)于其它電池會(huì)存在以下3方面不足：

（1）制造與裝配工藝：CTC 的制造與裝配工藝會(huì)改變整車(chē)制造裝備、制造工藝、制造環(huán)境，導(dǎo)致制造投入成本增加；

（2）維修：維修性方面由于無(wú)法單獨(dú)更換電池包導(dǎo)致可維修性較差[27]、維修成本增加；

（3）碰撞安全：碰撞安全方面由于減少電池自身箱體結(jié)構(gòu)部件導(dǎo)致碰撞安全性降低。

總體上，CTC電池是目前行業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)的前瞻技術(shù)研究方向，國(guó)內(nèi)外廠商都在積極探索研究解決方案。

綜合上述分析，表1 中列出不同類(lèi)型動(dòng)力電池各維度的綜合對(duì)比情況，可以看出隨著動(dòng)力電池能量密度提高，會(huì)帶來(lái)制造工藝復(fù)雜性增加、維修成本增加、技術(shù)成熟度降低的不利影響。

表1 不同類(lèi)型動(dòng)力電池綜合對(duì)比

5 總結(jié)與展望

本文簡(jiǎn)述了動(dòng)力電池關(guān)鍵集成技術(shù)的分類(lèi)，針對(duì)不同技術(shù)類(lèi)型進(jìn)行詳細(xì)分析，并闡述其技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)方案、制造工藝、維修性、成本優(yōu)劣勢(shì)和應(yīng)用趨勢(shì)。

動(dòng)力電池系統(tǒng)逐漸向少件化、一體化集成趨勢(shì)發(fā)展，逐步由典型式集成方案向無(wú)模組式集成、一體化式集成方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池能量密度大幅提升，從而助力整車(chē)降低能耗、提高續(xù)駛里程。

動(dòng)力電池逐漸由內(nèi)部的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新集成轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力電池外部與整車(chē)層級(jí)部件創(chuàng)新集成和深度融合，動(dòng)力電池由獨(dú)立系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?chē)一體化部件，如CTB電池上蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)車(chē)輛地板。

動(dòng)力電池集成技術(shù)的進(jìn)步在提升整車(chē)?yán)m(xù)駛里程同時(shí)，也給整車(chē)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，如電池上部承載、與車(chē)身之間密封、電池與整車(chē)裝配工藝、電池維修方便性課題，需要進(jìn)一步研究以提升技術(shù)成熟度和可靠性。

作為新能源汽車(chē)的關(guān)鍵組成部分，動(dòng)力電池系統(tǒng)集成技術(shù)的創(chuàng)新突破會(huì)給整車(chē)帶來(lái)更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、更高的續(xù)駛里程、更優(yōu)的用戶駕乘體驗(yàn)，動(dòng)力電池關(guān)鍵集成技術(shù)會(huì)伴隨著市場(chǎng)需求的變化不斷發(fā)展和進(jìn)步。掌握電池的關(guān)鍵集成技術(shù)有助于企業(yè)提升其產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力、打造卓越產(chǎn)品，以更好迎接新能源智能化電動(dòng)汽車(chē)新時(shí)代。