新能源汽車動力電池結(jié)構(gòu)及成組技術(shù)綜述

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)。

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。

動力電池結(jié)構(gòu)概述

新能源汽車動力電池是機械、電氣、電化學和熱力學等多學科交匯耦合的部件，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。

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、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、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.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。

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 ToChassis）、 CTB（Cell To Body & Braket）和MTB（Module To Body）等成組技術(shù)。

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。

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%。

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。

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)?Pack 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(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 ToChassis，電芯集成到底盤）和 CTB（Cell ToBody，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。

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%。

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，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。

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。

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。

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 。

電池熱管理技術(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；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 是當前主流的幾種電池冷卻和加熱技術(shù)對比。

結(jié)論

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)。

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。