新能源汽车动力电池CTP技术
文章来源： 汽车动力总成
发布时间：2020-10-28
CTP（无模组动力电池包），即Cell to PACK，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。
动力电池作为新能源汽车的三大件之一，其重要性必然是不容小觑的， 但多年来，动力电池的成本一直居高不下，占到整车成本的40%，甚至更高，许多电池供应商和主机厂一直在寻求降低电池成本的方案。现有的电池pack结构由三级组成：电芯（Cell）、模组（Module）、包（Pack）；当然，它们之间的关系我们可以这样理解，最小的单元是电芯，一组电芯组成一个模组，多个模组组合再加上BMS、配重模块等零部件则组合成我们所说的“电池pack结构”。
当然，在“电芯、模组、电池包”这种多层级电池pack结构下，电芯对于电池包的空间利用率仅为40%，其中电芯对模组的空间利用率为80%，模组对电池包的空间利用率为50%，模组的硬件费用约占电池总成本的15%。
在讲CTP技术之前，我们先来了解一个概念，Cell to PACK（
无模组动力电池包
），我们可以理解为该技术省去了中间模组环节（Module），将电芯直接集成到电池包。
那么去掉的这个模组是什么？
它在传统电池包里充当什么角色？
对于模组，我们可以理解为它是为电池电芯提供必要的支撑保护结构部件的模块，是动力电池系统的次级结构之一。简单来说，电池模组主要以下作用：（1）在单体电芯与锂电池包之间充当载体，起到了连接、固定、缓冲和提高绝缘效果等作用；（2）锂电池包里的模组“各尽其职”，各自管理自己的单体电芯组，有助于温度的控制，同时有效防止在发生事故时电池热失控的传播；（3）采用模组单元的锂电池包，当某一个电池电芯发生故障需要更换时，只需要找到所属的模组，对其进行更换，就能够解决故障，有效降低了电池包售后维修的成本与难度。
读到这里，我想有人肯定会问：模组在电池包里充当这么多角色，能够有效保护电池的稳定性与安全性，在发生故障需要维修时还能简化维修成本与难度，为什么还要一味的追求“去模组化”呢？
这点开头我们有提到，许多电池供应商和主机厂一直在寻求降低电池成本的方案，模组的硬件费用约占电池总成本的15%，而且电芯对于电池包的空间利用率仅为40%，我想，“去模组化”将会是未来的趋势。但正是因为模组充当了多种角色，所以“去模组化”实现起来并不是那么容易，这就意味了去除模组后的电池包在强度以及可靠性不能降低，这就对了电芯以及电池包的制造工艺和材料选择提出了更高的要求。
CTP（无模组动力电池包），即Cell to PACK，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。国内的CTP技术分为两种路线，一种是以比亚迪为代表的的完全无模组方案，另外一种是以宁德时代为代表的以大模组代替小模组的方案，当然也有其他企业例如特斯拉、长城汽车的蜂巢能源、国轩高科等也都在研发自己的CTP技术。我们今天就以两种具有代表性的技术路线来讲。
比亚迪CTP技术（刀片电池）
比亚迪采用了CTP（Cell To Pack）设计思路，即把电芯以列阵方式直接装到电池包壳体内，省略了把电芯组装成模组这一步。比亚迪通过CTP设计在保证了电池包的强度前提下，省去了横梁、纵梁以及螺栓等附件，将电池包壳体内部的空间利用率由原来的40%-50%提升至60%-80%。
从比亚迪官方申请的专利来看，所述电池阵列包括若干单体电池，至少一个单体电池满足：600mm≤第一尺寸≤2500mm，包括壳体以及位于壳体内的极芯。通过设计单体电池的特定尺寸，来提高电池包整体的刚度。
取消电池包壳体内的横梁和纵梁后，需采用其他设计来保证电池包在各个方向的力作用下不易发生变形，这就是为什么比亚迪要把电芯做成又薄又长的一个重要原因。在长度方向上，刀片电池可以代替横梁结构，在厚度方向上，通过对“刀片电池”进行堆叠可代替纵梁结构，最终可以保证电池包有足够的结构强度。
刀片电池依然采用了比亚迪擅长的磷酸铁锂电池，将传统电池单体大幅拉长，长度可以做到2米，厚度为13.5毫米。同时，在刀片电池的侧脊面上安装高强度板，让刀片电池侧面可以承担支撑作用。这一系列设计可以让刀片电池跳过模组环节，直接组成电池包，从而提升空间利用率。
刀片电池既是能量体，又是结构件，可以成为直接支撑电池包的梁，相较传统电池包，刀片电池的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。
宁德时代CTP技术
宁德时代则在提升能量密度和降低电池成本方面找到了一条新的路径，简单来说就是以大模组代替小模组的方案。从宁德时代发布的专利图来看，电池壳体为塑料材质，在注塑时，将散热板嵌入箱体内，与电池壳体外壁相连通（散热板内部有贯穿的通道），这就方便了外部冷却管路的连接。
多片塑料材质的散热板将电池壳体隔成一个个电芯收容空间，我们可以把电池壳体比作一个抽屉柜，方壳电芯就如同抽屉格一样整齐的插入这些收容空间。同时，方壳电芯侧面贴有导热硅胶片，导热系数为4W/(m·K)，电芯与导热硅胶片一起可直接插入到散热板中间。这样做能够减少约40%的零部件，这些零部件来自模组之间的连接线束、侧板、底板等。此外，在电池体积不变的情况下，采用CTP技术的电池Pack包内体积利用率也提升了15%-20%。
宁德时代新型CTP电池包，较传统电池包相比，CTP电池包体积利用率提高了15%-20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，大幅降低了动力电池的制造成本。得益于内部结构的化繁为简，CTP电池包能量密度较传统电池包将提升了10%-15%。传统的电池包能量密度平均为180Wh/kg，而CTP电池包能量密度可达到200Wh/kg以上。目前，宁德时代已经取得超70项CTP核心专利。
CTP技术优点：
传统的电池包内部结构，由多个电芯（Cell）构成的电池模组（Module），会通过螺栓固定到带有横梁和纵梁的外壳上，形成电池包（Pack）。这种电芯-电池模组-电池包的集成设计，横梁和纵梁占用了许多空间，螺栓等附件增加了重量，很大程度上限制了电池包容量和能量密度的提升。
采用了CTP（Cell To Pack）设计思路，即把电芯以列阵方式直接装到电池包壳体内，省略了把电芯组装成模组这一步。使得更多车型在车身底部空间有限的情况下，能够进一步提升电池包的容量。同时电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，进一步低了动力电池的制造成本。
CTP技术缺点：
传统电池包里的模组各自管理自己的单体电芯组，有助于温度的控制，同时有效防止在发生事故时电池热失控的传播，但无模组方案中电芯热失控管理难度加大。以往当某一个电池电芯发生故障需要更换时，只需要找到所属的模组，对其进行更换，就能够解决故障。
在无模组方案中，售后维修成本与难度可能会加大了，由于单体电芯是直接粘贴到电池壳体底板上的，在维修时，可能需要整包更换。
除了比亚迪、宁德时代在研发CTP技术外，其他车企或厂家也没停下脚步，据长城汽车的蜂巢能源透露，他们的CTP技术既有无模组方案，也有大模组方案。相比蜂巢能源传统的590模组，CTP-G1减少24%零部件数量，每Wh电池成本降低0.1元；CTP-G2提升5%-10%重量成组效率，提升5%空间利用率，减少22%零部件数量，每Wh电池成本降低0.21元/Wh。这就说明了，各大车企对于CTP技术还是有能力、有信心去研发的。
同时有业内人士指出，动力电池去模组（Cell toPACK）对优化电池包利用空间和提升能量密度以及降成本有积极作用，有助于车企和电池企业降低制造成本，有望成为未来动力电池技术主流之一。
注：文章中引用的图片来源网络
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