新能源汽車動力電池系統的集成化設計技術

關鍵詞：動力電池系統集成化；新能源汽車；安全性；輕量化

中圖分類號：U469.722

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.07.024 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Integrated Design Technology for New Energy Vehicle Power Battery Systems

SHI Peicheng1*SHAN Zixian1 ZHU Hailong1HAI Bin2 WANG Lei2LU Fayan2 1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu， Anhui，241000 2.Foresight and Pre-research Technology Center，Chery New Energy Vehicle Co.，Ltd.，Wuhu， Anhui，241006

Abstract：An integrated design technology of power battery systems for new energy vehicles was elaborated，and the advantages in space utilisation，range，and cost control were shown by analysing the technology such as moduleless，battery chassis integration and battery body integration. Other typical battery technology which promoted the development of automotive industry through structural innovation， thermal management optimisation and fast charging solutions were explored. The development directions of power battery system integration technology were outlooked in terms of inteligent integration，sustainable materials，and standardisation.

Key words： integration of power battery system; new energy vehicle; safety; lightweight

0 引言

近年來，新能源汽車在全球范圍內快速發展，成為應對氣候變化、減少石油依賴的重要手段。動力電池作為電動汽車（electricvehicle，EV）的核心組成部分，其性能、成本、安全性和壽命直接影響市場推廣和用戶接受度。傳統電池系統存在諸多挑戰，如質量大、續航能力受限、成本高、空間利用率低等。為克服這些障礙，研究人員和工程師將電池單元集成到汽車結構中，以減輕車重、提高能量密度、降低成本[1-6]

利用電池底盤一體化（celltochassis，CTC）技術[7]、電池車身一體化（cell to body，CTB）技術[8]等動力電池系統集成化技術，可將電池單元或模塊直接集成到汽車的底盤或車體結構中，這將有助于優化空間利用、提高車輛的整體剛度，并可能改變未來的汽車設計和制造流程。一些企業已推出CTC概念車型。動力電池系統集成化技術目前仍面臨電池安全性、結構穩定性、維修便利性等挑戰，還需研究不同應用場景下的最優設計策略，以平衡續航、成本和安全性的相互制約關系。

本文從基礎理論、實現方法、應用案例、面臨的挑戰和未來的發展方向幾個方面探討了新能源汽車動力電池系統的集成化設計技術。

1動力電池系統集成化技術的發展

燃油汽車使用過程中產生的有害氣體加劇了環境污染和氣候變暖，因此，減小交通領域的環境污染迫在眉睫[9]。開發和推廣節能環保的新能源汽車已成為汽車工業的一項重要舉措。當前，電池系統的能量密度大大低于燃油，因此車輛為達到目標續航里程需要一個巨大而沉重的電池[10-11]。純電汽車（batteryelectricvehicle，

BEV的電池包通常安裝在車輛底板和車軸之間[12]。根據電池包在車體上的裝配空間和位置，大致可分為“工\"字形電池包安裝、“T\"形電池包安裝、“土\"字形電池包安裝、一體式（滑板式）電池包安裝[13-21]

電池包安裝位置低時，車輛重心較低，有利于提高整車的動態性能[22]。較大電池包的質量影響車輛的能量分配，縮短續航里程[23]。為提高純電汽車的續航里程，有必要采用節省空間、減小質量的方式將電池集成到車體中。電池包的集成面臨諸多挑戰，需權衡結構強度、熱管理、安全性、成本及制造工藝，但上述因素之間常存在矛盾，使系統優化變得復雜[24-25]]

動力電池系統主要由電池單體或模組、電池管理系統（battery management system，BMS）、結構件（含箱體、安裝件、導電金屬件、密封件等）、高低壓線束（含連接器、接插端子等）、熱管理系統等部分組成，如圖1所示[26]

圖1動力電池結構示意圖[26]Fig.1Schematic diagram of power battery structure[26.

電池單體是電池系統的最小單位，其性能直接影響整個電池系統的性能。電池管理系統主要負責實時監控和管理電池的充放電狀態、溫度、電壓等參數，保證電池在安全、可靠的狀態下工作。電池箱是安裝和保護電池組的重要結構，通常由高強度的工程塑料或金屬制成。高低壓線束是電力傳輸的通道，連接動力電池和驅動電機、DC/DC轉換器、充電系統等高壓部件，確保高壓電的傳輸，驅動車輛或給輔助設備供電。目前，高壓電氣集成化推進的主要方向是子系統集成和零部件集成。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、手動維護開關與熔斷器集成、熔斷器與繼電器集成、高壓連接器集成等。低壓線束主要負責控制信號的傳遞、低壓負載的電源供應。高低壓線束的設計需考慮電磁兼容性，以減少對車輛內其他電子設備的干擾。為確保乘客和車輛的安全，高低壓線束都配備多種保護措施，如過載保護、短路保護等，以防止故障導致的電氣火災或其他安全事故。熱管理系統主要用于調節電池的工作溫度，保證電池在最佳的溫度范圍（一般在 20～30^°C ）內工作，以增加電池的充放電次數，延長電池使用壽命。

動力電池結構的演進路徑如圖2所示，從電芯到模組（celltomodule，CTM）技術演進至從電芯到電池包（cellto pack，CTP）技術，再演進到CTC技術。CTC方案將電池直接安裝在車身結構上，使電池與車身完美融合，顯著提高了空間利用率和電池裝載量，集成化程度最高[27]

圖2動力電池結構演進路徑

Fig.2 Evolutionarypath of power battery structure

如表1所示，CTM、CTP和CTC在集成化程度及對電池性能影響等方面都是逐步遞進的。

表1CTM、CTP、CTC 對比分析表

Tab.1 ComparativeanalysisofCTM，CTPandCTC

2 CTM技術

CTM技術先按照標準尺寸將若干電芯組裝成電池模組，再將多個電池模組連接到箱體，形成電池系統。每個模組具有端板、側板、頂蓋，獨立封裝，不同模組之間需要按照設計要求預留電氣

間隙和裝配間隙[28]

比亞迪“唐\"[29]采用的CTM技術具備高能密度、長壽命的優點，為車輛提供可靠的動力和出色的續航，其智能管理系統能有效優化電池的性能和壽命，并支持快速充電。如圖3所示，電池包采用模塊化設計，通過多層防護結構和溫控系統實現高安全性與熱管理效率的平衡，其量化材料的應用進一步提升了整車能效表現。

圖3 CTM電池結構示意圖[29]Fig.3 Schematic diagram of CTM cell structure[29]

2.1 模塊化設計

CTM技術通過模組標準化實現規模經濟與多車型適配，對電池規模、產品適應性和空間利用率產生影響。

1）規模經濟。通過標準化的模組設計，電池制造商可大規模生產統一的模組，降低成本，提高效率。CTM技術中，電芯組裝成模組、模組組裝成電池包的工藝需要更多的材料和制造步驟，增加了成本。傳統的底殼加工為鋼板折邊焊接。隨著技術的發展，現在多采用鑄鋁或擠鋁的底殼，滿足量產與正向設計的需要。

2）產品統一化。模組化的設計使得電池包更容易適應不同模組對電池數量和排列方式的要求。

3）空間利用率。CTM技術的空間利用率相對較低，大約為 40% ，但模組化的設計在某些情況下更利于散熱和維修。

2.2 結構固定

CTM系統通過電芯模組化集成、獨立水冷散熱及多層防護設計滿足功能需求，但其結構冗余且無法傳遞、分散和吸收外部載荷，需通過CTP等技術優化其結構效能與車身協同性。

1）電芯組合。將一定數量的電芯組合成一個單體模組需要精確的設計與布局，以確保電芯之間的連接達到電氣性能要求。

2）模組連接。若干個模組使用串并聯的方式形成一個完整的電池包，以滿足不同電壓和容量的需求。

3）結構組件。除了電芯和模組，CTM結構還包括端板、水冷板、高壓銅排等部件。由于模組的存在，散熱系統需在相鄰模組下放置單獨的水冷板[30]，這樣的設計相對復雜，但能有效冷卻電池。

4）電池包外殼。電池包外殼通常由底殼和上蓋組成，它們不僅提供物理保護，還有與車輛其他部分的接口。

5）附加元件。為確保電池包的穩定運行，需利用密封墊、絕緣板等附加元件提高電池包的安全性能和耐用性。

6）力傳遞考量。車身扭轉剛度不足會導致輕微的變形。CTP和CTB通常采用電芯與底殼粘接的方式，有助于提高車輛的整體結構強度。

綜上所述，CTM是新能源汽車電池集成的傳統模式，為電池生產和維護提供了一定的便利，但也存在局限性。目前市場上的大多數在售車型（包括純電汽車和插電式混動汽車）都采用CTM技術的動力電池[28]。隨著科技的不斷發展，逐漸興起的CTP、CTC、CTB可進一步提高電池包的能量密度和車輛的整體性能。

3 CTP技術

CTP技術由寧德時代于2019年提出，比亞迪汽車、蜂巢能源也陸續發布了各自的CTP方案[31]。CTP技術的關鍵是取消了電池模組，即先將電池單元直接集成到電池包中，再將電池包集成到車輛底板上（作為車輛結構的一部分）。與傳統電池包結構相比，CTP技術提高了空間利用率，可安裝更多的電池單元，模組的端板結構更少、重量更輕、續航里程更長。合創汽車 800km 續航版Z03的電池包結構如圖4所示[32]。根據寧德時代發布的信息，CTP技術使電池包體積利用率提高 20% ，采用“摻硅補鋰”的技術后，電池的能量密度達到 220W?h/kg. 0

圖4CTP電池結構示意圖[2]

Fig.4Schematic diagram of CTP battery structure[32：

寧德時代將更多的電池單元集成在一個大模組里[33]。特斯拉標續版Model3使用了寧德時代的4個大模組磷酸鐵鋰電池，如圖5所示[34]

比亞迪的“刀片電池\"采用無模組設計即加長電芯[35-36]和電芯極柱側出的方案，如圖6所示[37]。刀片電池可更好地適應車輛空間，提高了空間利用率。刀片電池的疊片方式有助于提高電池的穩定性和能量密度。比亞迪借鑒蜂窩鋁板的原理，使用結構膠將電芯固定在兩層鋁板之間，不僅提高了電池的結構強度，還使電芯本身充當結構件，提高了整個電池包的剛性和安全性，實現了電池包的輕量化。

圖5Model3電池包外觀[34]

Fig.5 Exterior of the Model 3 battery pack[34]

圖6比亞迪“刀片電池\"[37] Fig.6 BYD“Blade Battery\"[37]

綜上所述，CTP技術減少了內部電纜和結構部件，確保了電池單元的安全性，提高了整個電池組的能量密度。

3.1 提高空間利用率

CTP技術通過結構層級簡化、系統集成度提高、多功能彈性夾層設計，并結合底部空間共享與零部件精簡策略，顯著提高了電池包的體積利用率與續航能力，減小了自重，提高了整車能效。

1）結構簡化。CTP技術直接使用大電芯或大模組構成電池包，減少了結構加強件和模組，節省了空間。

2）系統集成度提升。寧德時代的麒麟電池采用CTP技術實現了更高的系統集成度，體積利用率達 72% ，比傳統電池包顯著提升。電池單元密集排列，因此CTP技術能使電池包存儲更多的電能，增加電動汽車的續航里程。

3）多功能集成設計。CTP技術通過集成設計，將橫縱梁、水冷板和隔熱墊等獨立部件整合為具有多功能的彈性夾層結構。

4）底部空間共享方案。底部空間共享方案通過智能分布功能模塊如結構防護、高壓連接、熱失控排氣等進一步釋放底盤空間，提高了整體的空間利用率。

5）減少零部件。相比于傳統的590模組，第一代CTP技術減少了 24% 的零部件。第二代CTP技術在此基礎上進一步提高了組裝效率和空間利用率，又減少了 22% 的零部件。省去一些結構件有助于減輕整車重量，對提高電動汽車的能效和性能非常有益[38]

3.2 便于維護更換

CTP技術通過模塊化電池單元設計、標準化電池包兼容方案、電芯一致性精準調控、膠粘集成工藝，在保障系統可靠性的同時實現了高效維護，有效提高了電池組循環壽命與維修便捷性。

1）模塊化設計。雖然CTP技術取消了傳統的模組結構，但它仍保持了電池單元的標準化和模塊化。這意味著更換或維修時可對特定的電池單元進行操作而不必更換整個電池包。

2）標準化設計。CTP技術在設計時會考慮電池包與不同車型的兼容性。針對電池包接口尺寸不同的問題，CTP技術通過電池包內部空間的標準化設計，實現了通用化接口與模塊化結構，提高了維修時替換部件的適配效率。

3）工藝控制。為降低故障率，CTP技術通過嚴格的工藝控制來保證電芯的一致性。通過電壓差與內阻差的精準調控，確保替換電芯與原有系統的動態均衡匹配，使電池組循環壽命大幅提高。

4）膠粘結構。CTP技術采用結構膠將電芯直接固定在電池包的下箱體中，簡化了組裝，也使電芯拆卸更方便。

3.3 安全性提升

CTP技術通過簡化電池包結構、優化散熱性能和材料創新，提高電池包安全性的同時平衡能量密度、循環壽命及成本效益。

1）提高電池包的安全性。CTP技術通過減少電池包內部的結構組件，降低了故障出現的可能，提高了電池包的整體安全性。

2）優化散熱性能。CTP電池包的散熱優于傳統的小模組電池包，有助于防止電池過熱，提高電池的安全性能。

3）與高鎳電芯結合。寧德時代的CTP電池技術結合了811高鎳電芯，使電池在保持結構穩定性的同時具有更高的能量密度和更長的循環壽命。同時，電池組仍采用方殼封裝，以確保電池的穩定性和安全性。

4）與磷酸鐵鋰材料結合，使電池在成本、安全和能量密度方面達到最優。CTP技術的應用進一步提高了磷酸鐵鋰電池電池系統的安全性。

綜上所述，CTP技術不僅提高了電池的能量密度、車輛的續航能力和安全性能，還有助于降低成本、簡化生產流程，擁有更廣闊的應用空間。

4 CTC 技術

CTC技術[39]將電芯直接集成在汽車底盤，以更高程度地實現車身、底盤的一體化。寧德時代提出的“以電池為中心\"的滑板底盤設計理念是CTC技術應用的一種創新思路。該理念通過CTC能量艙[40]來實現，其核心是將模塊化的轉向、制動、三電、懸架等系統集成在底盤結構，在純電車領域有廣闊前景[41]。如圖7所示，特斯拉取消了車身底板的橫梁并將車身底板的結構完全集成在電池上蓋中，使電池的外框直接充當底盤的骨架結構，實現了整體集成，是CTC技術的典型應用代表[27]。這項技術融合電池系統、動力系統與底盤，精簡了零部件，優化了內部空間，提高了車輛結構的整體性能，顯著減輕了底盤的重量，可有效延長續航里程。

圖7特斯拉底盤結構實圖[27]Fig.7 Actual diagram of the Tesla chassis structure[27：

特斯拉將電池組與車架結構進行融合，如圖8所示，其中，上層為集成車身地板功能的電池上蓋，直接承載車體結構載荷；下層為電池包底部防護殼體，內置熱管理系統并強化抗沖擊性能。特斯拉采用的整體式電池組為圓柱形鋰離子電池單元（如4680電池）的組合。這些電池單元精密排列安置于車輛底盤，成為車輛底盤結構的一部分，不僅提供高效的電能存儲解決方案，還降低了車輛的重心，增強了駕駛穩定性。

圖8特斯拉CTC展示圖

Fig.8Display diagram of Tesla CTC

電池單元之間通過高導電連接件連接。軟件實時監控每節電池的充放電狀態、溫度、電池健康情況。為應對鋰電池的熱失控問題，特斯拉電池組內置了先進的熱管理系統，采用液體冷卻板使電池組工作在最佳溫度范圍內。電池組設計考慮了極端情況下的安全防護，每個電池單元都配備保險絲，一旦檢測到異常，可立即隔離故障電池，避免影響整個系統。電池組外部采用堅固的防護結構，即使發生碰撞，也能最大限度地保障乘客的安全。為解決電池包內部的隔熱問題，特斯拉采取注滿膠工藝防止熱量向車內傳導。特斯拉在電池包靠近車門門檻兩側增加了更多、更厚的膠層，加固碰撞薄弱點，以提供更好的側面碰撞保護，減輕對內部電池的沖擊，如圖9所示[42]

圖9特斯拉底盤灌膠技術[42]

Fig.9 Tesla chassis potting technology[42]

如圖1O所示，零跑C01汽車CTC方案的實質為模組到底盤（moduletochassis，MTC）技術。零跑汽車官方信息表示，該方案有效地提高了車輛的整體性能，減少 20% 的零部件，降低15% 的結構件成本，整車剛度提高 25% ，實現了高度集成和模塊化。MTC技術具有較強的擴展性，能與智能熱管理系統兼容，未來可支持 800V 高壓平臺。

圖10 零跑汽車C01的CTC技術應用圖示[27]Fig.10 Illustration of CTC for Leapmotor C01[27]

綜上所述，CTC技術在集成度提升、系統優化、性能提升、技術發展和行業應用等方面都體現出顯著的優勢。

4.1 集成度提升

CTC技術通過提高電池與底盤的集成度，實現了空間利用、重量減輕和模塊化設計的優化，但帶來了更高的結構承載要求和制造工藝挑戰。

1）空間利用。電池直接集成在底盤中，簡化了設計結構，增加了整車的垂直空間和電池布置空間。零跑C01的電池容量空間比傳統方案增加了 14.5% ，為車內乘員提供了更多的垂直空間。

2）重量減輕。取消了電池包的結構件，降低整個電池系統的重量，有益于提高電動汽車的能效和性能。

3）模塊化設計。CTC技術支持高度集成和模塊化的設計，有利于提高生產效率、降低制造成本。

4）結構承載。CTC技術中，電芯不僅是電能存儲單元，還是整車結構件的一部分，這意味著電芯需能承受一定的載荷，對電芯的設計和工藝提出更高的要求。

5）工藝挑戰。電池與底盤集成度的提高對制造工藝的要求也提高。制造缺陷可能導致整個電池系統報廢，增加維護的難度和成本。

4.2 系統優化

CTC技術通過深入整合三電系統、減少零部件、降低成本、提高續航里程，顯著優化了電動汽車的性能和生產效率。

1）整合三電系統。CTC技術深入整合了三電系統的組成部分，通過電池管理系統的智能化實現了動力分配的精細優化，不僅提高了三電系統的整體性能，還有效降低了能耗，為電動汽車的高效運行和可持續發展奠定堅實基礎。

2）減少零部件。CTC技術通過取消模組結構，減少了傳統電池的冗余零部件，如特斯拉通過CTC技術與一體化壓鑄技術減少370個零部件，為車身減重 10% ，每千瓦時的電池成本降低 7% 。這種集成化的設計思路不僅適用于特斯拉主推的4680電芯，未來也兼容其他尺寸的電芯，推動生產效率的提高。

3）降低成本。零跑汽車在降低電池成本的同時實現了電動機、電機控制器與電池包等核心部件的優化整合。零跑汽車官方信息顯示，零部件減少 20% 、結構件成本降低 15% 不僅源于電池模塊與底盤結構的一體化集成（減少焊接和連接工序），還得益于三電系統的深度協同設計。提高了生產效率，減少了對自動化設備的需求，進一步降低制造成本。

4）提高續航里程。減少結構件節省出來的空間可用于增加電池、提高續航里程。寧德時代的CTP3.0技術麒麟電池將原本獨立的橫縱梁、水冷板與隔熱墊集成，構建出多功能彈性夾層，體積利用率超過 72% ，能量密度達到 255W?h/ kg 。這種設計使電芯組成一體化能量單元，極大提高了電池系統的集成效率。

4.3 技術發展

CTC技術在短時間內實現了快速發展，展現出規模化應用、材料創新與系統集成并重、政策支持、技術演進的多重優勢，推動了新能源汽車的進步。

1）技術應用的規模化。2022年是CTP、CTC、CTB大規模用于汽車的關鍵一年，標志著這些技術從研究轉向應用。

2）材料創新與系統集成并重。當前，動力電池技術發展呈現出材料創新與系統集成并重的特征： ① 材料技術層面，通過提高正負極材料、電解質、隔膜等核心材料的熱力學穩定性與電化學性能實現突破； ② 系統集成層面，通過優化電池模組結構設計、熱管理系統、生產工藝等手段提高整體性能。CTC技術通過改變電池單元與車輛底盤的集成方式來提高性能。

3）政策支持。《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》強調了強化整車集成技術創新的重要性，并提出研發新一代模塊化高性能整車平臺的計劃。

4）技術演進。盡管CTC技術起步較晚，但其發展勢頭迅猛，具有兩大發展方向： ① 摒棄獨立電池包架構，實現電芯與車身的直接融合； ② 推進模組與底盤的深度一體化集成，進一步優化系統布局。

4.4 行業應用

1）特斯拉的應用。2020年9月，特斯拉推出的CTC技術取消了電池包設計，將電芯或模組直接安裝到車身上，不僅提高了空間利用率，還有助于降低制造成本。采用CTC技術可顯著減少零部件，減輕車重，降低電池成本。

2）市場預測。在特斯拉的帶動下，CTC技術從2022年開始逐步應用。預計到2030年，該技術在電動汽車新增市場中的滲透率能達到60% ，成為電動汽車制造的一個重要趨勢。

綜上所述，CTC技術通過提高集成度和優化車輛結構來提高電動汽車的性能、降低成本。隨著技術的不斷成熟和應用，CTC技術將會成為推動電動汽車發展的重要力量。

5 CTB技術

CTB技術是將電芯直接集成到車身底部的電池車身一體化技術，它取消了獨立的電池包結構，將電池系統作為整車結構的一部分，與車身高度融合。CTB技術簡化了電池組結構，增強了車身剛度，提高了空間利用率，以及車輛的操控性、安全性和舒適性，有助于增加續航里程、降低制造成本，是新能源汽車領域的一項重要技術創新。目前，比亞迪、小米、哪吒等眾多車企加大了對CTB技術的研究。

比亞迪的電池車身一體化技術簡化了車身結構（圖 11^[43] ）和生產工藝，搭載該技術的e平臺3.0在安全性、操控性、高效性上取得顯著進步，提高了整車性能。

圖11比亞迪CTB結構示意圖[43]Fig.11 BYD's CTBstructure schematic[43]

小米SU7的CTB電池包改進為： ① 電芯倒置。如圖12所示，小米SU7第一次將電芯、泄壓閥同時倒置，可在電芯發生熱失控時，通過排氣通道從車底向下排出高溫高壓氣體，避免對車內乘員造成傷害。 ② 電池包內增加大面積的冷卻板和一定量的隔熱氣溶膠，有效改善了電芯的熱擴散。

綜上所述，CTB技術將電池融人車身架構，展現出獨特的應用價值。

5.1 底盤結構優化設計

CTB技術能提高車身性能、優化底盤設計，增強車輛整體表現。

1）一體化架構。CTB技術將電池上蓋與車身地板整合，構建出整車三明治結構。比亞迪部分車型的電池兼具電能存儲與結構支撐功能，大幅增大車身的扭轉剛度，提高整車的操控性和行駛穩定性。

2）底盤優化。CTB技術使底盤設計更加簡潔和緊湊，降低了風阻系數。比亞迪“海豹”的風阻系數低至0.219，可顯著減少空氣阻力產生的車輛能耗，進一步增加續航里程。

5.2 安全性能強化

CTB技術在多個方面強化了動力電池系統的安全性。

1）碰撞防護。碰撞事故中，電池作為車身結構一部分能有效分散沖擊力。比亞迪“海豹\"的雙面側柱碰試驗顯示，整車結構最大變形量比傳統燃油車大幅減小，且碰撞后的電池包仍能正常工作。

2）熱失控管理。CTB技術能更好監控電池溫度，減小熱失控風險。優化電池包內部的熱傳導路徑與散熱結構后，即便部分電芯出現異常發熱，也能有效阻止熱失控蔓延，確保車輛安全。

圖12電芯倒置方案Fig.12 Core inversionsolution

3）結構完整性保障。無論是正面碰撞、側面碰撞還是翻滾事故，CTB技術都能更好維持車身結構的穩定，減少車身變形對乘客和關鍵部件的擠壓傷害。

5.3 技術優勢

CTB技術將電池與車身結構深度融合，使車身剛性大幅提升，有效降低重心、增強操控性，同時增加電池布置空間，提高續航，優化車內空間布局。與傳統電池包相比，CTB技術減少了部分結構件及車身相關部件，降低了整車的制造成本，推動新能源汽車向更高品質、更高效能方向發展。

6 其余典型的動力電池技術

對于電池包的開發與應用，機械結構、電氣性能、熱管理、化學特性是核心技術。歷經技術迭代，早期的鉛酸電池如今已演進至固態電池[44]除了上述具有代表性的電池技術以外，近幾年各大車企和電池生產商都加大了對動力電池的研究，如圖13所示。當前，動力電池的研究方向有電池結構與設計創新、電池熱管理與安全技術體系、快速充電技術方案。

6.1 電池結構與設計創新

創新的電池結構設計技術不斷涌現，如國軒高科的卷芯到模組（jellyrolltomodule，JTM）一體化技術、零跑汽車的MTC技術等。這些技術從多個方面大幅提高電池的空間利用率，顯著優化了車輛的整體性能。

6.1.1 JTM一體化技術

JTM技術直接將卷芯整合進模組，減少了電池、模組所需的零部件，縮短了生產周期。JTM以磷酸鐵鋰材料體系為基礎體系，展現出比高鎳三元電池更高的能量密度。同時，模組成本可有效控制，實現了高能量密度與低成本的雙重優勢。JTM技術憑借標準化規格和不同使用場景的適配能力，在儲能、低速電動車等多個領域廣泛應用。

6.1.2 MTC一體化技術

零跑汽車的MTC技術通過優化電池與底盤的集成方式、增強結構設計、改進電池固定方案，實現輕量化與高效能目標。

1）電池模組與底盤的直接集成。MTC技術的核心在于將電池模組直接整合至車輛底盤，不僅減少了零部件，使底盤設計更加緊湊，還優化了車內空間分配，提高了整車的結構性能，有助于車輛的輕量化。

2）雙骨架環形梁式結構。電池托盤骨架結構與車身梁結構的結合形成堅固且輕量的整體，不僅提高了電池的安全性和穩定性，還利用車身的縱梁、橫梁有效保障了電池的密封性。

3）獨特的電池安裝方式。電池倉位于乘員艙下方，電池模組通過栓接、膠接等固定方式懸吊在電池倉內，電池包下護板通過螺栓固定于電池倉底部，與倉體結構共同構成密封防護層，在保障電池組抗沖擊性能的同時實現艙內環境密閉。

6.1.3 躺式電芯與多維安全集成技術

如圖14所示，“魔方電池”具備躺式電芯、CTP無模組技術等多項先進技術，從空間利用、安全防護等多方面提升性能與適用性。

圖14“魔方電池\"系統結構示意圖[45]Fig.14Schematic diagram of the structure of the “one pack”system[45]

1）躺式電芯技術。電芯以平鋪的方式布置于相對規整且更合理的區域，提高了空間利用率。這種布置方式有助于減小熱失控時對周圍電芯的影響，提高安全性。

2）CTP無模組技術。該技術將電芯集成到電池包來大幅減少零部件，簡化電池包的制造流程，實現輕量化設計。

3）五重安全防護機制。全天候的安全監控系統、高效導熱的水冷板、躺式電芯布局、電芯之間的氣凝膠阻燃材料、排氣疏導機制協同構建安全屏障，大幅提高電池系統的熱管理效能與安全穩定性。

4）兼容不同材料的電池包。“魔方電池”可適配不同材料的電池包，如低密度體系的磷酸鐵鋰電池包、中密度體系的三元材料電池包，以及高密度體系的硅碳負極、半固態材料電池包。

5）柔性結構件與結構膠的應用。“魔方電池\"采用大量柔性結構件和結構膠替代剛性結構件，以自適應電芯的膨脹變形，顯著提高了電池的可靠性和安全性。

6.2 電池熱安全技術體系創新

眾多具有獨特設計理念和技術優勢的電池技術不斷涌現，如廣汽埃安的彈匣電池技術、嵐圖汽車應用并優化的三元鋰電池技術。這些技術不僅提高了電池的能量密度和安全性，還通過優化結構設計、熱管理技術增強了電池的續航能力和整體性能。

6.2.1 彈匣電池多維熱防護技術

如圖15所示[46]，彈匣電池具備超高耐熱穩定電芯、超強隔熱安全艙、高效散熱速冷系統等多重先進技術，全面提高了電池安全性與性能。

圖15彈匣電池系統結構示意圖[46]

Fig.15Schematic diagram of magazine battery system structure[46]

1）超高耐熱穩定電芯。正極材料應用的納米級包覆和摻雜技術、電解液的新型自修復添加劑構建了具有熱響應特性的固體電解質界面（solid-electrolyteinterface，SEI膜，提高了電芯的耐熱溫度，增強了穩定性。

2）超強隔熱電池安全艙。利用網狀納米孔隔熱材料構筑具有超強隔熱性能的安全艙，為電池包提供保護；電池包上殼體采用耐溫超過 1400^°C 的材料，有效保護電池包。

3）高效散熱的速冷系統。全貼合液冷集成系統能實現電池包的高效散熱。高精準導熱路徑能將熱量快速且有序地引導至散熱通道，有效遏制熱量在電池包內無序擴散，提高整體散熱效能。

6.2.2 琥珀電池的多維安全防護體系

琥珀電池系統通過高分子隔熱墻阻斷熱擴散、云端BMS實時監測預警、高強框架吸能防護，實現熱失控抑制與機械沖擊防護的協同優化，保障電池系統的全工況安全穩定運行，如圖16所示[47]]

圖16琥珀電池系統結構示意圖[47] Fig.16Diagram of the structure of the Amber battery system[47]

1）“三維隔熱墻”技術。采用高分子隔熱阻燃材料包裹每個電芯，有效隔離熱失控電芯釋放的熱量，避免對周圍電芯的連鎖影響，確保電池包系統整體安全。

2）電池管理系統。過百萬輛的車輛在線監測平臺可實現毫秒級故障響應與PB級別（ 1PB= 1024TB）數據存儲。基于人工智能算法的電池健康評估模型可提前2小時預警熱失控風險，提前7天預測內部短路等潛在故障。

3）高安全性的電池包方案。通過定制化開發車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能和電池雙保險等，能在電池受到外力撞擊時提供有效保護。

6.2.3 大禹電池的熱失控疏導技術

長城汽車推出的“大禹電池\"可實現更高級別的安全保障，如圖17所示[48]。該項技術通過“熱源控制十定向疏導”的策略，顯著提高了電池熱失控的安全防護水平，其安全性遠超GB38031一2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的規定[49]

圖17大禹電池系統結示意圖[48]

Fig.17 SchematicdiagramofDayubattery system structure[48]

1）熱源隔斷技術。電芯間的雙層復合材料具有良好的隔熱性能，可有效阻隔熱量傳遞，防止熱量蔓延，提高電池組的安全性。

2）雙向換流技術。通過多維度的通道設計與動態仿真，實現高溫氣火流的定向疏導，避免相鄰模組熱沖擊，有效防止熱失控。

3）熱流分配技術。利用燃燒模型、熱力學與流體力學仿真技術，對氣火流進行有效的疏導，確保熱量和火焰的高效管理。

4）定向排爆技術。該技術通過分流、導流、換流三級結構，將熱失控產生的高溫氣火流引導至滅火通道，結合壓力與流量調控，實現分層均勻流動，避免熱量集中，確保安全排出。

5）高溫絕緣技術。對高壓連接及高壓安全區域進行專門的高溫絕緣防護設計，有效防止高壓起弧對金屬箱體的損傷。

6）自動滅火技術。通過尾部滅火盒將外溢煙霧的最高溫度控制在安全范圍內，避免對周圍環境造成二次傷害。

7）正壓阻氧技術。使電池包的內壓始終高于外界氣壓，有效避免氧氣進入導致的二次燃燒風險。

8）智能冷卻技術。根據電芯和模組在熱失控過程中的實時溫度、溫度變化速率等熱狀態參數，智能調節冷卻系統的開閉時間、流速和流量等參數，確保電池系統的高效冷卻。

6.2.4 無熱失控軟包電池系統技術

蔚來無熱失控軟包電池[50]通過材料體系創新、結構設計優化和安全防護升級，實現了能量密度、安全性能與循環壽命的系統性突破。

1）預鋰化硅碳材料的使用。將預鋰化硅碳作為負極材料不僅提高了電池的能量密度，還顯著優化了電池的整體性能。

2）CTP技術的應用。無熱失控軟包電池方案減少了模組，顯著提高了電池的能量密度和體積利用率。

3）安全性能的提升。該電池采用全灌封與全方位阻火設計，有效遏制了熱蔓延，確保了電池包的安全性。大面積水冷板構成的高效冷卻系統實現了充放電的溫度恒定，優化了電池性能。

6.2.5 紅1號智能溫控集成技術

五菱紅1號電池[51]是專為新能源商用車研發的電池，融合智能溫控、長效電芯與輕薄結構三大核心技術。

1）飛流超智能溫控系統。充電過程中，飛流超智能溫控系統實時監測電池溫度變化，及時做出相應調整。

2）問鼎超耐用電芯技術。該技術通過電芯快充、電芯抗衰、電芯安全技術來提高電芯的耐用度，采用陶瓷層涂覆技術有效防止熱失控。

3）超輕薄結構技術。采用獨特的結構設計與緊湊的構造形式有效減小了電池體積，能最大限度釋放貨箱載貨空間，提高裝載效率。

6.3快速充電技術解決方案

提高充電效率、縮短充電時間已成為電動汽

車的重要發展方向，為此，各大企業正積極探索新型充電技術，如寧德時代的神行超充電池技術、巨灣技研的“鳳凰電池\"技術等。

6.3.1 神行電池技術體系

寧德時代神行全能電池運用多項先進技術，涵蓋正負極、電解液及充電技術，提高充電性能、效率，兼顧快充與耐久性。

1）超電子網正極技術。神行電池使用超電子網正極技術，采用充分納米化的正極材料，搭建了四通八達的超電子網，減小鋰離子脫出阻力，使材料對充電信號快速響應。

2）第二代快離子環負極技術。對石墨負極表面進行改性處理，在石墨層間形成快離子環結構，使電池在充放電過程中表現出更高的效率。

3）超高導電解液配方。選用高導體溶劑、添加劑等成分顯著提高電解液的導電率和滲透率，確保電池的充電效率和使用性能。

4）高孔隙隔離膜。通過精確調控隔離膜的孔隙率，并優化孔道的形狀、分布和連通性，提高鋰離子的液相傳輸速率。

5）4C超充技術。該技術通過將充電倍率提高至4C（C為電池的充電倍率，1C對應1h充滿標稱容量），使電池可在 15min 內完成 0～80% 充電，同時通過自適應溫控系統保障循環壽命，兼顧快充性能與耐久性。

6.3.2 鳳凰電池系統的集成方案

圖18所示的鳳凰電池[52]可解決高壓平臺在極速充電上的挑戰。

圖18鳳凰電池系統結構示意圖[52]Fig.18Schematic diagram of Phoenix batterysystem structure[52]

1）總線電壓升降開關矩陣技術。通過高度集成化的固態開關矩陣及智能化控制系統，使電池電壓自由升降，確保整車在 300～1000V 電壓平臺下都可實現極速充電，實現更高效、更靈活的充電管理。

2）多合一彈倉式結構。采用超導熱、加熱、緩沖、隔火等材料構建多合一彈倉式結構，不僅改善了電池的熱管理效果，還增強了電池的抗沖擊、抗穿透能力。

3）高效能熱管理技術。通過構建電池三維立體熱管理系統，極限利用電芯換熱面積，大幅提高換熱面積、提高控溫速率。

6.3.3 金磚電池的創新架構

圖19所示的金磚電池[53]可提高電動汽車的充放電效率和使用壽命。

圖19金磚電池系統結構示意圖[53]Fig.19 Schematic diagram of the BRIC battery system structure[53]

1）高效集成設計。通過結構優化，該電池不僅實現了較高的體積利用率，還顯著減少了核心零部件，進一步降低了電池的整體成本和復雜性。

2）快充技術。引入納米級磷酸鐵鋰顆粒和復合導電劑，采用超快解離電解液和三層復合多孔膜，并集成低焓變石墨負極材料與表面低阻抗SEI膜，實現了高電壓、大電流下的穩定高效充電。

3）安全性能。該電池采用耐高壓絕緣膜進行熱安全防護。電池包內設置毫秒級緊急切斷裝置和具備異常特征監測功能的傳感器預警系統，通過監測-預警-響應三級防護體系實現對電池安全的系統性保障。

6.4電池車身集成化技術小結

電池車身集成化技術通過結構、空間、生產、熱管理和安全等多種措施，取消模組組裝，優化空間布局，簡化生產流程，提高熱管理效率，并增強碰撞安全性和電池防護，實現了性能與成本的雙重優化，推動電動汽車技術發展。

6.4.1 結構一體化設計創新

1）取消模組與電池包組裝環節。傳統的電池安裝方式是先將電芯組成模組，再將模組組合成電池包，最后將電池包安裝在車身上。電池車身集成技術省去了模組及電池包的組裝，直接將電芯集成于車身。

2）電池與車身結構集成。電池不僅作為能量存儲裝置，還具有車身結構的支撐與傳力功能。零跑汽車的CTC方案將車艙橫梁與電池包集成，形成一體化結構，同時座椅安裝在電池包上蓋，進一步提高車輛的操控性和安全性。

6.4.2 空間利用創新

1）提高空間利用率。電池車身集成技術通過減少電池包與車身之間的間隙來釋放更多的車內空間，并根據車身形狀和空間需求進行合理布局，充分利用車內空間。

2）增加電池容量。在車身尺寸既定的情況下，集成技術通過優化空間布局減少空間浪費，為電池擴容創造條件。通過提高電芯的能量密度增強電池的儲能能力，使得相同體積或重量的電池包能存儲更多的電能，有效提高車輛的續航里程。

6.4.3 生產制造創新

1）簡化生產流程。電池車身集成技術減少了零部件和生產工序，降低了生產的復雜性和成本。CTP技術減少了模組和相關連接件、固定件。

2）精密制造要求。電池與車身的更高集成度對制造精度提出更高要求。電芯的尺寸精度、電池包的裝配精度等都需要生產企業的嚴格把控，從而確保產品的質量穩定性。

6.4.4 熱管理創新

1）優化熱管理系統。集成設計使熱管理系統更好地與電池和車身協同工作。在電池與車身之間合理布置冷卻管道等熱管理部件可有效控制電池的工作溫度，提高電池的性能和壽命。

2）利用車身結構散熱。車身結構也可作為散熱的一部分，一些車型通過優化底盤的設計增大與空氣的接觸面積，顯著提高了散熱性能。

6.4.5 安全性能創新

1）增強碰撞安全性。電池車身集成設計改變了碰撞時的力傳遞路徑，使電池在碰撞過程中能得到更好的保護，也為車身提供了額外的支撐，減小碰撞時的車身變形，保護車內乘員的安全。

2）提高電池安全防護。集成技術設置電池安全防護措施，如在電芯之間添加隔熱、阻燃材料，配備先進的電池管理系統等，實時監控電池狀態，及時發現并處理安全隱患，提高電池的安全性。

7展望

動力電池包的質量約占整車質量的 30%～ 40% ，也是整車生產成本比較高的部件之一，因此優化電池包結構設計對提高空間利用率和車輛的整體性能至關重要。CTP、CTC、CTB是新能源汽車動力電池系統集成化設計目前采用的主要方式。CTP直接將電池單元集成到電池包，減少了結構件和連接件，提高了能量密度；CTC技術將電池單元集成到車輛底盤，進一步減少了組件和重量；CTB將電池與車身深度融合，將電池上蓋與車身地板合為一體，使電池成為車身結構一部分，為動力電池系統集成化設計的后續發展奠定了基礎。

1）智能化集成設計。隨著車輛向移動智能平臺發展，運用大數據、人工智能和物聯網技術構建智能電池管理與能量分配系統，提高電池性能、安全性和壽命，優化車輛整體功能。

2）開發可持續性材料。開發可持續性材料是動力電池系統集成化設計的重要發展方向，包括使用生物基材料、回收材料和更易回收的電池組件。研究環保生產流程與材料加工方法以有效降低電動汽車碳足跡，推動行業向循環經濟轉型。

3）標準化和通用化。標準化和通用化是實現高效生產和全球供應鏈協同的關鍵因素。制定統一的設計和制造標準有助于降低成本、縮短產品開發周期，促進不同制造商產品的兼容。通用化的電池平臺可滿足不同車型和品牌的需求，提高電池的生產效率和規模經濟效應。

綜上所述，動力電池系統的集成化發展集中在智能化集成設計、開發可持續性材料、標準化和通用化上，有效推動新能源汽車動力電池系統在性能、環保和成本等多方面實現優化，為新能源汽車產業的持續健康發展提供堅實支撐。

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作者簡介：時培成*，男，1976年生，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為新能源汽車、汽車動力學與底盤控制、智能網聯汽車、環境感知技術。發表論文66篇。E-mail：shipeicheng@126.com。本文引用格式：

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