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新能源汽車動(dòng)力電池CTP技術(shù)
2020-10-27 21:28:31· 來源：汽車動(dòng)力總成
先講講傳統(tǒng)動(dòng)力電池包動(dòng)力電池作為新能源汽車的三大件之一，其重要性必然是不容小覷的， 但多年來，動(dòng)力電池的成本一直居高不下，占到整車成本的40%，甚至更高，
先講講傳統(tǒng)動(dòng)力電池包
動(dòng)力電池作為新能源汽車的三大件之一，其重要性必然是不容小覷的， 但多年來，動(dòng)力電池的成本一直居高不下，占到整車成本的40%，甚至更高，許多電池供應(yīng)商和主機(jī)廠一直在尋求降低電池成本的方案?，F(xiàn)有的電池pack結(jié)構(gòu)由三級(jí)組成：電芯（Cell）、模組（Module）、包（Pack）；當(dāng)然，它們之間的關(guān)系我們可以這樣理解，最小的單元是電芯，一組電芯組成一個(gè)模組，多個(gè)模組組合再加上BMS、配重模塊等零部件則組合成我們所說的“電池pack結(jié)構(gòu)”。
當(dāng)然，在“電芯、模組、電池包”這種多層級(jí)電池pack結(jié)構(gòu)下，電芯對(duì)于電池包的空間利用率僅為40%，其中電芯對(duì)模組的空間利用率為80%，模組對(duì)電池包的空間利用率為50%，模組的硬件費(fèi)用約占電池總成本的15%。
模組有什么用？
在講CTP技術(shù)之前，我們先來了解一個(gè)概念，Cell to PACK（ 無模組動(dòng)力電池包 ），我們可以理解為該技術(shù)省去了中間模組環(huán)節(jié)（Module），將電芯直接集成到電池包。 那么去掉的這個(gè)模組是什么？ 它在傳統(tǒng)電池包里充當(dāng)什么角色？
對(duì)于模組，我們可以理解為它是為電池電芯提供必要的支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)部件的模塊，是動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。簡單來說，電池模組主要以下作用：（1）在單體電芯與鋰電池包之間充當(dāng)載體，起到了連接、固定、緩沖和提高絕緣效果等作用；（2）鋰電池包里的模組“各盡其職”，各自管理自己的單體電芯組，有助于溫度的控制，同時(shí)有效防止在發(fā)生事故時(shí)電池?zé)崾Э氐膫鞑?；?）采用模組單元的鋰電池包，當(dāng)某一個(gè)電池電芯發(fā)生故障需要更換時(shí)，只需要找到所屬的模組，對(duì)其進(jìn)行更換，就能夠解決故障，有效降低了電池包售后維修的成本與難度。
讀到這里，我想有人肯定會(huì)問：模組在電池包里充當(dāng)這么多角色，能夠有效保護(hù)電池的穩(wěn)定性與安全性，在發(fā)生故障需要維修時(shí)還能簡化維修成本與難度，為什么還要一味的追求“去模組化”呢？
這點(diǎn)開頭我們有提到，許多電池供應(yīng)商和主機(jī)廠一直在尋求降低電池成本的方案，模組的硬件費(fèi)用約占電池總成本的15%，而且電芯對(duì)于電池包的空間利用率僅為40%，我想，“去模組化”將會(huì)是未來的趨勢。但正是因?yàn)槟＝M充當(dāng)了多種角色，所以“去模組化”實(shí)現(xiàn)起來并不是那么容易，這就意味了去除模組后的電池包在強(qiáng)度以及可靠性不能降低，這就對(duì)了電芯以及電池包的制造工藝和材料選擇提出了更高的要求。
什么是CTP、目前國內(nèi)CTP路線有哪些?
CTP（無模組動(dòng)力電池包），即Cell to PACK，是電芯直接集成為電池包，從而省去了中間模組環(huán)節(jié)。國內(nèi)的CTP技術(shù)分為兩種路線，一種是以比亞迪為代表的的完全無模組方案，另外一種是以寧德時(shí)代為代表的以大模組代替小模組的方案，當(dāng)然也有其他企業(yè)例如特斯拉、長城汽車的蜂巢能源、國軒高科等也都在研發(fā)自己的CTP技術(shù)。我們今天就以兩種具有代表性的技術(shù)路線來講。
比亞迪CTP技術(shù)（刀片電池）
比亞迪采用了CTP（Cell To Pack）設(shè)計(jì)思路，即把電芯以列陣方式直接裝到電池包殼體內(nèi)，省略了把電芯組裝成模組這一步。比亞迪通過CTP設(shè)計(jì)在保證了電池包的強(qiáng)度前提下，省去了橫梁、縱梁以及螺栓等附件，將電池包殼體內(nèi)部的空間利用率由原來的40%-50%提升至60%-80%。
從比亞迪官方申請的專利來看，所述電池陣列包括若干單體電池，至少一個(gè)單體電池滿足：600mm≤第一尺寸≤2500mm，包括殼體以及位于殼體內(nèi)的極芯。通過設(shè)計(jì)單體電池的特定尺寸，來提高電池包整體的剛度。
取消電池包殼體內(nèi)的橫梁和縱梁后，需采用其他設(shè)計(jì)來保證電池包在各個(gè)方向的力作用下不易發(fā)生變形，這就是為什么比亞迪要把電芯做成又薄又長的一個(gè)重要原因。在長度方向上，刀片電池可以代替橫梁結(jié)構(gòu)，在厚度方向上，通過對(duì)“刀片電池”進(jìn)行堆疊可代替縱梁結(jié)構(gòu)，最終可以保證電池包有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
刀片電池依然采用了比亞迪擅長的磷酸鐵鋰電池，將傳統(tǒng)電池單體大幅拉長，長度可以做到2米，厚度為13.5毫米。同時(shí)，在刀片電池的側(cè)脊面上安裝高強(qiáng)度板，讓刀片電池側(cè)面可以承擔(dān)支撐作用。這一系列設(shè)計(jì)可以讓刀片電池跳過模組環(huán)節(jié)，直接組成電池包，從而提升空間利用率。
刀片電池既是能量體，又是結(jié)構(gòu)件，可以成為直接支撐電池包的梁，相較傳統(tǒng)電池包，刀片電池的體積利用率提升了50%以上，也就是說續(xù)航里程可提升50%以上，達(dá)到了高能量密度三元鋰電池的同等水平。
寧德時(shí)代CTP技術(shù)
寧德時(shí)代則在提升能量密度和降低電池成本方面找到了一條新的路徑，簡單來說就是以大模組代替小模組的方案。從寧德時(shí)代發(fā)布的專利圖來看，電池殼體為塑料材質(zhì)，在注塑時(shí)，將散熱板嵌入箱體內(nèi)，與電池殼體外壁相連通（散熱板內(nèi)部有貫穿的通道），這就方便了外部冷卻管路的連接。
多片塑料材質(zhì)的散熱板將電池殼體隔成一個(gè)個(gè)電芯收容空間，我們可以把電池殼體比作一個(gè)抽屜柜，方殼電芯就如同抽屜格一樣整齊的插入這些收容空間。同時(shí)，方殼電芯側(cè)面貼有導(dǎo)熱硅膠片，導(dǎo)熱系數(shù)為4W/(m·K)，電芯與導(dǎo)熱硅膠片一起可直接插入到散熱板中間。這樣做能夠減少約40%的零部件，這些零部件來自模組之間的連接線束、側(cè)板、底板等。此外，在電池體積不變的情況下，采用CTP技術(shù)的電池Pack包內(nèi)體積利用率也提升了15%-20%。
寧德時(shí)代新型CTP電池包，較傳統(tǒng)電池包相比，CTP電池包體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，大幅降低了動(dòng)力電池的制造成本。得益于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的化繁為簡，CTP電池包能量密度較傳統(tǒng)電池包將提升了10%-15%。傳統(tǒng)的電池包能量密度平均為180Wh/kg，而CTP電池包能量密度可達(dá)到200Wh/kg以上。目前，寧德時(shí)代已經(jīng)取得超70項(xiàng)CTP核心專利。
動(dòng)力電池CTP技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)
CTP技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
傳統(tǒng)的電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由多個(gè)電芯（Cell）構(gòu)成的電池模組（Module），會(huì)通過螺栓固定到帶有橫梁和縱梁的外殼上，形成電池包（Pack）。這種電芯-電池模組-電池包的集成設(shè)計(jì)，橫梁和縱梁占用了許多空間，螺栓等附件增加了重量，很大程度上限制了電池包容量和能量密度的提升。
采用了CTP（Cell To Pack）設(shè)計(jì)思路，即把電芯以列陣方式直接裝到電池包殼體內(nèi)，省略了把電芯組裝成模組這一步。使得更多車型在車身底部空間有限的情況下，能夠進(jìn)一步提升電池包的容量。同時(shí)電池包零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，進(jìn)一步低了動(dòng)力電池的制造成本。
CTP技術(shù)缺點(diǎn)：
傳統(tǒng)電池包里的模組各自管理自己的單體電芯組，有助于溫度的控制，同時(shí)有效防止在發(fā)生事故時(shí)電池?zé)崾Э氐膫鞑?，但無模組方案中電芯熱失控管理難度加大。以往當(dāng)某一個(gè)電池電芯發(fā)生故障需要更換時(shí)，只需要找到所屬的模組，對(duì)其進(jìn)行更換，就能夠解決故障。
在無模組方案中，售后維修成本與難度可能會(huì)加大了，由于單體電芯是直接粘貼到電池殼體底板上的，在維修時(shí)，可能需要整包更換。
CTP技術(shù)未來市場
除了比亞迪、寧德時(shí)代在研發(fā)CTP技術(shù)外，其他車企或廠家也沒停下腳步，據(jù)長城汽車的蜂巢能源透露，他們的CTP技術(shù)既有無模組方案，也有大模組方案。相比蜂巢能源傳統(tǒng)的590模組，CTP-G1減少24%零部件數(shù)量，每Wh電池成本降低0.1元；CTP-G2提升5%-10%重量成組效率，提升5%空間利用率，減少22%零部件數(shù)量，每Wh電池成本降低0.21元/Wh。這就說明了，各大車企對(duì)于CTP技術(shù)還是有能力、有信心去研發(fā)的。
同時(shí)有業(yè)內(nèi)人士指出，動(dòng)力電池去模組（Cell toPACK）對(duì)優(yōu)化電池包利用空間和提升能量密度以及降成本有積極作用，有助于車企和電池企業(yè)降低制造成本，有望成為未來動(dòng)力電池技術(shù)主流之一。
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