新能源汽车动力电池结构及成组技术综述

邱伟

摘 要：动力电池作为新能源汽车的核心部件，不仅直接影响整车的续航里程、安全性、动力性、环境适应性和长期可靠性等方面性能，同时也决定了整车成本的高低。近年来，虽然新能源汽车渗透率快速提升，但动力电池在材料体系方面的突破仍然有限，因此结构和成组技术创新的重要性就愈加凸显。本文主要从新能源汽车电池结构集成的角度，分析和论述动力电池成组技术的发展方向和面临的挑战。

关键词：新能源汽车 动力电池 结构 成组技术

1 引言

根据中国汽车工业协会统计数据，2023年我国新能源汽车产销分别完成958.7万辆和949.5万辆，同比分别增长35.8%、37.9%，实现产销两旺。根据中国汽车动力电池产业创新联盟统计数据，2023年我国动力电池装车量达到387.7GWh，同比增长31.6%。

虽然近几年新能源汽车产销量和动力电池装机量都实现了较大幅度的增长，但是以三元锂和磷酸铁锂为主体的锂电池材料体系性能并没有实现突破，而是步入相对稳定的发展阶段。相反，Pack层级结构和成组技术的创新成果丰硕，有力的推动了行业的快速发展和进步。

2 动力电池结构概述

新能源汽车动力电池是机械、电气、电化学和热力学等多学科交汇耦合的部件，在整车上应用面临着来自内部和外部多重因素的叠加影响，因此其具有较为复杂的结构来确保自身的强度、安全性、可靠性、热适应性和效率。

2.1 电芯结构

电芯作为动力电池的核心部件，是电池系统存储能量的基本单元，决定着能量密度、功率性能、安全性和寿命等核心性能。电芯从结构形式上划分，主要有圆柱、方壳和软包三种，如图1所示。

圆柱电芯一般采用钢壳，尺寸小巧、布置灵活，生产工艺成熟，一致性较高，但存在成组效率低、单体容量小、BMS管理復杂度高和寿命差的问题。圆柱电芯的主要生产企业有LG化学、松下、三星SDI等，主要应用车企为特斯拉、现代、保时捷等。

方壳电芯具有易成组、效率高、单体容量大、高安全性等优点，但需要开模，成本高，且工艺设备兼容难度大。方壳电芯的主要生产企业为宁德时代、比亚迪、国轩高科等，主要应用车企有特斯拉、比亚迪、吉利、北汽、蔚小理等。

软包电芯采用叠片工艺进行裸电芯制作，铝塑膜热封装，尺寸变化灵活，但壳体机械强度低，成组效率低，成本相对较高。软包电芯的主要生产企业有AESC、LG 化学、孚能科技等，主要应用车企有雷诺、日产等。

根据乘联会数据，2022年国内方壳电池市场占比达到93.2%，占据绝对优势。相比之下，圆柱和软包的市场份额分别为4.5%和2.3%。

2.2 电池包Pack或系统组成

乘用车动力电池多为单箱系统，我们称之为电池包或Pack。Pack在结构上大体可以分为单体（电芯或模组）、下箱体、上箱盖、高低压线束、BMS、功能组件等几个部分。图2为某乘用车动力电池Pack。

商用车由于电池电量较大，且整车的布置空间较为充分，对重量的敏感度相对更低，因此电池系统一般由多个Pack通过高低压线束和高压箱串并联形成，如图3所示为某客车动力电池系统组成。

3 动力电池成组技术

将电池由单体集成为Pack的技术叫成组技术，主要涉及结构、热管理、电连接设计和BMS技术。纵观动力电池发展的历史，成组技术起步于MTP（Module To Pack），到今天的以CTP（Cell To Pack）为主流，并继续探索更高集成效率的CTC（Cell To Chassis）、 CTB（Cell To Body & Braket）和MTB（Module To Body）等成组技术。

3.1 MTP（Module To Pack）

2016年以前，动力电池主要采用MTP（Module To Pack）技术进行成组，即先由电芯集成为模组，再由模组集成为Pack。MTP技术的特征是模组可拆卸和更换，具有较好的可维护性，因此对电芯层级的一致性要求较低。但由于模组的存在，不参与电化学能量储存的结构件数量较多，故而成组效率较低，重量成组效率约60%～75%，体积成组效率约35%～45%。

MTP成组技术的核心在于模组设计。模组一般由框架（端板、侧板、底板）、Cell、高低压电气连接组件、CCS组件、绝缘和缓冲组件组成。如图4所示为某单排模组爆炸图。好的模组设计，不仅要充分考虑适当的结构强度、合理的尺寸公差、安全可靠的电气连接及采样，同时还需要具备高效的热管理设计、精准的电芯膨胀力应对设计和轻量化设计。

3.2 CTP（Cell To Pack）

CTP是Cell To Pack的缩写，指将电芯直接集成到Pack的技术。2016年，宁德时代率先在客车上推出全球第一代CTP Pack产品，取消了传统的模组结构，用简易模组（仅含电芯、端板、钢带或绑带）取而代之，并通过高强度的结构胶与下箱体进行固定，如图5所示。由于取消了模组，Pack的零部件数量减少了40%，重量能量密度提升了10%～15%，体积能量密度提升了10%～20%，同时生产效率提升了50%[1]。

CTP技术的特征在于电芯与箱体通过高强度结构胶永久性粘合固定，因此无法拆卸和维护。哪怕仅有一颗电芯出现质量问题，就需要整包更换，这对电芯的一致性和长期可靠性提出了非常高的要求，以至于在宁德时代推出CTP产品的最初几年鲜有友商敢于跟进。

宁德时代CTP技术起源于商用车磷酸铁锂标准Pack产品开发，并拓展应用到乘用车三元 Pack设计，衍生出多种变形版本。图6、图7分别是宁德时代商用车和乘用车CTP产品的发展演进情况。其中乘用车CTP3.0的麒麟电池，进一步将箱体横纵梁、水冷板、电芯间隔热垫和缓冲垫等集成为四合一多功能弹性夹层部件（如图8所示），大幅度提升了空间利用率，实现72%的超高体积成组效率，Pack能量密度高达255Wh/kg。

比亚迪的刀片电池也属于CTP成组技术范畴，不同的是电芯的形状为扁长条状，形似刀片，可以作为Pack结构件的一部分，以此来减少箱体横、纵梁结构的数量，从而有效的利用Pack内部的空间。

3.3 CTC（Cell To Chassis）

CTP技术有效提升了Pack层级的成组效率，但仍然存在Pack与整车耦合的过程。如果能够将Pack取消，直接将电芯集成到整车或底盘上，将进一步提升电池的成组效率。正是基于这一目标，近年来新能源整车和动力电池企业都在探索电池与整车一体化集成技术。

电池与整车一体化集成技术根据底盘和车身是否可以解耦可以划分为CTC（Cell To Chassis，电芯集成到底盘）和 CTB（Cell To Body，电芯集成到车身）两种路线。CTC技术主要应用于非承载式车身，整车有完全独立的底盘，且底盘与上车身解耦，可以根据需要更换上车身。CTC与线控底盘系统、域控集成、整车热管理集成和高压电气集成一起组成一体化底盘集成技术的五大关键特征，图9为某CTC一体化底盘。

采用CTC成组技术的电池不再是一个独立的总成，而是融合为底盘的一部分，进一步减少了零部件数量，降低重量，节约成本。相对于CTP，CTC的空间利用率可以提升10%～15%，因此整车可以装进更大的电量以提升续航里程。

尽管CTC技术优势明显，其在安全性、维修性和生产制造等方面同样面临着较大的困难和挑战。由于取消了Pack，整车发生碰撞时电芯直接受外力冲击导致失效的可能性大幅增加，电池的碰撞安全性降低。其次，电芯通过高强度结构胶粘接在底盘上，维修成本较CTP更高。另外，电池的装配过程置于底盘生产环节，大大增加了总装的复杂性和困难度，同时也对产线规划、工艺设备和生产效率带来新的挑战。

3.4 CTB/MTB（Cell/Module To Body）

CTB/MTB技术即Cell/Module To Body，电芯或模组集成到车身，主要应用于承载式车身，是传统Pack To Body技术的延申，特征是将电池Pack的上盖和乘员舱地板进行集成整合，从而在Z向上额外获取10～15mm的空间，或用于布置电池，或用于提升乘员舱总体高度。表1为两种CTB/MTB成组技术对比。零跑汽车宣称其MTB技术相对于传统电池包方案零部件数量减少20%，电池布置空间提升14.5%，同时得益于大量高强度钢的使用，整车扭转刚度提升了25%[2]。

3.5 MTC/MTV（Module To Chassis/Vehicle）

对于商用车来说，电池系统的配电量比较大，动辄200～450kWh[3]，甚至更高。同时，商用车小批量多品种的属性特点要求整车的电量配置可以灵活调整，同一个底盘平台产品可能要兼容多个电量配置，且电量跨度也大。此外，整车的应用工况也较乘用车更加恶劣，这些特点要求商用车电池具有更安全的界面性能和出色的可维护性，因此MTC/MTV技术应运而生。

MTC/MTV技术是将模组直接集成到底盘或整车的技术。这一技术虽然保留了模组，但由于其具有独立的机械强度、电气设计和一定等级的防护性能，以及标准化对外接口和清晰的性能界面，可以省去Pack层级的结构部件，因此，可以更充分的利用底盘或车身空间。以重卡后背换电为例，在换电框架尺寸相同的前提下，采用MTC/MTV技术相较于CTP电池Pack方案可以提升约34%的系统电量。此外，模组可以灵活的串并联组成不同電量的系统，兼具良好的维修性能，能够适应复杂的应用场景和严苛的工况要求。图10为重卡和客车MTV应用方案示意。

3.6 电芯倒置与侧躺

在各种成组技术的实际应用中，电芯基本都是正立放置的（主要指方壳电芯）。2022年6月宁德时代发布麒麟电池，首次提出了电芯倒置成组方案，可以提升6%空间利用率。2023年12月，小米汽车发布的SU7车型，是全球首款搭载宁德时代电芯倒置电池的车型，如图11所示。

电芯倒置方案可以将正立方案中电芯极柱上方用于Busbar、绝缘片、采样线等部件的空间，与为满足底部球击标准要求而设计的电芯底部缓冲空间合二为一，进而在Z向尺寸上额外挖掘出5～10mm，实现空间利用率的提升。此外，由于电芯泄压阀朝下，配合Pack独特的泄压路径设计，可以保证电芯在热失控情况下快速向下释放热量和压力，从而最大程度保障上方乘员舱的安全。

2022年6月，上汽乘用车首次发布了“魔方电池”ONE PACK，其特征在于将方壳电芯侧躺，并进行2层堆叠布置。电芯侧躺的优势在于电解液的浸润更加充分和均匀，因此可以有效改善循环寿命。同时，2层堆叠的设计大幅度降低了电芯膨胀力的影响，Pack可以通过更简单的结构来约束电芯膨胀。

方壳电芯侧躺方案的局限在于电芯堆叠的层数有限，进而影响电量拓展的灵活性。堆叠层数增加会降低Pack的整体结构强度，增加热管理和热失控防护方面的难度。因此，目前除上汽以外，鲜有采用方壳电芯侧躺的应用案例。

3.7 电池包内热管理

动力电池系统热管理是通过冷却或加热的方式来调整和控制电池的温度，使之在合理的温度区间运行，从而达到保障电池运行安全和提高电池使用寿命的目的[4]。电池热管理技术根据功能可以划分为冷却技术和加热技术两类，其中冷却技术主要有自然冷却、液冷和直冷[5]；加热技术主要有电加热膜加热、液热和高频电芯自加热技术。

不同的热管理技术直接影响电池的结构设计，图12为主流电池冷却技术结构组成示意，冷板根据需要可以合理的设置在电芯底部、侧部或上部，以获得最佳的冷却效果和性价比。图13为主流加热技术结构组成示意。表2是当前主流的几种电池冷却和加热技术对比。

上述电池热管理技术并未与整车其他系统进行关联和集成。随着新能源汽车对效率和成本的追求日渐严格，电池系统的热管理将与乘员舱热管理、电机热管理等进行深度整合，共同组成新能源整车集成热管理系统，实现优良性能的同时获得更低的能耗和成本。

4 结语

本文系统性介绍了新能源汽车动力电池的结构及组成，并从动力电池结构角度归纳总结了不同成组技术的分类和特点。同时还延申探讨了Pack内部电芯倒置和侧躺的优缺点以及面临的挑战。此外，也对当前动力电池主流热管理方案进行了梳理和对比分析。

动力电池成组技术的发展与进步，既可以有效提升新能源汽车整车的综合性能、降低成本，也会对整车结构、生产工艺、供应链关系等方面带来深远的影响和新的挑战。在锂离子电池材料与材料体系创新未取得重大进步的阶段，动力电池成组技术的持续创新和发展，是引领新能源汽车产品竞争力跃升的重要路径。

参考文献：

[1]赫炎，从CTP、CTC、CTB浅谈电动汽车动力电池集成技术[J].世界汽车，2022（06）.

[2]金奎，何鹏申.新能源汽车电池车身一体化技术及工艺[J].汽车制造业，2023（04）.

[3]胡建国.新能源汽车动力电池与整车先进集成技术综述[J].时代汽车，2022（23）.

[4]王芳，夏军等.电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M].北京：科学出版社，2016.9.

[5]胡远志，赖贞行，刘西等.车用锂离子电池冷却技术研究进展[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2023（08）.