十大動力電池集成技術

L逸軒 2023-02-14 發布于重慶

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電池包集成和管理技術

近年來，隨著新能源汽車的快速蓬勃發展，動力電池技術和相關集成管理技術層出不窮、節節開花，如新材料技術（無鈷材料等）、新工藝技術（刀片電池等）、新集成技術（CTP等）、新管理技術（彈匣電池等）匯聚了材料廠、電池廠和整車廠的最新研發應用成果。

本文整理簡單介紹10種電池包集成和管理技術，并公開分享。

最傳統的電池包集成技術是CTM（Cell To Module），首先將若干電芯串并聯組成模組，然后將模組裝配到電池包內，最后將電池包集成到汽車底盤。

傳統電池包集成方式

在動力電池應用于新能源汽車的早期階段，沒有統一的標準，電池、模組、電池包尺寸五花八門，導致電芯開發成本極高，并且不方便更換和維護。到后來，人們發現了每輛車可以利用的空間位置具有一定的共性，根據這些空間尺寸，推算出模組的尺寸范圍，從而希望實現電芯尺寸的標準化。

2008年，大眾汽車全面進軍電動化，在實現電動化過程中率先推出了標準化模組。第一個標準是355模組（355代表模組長度，每排可放置3個模組），為了提高續航里程，減少零部件和增加空間利用率，進一步降低成本，又推出了390模組（每排放置3個模組，模組更長更緊湊）和590模組（每排放置2個模組，集成效率更高），單個模組的體積在逐漸增大。

標準模組尺寸和外形示意圖

采用590模組的大眾汽車ID.3電池包

在CTM結構下，電芯被模組等結構件保護較好，電池包強度高，成組難度小。但電芯組裝為模組空間利用率為80%，模組集成為電池包空間利用率為50%，最終電芯集成為電池包后空間利用率僅40%，隨著新能源汽車的快速普及以及鋰離子電池性能的極致開發，在電池應用層面，電池包集成效率亟待提升，大模組化、去模組化、車身一體化技術成為主流趨勢。

1、CATL的CTP

2019年9月，寧德時代全球首款CTP（Cell To Pack）電池包正式發布，將搭載于北汽EU5車型上。相比傳統電池包，采用全新CTP技術的電池包體積利用率提高15%~20%，零部件數量減少40%，生產效率提升50%，系統成本降低10%。在能量密度上，CTP電池包可高達200Wh/kg，相比傳統結構高30%以上，可以大幅提升電動汽車續航能力。

寧德時代第一代CTP電池包

CTP技術包括兩個思路：一是大模組化，二是無模組化，寧德時代本次發布的CTP屬于大模組化技術，其核心邏輯是提高單體電芯的容量，同時將多個電芯堆疊組成更大的電池模組，從而大大減少模組數量，減少零部件數量，從而實現能量密度提升和成本降低的目標。

CTP技術路線

CTP技術除了采用大電芯組成大模組外，通常還會對模組之間的連接結構進行優化，減少零部件和簡化裝配工藝過程。

寧德時代“套筒式”模組連接方式

雖然CTP電池包具有適用性強、空間利用率高、成本低、散熱性能好等優勢，但由于木桶效應，電池包整體性能將取決于組成電池包最差電芯的性能，因此，CTP結構對電芯一致性提出了更高的要求，此外，如果出現電池故障需要更換，維修的便利性和成本都更高。

2、TESLA的CTC

2020年“電池日”上，特斯拉首次公布CTC（Cell To Chassis）技術，Elon Musk表示，CTC集成技術配合前后車身一體化壓鑄技術，可以減少約370個零部件，實現車身減重10%，每千瓦時電池成本降低7%。

CTC技術路線

CTC技術省去了從電芯到模組，再到電池包的兩個裝配過程，直接將電池集成到車身底盤。CTC技術的本質是將電池包上殼體和車身下地板合二為一，座椅直接安裝在電池包上蓋上，電池包既是能量提供裝置，又是整車結構部件。

特斯拉Model Y車型CTC技術方案

為了解決電池包隔熱問題，特斯拉在電池包內部灌滿了膠，防止熱量向車內傳導，同時，由于汽車側面是碰撞薄弱點，特斯拉在靠近車身門檻兩側灌膠更多，膠層更厚，當汽車發生側面碰撞時可以對內部電池起到較好的緩沖保護作用。

特斯拉Model Y灌膠示意圖

CTC技術的優勢是明顯的，由于越過了“模組”和“電池包”兩級裝配過程，直接將電池集成到車身地板上，將大大節省空間，或者說在相同空間內可以容納更多電池，從而提升了續航能力，同時，零部件和結構件也大大減少，降低了重量、簡化了流程、節約了成本，灌膠方案對電池“化零為整”，大大提高了車身的剛度。但CTC結構的缺點也很突出，一方面對單體電池一致性提出了很高的要求，另一方面，由于電池整體集成在車身地板，且有膠水相互粘連，幾乎不可能進行維修，維修成本極高。

3、國軒高科JTM

2021年1月8日，國軒高科在合肥召開第十屆科技大會，會上發布了210Wh/kg磷酸鐵鋰軟包電芯及JTM（Jelly Roll To Module）電池技術。據稱，采用JTM集成技術可以將模組成組效率提高到90%以上，搭配其高比能磷酸鐵鋰電池，可以做到模組能量密度近200Wh/kg，系統能量密度180Wh/kg，超過了NCM622三元體系水平，可滿足高端乘用車的續航需求。

JTM技術路線

JTM與其他電芯集成技術最大的不同在于，其他集成技術都是基于電芯為最小單元，而JTM以卷芯為最小單元，在電芯內部并、串聯集成，與刀片電池較為類似，但刀片電池內部為一個整體，而JTM可以想象成將刀片電池內部分成了幾段，正因為其“柔中帶剛”的特性，國軒高科內部又稱JTM電池為“變形金剛式的柔性模組”。

2022年6月17日，國軒高科JTM電池發明專利獲得國家知識產權局授權。其描述的JTM電池制作流程大致是：

1）將至少一個卷芯進行并聯層疊，然后分別對正極耳群和負極耳群進行集中焊接；

2）用膠紙將多個并聯的卷芯固定，然后將極耳卡扣在導電組件的L型彎折部進行焊接固定；

3）兩側的導電組件中間密封固定有絕緣袋，在卷芯整體裝入鋁殼之前，通過注液孔對并聯卷芯進行注液；

4）通過導電連接片將多個并聯卷芯依次順序串聯，最后將其整體裝配入鋁殼中。

極耳和導電組件連接示意圖

JTM電池三維示意圖

JTM電池將單卷芯在鋁殼內部進行并、串聯，減少了外部連接件的數量，能量密度更高，成本更低，且工藝簡單，易形成標準化，而且各單卷芯能夠相互獨立，出現熱失控時不會相互蔓延，進一步延遲了熱失控的發生，提高了電池安全性能。

4、廣汽埃安的彈匣電池

2021年3月10日，廣汽埃安重磅發布全球首創第一代彈匣電池系統安全技術，由于采用了類似彈匣安全艙的設計，故而簡稱“彈匣電池”，實現了行業首次三元鋰電池整包針刺不起火，宣稱重新定義了三元鋰電池主動安全標準，通過優化設計和生產工藝，系統體積能量密度提升9.4%（302Wh/L），系統質量能量密度提升5.7%（185Wh/kg），成本降低了10%。

彈匣電池系統安全技術

從材料層級來看，三元鋰電池雖然具有更高的能量密度，但其安全性能相比磷酸鐵鋰更差成為了消費者購買新能源汽車的主要疑慮。三元材料熱穩定性差，在200℃左右就會發生分解，釋放O2，而磷酸鐵鋰在700℃以上才會分解，由于存在穩固的P-O鍵，磷酸鐵鋰熱分解不會釋放O2，因此，三元鋰電池在發生熱濫用、針刺等極端測試時，更容易起火、爆炸。

三元鋰電池熱失控鏈式反應過程

那么，廣汽埃安是如何實現三元鋰電池針刺不起火的呢？

據悉，彈匣電池技術基于“防止電芯內短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設計思路，主要包括四大核心技術：

1）超高耐熱穩定的電芯

正極材料采用納米級包覆及摻雜技術，實現材料本征改性和表面修飾結合，有效提升材料熱穩定性和防止熱失控；電解液采用能對SEI膜進行自修復的新型添加劑，改善電芯循環壽命；通過添加特殊電解液添加劑，當電池溫度升高到120℃時，自發聚合形成高阻抗薄膜，大幅降低熱失控反應產熱，使電芯耐熱溫度提升了30%。

2）超強隔熱電池安全艙

通過網狀納米孔隔熱材料和可耐1400℃高溫的上殼體，彈匣電池構筑了超強隔熱的安全艙，當單個電芯發生熱失控時，確保熱量不會蔓延至相鄰電芯，引起連環失控。

3）極速降溫三維速冷系統

通過全貼合液冷系統、高速散熱通道、高精準的導熱路徑設計構建三維速冷系統，彈匣電池實現了散熱面積提升40%，散熱效率提升30%，有效防止熱失控和熱蔓延。

4）全時管控第五代電池管理系統

采用車規級最新一代電池管理系統芯片，實現10次/s全天候數據采集，對電池系統狀態進行實時監控。當檢測發現溫度超高時，可立即啟動電池速冷系統為電池降溫。

彈匣電池四大核心技術

基于四大核心技術加持的彈匣電池，按照《GB 38031-2020 動力汽車用動力蓄電池安全要求》，采用強制性標準中最嚴苛的參數進行測試，可以實現針刺不起火（國標要求5min內不起火，預留逃生時間），針刺點附近最高溫度686.7℃，電池之間未發生熱擴散，靜置48h后，針刺電芯電壓降為0V，溫度恢復室溫，整包外觀保持了較好的完整性。

彈匣電池通過安全技術升級，實現了三元鋰電池整包不起火，對三元鋰電池在新能源汽車中的應用具有重要的推動作用，在系統層面較好的解決了三元鋰電池的安全問題。

5、東風“三不”電池

2021年3月17日，東風汽車旗下高端電動車品牌嵐圖汽車舉辦了“三元鋰電池安全技術分享會”，首次展示了嵐圖FREE（純電版）的電池包、車體結構、電氣系統的安全技術，并對電池包的安全技術進行了全方位的解讀。

三元鋰電池包具有能量密度高、低溫性能好、倍率性能好等特點，但相應的熱穩定性更差，需要進行更好的安全防護和熱管理，既要滿足高能量，又要滿足高安全，對電池技術帶來極大挑戰。

而嵐圖FREE采用三元鋰電池作為動力系統，卻可以做到整包“不冒煙、不起火、不爆炸”，被媒體稱為“三不”電池。此前廣汽埃安的彈匣電池已經實現了三元鋰電池整包在熱失控狀態下“不起火、不爆炸”，但嵐圖FREE又在彈匣電池的基礎上做到了“不冒煙”，似乎意味著三元鋰電池的系統安全技術又上升了一個新臺階。

圖嵐圖FREE三元鋰電池技術亮點

據悉，嵐圖汽車采用了三大安全技術：單體電芯三維隔熱墻設計、電池安全監測和預警模型、電池PACK設計。

1）單體電芯三維隔熱墻設計

隔熱墻技術是嵐圖汽車三元鋰電池熱失控“不冒煙”的首創核心技術，其原理是在電池包內，使用超強高分子隔熱阻燃材料，將每個電芯分離，在電芯與電芯之間形成高效的阻熱阻燃隔熱層，并且單獨三維立體包裹，如同“琥珀”一樣。

當某個單體電芯發生熱失控時，三維隔熱墻的存在可以避免熱蔓延到周圍其他電芯，進而防止出現連環熱失控，同時，每一個電芯底部都與高效液冷系統接觸，保證電池包具有穩定的散熱能力，而在電芯頂部，還額外布置了可耐1000℃高溫的隔熱阻燃層，保護車內人員安全。

圖“三維隔熱墻”技術詳情

2）電池安全監測和預警模型

嵐圖在對電池包原有溫度電壓預警基礎上，搭建了精確的電池安全監測和預警大數據模型，追蹤每一臺車、每一塊電池的使用數據，并將監測到的數據與云端大數據庫實時對比，當系統發現電池監測數據出現異常時，嵐圖會通過云端APP推送及車輛的預警系統，提醒用戶。

圖嵐圖BMS云端衛士

3）電池PACK設計

在被動安全上，嵐圖對電池結構進行了五大設計：車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能、電池雙保險。

圖嵐圖電池PACK方案

a）車身防護：在車門門檻位置，采用雙層結構的1500MPa超高強度熱成型鋼，前后車身內部，采用行業最高等級的2000Mpa熱成型鋼，防止車輛發生膨脹或側翻時擠壓電池，從而保證電池的完整性。

b）高強框架：通過高強度鋁合金框架、多條加強筋強化其耐撞性，根據測試結果，高強框架可以抵御20噸力的擠壓。

c）壓力傳遞：在電池包內部設計多條縱橫加強梁，使得電池包受到外力時層層分解，從而保護內部電芯。

d）形變吸能：嵐圖對電池包預設了超過30mm的形變吸能空間，在電池包受撞擊變形時，保護內部電芯。

e）電池雙保險：電芯雙極均設置有防爆閥，當電池內部壓力增大時，防爆閥被沖開，避免電池發生爆炸。

6、長城汽車的大禹電池

2021年6月29日，長城汽車咖啡智能2.0升級發布會在保定哈弗技術中心舉行，會上正式發布了“大禹電池”，自稱“永不起火、永不爆炸”。據介紹，大禹電池的命名主要是因為其安全保障的原理采用了大禹治水的“變堵為疏”理念，采用多梯次換流系統、快速極冷抑制系統、多級定向排爆系統、滅火盒系統來從PACK層級保障電池安全。

圖長城汽車展示的大禹電池整包

大禹電池采用高鎳811三元材料，熱失控引發方式為加熱，實驗中最高溫度超過1000℃，但全程無起火爆炸，并且大禹電池排除的煙氣溫度低于100℃。

大禹電池“變堵為疏”的理念包含了哪些技術元素呢？據了解，大禹電池主要從熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智能冷卻八個方面提升三元鋰電池整包安全性能。

圖大禹電池設計理念

1）熱源隔斷

大禹電池之間采用隔熱性能良好、又耐火焰沖擊的全新開發的雙層復合材料取代傳統氣凝膠隔熱材料隔絕熱源，防止高溫傳導到周圍電芯引起連環反應。在模組上方還布置了可耐1000℃高溫的隔熱材料，保護駕乘人員的安全。

2）雙向換流

通過對換流通道設計方案模擬仿真，實現換流強度和比例的精準優化，引導氣流和火流進行雙向換流。

3）熱流分配

通過搭建燃燒模型、熱力學與流體力學擬合仿真、沖擊強度和壓力計算，實現氣火流在不同結構通道內的均勻分布，為雙向換流起到了很好的輔助作用。

4）定向排爆

大禹電池設計了防爆閥，當電池內壓增大時，防爆閥優先打開，產生的火焰或氣流進入模組上方預設的流道，將其定向排出遠離相鄰電芯。

5）高溫絕緣

在高壓線束銅排表面涂抹了一層耐高溫絕緣材料，防止出現高壓電弧造成額外傷害。

6）自動滅火

高壓氣流和火流被引導到電池包尾部的蜂窩狀滅火盒中，由于蜂窩狀結構的多孔性和多層隔熱屏阻隔了空氣的大空間流動，使之成為尺度十分有限的微小空間，空氣的自然對流換熱難以開展，有效地阻礙了對流換熱的進行，從而可實現火焰快速抑制和冷卻。

7）正壓阻氧

在電池包尾部設計了多層不對稱蜂窩狀通道，保證電池包內壓始終大于外界，避免吸入氧氣導致火勢變大。

8）智能冷卻

當BMS或智能云端監測到電芯熱失控時，智能調節冷卻系統的流速和流量，從而給電芯降溫，將事故扼殺在搖籃中。

根據長城汽車的規劃，“大禹電池”將率先搭載在沙龍品牌的第一款車型上。從2022年開始這一電池技術將全面覆蓋長城旗下的所有車型。

7、MTC

2022年4月25日，零跑汽車開展以“智能時代，源力覺醒”為主題的智能動力CTC技術線上發布會，首次公開了其最新研發的CTC技術（零跑官宣CTC，嚴格講應該是MTC，即Module To Chassis）。

圖 MTC技術路線

據悉，零跑汽車MTC底盤一體化技術可使零部件數量減少20%，結構件成本降低15%，電池布置空間增加14.5%，車身垂直空間增加10mm，綜合工況續航增加10%，該技術將在零跑純電動汽車C01車型率先量產應用，續航里程將達到700km。

圖零跑MTC底盤布置示意圖

如果將特斯拉CTC技術比作目前的電池一體化手機，那么零跑MTC就好比原來的電池分離式手機，當電池發生故障時，只需要取下更換即可，非常方便。

零跑汽車MTC技術保留了模組設計，將模組直接集成到汽車底盤。其最大的創新點在于，首次將電池托盤骨架結構和車身梁結構合二為一形成雙骨架環形梁式結構，既能提高整體結構效率，實現輕量化，又能通過車身縱、橫梁實現電池密封。

雙骨架環形梁式結構：

紅色為車身結構梁綠色為電池托盤結構

零跑汽車通過在乘員艙底部開設容納空間，將模組從下往上通過栓接、膠接等固定方式懸吊在乘員艙底部，再用電池托盤和車身地板密封，取消了傳統電池包的上蓋板。

相比于特斯拉CTC技術，零跑汽車MTC似乎更是一個折中的技術，由于沒有取消模組結構，因此集成效率、成本方面仍有提升空間，并且由于取消了傳統電池包的上蓋板，當電池熱失控時對乘員艙威脅更大，但由于電池托盤容易拆解，當需要維修時，不需要拆解車身地板和座椅，更加的方便和快捷，更是一種可行的量產化技術。

8、BYD的CTB

2022年5月20日，比亞迪隆重舉辦CTB技術暨海豹預售發布會，會上，比亞迪全球首發了CTB車身一體化技術及搭載CTB技術的e平臺3.0純電動車型—海豹。

據介紹，海豹搭載CTB技術后，其動力電池系統利用率提升66%，系統能量密度提升10%，可以實現700km的續航里程，其動力電池仍然采用刀片電池，可以達到充電15min，行駛300km的快充能力。

圖比亞迪CTB底盤一體化布置示意圖

實際上，比亞迪CTB技術與特斯拉CTC有點類似，都是將電池上蓋板與車身地板合二為一，即減少了一層地板。但特斯拉電池上蓋板結合了座椅支架和橫向加強結構，而比亞迪橫向梁還保留在車身，用于提供更好的側向強度和扭轉剛度（似乎特斯拉集成技術更像CTB，而比亞迪集成技術更像CTC），因此，CTB的集成度略遜于CTC。

CTB技術依然采用了刀片電池陣列式排布方式，本身具有極好的安全性能，并且電池包上蓋和電池托盤將刀片電池夾在中間，形成了類蜂窩結構，根據比亞迪發布的測試視頻，電池艙可以承受50t重卡碾壓而裝回車身后仍可繼續使用，因此，比亞迪海豹號稱是“撞不斷的電動汽車”。

CTB技術的優勢是高安全、高強度、輕量化、低成本，其維修性比特斯拉CTC技術略好一些，但集成度方面相比CTC技術更保守。

圖搭載CTB集成技術的比亞迪海豹宣傳圖

9、上汽的魔方電池

2022年6月13日，上汽乘用車MG品牌首次發布了“魔方電池”，并亮相了搭載魔方電池的首款車型-MG MULAN。

據介紹，魔方電池英文名是“ONE PACK”，采用了標準電池包，長度均為1690mm，寬度均為1300mm，高度可選110mm、125mm和137mm，由于長度和寬度固定，只需改變高度就能實現不同續航里程的需求，由于電池包長度和寬度相同，魔方電池還采用了統一的電芯固定位置、統一的快換冷卻接口和統一的高低壓接口，意味著魔方電池可以實現換電功能。

圖魔方電池統一的長度和寬度

魔方電池最大的技術特點就是采用了躺式電芯的布置，而傳統的電池包都是立式布置或者側立布置，魔方電池為何要“躺平”呢？

躺式電芯布置

1）整車布置效率更高

電池的厚度更薄，躺平后的電池包厚度也更薄，可以釋放更多的車內空間，超薄電池還可以降低整包質心高度，能有效抑制車輛高速行駛時的側傾，車身更加穩定。并且，電池躺平后，上下兩塊電池之間不再布置隔熱材料，而只需在左右電池中間設置隔熱材料，減少了材料數量和用量。

2）循環壽命更長

魔方電池設置了一個自適應束縛裝置，可以適應電池使用過程和全壽命周期保持一致的約束力，而傳統的立式電池兩端具有強約束力，長期使用過程中會影響降低電芯約一半的循環壽命。

3）安全性能更好

魔方電池躺式布置，電池熱失控噴射口在電池側邊，不會向上噴射，在一定程度上降低了駕乘人員的傷害，并且相鄰電芯接觸面積小，降低了對周邊電芯的影響。

在解決躺式電芯的熱失控和散熱方面，魔方電池采用了以下方案：

1）熱隔離擋板

躺式電芯熱失控時主要從側面噴射火焰，正對噴射口的其他電池可能被直接引燃，魔方電池在其間布置了熱隔離擋板，防止正對噴射口的電芯被引燃。

圖躺式電芯之間的熱隔離擋板

2）立式冷卻系統

由于魔方電池躺平式電池結構，為了保證每個電芯均勻散熱，采用了立式冷卻結構解決方案，即將本該站立的電芯躺平，本該躺平的冷卻系統站立起來。

10、CALT的3.0麒麟電池

2022年6月23日，寧德時代正式發布第三代CTP電池包技術-麒麟電池，通過對電池包的結構改進，將空間利用率從56%提高到72%，宣稱在相同的尺寸和化學體系設計下，其系統能量密度可達255Wh/kg，比特斯拉高出13%，整車續航里程可輕松突破1000km，采用全球首創大面冷卻技術，麒麟電池支持5min快速熱啟動及10min快速充電至80%SOC，實現了續航、快充、安全、壽命、效率以及低溫性能的全面提升，預計將于2023年量產上市，首次搭載于吉利汽車旗下高端電動汽車MPV—極氪009。

寧德時代三代CTP技術迭代對比

麒麟電池的結構從上到下依次為：上蓋、三合一彈性夾層、電池、托盤。創新重點之一是高度集成化的三合一彈性夾層，將結構梁（縱橫梁）、隔熱墊和水冷板替換為彈性夾層，布置在每排電芯間，同時起到結構支撐、冷卻散熱、電芯隔熱和膨脹緩沖四個功能。

麒麟電池包爆炸圖

麒麟電池將本該放置在電芯底部的水冷板（彈性夾層）豎直放置于電芯之間，增加了4倍換熱面積、大幅提高了散熱性能，從而實現了電池的安全快充。據寧德時代報告，麒麟電池可以做到4C快充技術，實現5分鐘熱啟動、10分鐘快充至80%。

此外，麒麟電池采用電芯倒置，防爆閥朝下設計，當電芯發生熱失控時，高溫氣流將向汽車底部噴射，進一步保護駕乘人員安全。

圖麒麟電池排列方式

麒麟電池是寧德時代在現有的方形電池技術路線下，通過結構創新，進一步提升電池性能的重要方式。寧德時代采用了全球首創的電芯大面冷卻技術，取消了橫縱梁、水冷板與隔熱墊原本獨立的設計，集成為多功能彈性夾層，實現了水冷、隔熱、緩沖功能三合一，進而實現了系統集成度的較大提升。