劉渺然 翟旭亮 呂寧 王文健 陳永勝

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

0 引言

隨著電動汽車快速普及和消費群體增多，電動汽車續(xù)駛里程短、成本高等問題日益突出[1-2]，動力電池作為電動汽車動力系統(tǒng)的關鍵部件[3]備受關注，國內新能源汽車主機廠及動力電池供應商均在尋求高集成動力電池系統(tǒng)的解決方案，以滿足用戶需求。近年來，行業(yè)不斷通過技術創(chuàng)新突破，逐步實現(xiàn)動力電池能量密度、集成效率等方面顯著提升，助力整車實現(xiàn)更高續(xù)駛里程、緩解用戶里程焦慮和降低整車成本的目標[4-6]。

在此背景下，動力電池逐漸朝著高能量與高集成效率方向發(fā)展，如何實現(xiàn)在現(xiàn)有邊界下電池能量密度的提升成為當前行業(yè)共同面臨的挑戰(zhàn)。本文主要綜述不同類型動力電池集成方案的技術特點及實現(xiàn)方式、優(yōu)勢及不足、應用趨勢，并進行綜合對比。

1 動力電池集成關鍵技術概述

圖1為動力電池集成關鍵技術分類。早期動力電池通常采用典型的“電芯-模組-電池系統(tǒng)”集成方式，其顯著的特點是結構件數(shù)量多、集成效率低、能量密度低。為適應車輛和用戶的需求，提高動力電池系統(tǒng)集成效率和能量密度，行業(yè)陸續(xù)推出無模組式集成技術，如電池無模組技術（Cell To Pack，CTP）；一體化式集成技術，如電池車身一體化技術（Cell To Body，CTB）和電池底盤一體化技術（Cell To Chassis，CTC），實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)集成技術創(chuàng)新[7-8]。目前典型式集成電池、無模組式集成電池應用較為廣泛，一體化式集成電池應用較少（圖1）。

圖1 動力電池集成技術分類

2 典型式集成

動力電池集成形式與內部電芯成組方式密切相關，典型的設計方式是先將若干電芯按照標準尺寸進行組裝形成電池模組[9]，進而將若干電池模組與電池箱體進行安裝連接形成電池系統(tǒng)。電池包內每個模組具有端板、側板、頂蓋結構，進行獨立封裝。典型式集成電池包一般在其內部采用螺栓連接[10-11]方式將電池模組與電池箱體進行固定連接，不同模組之間需要按照設計要求預留電氣間隙和裝配間隙。王明等[12]設計的動力電池總成采用24個電池模組安裝，如圖2所示，其每個電池模組均具有端板和側板結構，模組與模組之間需要通過高壓連接排進行連接。周琪等[13]設計的電池系統(tǒng)采用12個電池模組裝配，均具有上述類似特點，如圖3所示。

圖2 典型式集成電池結構1示意[12]

圖3 典型式集成電池結構2示意[13]

上述典型式集成電池的主要優(yōu)點是結構簡單、裝配簡單、裝配工藝要求較低。若內部電芯發(fā)生故障時可以單獨更換電池模組進行維修，同時具有維修成本低、可維修性好的特點。典型式集成電池內部空間被較多模組端板、側板占用，且每個模組之間需預留較大的空隙，導致電池包內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，一般很難滿足純電動汽車日益增加的續(xù)駛里程需求。目前市場上在售車型中大多數(shù)采用典型式集成的動力電池，包括純電動汽車和插電式混合動力汽車。

3 無模組式集成

目前動力電池行業(yè)通過持續(xù)技術創(chuàng)新與實踐，涌現(xiàn)出大量電池系統(tǒng)集成創(chuàng)新方案及成果，其中在電池內部集成設計方面主要是基于“少件化”的理念，減少或取消動力電池內部模組和其它結構件，進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

電池無模組（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結構件數(shù)量（如典型式集成電池內的模組端板、側板、模組之間高壓連接排、低壓采樣線束、用于固定模組的結構），從而提升可用于放置電芯的空間，降低電池包質量。一般采用具有超強黏結性、高導熱性的混合型結構導熱膠，將所有電芯端部與電池包箱體進行黏結，同時節(jié)省大量固定螺栓標準件，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替代，進一步減輕電池包質量。此外，電池包內部沒有標準模組限制，可以廣泛應用在不同車型上。游凱杰等[16]設計的CTP 電池如圖4 所示，電芯排列于電池箱體內部，各電芯與電池箱體之間通過結構膠黏結固定，結構膠能夠起到固定作用的同時又能省掉典型式集成電池中模組的框架結構，電池箱體內零部件數(shù)量較少，電芯可用布置空間大，同時節(jié)省了工藝流程，提高裝配效率和降低制造成本。

圖4 CTP電池結構示意[16]

上述CTP 電池的主要優(yōu)點是電池包內部集成效率高、能量密度高和少件化帶來電池包整體成本降低，從而在同等整車邊界下CTP 電池具有更高電量，能夠提升整車續(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]。電池包內部電芯主要固定方式為黏結，而結構導熱膠固化后一般難以進行非破壞性拆解，若電池包內部電芯發(fā)生故障，無法更換局部電芯，導致電池包整體可維修性差。電池包內部的成組方式?jīng)Q定各電芯之間高壓連接排的焊接需要采用更復雜、尺寸更大的工藝設備，其制造投入成本相對較高?？傮w上，CTP電池能夠更好適應和滿足電動汽車對于高續(xù)駛里程的需求，逐漸成為目前新能源汽車行業(yè)高續(xù)駛里程車型的主流選擇。

3.2 刀片電池

刀片電池[14]是無模組集成電池的另外一種代表方案，因其電池包內電芯形狀為細長條狀，形似刀片而得名。其關鍵設計點同樣是通過“少件化”方式取消電池模組結構，采用加長尺寸的電芯[18-19]和電芯極柱側出的方案來實現(xiàn)電池系統(tǒng)的創(chuàng)新。同時減少或不使用電池包內橫、縱梁結構，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，進而提高整個電池包的容量、電壓以及續(xù)駛里程，降低了電池包質量，實現(xiàn)電池包的輕量化。王傳福等[20]設計的刀片電池如圖5 所示，其主要方案為在電池包內排列若干電芯，形成電池陣列，其電芯長度尺寸為600～2 500 mm，電芯極柱由2 側引出，電芯與電芯之間無橫縱梁占用空間，電芯底部與電池箱體采用黏結方式固定。

圖5 刀片電池結構示意[20]

上述刀片電池的主要優(yōu)點是電池包內集成效率高、體積成組率高，其電池包內體積成組率相比典型式集成電池可提升15%以上，同時其成組方式簡化了電池包裝配工藝、降低了生產成本；電芯尺寸也可以根據(jù)不同邊界需求進行適應性調整，能夠廣泛應用于不同車型上。刀片電池由于其電芯尺寸較長，導致電芯的制造工藝難度增加。電池包內電芯和箱體采用黏結固定方式，導致電池包整體可維修更換性差，若電芯發(fā)生不可恢復故障時，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，滿足提升整車續(xù)駛里程需求。

4 一體化式集成

動力電池內部的集成技術和市場推廣應用逐漸成熟，新能源汽車行業(yè)、動力電池行業(yè)也在創(chuàng)新探索動力電池外部與整車之間的一體化式集成技術。相較于電池內部減少結構件數(shù)量的集成設計方案，一體化式集成電池技術的關鍵特征是在整車維度下將電池包與整車車身、底盤部件進行一體化結合[21]，通過電池包外部連接界面集成化創(chuàng)新，實現(xiàn)整車總體質量減少、結構件數(shù)量減少，進而實現(xiàn)輕量化設計，以提升車輛的動力性和經(jīng)濟性。

4.1 CTB電池

電池車身一體化（CTB）是在CTP電池或刀片電池基礎上優(yōu)化電池包上蓋結構，使電池包上蓋替代車輛乘員艙地板，從而實現(xiàn)電池包與車身的一體化集成。采用CTB 電池的車輛相對于傳統(tǒng)車輛減少乘員艙地板，取消傳統(tǒng)車輛動力電池包與乘員艙地板之間間隙，可減輕車輛整體質量。同時，在車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、提高車輛續(xù)駛里程，另一方面可用于降低車輛整體高度尺寸以優(yōu)化空氣動力學性能、降低車輛能耗。電池包上蓋替代車輛乘員艙地板同時，需加強結構設計以保證上蓋與電池下箱體之間密封、上蓋與車身邊梁和框架之間密封，因此可靠性要求高。通常CTB電池以獨立結構單元形式存在，可以單獨進行裝配、測試和強檢認證，一般適用于承載式車身形式的車輛，其與整車裝配工藝與傳統(tǒng)車輛類似。PIRES 等[22]設計的CTB 電池方案如圖6所示，電池包上蓋作為車輛乘員艙地板的同時還集成乘員艙座椅支撐結構，可以取消和簡化車身結構件，從而降低車輛質量，提升續(xù)駛里程。凌和平等[23]設計的CTB電池方案如圖7所示，電池包上蓋同時作為電池液冷板和乘員艙地板，電池在冷卻或加熱過程中，同時與乘員艙內部進行熱交換，可以改善乘坐舒適性、降低車輛能耗、提高續(xù)駛里程。該方案中電池與車身邊梁設置2道密封墊，可以實現(xiàn)防塵、降噪、保溫和密封功能。

圖6 CTB電池結構1示意[22]

圖7 CTB電池結構2示意[23]

上述CTB 電池的主要優(yōu)點是在整車層面減少結構件數(shù)量、提高電池或車輛可用空間或優(yōu)化空氣動力學，從而實現(xiàn)降低車輛總質量、增加電池裝載量、降低車輛能耗，保證車輛能夠實現(xiàn)更高續(xù)駛里程；工藝方面，電池包與整車的裝配方式相較傳統(tǒng)車輛保持一致，裝配工藝成熟；維修性方面，若電池包發(fā)生故障時可單獨更換，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構，與車身門檻梁、邊梁同時構成雙層防護，可以更好防護內部電芯。CTB電池由于對電池包上蓋的密封、承載要求較高，可靠性開發(fā)、可靠性驗證方面還存在技術難題需要突破；由于減少一層車身地板防護，在電池熱失控方面需要加強設計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計是新能源汽車行業(yè)難點?？傮w上，CTB 電池作為一體化式集成方案之一，目前新能源汽車行業(yè)部分車企已開始試點應用，并會逐漸成為行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

4.2 CTC電池

電池底盤一體化（CTC）[24]是將動力電池與車輛進行高度集成形成的一體化電動智能底盤技術，電池包取消了自身下箱體主要承載電芯的部件，其電芯直接在車體邊梁與橫梁之間進行布置與集成。采用CTC電池的車輛一般將車架與底盤部件同時進行一體化集成，相對于傳統(tǒng)車輛或采用CTB電池的車輛更進一步減少了整車結構件數(shù)量，從而降低整車質量和整車能耗。電池作為一體化集成技術的組成部分，不再以單獨的電池包形式存在，這也決定了電池自身的裝配、測試、強檢認證均無法獨立開展，電池與整車的裝配工藝也需要進行大幅度改變，通常適用于非承載式車身的車輛。集成CTC 電池的一體化底盤同時具有平整和緊湊的特點，某些企業(yè)形象地稱之為“滑板底盤”，“滑板底盤”有利于實現(xiàn)模塊化車型開發(fā)應用[25]。除電池與車輛、底盤之間在結構方面集成外，一體化集成技術也會實現(xiàn)電池控制單元等控制器與整車域控制器的集成統(tǒng)一，從而在電子電氣架構方面實現(xiàn)集成和創(chuàng)新。目前行業(yè)內缺少相關的法規(guī)及標準要求，CTC電池技術開發(fā)仍處于預研階段，國內并未實現(xiàn)量產?；诜浅休d式車身的技術特性，車輛乘員艙可以單獨進行設計開發(fā)，因此集成CTC電池的一體化底盤平臺也會帶來整車商業(yè)模式上的變化。盧軍等[26]設計的CTC 電池如圖8所示，電芯集成在一體化底盤的中間部位，采用典型的非承載式車身結構。

圖8 CTC電池結構示意[7]

上述CTC 電池的主要優(yōu)點是能夠進一步實現(xiàn)整車層面結構件數(shù)量減少，從而降低整車質量，增加車輛續(xù)駛里程。CTC 電池的非獨立性是與其它種類電池的顯著區(qū)別特征，相對于其它電池會存在以下3方面不足：

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

（2）維修：維修性方面由于無法單獨更換電池包導致可維修性較差[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構部件導致碰撞安全性降低。

總體上，CTC電池是目前行業(yè)內熱點的前瞻技術研究方向，國內外廠商都在積極探索研究解決方案。

綜合上述分析，表1 中列出不同類型動力電池各維度的綜合對比情況，可以看出隨著動力電池能量密度提高，會帶來制造工藝復雜性增加、維修成本增加、技術成熟度降低的不利影響。

表1 不同類型動力電池綜合對比

5 總結與展望

本文簡述了動力電池關鍵集成技術的分類，針對不同技術類型進行詳細分析，并闡述其技術特點、結構方案、制造工藝、維修性、成本優(yōu)劣勢和應用趨勢。

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

動力電池逐漸由內部的結構創(chuàng)新集成轉變?yōu)閯恿﹄姵赝獠颗c整車層級部件創(chuàng)新集成和深度融合，動力電池由獨立系統(tǒng)逐漸轉變?yōu)檎囈惑w化部件，如CTB電池上蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)車輛地板。

動力電池集成技術的進步在提升整車續(xù)駛里程同時，也給整車開發(fā)驗證帶來諸多挑戰(zhàn)，如電池上部承載、與車身之間密封、電池與整車裝配工藝、電池維修方便性課題，需要進一步研究以提升技術成熟度和可靠性。

作為新能源汽車的關鍵組成部分，動力電池系統(tǒng)集成技術的創(chuàng)新突破會給整車帶來更好的動力性和經(jīng)濟性、更高的續(xù)駛里程、更優(yōu)的用戶駕乘體驗，動力電池關鍵集成技術會伴隨著市場需求的變化不斷發(fā)展和進步。掌握電池的關鍵集成技術有助于企業(yè)提升其產品核心競爭力、打造卓越產品，以更好迎接新能源智能化電動汽車新時代。