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，因此結構和成組技術創(chuàng)新的重要性就愈加凸顯。本文主要從新能源汽車電池結構集成的角度，分析和論述動力電池成組技術的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 結構 成組技術

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層級結構和成組技術的創(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 動力電池結構概述

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

2.1 電芯結構

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。電芯從結構形式上劃分，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、松下、三星SDI等，主要應用車企為特斯拉、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、孚能科技等，主要應用車企有雷諾、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在結構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

將電池由單體集成為Pack的技術叫成組技術，主要涉及結構、熱管理、電連接設計和BMS技術?？v觀動力電池發(fā)展的歷史，成組技術起步于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。

3.1 MTP（Module To Pack）

2016年以前，動力電池主要采用MTP（Module To Pack）技術進行成組，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，不參與電化學能量儲存的結構件數(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成組技術的核心在于模組設計。模組一般由框架（端板、側板、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。好的模組設計，不僅要充分考慮適當?shù)慕Y構強度、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計、精準的電芯膨脹力應對設計和輕量化設計。

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。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)的模組結構，用簡易模組（僅含電芯、端板、鋼帶或綁帶）取而代之，并通過高強度的結構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技術的特征在于電芯與箱體通過高強度結構膠永久性粘合固定，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技術起源于商用車磷酸鐵鋰標準Pack產(chǎn)品開發(fā)，并拓展應用到乘用車三元 Pack設計，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結構件的一部分，以此來減少箱體橫、縱梁結構的數(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，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。

電池與整車一體化集成技術根據(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技術主要應用于非承載式車身，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的五大關鍵特征，圖9為某CTC一體化底盤。

采用CTC成組技術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，電芯通過高強度結構膠粘接在底盤上，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雜性和困難度，同時也對產(chǎn)線規(guī)劃、工藝設備和生產(chǎn)效率帶來新的挑戰(zhàn)。

3.4 CTB/MTB（Cell/Module To Body）

CTB/MTB技術即Cell/Module To Body，電芯或模組集成到車身，主要應用于承載式車身，是傳統(tǒng)Pack To Body技術的延申，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成組技術對比。零跑汽車宣稱其MTB技術相對于傳統(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技術應運而生。

MTC/MTV技術是將模組直接集成到底盤或整車的技術。這一技術雖然保留了模組，但由于其具有獨立的機械強度、電氣設計和一定等級的防護性能，以及標準化對外接口和清晰的性能界面，可以省去Pack層級的結構部件，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，能夠適應復雜的應用場景和嚴苛的工況要求。圖10為重卡和客車MTV應用方案示意。

3.6 電芯倒置與側躺

在各種成組技術的實際應用中，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準要求而設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躺，并進行2層堆疊布置。電芯側躺的優(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構來約束電芯膨脹。

方殼電芯側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的整體結構強度，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躺的應用案例。

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]。電池熱管理技術根據(jù)功能可以劃分為冷卻技術和加熱技術兩類，其中冷卻技術主要有自然冷卻、液冷和直冷[5]；加熱技術主要有電加熱膜加熱、液熱和高頻電芯自加熱技術。

不同的熱管理技術直接影響電池的結構設計，圖12為主流電池冷卻技術結構組成示意，冷板根據(jù)需要可以合理的設置在電芯底部、側部或上部，以獲得最佳的冷卻效果和性價比。圖13為主流加熱技術結構組成示意。表2是當前主流的幾種電池冷卻和加熱技術對比。

上述電池熱管理技術并未與整車其他系統(tǒng)進行關聯(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 結語

本文系統(tǒng)性介紹了新能源汽車動力電池的結構及組成，并從動力電池結構角度歸納總結了不同成組技術的分類和特點。同時還延申探討了Pack內(nèi)部電芯倒置和側躺的優(yōu)缺點以及面臨的挑戰(zhàn)。此外，也對當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，也會對整車結構、生產(chǎn)工藝、供應鏈關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，動力電池成組技術的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，是引領新能源汽車產(chǎn)品競爭力躍升的重要路徑。

參考文獻：

[1]赫炎，從CTP、CTC、CTB淺談電動汽車動力電池集成技術[J].世界汽車，2022（06）.

[2]金奎，何鵬申.新能源汽車電池車身一體化技術及工藝[J].汽車制造業(yè)，2023（04）.

[3]胡建國.新能源汽車動力電池與整車先進集成技術綜述[J].時代汽車，2022（23）.

[4]王芳，夏軍等.電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設計[M].北京：科學出版社，2016.9.

[5]胡遠志，賴貞行，劉西等.車用鋰離子電池冷卻技術研究進展[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2023（08）.