Pack內部電芯倒置和側躺的優缺點以及面臨的挑戰

動力電池結構概述

新能源汽車動力電池是機械、電氣、電化學和熱力學等多學科交匯耦合的部件，在整車上應用面臨著來自內部和外部多重因素的疊加影響，因此其具有較為復雜的結構來確保自身的強度、安全性、可靠性、熱適應性和效率。

1.電芯結構

電芯作為動力電池的核心部件，是電池系統存儲能量的基本單元，決定著能量密度、功率性能、安全性和壽命等核心性能。電芯從結構形式上劃分，主要有圓柱、方殼和軟包三種，如圖 1 所示。

圓柱電芯一般采用鋼殼，尺寸小巧、布置靈活，生產工藝成熟，一致性較高，但存在成組效率低、單體容量小、BMS 管理復雜度高和壽命差的問題。圓柱電芯的主要生產企業有 LG 化學、松下、三星 SDI 等，主要應用車企為特斯拉、現代、保時捷等。

方殼電芯具有易成組、效率高、單體容量大、高安全性等優點，但需要開模，成本高，且工藝設備兼容難度大。方殼電芯的主要生產企業為寧德時代、比亞迪、國軒高科等，主要應用車企有特斯拉、比亞迪、吉利、北汽、蔚小理等。

軟包電芯采用疊片工藝進行裸電芯制作，鋁塑膜熱封裝，尺寸變化靈活，但殼體機械強度低，成組效率低，成本相對較高。軟包電芯的主要生產企業有 AESC、LG 化學、孚能科技等，主要應用車企有雷諾、日產等。

根據乘聯會數據，2022 年國內方殼電池市場占比達到 93.2%，占據絕對優勢。相比之下，圓柱和軟包的市場份額分別為 4.5%和 2.3%。

2.電池包 Pack 或系統組成

乘用車動力電池多為單箱系統，我們稱之為電池包或 Pack。Pack 在結構上大體可以分為單體（電芯或模組）、下箱體、上箱蓋、高低壓線束、BMS、功能組件等幾個部分。圖 2 為某乘用車動力電池 Pack。

動力電池成組技術

將電池由單體集成為 Pack 的技術叫成組技術，主要涉及結構、熱管理、電連接設計和 BMS 技術。

縱觀動力電池發展的歷史，成組技術起步于 MTP（Module To Pack），到今天的以 CTP（Cell To Pack） 為 主 流，并繼續探索更高集成效率的 CTC（Cell ToChassis）、 CTB（Cell To Body & Braket）和MTB（Module To Body）等成組技術。

1.MTP（Module To Pack）

2016 年以前，動力電池主要采用 MTP（Module To Pack）技術進行成組，即先由電芯集成為模組，再由模組集成為 Pack。

MTP技術的特征是模組可拆卸和更換，具有較好的可維護性，因此對電芯層級的一致性要求較低。

但由于模組的存在，不參與電化學能量儲存的結構件數量較多，故而成組效率較低，重量成組效率約 60%~75%，體積成組效率約 35%~45%。

MTP 成組技術的核心在于模組設計。模組一般由框架（端板、側板、底板）、Cell、高低壓電氣連接組件、CCS 組件、絕緣和緩沖組件組成。

2.CTP（Cell To Pack）

CTP 是 Cell To Pack 的縮寫，指將電芯直接集成到 Pack 的技術。

2016 年，寧德時代率先在客車上推出全球第一代 CTP Pack產品，取消了傳統的模組結構，用簡易模組（僅含電芯、端板、鋼帶或綁帶）取而代之，并通過高強度的結構膠與下箱體進行固定，如圖 5 所示。

由于取消了模組，Pack 的零部件數量減少了 40%，重量能量密度提升了10%~15%，體積能量密度提升了 10%~20%，同時生產效率提升了 50%。

CTP 技術的特征在于電芯與箱體通過高強度結構膠永久性粘合固定，因此無法拆卸和維護。

哪怕僅有一顆電芯出現質量問題，就需要整包更換，這對電芯的一致性和長期可靠性提出了非常高的要求，以至于在寧德時代推出 CTP 產品的最初幾年鮮有友商敢于跟進。

3.CTC（Cell To Chassis）

CTP 技術有效提升了 Pack 層級的成組效率，但仍然存在 Pack 與整車耦合的過程。如果能夠將 Pack 取消，直接將電芯集成到整車或底盤上，將進一步提升電池的成組效率。

正是基于這一目標，近年來新能源整車和動力電池企業都在探索電池與整車一體化集成技術。

電池與整車一體化集成技術根據底盤和車身是否可以解耦可以劃分為 CTC（Cell ToChassis，電芯集成到底盤）和 CTB（Cell ToBody，電芯集成到車身）兩種路線。

CTC 技術主要應用于非承載式車身，整車有完全獨立的底盤，且底盤與上車身解耦，可以根據需要更換上車身。

CTC 與線控底盤系統、域控集成、整車熱管理集成和高壓電氣集成一起組成一體化底盤集成技術的五大關鍵特征，圖 9 為某 CTC 一體化底盤。

4.CTB/MTB（Cell/Module To Body）

CTB/MTB 技術即 Cell/Module To Body，電芯或模組集成到車身，主要應用于承載式車身，是傳統 Pack To Body 技術的延申。

特征是將電池 Pack 的上蓋和乘員艙地板進行集成整合，從而在 Z 向上額外獲取 10~15mm 的空間，或用于布置電池，或用于提升乘員艙總體高度。

表 1 為兩種 CTB/MTB 成組技術對比。零跑汽車宣稱其 MTB 技術相對于傳統電池包方案零部件數量減少 20%，電池布置空間提升 14.5%，同時得益于大量高強度鋼的使用，整車扭轉剛度提升了 25%。

5.MTC/MTV(Module To Chassis/Vehicle)

對于商用車來說，電池系統的配電量比較大，動輒 200~450kWh，甚至更高。

同時，商用車小批量多品種的屬性特點要求整車的電量配置可以靈活調整，同一個底盤平臺產品可能要兼容多個電量配置，且電量跨度也大。

此外，整車的應用工況也較乘用車更加惡劣，這些特點要求商用車電池具有更安全的界面性能和出色的可維護性，因此 MTC/MTV 技術應運而生。

MTC/MTV 技術是將模組直接集成到底盤或整車的技術。這一技術雖然保留了模組，但由于其具有獨立的機械強度、電氣設計和一定等級的防護性能，以及標準化對外接口和清晰的性能界面，可以省去 Pack 層級的結構部件，因此，可以更充分的利用底盤或車身空間。

此外，模組可以靈活的串并聯組成不同電量的系統，兼具良好的維修性能，能夠適應復雜的應用場景和嚴苛的工況要求。圖 10 為重卡和客車 MTV 應用方案示意。

6.電芯倒置與側躺

在各種成組技術的實際應用中，電芯基本都是正立放置的（主要指方殼電芯）。

2022 年 6 月寧德時代發布麒麟電池，首次提出了電芯倒置成組方案，可以提升 6% 空間利用率。

2023 年 12 月，小米汽車發布的 SU7車型，是全球首款搭載寧德時代電芯倒置電池的車型，如圖 11 所示。

電芯倒置方案可以將正立方案中電芯極柱上方用于 Busbar、絕緣片、采樣線等部件的空間，與為滿足底部球擊標準要求而設計的電芯底部緩沖空間合二為一，進而在 Z 向尺寸上額外挖掘出 5~10mm，實現空間利用率的提升。

此外，由于電芯泄壓閥朝下，配合Pack 獨特的泄壓路徑設計，可以保證電芯在熱失控情況下快速向下釋放熱量和壓力，從而最大程度保障上方乘員艙的安全。

7.電池包內熱管理

動力電池系統熱管理是通過冷卻或加熱的方式來調整和控制電池的溫度，使之在合理的溫度區間運行，從而達到保障電池運行安全和提高電池使用壽命的目的 。

電池熱管理技術根據功能可以劃分為冷卻技術和加熱技術兩類，其中冷卻技術主要有自然冷卻、液冷和直冷；加熱技術主要有電加熱膜加熱、液熱和高頻電芯自加熱技術。

不同的熱管理技術直接影響電池的結構設計，圖 12 為主流電池冷卻技術結構組成示意，冷板根據需要可以合理的設置在電芯底部、側部或上部，以獲得最佳的冷卻效果和性價比。

圖 13 為主流加熱技術結構組成示意。表 2 是當前主流的幾種電池冷卻和加熱技術對比。

結論

本文系統性介紹了新能源汽車動力電池的結構及組成，并從動力電池結構角度歸納總結了不同成組技術的分類和特點。同時還延申探討了Pack 內部電芯倒置和側躺的優缺點以及面臨的挑戰。

在鋰離子電池材料與材料體系創新未取得重大進步的階段，動力電池成組技術的持續創新和發展，是引領新能源汽車產品競爭力躍升的重要路徑。