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。
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。
一 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。
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 管理复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%。
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。
二 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 ToChassis）、 CTB（Cell To Body & Braket）和MTB（Module To Body）等成组技术。
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。
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%。
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。
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 ToChassis，电芯集成到底盘）和 CTB（Cell ToBody，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。
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%。
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，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。
此外，模组可以灵活的串并联组成不同电量的系统，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。
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。
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 。
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；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。
结论
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。
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。
来源：AEE汽车技术平台
