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摘要： 从2019下半年开始，宁德时代CTP（Cell to Pack）与比亚迪的刀片电池技术进入大众视野，备受行业关注，降本一直是动力电池追求和发展的方向，如何既能降低成本，又能提高能量密度？CTP技术或许是当下最好的选择。 传统电池包结构
典型电池包结构，来源：奥迪A3的电池包结构，大众汽车 传统电池包的成组效率是电池系统能量密度提升的一个瓶颈。上图一个典型的电池包三层结构示意图。其中除了电池单体外，还包括金属盖板端板、线束、粘合剂、导热胶、模组控制单元等等零部件，组合在一起，形成了一个电池模组。再由若干模组构成电池包（Pack），电池包层面的零部件包括热管理系统、线束、控制器、外壳等等。这样的三层结构是典型的动力电池包都具有的，之所以有「模组」，一方面是保护、支撑、集成了电芯，另一方面各个模组独立管理了部分电芯，有助于温度控制、防止热失控传播、同时便于维修。但模组的存在，使得整个电池包的空间利用率有所下降，导致了成组效率的低水平——模组越多，零部件越多，成组效率也就越低。在单体能量密度突破300Wh/kg的同时，受限于传统电池包的成组方式，电池系统层面的能量密度仍处于160Wh/kg左右。 因此，将模组做大做少，乃至于无模组，是近年来电池系统工艺设计层面的主要关注点，特斯拉Model 3的大模组也反映了这一趋势。但与此同时，正因为模组有着保护电池、降低风险、便于维修的作用，“无模组”就有着更高的技术难度，意味着对电池单体的质量和一致性的要求更高。因此，宁德时代和比亚迪的无模组技术，不仅是电池系统工艺层面的突出创新，更体现了电池单体设计制造的技术水平。 什么是CTP技术 CTP技术全称Cell To Pack，也叫无模组技术，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。现有两种不同的技术路线：一是彻底取消模组的方式；二是以大模组替代小模组的方式。
CTP专利解析 发明专利一：电芯的装配以及冷却方式 当前主流电池包成组方式存在的问题： 1. 电芯到模组，模组到电池包，装配复杂； 2. 电芯大面被挤压，热量在电芯间相互传递，会缩短电芯使用寿命，大面热量无法被导出； 3. 电芯仅能通过底部与电池壳体底部接触进行热量传递，而底部散热分布少，散热效率低； 4. 目前采用导热硅胶或液态灌封胶填充进电芯的侧面与电池壳体的侧壁，进行底部或侧壁热传导，底部粘贴硅胶片，散热面积有限，而侧壁灌封工艺则相当复杂，灌封量难控制，填充不均匀，硬化时间长，且难以返修；
宁德时代CTP技术电池模组爆炸图 上图为系统爆炸图，采用塑料的电池壳体集成散热板，散热板与塑料壳体底部凸台形成电芯收容空间，一个大模组里面被若干个塑料材质的散热板分割成一个个小的空间，方壳电芯就像电脑硬盘一样，可以插进这些小空间。电芯侧壁贴上导热硅胶垫片，导热硅胶片可压缩，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。其中，电池壳体外壁与散热板连通（通过钎焊和密封圈密封），塑料壳体通过注塑成型，注塑时将散热板嵌入箱体的成型模具内，可以实现散热板与壳体一次成型，且电芯宽度方向的散热板留有散热通道，可以直接于外部的冷却管路连接。 根据相关数据显示，这样做能减少约40%的零部件。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%。重量比能量密度能达到200Wh/kg。
上图为散热板结构，其内部有贯穿的筋条相互隔开的通孔，形成沿着壳体宽度方向的散热通道，散热通道可以直接与外部冷却管路连通。
除此之外，电池壳体侧壁有保护罩以及风机，风机可向散热板内部散热通道吹风，电池壳的上盖与下壳体通过发泡胶密封。 发明专利二：电芯与BMS的连接
上图为系统爆炸图，电芯和电池管理系统BMS通过固定结构固定在电池包壳体中，BMS壳体内部和电芯与电芯之间都填充导热胶，用于散热和减震。
为电芯结构图，电芯内置在上下壳体中，壳体里面填充导热胶，电芯侧壁和电芯壳体间内置压力或者温度传感器，压力传感器用于检测电芯外形的变化，温度传感器用于检测电芯温度的变化，两个传感器主要作用是能够排查不良电芯，并且提前探测到电芯发生热失控等安全事故。
BMS与电芯可以采用三种连接方式，第一种方式BMS和电芯上带有导电弹片，用导电螺栓将两者固定连接，第二种方式采用弹性抵接方式，第三种方式采用公母对接导电连接器。 好处： 1. 易于散热； 2. 可降低电池包外壳防护等级（采用电芯和BMS单独加强防护等级）； 3. 不采用模组，电芯单独装配，降低装配难度，提高了生产效率； 4. 便于电芯单体的更换。 CTP技术优缺点 优点： （1）低成本：由于省去了模组环节的线束、盖板等零部件，整个电池包零件数量减少了40%，生产效率提升了50%，CTP电池包的物料成本与制造成本将得到改进。而如果使用成本更低的磷酸铁锂电池，相较于传统的三元电池包，整个电池包的成本还将进一步下降。 （2）高能量密度：在相同的电池化学体系条件下，宁德CTP电池包的系统能量密度提升10-15%，与三元电池（NCM）相比也极具竞争力 （3）高安全：在CTP之前，能量密度的提升主要是通过三元电池化学体系的改进所实现的，而伴随着高镍体系的不断升级，电池的安全性上所面临的风险随之上升。而CTP在电池包层面对能量密度的提升，意味着在电池单体层面使用安全性成熟的普通三元、甚至磷酸铁锂电池就可以实现充裕的续驶里程。在同样的里程效果下，整车的安全性无疑得到改善。当然，对于高镍体系的CTP来说，安全性的风险仍然存在。 缺点： （1）CTP对电芯一致性的要求更高，电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差两个问题需要在整个电池包层面进行考量。 （2）取消了模组，也取消了电芯发生热失控在模组级别的防护；同时相应的BMS采样和控制策略也需要进行更改。 （3）制造层面的吊装、固定、维修方面技术难度大，整个电池包后续的维修会比较困难。 CTP对行业格局和新技术的影响 CTP技术是把整车厂跟电芯厂的交界区域往极限降成本，性能参数上主要是能量密度，其他并没太大改变。其效果有点像现在智能手机电池跟手机绑死状态，但售后维修性会下降。 虽然优点明显，但对于主机厂来说，CTP技术或许并不是100%的好消息。 在新能源汽车的开发中，主机厂与电池厂之间的「技术分割线」，一般在电池包层面。技术实力稍弱的乘用车主机厂与商用车厂普遍会直接采用电池厂交付的电池包；而技术实力较强的主机厂会基于电池厂交付的电池模组，选择自己主导电池包的开发。以上汽为例，上汽和宁德时代组建的两家合资公司「时代上汽」与「上汽时代」，就是分别以宁德和上汽主导的电池工厂和电池包工厂。车企自行开发电池包的必要性是明显的：一方面可以更好地匹配整车设计，另一方面也把握了电池包技术，将整车相关技术与价值保留在了体系内部。随着电池技术的重要性愈发显著，领先的乘用车主机厂也越来越倾向于加强在电池技术方面的话语权。 但CTP技术则意味着在电池包层面，电池厂的话语权将重新占据上风，在产业链中占据的价值也将进一步上升。就目前公开的信息来看，乘用车难以采用商用车标准化的电池包，宁德CTP技术需要针对车型进行深度定制化的开发，主机厂方面至少需要与电池厂共同研发，或直接将电池包完全交给电池厂。 另一方面，CTP还可能对下一代电池技术造成冲击。 站在今天回看三年前，从2017-2020的电池技术发展路径在规划中就很清晰——通过逐步提升正极化学体系的镍比例，从523到622再到811，将电池单体能量密度提升到300Wh/kg。而这一发展路径的实现依靠生产工艺的快速提升，实际上实现比预期更快。但再往后的技术预期：从高镍+硅碳负极，到固态电池，再到固态电池+锂负极，乃至于锂空电池……这一系列电池单体层面的技术发展，不论是理论还是产品，都比预期要来得更加缓慢。在2018年之前，业界对固态电池商业化的预测普遍在2020-2025之间；但到了2020年，固态电池的商业化预期已然推迟到了2025之后。 而下一代电池技术的商业化，一方面依赖于实验室技术的成熟；另一方面，也面临着与现有技术的竞争。固态电池如果仅仅是将提高现有电池的安全性，但在能量密度、容量、充放电、成本各方面存在劣势，那么是较难与已经规模化的量产电池技术相竞争的。换言之，下一代技术需要在多个方面都优于现有技术，才有着商业化成功的可能。现有技术愈发成熟，新技术面临的挑战就越大。而CTP技术的推广，则将进一步提升现有成熟技术的潜力，把固态电池将面对的竞争门槛提得更高，也意味着固态电池的量产日期可能会被推得更远。 小结 尽管CTP与刀片电池还面临着技术与商业的挑战，但风险与机遇并存，CTP技术的应用使整个电池包能量密度和成本都都有明显的提升，它将注定成为变革时代中重墨重彩的篇章。无论是更加出色的纯电动车产品，或是更具竞争力的主机厂，终将在大潮中脱颖而出，让我们共同努力。 |
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