新能源汽車動力電池與整車先進集成技術綜述

胡建國

寧德時代新能源科技股份有限公司 福建省寧德市 352100

1 引言

在新能源行業蓬勃發展的初期，各家OEM發布了大量“舊瓶裝新酒”的油改電新能源車型，因其產品延續著傳統油車的空間布局和造型設計，電池系統在整車的布局處處受限，產品力低下，用戶體驗不佳。隨著以特斯拉為代表的新勢力“全新的智能化電動車平臺”發布，匹配著一代電池技術，在全球范圍內快速掀起了一場全新的綠色工業革命。在這種原生純電動車基礎上，電池組得以更高效、規整的安裝在最理想的空間位置，三電系統可以更合理的布局，整車的電子電氣架構及熱管理設計實現了更高效的集成，使得車輛的能效、續航、智能化等維度產品力極大加強。據中國汽車工業協會統計，2021年我國新能源汽車全年產銷兩旺，銷售完成352.1萬輛，同比增長1.6倍，連續7年位居全球第一，整個新能源汽車產業正處于技術變革驅動、生態重塑轉型的關鍵階段[1]。我國歷來重視新能源產業的布局與發展，在這次變革中涌現出了一批優秀的自主研發設計的優秀企業，諸多創新技術引領著行業發展方向，其中動力電池作為電動汽車的核心部件，其性能優劣直接決定了整車的成本、續航、安全可靠性、使用壽命等各類指標。

目前主流液態鋰離子電池材料技術經歷過去幾年的快速發展，能量密度的提升與成本下降已經進步相對穩定的發展階段，動力電池與整車集成效率進一步提升可以為整車帶來顯著的輕量化、節能化、智能化及低成本邊際效益。多個研究機構和企業近幾年重點研究并發布了pack級或系統級的新技術，特別是在如電池輕量化[2]、熱管理集成化[3]、高低壓系統集成化[4]等集成化方面取得諸多創新的技術進步。另外電池本身作為機械、化學、熱力學、電氣耦合的復雜集合零部件，集成技術發展方向將涉及更精密的尺寸控制，多功能合一、空間共享、化繁為簡等多維度更精細化的設計平衡與跨界融合。

2 結構集成

動力電池結構集成指通過車輛的結構件或功能部件與動力電池進行結構共用、功能融合，以達到減少零部件總數，減少空間，降低成本并能提升整車強度與實現更高效的熱管理性能的集成技術。目前動力電池行業主流技術為CTP（Cell to Pack，電芯到電池包）技術，有向CTC（Cell to Chassis，電芯到底盤）技術演進的趨勢，如圖1所示。下面具體介紹CTP技術和CTC技術。

圖1 電芯到底盤的成組路徑

2.1 CTP技術

CTP技術由寧德時代在2016年已有第一代商用車啟動應用，2019年下半年乘用車推出，指電芯跳過模組，直接集成在電池包中，在技術層面實現了兩個維度的升級。一是結構件集成效率提升，取消了模組結構件，采用電池包結構梁承載；二是功能融合提升，水冷板與底版共用，電池包上蓋自帶隔熱保溫功能。使得系統體積利用率提升、系統能量密度提高、零部件數量減少，進而降低了成本。

CTP技術經歷了幾代發展，目前可將箱體結構件、加熱裝置、冷卻裝置、高壓保護裝置等高度集成，Pack能量密度可達230Wh/kg，比傳統Pack140Wh/kg提升60%以上。

如圖2所示，寧德時代第一代CTP通過采用虛擬大模組，端板結構等技術，提升了Pack集成化程度，能量密度可達到180Wh/kg以上；第二代CTP通過Pack下箱體分區設計，去除端板結構，同時可兼容NP技術（不熱擴散技術）和AB電池等，能量密度可達到200Wh/kg以上；第三代CTP技術通過水冷版側置，即起到隔熱功能，又加強了系統的冷卻能力，使得高倍率快速充電成為可能，能量密度可達到250Wh/kg以上，計劃于2023年量產。

圖2 寧德時代CTP技術演進

寧德時代第三代CTP技術，稱為麒麟電池。其取消橫縱梁、水冷版、隔熱墊原本各自獨立的設計，集成為多功能彈性夾層，內置微米橋連接裝置，同時具備支撐、水冷、隔熱、緩沖四大功能；此外麒麟電池電芯排列采用倒置方式，開創性的讓多個模塊共用底部空間，將結構防護、高壓連接、熱失控排氣等功能進行智能分布。寧德時代公布的最新參數表明，體積利用率達72%，能量密度255Wh/kg，同時快充性能達到10分鐘充電10%～80%SoC的能力。

圖3 寧德時代麒麟電池內部結構

CTP技術的優勢顯而易見，但隨著集成效率的逐漸提高，在高壓安全、熱管理、采樣及算法控制方面給設計、制造帶來了巨大挑戰。具體有：

（1）結構件采用高強鋁型材，擠壓、焊接工藝；（2）水冷板設計、水道流向、水流支路流量及制冷量分配；（3）電池包內部溫度與外部環境溫度隔離設計；（4）電氣間隙、爬電距離、絕緣設計匹配；（5）電芯采樣及控制精度，絕緣設計及檢測等。

為了應對以上挑戰，需要電池廠家具有很強的開發驗證及生產制造能力，隨著車廠逐漸重視電池系統和整車匹配技術，行業上將目光投向CTC技術，希望通過CTC能進一步提升車輛的整體性能。

2.2 CTC技術

電池包技術從CTP發展到CTC，零件的外形、材質、組合形式等都伴隨電池集成技術的進步發生改變，整體的方向是一體化、集成化。在乘用車和商用車上，都有新一代的產品發布。

2.2.1 乘用車CTC技術

2020年9月，特斯拉發布了與4680圓柱電芯匹配的CTC技術，引發了行業關注。電池上蓋與車身地板集成為一個部件，車內座椅直接安裝在地板上。為車內增加了10mm高度空間。從結構原理上看，其電芯底托板、電芯布置均為CTP技術，只是在電池包上蓋上做了集成，特斯拉稱可為車輛降低 10%車重，減少 370個零件，單位成本下降 7%。 2022年4月和5月，零跑汽車和比亞迪汽車發布的CTC和CTB技術原理與特斯拉如出一轍，稱可通過電池包結構件與車身結構件融合，提升車輛扭轉剛度。[5][6]

2.2.2 商用車CTC技術（或稱MTC、MTV技術）

商用車如客車、卡車等，一般為大電量（電量200kWh~450kWh）設計，采用多個電池包通過串并聯得到所需電壓和電量，系統設計復雜，通過支架安裝，導致空間利用率低。

圖4 特斯拉CTC結構圖

以客車為例，現有電池安裝在車輛下部，如圖5a，導致人員站立位置有臺階，人員上下車輛不便。新一代電池安裝在車輛頂部，如圖5b，電池采用模組到車輛的集成方式，與車輛一體化設計，體積利用率提升40%，重量能量密度提升10%，并可幫助整車減重150kg。

圖5

綜上所述，CTP技術已被廣泛應用，通過3代技術的迭代創新，在乘用車上續航已可突破1000km。CTC技術目前處于快速發展階段，乘用車廠家發布的CTC不約而同的采用了電池上蓋與車身地板集成的方式，與真正意義上的CTC還有較大差距；商用車的CTC（MTV）技術，應用優勢明顯，發展前景廣闊。

3 熱管理集成

隨著新能源汽車不斷向高能量密度、高能量效率轉換和高集成度發展，三電系統（電池、電機、電控）的熱管理需求與日俱增，已經關系到新能源汽車的整體安全和效率問題，同時新能源車輛的冬季的里程焦慮與安全事故頻發一直是阻礙行業發展的痛點問題。在傳統燃油車中，由于冬季可以采用發動機余熱進行供暖，車載空調僅需考慮夏季制冷應用即可，但對于純電動汽車而言，發動機余熱的缺失導致車輛冬季供暖的需求尤為緊迫，另外環境溫度對電池的性能指標有顯著影響，溫度過高或過低不但是驅動力電池的性能指標大幅度降低，對使用壽命和安全系數也是有較大危害，因而如何更高效的熱管理系統至關重要，促進了一體化集成式熱管理系統的提出、升級和演化[7]。

3.1 集成式熱管理技術研究現狀

現階段新能源汽車熱管理系統正經歷從常規單冷空調技術到熱泵空調技術的系統架構轉變升級的過渡階段。熱泵空調可以簡單類比我們平時抽水的水泵，兩者概念意思相同，熱泵空調工作過程并不只會搬運熱量，夏天的冷氣同樣可以，不過相比單冷空調，其成本更高。

新能源汽車傳統的熱泵空調技術主要由乘員艙熱泵空調機組，電池專用熱管理機組及電機電控熱管理機組三套分布式系統共同構成；乘客艙的溫控主要依賴熱泵機組來源于空氣的熱量進行供暖/制冷，考慮到環境溫度對熱泵機組系統的效率影響，在較低溫度需要給乘客室升溫時，需配合PTC供暖；電池、電機電控則依賴于各自獨立的專用熱管理機組供暖/制冷。為了進一步提高熱管理效能與整車空間利用率，把空氣、電機電控和電池的余熱廢熱更高效的耦合利用，集成式的三源熱泵技術是目前行業內整車熱管理術重點研究的解決方案方向之一。

3.2 三源熱泵整車熱管理集成方案

利 用 熱 泵、熱 回 收、Free-Cooling & Heating、超級閥及模糊控制技術實現三電系統與空氣之間廢熱轉移/轉化和低品質熱的提升對駕駛室和電池進行加熱或者冷卻，大幅減少車輛系統PTC加熱的電量消耗，解決或者緩解電動車冬天里程衰減的問題，并且已經在眾多商用新能源卡車上配套使用。三源熱泵系統根據運行模式和溫區的不同，熱泵的熱源可以在：電機電控，電池及空氣間自由切換。針對新能源車輛在使用的不同工況，均可以匹配對應的控制策略，使效率達到最優。圖6列舉了冬季低溫駕駛模式下三源熱泵的工作原理：外界環境溫低、駕駛室座艙需要加熱、電池需要加熱、電機電控需要冷卻。

圖6 三源熱泵系統冬季駕駛工況工作原理示意圖

新能源汽車熱管理集成技術的發展趨勢是將乘客艙的舒適性與三電系統的精準溫控要求進行深度耦合。隨著電池系統熱管理界面的設計將與整車耦合交集越來越深入，新一代綠色制冷劑應用、電池整車熱管理功能一體化、BMS與整車熱管理控制智能化將成為未來熱管理集成系統的關鍵研究課題。

4 高壓電氣系統集成

新能源汽車由眾多高壓部件組成。隨著新能源汽車的發展，高壓電氣集成是節省整車空間、提高產品可制造性、實現降本的必要手段。同時在電氣集成度逐步提高的進程中，也需要重點關注電氣系統的效率、安全性、可靠性和便捷性。目前高壓電氣集成化推進的主要方向是子系統集成及零部件集成。

4.1 子系統集成

新能源汽車關鍵零部件主要有整車控制器（VCU）、電池及電池管理系統、高壓配電箱（PDU）、驅動電機、電機控制器（MCU）、減速器、高低壓電源轉換器（DCDC）、車載充電器（OBC）、加上客車用的氣泵控制器、油泵控制器等，如下圖7所示。

圖7 新能源汽車關鍵零部件多合一組合圖

隨著新能源技術的不斷推廣與運用，新能源部件由簡單集成向高度集成化發展，多合一集成化電驅動系統在電能轉化效率、機械空間緊湊化、線束精簡化、成本等方面具備優勢。目前新能源部件集成化主要可以分成兩條路線：

一條路線是電驅動系統和高壓電附件獨立集成。電驅動系統根據驅動電機、減速器、電機控制器的不同集成組成出常見二合一或三合一。高壓電附件根據低壓電源轉換器、車載充電器、高壓配電箱、氣泵控制器和油泵控制器的不同集成組成出常見二合一、三合一或五合一。

另一條路線是電驅動系統與高壓電附件高度組合集成，常見的有二種方式：第一種是電機控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉換器、車載充電器集成四合一；第二種是電機控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉換器、氣泵控制器和油泵控制器五者集成五合一。

隨著新能源技術的不斷創新、融合，市場推出更高集成度的七合一電驅動系統（如下圖8），該系統直接集成了電機控制器、驅動電機、減速器、高低壓電源轉換器、車載充電機、高壓配電箱和電池管理系統等七大部件，實現了機械部件和功率部件的深度融合。

圖8 電驅動系統七合一

為了更進一步提升集成度設計電驅動系統八合一（如下圖9所示）近期也發布于市，其融合了驅動電機、驅動電機控制器、減速器、高低壓直流轉換器（DCDC）、雙向車載充電器（OBC）、高壓配電箱（PDU）、電池管理器（BMS）、整車控制器（VCU）等八大部件為一體。系統整體功率密度提升近20%，重量和體積降低達15%，綜合效率可實現89%。

圖9 電驅動系統八合一

不論電驅動系統與高壓電附件采用獨立集成還是高度集成方案，均在一定程度上實現了降本增效，并進一步提升了產品安全性和可靠性。但高壓電氣集成化也存在結構、電氣和控制策略方面的難點。

對于結構方面，高壓集成方案通過一體化壓鑄、焊接和機械連接等工藝形成，需要解決輕量化、強度、散熱等問題。對于輕量化和結構強度方面，可以通過三個方面實現：一是在材料方面采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維增強復合材料等新材料的運用；二是在結構上采用薄壁化、中空化，復合化來實現輕量化，增強結構強度；三是在加工工藝上采用摩擦焊接、超聲沖擊處理等方式。對于結構散熱，可以采用同側化或同層次、低揚程設計，提升流道結構流暢性和換熱能力結構設計，盡可能減少系統流阻，并在結構和空間上實現與其它部件隔離，減少熱傳遞和熱輻射對其它部件的影響。

對于電氣方面，電氣部件（特別是功率部件）工作時各自會產生電磁場，集成設計因時空上的交集容易引發干擾，集成化程度越高，電磁兼容性（EMC）問題就越突出。EMC問題可以從EMC產生的三要素（源頭、路徑、設備）進行阻斷和削弱。對干擾源頭通過隔離、濾波處理抑止，對傳播路徑通過屏蔽、濾波和接地處理進行切斷，對于設備通過接地、硬件擴頻等方式降敏、阻隔處理。

對于控制策略方面，在提高集成系統總體能效，提高部件工作于高效區間占比方面是控制的難點，故可以從三個階段著手：首先從高壓部件設計或選型著手，盡可能使高壓部件額定電壓基本一致；其次，根據電池、電控和電機性能特性進行典型工況、環境條件下的仿真和測試優化，使系統獲得最佳匹配；最后，引入自學習算法，根據用戶使用工況、使用習慣、運行環境條件、系統自學習制定最佳的控制策略和控制方法，實現因人而異，精準施策，最大程度上降低能耗，提升車輛使用經濟性。

4.2 高壓零部件集成

全新的純電動平臺引入了很多新的電氣零部件，零部件的零部件的集成化趨勢越來越清晰，典型的高壓零部件集成包括：高壓連接巴片與電芯電壓采樣線集成、手動維護開關（MSD）與熔斷器集成、熔斷器+繼電器集成、高壓連接器集成等，這類集成能夠有效的帶動零部件成本的降低、安全可靠性提升，并為智能化制造奠定了良好的基礎。

4.2.1 高壓連接巴片+電芯電壓采樣線集成

高壓連接巴片+電芯電壓采樣線集成較傳統的模組設計方案，減少了模組生產過程中巴片和高壓采樣線焊接的工序，從而避免了工序中的particle產生。另外由于巴片與采樣線集成性，也提高了電芯采樣的穩定性。在電池包的全生命周期中，電芯會隨著容量衰減、產氣使其內部膨脹力增大，導致電芯出現相對位移，拉扯高壓連接巴片和電芯電壓采樣線。故在前期的設計環節，需要對電芯全生命周期的膨脹力及相對位移量進行計算，預留足夠的安全間隙，保障高壓連接巴片和電壓采樣線全生命周期的可靠性。

圖10 高壓連接巴片集成電芯電壓采樣線示意圖

4.2.2 手動維護開關（MSD）+熔斷器集成

手動維護開關（MSD）+熔斷器集成較非集成設計，可以節約大量的布置空間，有助于產品進一步提升體積利用率。熔斷器的溫升對其壽命的影響很大，在過流條件下會產生大量的熱，集成之后存在熱量無法散發的問題。產品設計的時候，需要考慮熔斷器散熱。主要的散熱方式有：（1）熔斷器接線柱導電面積做大，加快散熱；（2）MSD外殼選用鋁外殼，內部填充導熱材料加快熔斷器散。

圖11 手動維護開關（MSD）集成熔斷器示意圖

4.2.3 熔斷器+繼電器集成

熔斷器+繼電器集成方案可以同時實現繼電器的功能（斷高壓，且可恢復）和熔斷器的功能（異常狀態下快速、安全的切斷高壓）。在實現體積利用率提高的同時還具備智能化的通斷控制，根據整車提供的指令（如碰撞、熱失控信號），實現毫秒級的快速斷高壓。由于帶電的切斷，會影響整車其他部件的正常使用，可能存在一定的行車安全隱患，故對于斷高壓的判定邏輯，需要結合整車的控制策略共同制定。

圖12 繼電器集成熔斷器示意圖

4.2.4 高壓連接器集成

傳統高壓連接器為單PIN設計，以新能源電池系統中的高壓盒為例，通過將所有高壓接口，由一個集流排+多個格蘭頭的形式進行集成，可以大大節省連接器的布置空間，同時起到一定的降本。集成高壓連接器需要考慮將多個不同電氣特性的高壓連接器集成在一個面板中，需要考慮預留足夠的爬電距離和電氣間隙，同時要保障結構空間的最大利用率。

圖13 高壓連接器集成示意圖

應用在電動汽車的系統不斷追求高體積利用率和能量轉換率。隨著各高壓零部件和子系統可靠性提升，高壓子系統集成和高壓零部件集成已大批量的應用到各類車型，而子系統已越來越多從四合一、五合一往七合一、多合一集成化。高度的集成化同步提高了大系統的可靠性，降低整體成本。

5 低壓控制系統集成

在汽車“新四化”（電動化、網絡化、智能化、共享化）發展趨勢下，傳統的分布式汽車電子電氣架構由于其通訊架構的復雜性、電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的多樣性逐漸暴露出諸多問題，例如：無法實現多路實時高速通訊、高實時控制，ECU數量過多甚至達到瓶頸，總線長度、接口數量和成本無法有效優化減少，同時線束連接故障率占比高。因此設計一個高性能、高集成、高可靠且功能齊全的硬件處理器（域控制器）成為了一個新的發展趨勢，走在前沿的各大汽車廠商開始嘗試將一些功能相似、分離的ECU集成到一個域控制器平臺上。而動力電池系統的核心部件電池管理系統（Battery Management System ， BMS），也根據整車不同的域控制器架構需求集成在不同的域控制器中。

圖14 汽車電子電器架構演變[8]

5.1 電動汽車域控制器及電子電器架構發展現狀

2017年德國博世公布其在整車電子電氣架構方面的戰略圖，將整車電子電氣架構的發展劃分為三大類：分布式汽車電子電氣架構、集中式域融合架構、中央集中+云計算架構方案，并提出經典的五域集中式電子電氣架，將汽車功能劃分為5個域：動力域、底盤域、車身域、座艙域、自動駕駛域。在電動汽車領域，隨著汽車智能化需求的不斷提升，各大汽車廠商進一步提出域融合產品解決方案。

5.2 電池管理系統的域集成解決方案

目前電池管理系統相關的整車域控集中技術正處于集中式域融合架構向中央集中+云計算架構發展階段，電池管理系統（Battery Management System，BMS）可根據整車不同域控架構需求集成在底盤域控、動力域或網關、智能駕駛域控或網關中?，F有如下3種不同解決方案。

方案一：BMS保持獨立，BMU（Battery Management Unit，BMU）集成了整車其他功能部件，如VCU、MCU、網關等，同時域控制器置于Pack內部。該方案因降低了Pack能量密度、域控制器不便維修等問題，市場推廣應用少。

方案二：動力電池僅采樣模塊留在Pack內部，其余功能移出Pack，BMU可根據需要和VCU、MCU等整車其他部件集成域控制器，目前市面上，部分商用車或CTC項目上已開始嘗試該種解決方案。該集成方案具備如下技術優勢：

① 可將電池、電機、電控等多個低壓控制模塊在物理上實現集成，實現至少15%以上的物料減少；

②不同控制器的功能模塊得以優化調整：整體代碼量減少＞10%，部分響應處理縮短 ＞20ms；

③支持基于單一內核的功能更新OTA；

④有利于Pack能量密度提升，并提升了域控制器的可維修性。

方案三：在方案二的基礎上，動力電池內部保留電芯采樣模塊、動力電池繼電器驅動模塊、數據存儲模塊等基本功能部件，其余功能移出Pack與整車其他部件集成域控制器，實現BMU1（電池端）+BMU2（整車域控端）的雙層架構。目前市面上，該方案逐漸成為乘用車的主流解決方案。

隨著中央網關及高性能處理器等軟硬件設備的發展進步，為智能網聯電動汽車的EE架構革新帶來新的動力。而適用于智能駕駛的車載電腦+云計算EE架構將是今后各大車企研究的重要方向。以此同時，動力電池企業，也根據整車不同域控制器架構的需求，將BMS集成到整車不同域控制器模塊中。

6 結語

本文主要介紹了目前行業內整車結構、熱管理、高壓電氣系統及低壓控制控制集成方面最新的整車一體化集成的技術與發展趨勢，諸多先進技術也已逐步商用落地，技術變革會為消費者帶來全新的乘駕體驗。如何在電池包有限空間內做好各模塊功能的協同集成，如何將電池包與整車更高層級的進一步的系統融合仍將是未來行業的重點創新發展研究方向，集成技術持續融合創新能夠給新一代智能網聯純電座艙帶來源源不斷的成本下降與性能提升源動力，進一步推進全面電動化的時代的到來，助力汽車行業“碳達峰”“碳中和”目標的早日實現。