10种动力电池集成技术方案

10种动力电池集成技术方案

目录

1.绪论...........................................................................1

??电池包集成和管理技术.....................................................1

1.2.传统电池包集成方式.......................................................1

1.3.标准模组尺寸和外形示意图.................................................2

??10种动力电池集成技术方案.....................................................3

??CATL的CTP..............................................................................................................................3

??TESLA的CTC...........................................................................................................................5

????国轩高科JTM...........................................................................................................................7

????广汽埃安的弹匣电池.......................................................9

????东风“三不”电池........................................................11

????长城汽车的大禹电池......................................................14

????MTC..........................................................................................................................................16

????BYD的CTB............................................................................................................................18

????上汽的魔方电池..........................................................19

??CALT的3.0觑麟电池.........................................................21

1.绪论

电池包集成和管理技术

近年来，随着新能源汽车的快速蓬勃发展，动力电池技术和相关集成管理

技术层出不穷、节节开花，如新材料技术（无钻材料等〕、新工艺技术（刀片电池

等）、新集成技术（CTP等）、新管理技术（弹匣电池等）汇聚了材料厂、电池厂和

整车厂的最新研发应用成果。

本文整理简单介绍10种电池包集成和管理技术，并公开分享。

最传统的电池包集成技术是CTMfCellToModule）,首先将若干电芯串并联

组成模组，然后将模组装配到电池包内，最后将电池包集成到汽车底盘。

L2.传统电池包集成方式

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在动力电池应用于新能源汽车的早期阶段，没有统一的标准，电池、模组、

电池包尺寸五花八门，导致电芯开发成本极高，并且不方便更换和维护。

到后来，人们发现了每辆车可以利用的空间位置具有一定的共性，根据这

些空间尺寸，推算出模组的尺寸范围，从而希望实现电芯尺寸的标准化。

2008年，大众汽车全面进军电动化，在实现电动化过程中率先推出了标准

化模组。

第一个标准是355模组（355代表模组长度，每排可放置3个模组），为了

提高续航里程，减少零部件和增加空间利用率，进一步降低成本，又推出了390

模组（每排放置3个模组，模组更长更紧凑）和590模组（每排放置2个模组，集

成效率更高），单个模组的体积在逐渐增大。

1.3.标准模组尺寸和外形示意图

35淅海检用390标/榜用5904加It桢组

（尺寸35s•151・18）（尺寸以八抹108）（尺寸2225・108）

采用590模组的大众汽车ID.3电池包

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上X

电池模姐

电池控制模

块、电池外

部连接端子

电池管理系统

电池外先及底板

下护板

在CTM结构下，电芯被模组等结构件保护较好，电池包强度高，成组难度

小。

但电芯组装为模组空间利用率为80%,模组集成为电池包空间利用率为

50%,最终电芯集成为电池包后空间利用率仅40%,随着新能源汽车的快速普

及以及锂离子电池性能的极致开发，在出池应用层面，电池包集成效率亟待提

升，大模组化、去模组化、车身一体化技术成为主流趋势。

10种动力电池集成技术方案

CATL的CTP

2019年9月，宁德时代全球首款CTP(CellToPack)电池包正式发布，将搭

载于北汽EU5车型上。

相比传统电池包，采月全新CTP技术的电池包体积利用率提高15%〜20%,

零部件数量减少40%,生产效率提升50%,系统成本降低10%。

在能量密度上，CTP电池包可高达200Wh/kg,相比传统结构高30%以上,

可以大幅提升电动汽车续航能力。

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虽然CTP电池包具有适用性强、空间利用率高、成本低、散热性能好等优

势，但由于木桶效应，电池包整体性能将取决于组成电池包最差电芯的性能，

因此，CTP结构对电芯一致性提出了更高的要求，此外，如果出现电池故障需

要更换，维修的便利性和成本都更高。

TESLA的CTC

2020年“电池日”上，特斯拉首次公布CTC(CellToChassis)技术，ElonMusk

表示，CTC集成技术配合前后车身一体化压铸技术，可以减少约370个零部件，

实现乍身减重10%,每千瓦时电池成本降低7%o

CTC

电芯检用电池包麻俘

(Cdl)(Mo<Me)(P«ck)(Ch»ss«)

图4CTC技术路线

CTC技术省去了从电芯到模组，再到电池包的两个装配过程，直接将电池

集成到乍身底盘。

CTC技术的本质是将电池包上壳体和车身下地板合二为一，座椅直接安装

在电池包上盖上，电池包既是能量提供装置，又是整车结构部件。

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图5特斯拉ModelY车型CTC技术方案

为了解决电池包隔热问题，特斯拉在电池包内部灌满了胶，防止热量向乍

内传导，同时，由于汽车侧面是碰撞薄弱点，特斯拉在靠近车身门槛两侧灌胶

更多，胶层更厚，当汽车发生侧面碰撞时可以对内部电池起到较好的缓冲保护

作用

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图6特斯拉ModelY灌胶示意图

CTC技术的优势是明显的，由于越过了“模组”和“电池包”两级装配过

程，直接将电池集成到车身地板上，将大大节省空间，或者说在相同空间内可

以容纳更多电池，从而提升了续航能力，同时，零部件和结构件也大大减少，

降低了重量、简化了流程、节约了成本，灌胶方案对电池“化零为整”，大大

提高了车身的刚度。

但CTC结构的缺点也很突出，一方面对单体电池一致性提出了很高的要求,

另一方面，由于电池整体集成在车身地板，且有胶水相互粘连，几乎不可能进

行维修，维修成本极高。

国轩高科JTM

2021年1月8日，国轩高科在合肥召开第十届科技大会，会上发布了

210Wh/kg磷酸铁锂软包电芯及JTM(JellyRollToModule)电池技术。

据称，采用JTM集成技术可以将模组成组效率提高到90%以上，搭配其高

比能磷酸铁锂电池，可以做到模组能量密度近200Wh/kg,系统能量密度

180Wh/kg,超过了NCM622三元体系水平，可满足高端乘用车的续航需求。

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JTM

/秽HMfl电油但Afi

(fKot)(CH)(。⑷(O*MM)

图7JTM技术路线

JTM与其他电芯集成技术最大的不同在于，其他集成技术都是基于电芯为

最小单元，而JTM以卷芯为最小单元，在电芯内部并、串联集成，与刀片电池

较为类似，但刀片电池内部为一个整体，而JTM可以想象成将刀片电池内部分

成了几段，正因为其“柔中带刚”的特性，国轩高科内部又称JTM电池为“变

形金刚式的柔性模组”。

2022年6月17日，国轩高科JTM电池发明专利获得国家知识产权局授权。

其描述的JTM电池制作流程大致是：

1）将至少一个卷芯进行并联层叠，然后分别对正极耳群和负极耳群进行集

中焊接；

2）用胶纸将多个并联的卷芯固定，然后将极耳卡扣在导电组件的L型弯折

部进行焊接固定；

3）两侧的导电组件中间密封固定有绝缘袋，在卷芯整体装入铝壳之前，通

过注液孔对并联卷芯讲行注液：

4）通过导电连接片将多个并联卷芯依次顺序串联，最后将其整体装配入铝

壳中。

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图9JTM电池三维示意图

JTM电池将单卷芯在貂壳内部进行并、串联，减少了外部连接件的数量，

能量密度更高，成本更低，且工艺简单，易形成标准化，而且各单卷芯能够相

互独立，出现热失控时不会相互蔓延，进一步延迟了热失控的发生，提高了电

池安全性能。

广汽埃安的弹匣电池

2021年3月10日，广汽埃安重磅发布全球首创第一代弹匣电池系统安全

技术，由于采用了类似弹匣安全舱的设计，故而简称“弹匣电池”，实现了行

业首次三元锂电池整包针刺不起火，宣称重新定义了三元锂电池主动安全标准,

通过优化设计和生产工艺.系统体积能量密度提升9.4%(302Wh/L),系统质量

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能量密度提升5.7%(185Wh/kg),成本降低了10%。

图10弹匣电池系统安全技术

从材料层级来看，三元锂电池虽然具有更高的能量密度，但其安全性能相

比璘酸铁锂更差成为了消费者购买新能源汽车的主要疑虑。

三元材料热稳定性差，在200℃左右就会发生分解，释放。2,而磷酸铁锂

在700C以上才会分解，曰于存在稳固的P-0键，磷酸铁锂热分解不会释放

因此，三元锂电池在发生热滥用、针刺等极端测试时，更容易起火、爆炸。

放热热失控

速率

:达纳剂

\反陶.

/正负极，

氧化胚

反应q/

-

U

2

热Q

溢S

用E

100200300500I000

77V

图11三元锂电池热失控链式反应过程

那么，广汽埃安是如何实现三元锂电池针刺不起火的呢？

据悉，弹匣电池技术基于“防止电芯内短路，短路后防止热失控，以及热

失控后防止热蔓延”的设计思路，主要包括四大核心技术：

1)超高耐热稳定的电芯正极材料采用纳米级包覆及掺杂技术，实现材料本

征改性和表面修饰结合，有效提升材料热稳定性和防止热失控；电解液采用能

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对SEI膜进行自修复的新型添加剂，改善电芯循环寿命；通过添加特殊电解液

添加剂，当电池温度升高到120C时，自发聚合形成高阻抗薄膜，大幅降低热

失控反应产热，使电芯耐热温度提升了30%。

2）超强隔热电池安全舱通过网状纳米孔隔热材料和可耐1400C高温的上壳

体，弹匣电池构筑了超强隔热的安全舱，当单个电芯发生热失控时，确保热量

不会蔓延至相邻电芯，引起连环失控。

3）极速降温三维速冷系统

通过全贴合液冷系统、高速散热通道、高精准的导热路径设计构建三维速

冷系统，弹匣电池实现了散热面积提升40%,散热效率提升30%,有效防止热

失控和热蔓延。

4）全时管控第五代电池管理系统采用车规级最新一代电池管理系统芯片，

实现10次/s全天候数据采集，对电池系统状态进行实时监控。

当检测发现温度超高时，可立即启动电池速冷系统为电池降温。

图12弹匣电池四大核心技术

基于四人核心技术加持的弹匣电池，按照《GB38031-2020动力汽车用动

力蓄电池安全要求》，采用强制性标准中最严苛的参数进行测试，可以实现针

刺不起火（国标要求5min内不起火，预留逃生时间），针刺点附近最高温度

686.7℃,电池之间未发生热扩散，静置48h后，针刺电芯电压降为0V,温度

恢复室温，整包外观保持了较好的完整性。

弹匣电池通过安全技术升级，实现了三元锂电池整包不起火，对三元锂电

池在新能源汽车中的应用具有重要的推动作用，在系统层面较好的解决了三元

锂电池的安全问题。

东风“三不”电池

2021年3月17日，东风汽车旗下高端电动车品牌岚图汽车举办了“三元

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锂电池安全技术分享会”，首次展示了岚图FREE（纯电版）的电池包、车体结构、

电气系统的安全技术，并对电池包的安全技术进行了全方位的解读。

三元锂电池包具有能量密度高、低温性能好、倍率性能好等特点，但相应

的热稳定性更差，需要进行更好的安全防护和热管理，既要满足高能量，又要

满足高安全，对电池技术带来极大挑战。

而岚图FREE采用三元锂电池作为动力系统，却可以做到整包“不冒烟、不

起火、不爆炸”，被媒体称为“三不”比池。

此前广汽埃安的弹匣电池已经实现了三元锂电池整包在热失控状态下“不

起火、不爆炸”，但岚图FREE乂在弹匣电池的基础上做到了“不冒烟”，似乎

意味着三元锂电池的系统安全技术乂上升了一个新台阶。

图13图FREE三元锂电池技术亮点

据悉，岚图汽车采用了三大安全技术：单体电芯三维隔热墙设计、电池安

全监测和预警模型、电池PACK设计。

1）单体电芯三维隔热墙设计隔热墙技术是岚图汽车三元锂电池热失控“不

冒烟”的首创核心技术，其原理是在电池包内，使用超强高分子隔热阻燃材料,

将每个电芯分离，在电芯与电芯之间形成高效的阻热阻燃隔热层，并且单独三

维立体包裹，如同“琥珀”一样。

当某个单体电芯发生热失控时，三维隔热墙的存在可以避免热蔓延到周围

其他电芯,进而防止M现连环热失控，同时，每一个电芯底部都与高效液冷系

统接触，保证电池包具有稳定的散热能力，而在电芯顶部，还额外布置J'可耐

1000C高温的隔热阻燃层，保护车内人员安全。

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图14“三维隔热墙”技术详情

2）电池安全监测和预警模型岚图在对电池包原有温度电压预警基础上，搭

建了精确的电池安全监测和预警大数据模型，追踪每一台车、每一块电池的使

用数据，并将监测到的数据与云端大数据库实时对比，当系统发现电池监测数

据出现异常时，岚图会通过云端APP推送及车辆的预警系统，提醒用户。

VOYAH

BMS云端卫士

Ojft9@

云母・别・主动偎护惠效热管*安全

图15岚图16BMS云端卫士

3）电池PACK设计在被动安全上，岚图对电池结构进行了五大设计：车身防

护、高强框架、压力传递、形变吸能、电池双保险。

高安全电池PACK方案

图17岚图电池PACK方案

a）车身防护：在车门门槛位置，采用双层结构的1500MPa超高强度热成型

钢，前后车身内部，采用行业最高等级的2000Mpa热成型钢，防止车辆发生膨

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胀或侧翻时挤压电池，从而保证电池的完整性。

b）高强框架：通过高强度铝合金框架、多条加强筋强化其耐撞性，根据测

试结果，高强框架可以抵御20吨力的挤压。

c）压力传递：在电池包内部设计多条纵横加强梁，使得电池包受到外力时层

层分解，从而保护内部电芯。

d）形变吸能：岚图对电池包预设了超过30mm的形变吸能空间，在电池包

受撞击变形时，保护内部用芯。

e）电池双保险：电芯双极均设置有防爆阀，当电池内部压力增大时，防爆阀

被冲开，避免电池发生爆炸。

长城汽车的大禹电池

2021年6月29日，长城汽车咖啡智能2.0升级发布会在保定哈弗技术中

心举行，会上正式发布了“大禹电池”，自称“永不起火、永不爆炸”。

据介绍，大禹电池的命名主要是因为其安全保障的原理采用了大禹治水的

“变堵为疏”理念，采用多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆

系统、灭火盒系统来从PACK层级保障电池安全。

永

不

爆

炸

图18长城汽车展示的大禹电池

整包大禹电池采用高硬811三元材料，热失控引发方式为加热，实验中最

高温度超过1000C,但全程无起火爆炸，并且大禹电池排除的烟气温度低于

100℃o

大禹电池“变堵为疏”的理念包含了哪些技术元素呢？据了解，大禹电池

主要从热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正

压阻氧、智能冷却八个方面提升三元锂电池整包安全性能。

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热源隔断高遇绝缘

图19大禹电池设计理念

1）热源隔断大禹电池之间采用隔热性能良好、又耐火焰冲击的全新开发的

双层复合材料取代传统气凝胶隔热材料隔绝热源，防止高温传导到周围电芯引

起连环反应。

在模组上方还布置了可耐1000C高温的隔热材料，保护驾乘人员的安全。

2）双向换流

通过对换流通道设计方案模拟仿真，实现换流强度和比例的精准优化，引

导气流和火流进行双向换流。

3）热流分配

通过搭建燃烧模型、热力学与流体力学拟合仿真、冲击强度和压力计算，

实现气火流在不同结构通道内的均匀分布，为双向换流起到了很好的辅助作用。

4）定向排爆大禹电池设计了防爆阀，当电池内压增大时，防爆阀优先打开,

产生的火焰或气流进入模组上方预设的流道，将其定向排出远离相邻电芯。

5）高温绝缘

在高压线束铜排表面涂抹了一层耐高温绝缘材料，防止出现高压电弧造成

额外伤害。

6）自动灭火高压气流和火流被引导到电池包尾部的蜂窝状灭火盒中，由于

蜂窝状结构的多孔性和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动，使之成为尺度十

分有限的微小空间，空气的自然对流换热难以开展，有效地阻碍了对流换热的

进行，从而可实现火焰快速抑制和冷却。

7）正压阻氧

在电池包尾部设计了多层不对称蜂窝状通道，保证电池包内压始终大于外

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界，避免吸入氧气导致火势变大。

8）智能冷却当BMS或智能云端监测到电芯热失控时，智能调节冷却系统的

流速和流量，从而给电芯降温，将事故扼杀在摇篮中。

根据长城汽车的规划，“大禹电池”将率先搭载在沙龙品牌的第一款车型

上。

从2022年开始这一电池技术将全面覆盖长城旗下的所有乍型。

MTC

2022年4月25日，零跑汽车开展以“智能时代，源力觉醒”为主题的智

能动力CTC技术线上发布会，首次公开了其最新研发的CTC技术（零跑官宣CTC,

严格讲应该是MTC,即ModuleToChassis）。

本降低15%.电池布置空间增加14.5%,车身垂百空间增加10mm,综合T况

续航增加10%,该技术将在零跑纯电动汽车C01车型率先量产应用，续航里程

将达到700km。

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图21零跑MTC底盘布置示意图22

如果将特斯拉CTC技术比作目前的电池一体化手机，那么零跑MTC就好比

原来的电池分离式手机，当电池发生故障时，只需要取下更换即可，非常方便。

零跑汽车MTC技术保留了模组设计，将模组直接集成到汽车底盘。

其最大的创新点在于，首次将电池托盘骨架结构和车身梁结构合二为一形

成双骨架环形梁式结构，既能提高整体结构效率，实现轻量化，又能通过车身

纵、横梁实现电池密封。

双骨架环形梁式结构:

红色为车身结构梁绿色为电池托盘结构零跑汽车通过在乘员舱底部开设容

纳空间，将模组从下往上通过栓接、胶接等固定方式悬吊在乘员舱底部，再用

电池托盘和车身地板密封，取消了传统电池包的上盖板。

相比于特斯拉CTC技术，零跑汽车MTC似乎更是一个折中的技术，由于没

有取消模组结构，因此集成效率、成本方面仍有提升空间，并且由于取消了传

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统电池包的上.盖板，当电池热失控时对乘员舱威胁更大，但由于电池托盘容易

拆解，当需要维修时，不需要拆解车身地板和库椅，更加的方便和快捷，更是

一种可行的量产化技术。

BYD的CTB

2022年5月20口，比亚迪隆重举办CTB技术暨海豹预售发布会，会上，

比亚迪全球首发了CTB车身一体化技术及搭载CTB技术的e平台3.0纯电动车

型一海豹。

据介绍，海豹搭载CTB技术后，其动力电池系统利用率提升66%,系统能

量密度提升10%,可以实现700km的续航里程，其动力电池仍然采用刀片电池,

可以达到充电15min,行驶300km的快充能力。

图23比业迪CTB底盘一体化布置不意图

实际上，比亚迪CTB技术与特斯拉CTC有点类似，都是将电池上盖板与车

身地板合二为一，即减少了一层地板。

但特斯拉电池上盖板结合了座椅支架和横向加强结构，而比亚迪横向梁还

保留在车身，用于提供更好的侧向强度和扭转刚度（似乎特斯拉集成技术更像

CTB,而比亚迪集成技术更像CTC）,因此，CTB的集成度略逊于CTC。

CTB技术依然采用了刀片电池阵列式排布方式，本身具有极好的安全性能,

并且电池包上盖和电池托盘将刀片电池夹在中间，形成了类蜂窝结构，根据比

亚迪发布的测试视频，电池舱可以承受50t重卡碾压而装回车身后仍可继续使

用，因此，比亚迪海豹号称是“撞不断的电动汽车”。

CTB技术的优势是高安全、高强度、轻量化、低成本，其维修性比特斯拉

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CTC技术略好一些，但集成度方面相比CTC技术更保守。

图24搭载CTB集成技术的比亚迪海豹宣传图

上汽的魔方电池

2022年6月13日，上汽乘用车MG品牌苜次发布了“魔方电池”，并亮

相了搭载魔方电池的首款车型-MGMULANo

据介绍，魔方电池英文名是“ONEPACK"，采用了标准电池包，长度均为

1690mm,宽度均为1300mm,高度可选110mm、125mm和137mm,由于长

度和宽度固定，只需改变高度就能实现不同续航里程的需求，由于电池包长度

和宽度相同，魔方电池还采用「统一的电芯固定位置、统一的快换冷却接口和

统一的高低压接口，意味着魔方电池可以实现换电功能。

上汽“魔方”电池

ONEPACK

图25魔方电池统一的长度和宽度

魔方电池最大的技术特点就是采用了躺式电芯的布置，而传统的电池包都

是立式布置或者侧立布置，魔方电池为何要“躺平”呢？

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图26躺式电芯布置

1）整车布置效率更高电池的厚度更薄，躺平后的电池包厚度也更薄，可以

释放更多的车内空间，超薄电池还可以降低整包质心高度，能有效抑制车辆高

速行驶时的侧倾，车身更加稳定。

并且，电池躺平后，上下两块电池之间不再布置隔热材料，而只需在左右

电池中间设九隔热材料，减少了材料数量和用量。

2）循环寿命更长魔方电池设置了一个自适应束缚装置.，可以适应电池使用

过程和全寿命周期保持一致:的约束力，向传统的立式电池两端具有强约束力，

长期使用过程中会影响降诋电芯约一半的循环寿命。

3）安全性能更好魔方电池躺式布置，电池热失控喷射口在电池侧边，不会

向上喷射，在一定程度上降低了驾乘人员的伤害，并且相邻电芯接触面积小，

降低了对周边电芯的影响。

在解决躺式电芯的热失控和散热方面，魔方电池采用了以下方案：

1）热隔离挡板躺式电芯热失控时主要从侧面喷射火焰，正对喷射口的其他

电池可能被直接引燃，魔方电池在其间布置了热隔离挡板，防止正对喷射口的

电芯被引燃。