无模组技术在新能源汽车动力电池中的应用与研究

2020-08-12朱小燕

科技与创新 2020年15期

朱小燕

（常州刘国钧高等职业技术学校，江苏常州213025）

1 引言

截至2019 年底，国内新能源车保有量381 万台。新能源汽车指使用氢能源、太阳能、动力电池、石墨烯等作为动力源，在动力系统及驱动系统采用先进技术，具备新型结构、新型技术的汽车[1]。新能源汽车的快速发展，带动了人们对动力电池的巨大需求，动力电池对新能源汽车的续航、充电和安全起着决定性的作用。动力电池的成本占整车成本的40%以上，具体可分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等[2]。

锂离子电池的能量密度取决于正极和负极材料，正极材料分为钴酸锂（LCO）、磷酸铁锂（LFP）、锰酸锂（LMO）和三元材料（镍钴锰NCM/镍钴铝NCA）[3]。

2015—2018 年，动力电池主要为三元电池和磷酸铁锂电池，减少“模组”成本未能从根本上降低动力电池的成本，无模组的技术已经成为一种有效改善当前动力电池的能量密度的方法，不仅提高容量利用率和减少电池组的零件的数量，还提高了生产效率。

2 CTP 技术概述

2.1 CTP 技术的概念

模组指将若干关联的零部件组成模块，在电池包（Pack）由若干个模组、BMS、配电模块组成，动力电池模组是将N支电芯、采样单元、导电排和必需的结构部件集合于一体的模块[4]。比如特斯拉将7 000 多支电芯预先集成若干个模块，模块中集成了部分电芯，最后安装在电池箱体内部。通过这种模组工艺大大降低了装配复杂程度，生产效率也得以提升。此外，模块化设计有利于动力电池维修保养，方便更换模块或模组，所带来的个别问题是模组的应用增加许多其他零部件，致使电池包（Pack）的质量增加、成本增加。无模组技术（CTP 技术）全称为Cell To Pack，是减少或去除电池“电芯-模组-整包”的三级Pack 结构的技术。目前有两种不同的技术路线：以比亚迪刀片电池为代表的彻底取消模组的方案；以宁德时代CTP 技术为代表的小模组组合成大模组的方案。

2.2 CTP 技术的优势

2.2.1 轻量化

CTP 技术可以最小化电池组内部结构，如侧板、底板紧固件、连接器、纵梁、横梁等模块之间的部件，实现电池的轻量化。

2.2.2 电池能量密度高

CTP 技术主要从质量比和体积比这两个维度，提升能量密度[5]。宁德时代CTP 技术的重能密度比可达200 W·h/kg，比亚迪的CTP 技术将其能源密度提高了50%。

2.2.3 成本低

CTP 技术可以大大降低动力电池的成本。比亚迪的刀片成本包括电池组本身的控制成本、简化制造和组装过程等因素，这些因素使不良率降低了20%～30%；宁德时代生产效率提高50%带来的积极影响，显著降低了成本。

3 CTP 技术在动力电池中的应用分析

3.1 比亚迪CTP 技术

比亚迪刀片电池，基于前壳电池，使电池“长”和“薄”的形状与刀片类似，如图1 所示。比亚迪有五种不同的电池规格。这种电池与目前的方壳电池相比，高度没有变化，厚度比软壳电池略厚。主要的变化是长度，由435 mm 增加到2 500 mm。电池的制作依赖于CTP 技术，一方面，该技术提高了电池组的内装空间利用率，提高了内装功率；另一方面，它减少了背包的质量，提高了整个背包的能量密度。刀片电池基于磷酸铁锂技术的创新，具有启动放热温度高、温升慢、产热少、不释氧等优点。此外，叶片电池变长变薄，表面积也增加，整体散热更好。电池的短路电路相对较长，产生的热量较少，所以刀片电针的性能是非常完美的。结合比亚迪的综合高温“陶瓷电池”技术，刀片电池的安全性得到了极大提高。除了高安全性外，叶片电池还具有续航时间长、强度高的优点。

图1 比亚迪刀片电池

在电池组整体体积相同的情况下，现有电池组结构中各模块有侧板、端板、紧固件、横梁、纵梁等构件，空间利用率约为40%。比亚迪电池组的CTP 技术不包括电池管理系统、配电箱等部件，电池组的空间利用率约为62%。受不同单元布局的影响，包装的空间利用率分别为55%、60%、62%和65%，甚至在有需求时可以达到80%[6]。即使是同一款车，CTP 电池组也能将电池容量提高20%～30%，电池寿命延长20%～30%。刀片电池将首次用于比亚迪的汉EV 电动汽车。

3.2 宁德时代CTP 技术

宁德时代推出了全新的CTP 高集成动力电池开发平台，即将电池单体直接集成到电池组中[7]。与传统的电池相比，CTP 电池组的容量利用率增加15%～20%，零部件的数量减少了40%，生产效率提升了50%，电池的能量密度提高10%～15%，这将大大降低动力电池的制造成本。电池组由至少两个大模块组成，每个模块通过紧固件连接到电池托盘上，最后将电池组固定到不同的横梁上。

宁德时代CTP 技术是将一个大的模块通过若干个塑料散热片分割成小空间，这些塑料散热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。每个电池的侧面还贴有一个导热硅胶垫片，并且在电池宽度方向的散热板上有一个冷却通道，可以直接与外部冷却管路连接[8]。这可以减少大约40%来自模块之间连接线束、侧板、底板等的部件。去掉电池模块，将电池直接集成到电池组中，可以提高电池组的空间利用率，减轻电池组的质量，提高能量密度，降低成本。宁德时代CTP 技术电池如图2 所示。

图2 宁德时代CTP 技术电池

3.3 蜂巢新能源CTP 技术

蜂巢新能源的CTP 技术既有无模方案又有大模方案，如图3 所示。与传统的蜂窝590 模块相比，CTP-G1 减少了24%的零件数量，电池成本降低了0.1 元/W·h。CTP-G2 使电池组效率按质量增加5%～10%，空间利用率提高5%，零件数量减少22%，电池成本降低0.21 元/W·h。CTP 技术的另一个优点是生产过程简单。传统技术的电芯通过一定的框架结构形成一个模块，模块到离线检测，然后存储、传输。如果包装和模块不在同一家工厂，则需要额外储存、来料检验、在线检验等。这些过程需要人力、设备、场地和其他资源的投入。采用无模组方案可以有效缩短生产线，减少生产过程中的浪费。电芯在线堆叠，测试后直接放入电池盒，大大减少了流动过程，减少了模块传统的框架焊接过程。

图3 蜂巢新能源的CTP 电池

4 CTP 技术的分析

4.1 电池碰撞安全

电池碰撞安全是影响新能源汽车发展的最关键环节[9]。传统的三层结构的电池组提供了额外的一层保护，防止碰撞模块。利用CTP 技术在电池组中使用，去除电池组的侧梁，电池将直接承受碰撞的影响。包装框架采用直接挤压铝制成，增加强度；每个大模块内部的塑料外壳采用注塑成型。在注射成型过程中，将冷却板嵌入箱体模具中，实现整体成型[10]。因此，对CTP 电池组提出了更高的防撞要求。

4.2 电池热管理

随着新技术对电池组结构的改变，对电池的热管理系统甚至BMS 系统提出了新的设计要求和策略[11]。例如，比亚迪为电池组设计了新的排气口和排气通道。排气口与阀芯两端的防爆阀相对，当火焰、烟气或气体从防爆阀排出时，通过排气孔进入排烟通道，从电池组排出。宁德时间的各个模块采用CTP 技术，并内置在上下壳层。壳体中部填满导热胶，在电芯侧壁与壳体之间设有压力或温度传感器，它用于检测电池的形状变化和温度变化，以消除电池的故障，并提前测量热逃逸现象[12]。

4.3 售后维修成本和便捷性

完善和细化售后服务体系已成为汽车公司和电池公司的售后服务迫切需要。由于电池以某种方式直接固定在电池组托盘上，未来的维护将需要制订更高的技术要求，或者一个电池有故障可能需要更换整个电池组。整体电池更换成本较高，因为消费者在购买电动车时享受的国家补贴仅针对车辆，动力电池不单独享受补贴，所以动力电池的更换比车辆成本高。除了高昂的售后维修费用和保修、回购、折价条件的诸多限制，新能源汽车的售后服务存在售后维修网点少、维修周期长等缺点。售后服务配套体系滞后，也对消费市场的培育产生了一定的负面影响。完善和细化售后服务体系已成为汽车公司和电池公司的迫切需要。

4.4 电池的一致性

电池生产与电池使用的一致性是一个难以解决的问题。采用CTP 技术的电芯可以由几个较小的电芯一个接一个地串联起来。电源包由数百个不同的电池组成，输出的数量由最差的电池决定。由于锂电池充电和放电有一定的危险，严重的可能会导致火灾和爆炸，所以在电池、电池管理系统可以实时收集每个电池的电压，当电压超过充电截止电压和放电电压时，主动切断电池，确保不会再有收费行为，保证电池的安全。一旦电池管理系统检测到数千个电池中的一个已经充满电，它就会停止整个充电过程。放电是一样的，只有一个电池已经放电，就会切断整个电池的输出。电池的稠度差，就像新旧电池混在一起。电池的差别很大，除了会拖下正常的电池，还是整个电池组的弱项，过充、过放电、发热等，都由它们来决定。

4.5 电池回收

2018—2020 年，报废动力电池总量将达到12 万吨～20万吨，到2025 年，报废动力电池总量将超过75 万吨[13]。如果大规模废旧电池被不当处理，不仅会浪费大量宝贵的资源，阻碍行业的可持续发展，还会成为破坏生态环境、危害公众健康的重大隐患。从技术角度看，中国动力电池回收还存在一些技术问题需要解决。从成本角度来看，目前废旧电池数量尚未完全形成规模，企业难以实现规模效应和获得利润[14]。因此，中国的动力电池回收政策和产业体系建设还有待完善，需要探索新的商业模式，鼓励更多的社会资源参与到动力电池回收商业模式的创新中来。