中國儲能網(wǎng)訊：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，動力電池作為電動汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[3]備受關(guān)注，國內(nèi)新能 源汽車主機廠及動力電池供應(yīng)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(shù)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。
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(shù)特點及實現(xiàn)方式、優(yōu)勢及不足、應(yīng)用趨勢，并進行綜合對比。
1.動力電池集成關(guān)鍵技術(shù)概述
圖1為動力電池集成關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)件數(shù)量多、集成效率低、能量密 度低。為適應(yīng)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(shù)，如電池無模組技術(shù)（Cell To Pack，CTP）；一體化式 集成技術(shù)，如電池車身一體化技術(shù)（Cell To Body， CTB）和電池底盤一體化技術(shù)（Cell To Chassis，CTC），實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)集成技術(shù)創(chuàng)新。目前典型式集 成電池、無模組式集成電池應(yīng)用較為廣泛，一體化式集成電池應(yīng)用較少（圖1）。
2.典型式集成
動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，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(nèi)每個模組具有端板、側(cè)板、頂蓋結(jié)構(gòu)，進行獨立封裝。典型式 集成電池包一般在其內(nèi)部采用螺栓連接方式將電 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(shè)計要求預留電氣間隙和裝配間隙。王明等設(shè)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(cè)板結(jié)構(gòu)，模組與 模組之間需要通過高壓連接排進行連接。周琪等設(shè)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。
上述典型式集成電池的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、裝 配簡單、裝配工藝要求較低。若內(nèi)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(nèi)部空間被 較多模組端板、側(cè)板占用，且每個模組之間需預留較 大的空隙，導致電池包內(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，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(shù)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(nèi)部集成設(shè)計方面主要是基于“少件化”的理念，減少或 取消動力電池內(nèi)部模組和其它結(jié)構(gòu)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。
3.1 CTP電池
電池無模組（CTP）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。一般采用具有超強黏結(jié)性、高導熱性的混 合型結(jié)構(gòu)導熱膠，將所有電芯端部與電池包箱體進行黏結(jié)，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(zhì)替代，進一步減輕電池包質(zhì)量。
此外，電池包內(nèi)部沒有標準模組限制，可以廣泛應(yīng)用在不同車型上。游凱杰等設(shè)計的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，同時節(jié)省了 工藝流程，提高裝配效率和降低制造成本。
上述CTP電池的主要優(yōu)點是電池包內(nèi)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%。電池包內(nèi)部電芯主要固定方式為黏結(jié)，而結(jié)構(gòu)導熱膠固化后一般難以進行非破壞 性拆解，若電池包內(nèi)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(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 更復雜、尺寸更大的工藝設(shè)備，其制造投入成本相對較高?？傮w上，CTP電池能夠更好適應(yīng)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
刀片電池是無模組集成電池的另外一種代表 方案，因其電池包內(nèi)電芯形狀為細長條狀，形似刀片 而得名。其關(guān)鍵設(shè)計點同樣是通過“少件化”方式取 消電池模組結(jié)構(gòu)，采用加長尺寸的電芯和電芯極 柱側(cè)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(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(zhì)量，實現(xiàn)電池包的輕量化。王傳福等設(shè)計的刀片電池如圖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。
上述刀片電池的主要優(yōu)點是電池包內(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，同時其成組方式簡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)不同邊界需求進行適應(yīng)性調(diào)整，能夠廣泛應(yīng)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(nèi)電芯和箱體采用 黏結(jié)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(nèi)部的集成技術(shù)和市場推廣應(yīng)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(shù)。相 較于電池內(nèi)部減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量的集成設(shè)計方案，一體 化式集成電池技術(shù)的關(guān)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(jié)合，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(zhì)量減 少、結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少，進而實現(xiàn)輕量化設(shè)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(chǔ)上優(yōu)化電池包上蓋結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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等設(shè)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(jié)構(gòu)，可以取消和簡化車身結(jié)構(gòu)件，從而降低車輛質(zhì)量，提升續(xù)駛里程。凌和平等設(shè)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(nèi)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(shè)置2道密封墊，可以實現(xiàn)防塵、降噪、保溫和密封功能。
上述CTB電池的主要優(yōu)點是在整車層面減少結(jié)構(gòu)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(zhì)量、增加電池裝載量、降低車輛能耗，保證車輛能夠?qū)崿F(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(jié)構(gòu)，與車身門檻梁、邊梁同時構(gòu)成雙層防護，可以更好防護內(nèi)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(shù)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(shè)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(shè)計是新能源汽車行業(yè)難點。
總體上，CTB電池作為一體化式集成方案之一，目前新能源汽車行業(yè)部分車企已開始試點應(yīng)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）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(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(jié)構(gòu)件數(shù)量，從而降低整車質(zhì)量和整車 能耗。電池作為一體化集成技術(shù)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(yīng)用。除電池與車輛、底盤之間在結(jié)構(gòu)方面集成外，一體化 集成技術(shù)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(gòu)方面實現(xiàn)集成和創(chuàng)新。目前行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)的法規(guī)及標準要求，CTC電池技術(shù)開發(fā)仍處于預研階段，國內(nèi)并未實現(xiàn)量產(chǎn)?；诜浅休d式車身的技術(shù)特性，車輛乘員艙可以單獨進行設(shè)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。盧軍等設(shè)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(jié)構(gòu)。
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(jié)構(gòu)件數(shù)量減少，從而降低整車質(zhì)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、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)部件導致碰撞安全性降低。總體上，CTC電池是目前行業(yè)內(nèi)熱點的前瞻技術(shù)研究方向，國內(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(shù)成熟度降低的不利影響。
5.總結(jié)與展望
本文簡述了動力電池關(guān)鍵集成技術(shù)的分類，針對 不同技術(shù)類型進行詳細分析，并闡述其技術(shù)特點、結(jié) 構(gòu)方案、制造工藝、維修性、成本優(yōu)劣勢和應(yīng)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新集成轉(zhuǎn)變?yōu)閯?力電池外部與整車層級部件創(chuàng)新集成和深度融合，動 力電池由獨立系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)成熟度和可靠性。
作為新能源汽車的關(guān)鍵組成部分，動力電池系統(tǒng)集成技術(shù)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(guān)鍵集成技術(shù)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(guān)鍵集成技術(shù)有助于企業(yè)提 升其產(chǎn)品核心競爭力、打造卓越產(chǎn)品，以更好迎接新能源智能化電動汽車新時代。
