独家：首批汽车安全沙盒监管试点技术解读⑥——多功能空间重构的电池系统集成技术

中汽研新能源汽车检验中心(天津) 有限公司 技术总监马天翼

1. 技术概况

动力电池作为新能源汽车的核心部件，是汽车产业电动化转型的关键。新能源汽车应用场景的多元化发展对动力电池技术产生不同诉求，动力电池企业不断探索新结构和新工艺的应用，在差异化解决方案中呈现出诸多共性，探索系统集成技术的创新是当前主流电池企业实现产品性能提升的主要路径之一。

1.1技术定义

系统集成技术是动力电池装车应用的核心技术，传统的电池系统的集成技术为CTM（Cell to Module），即电芯首先封装成模组，进而组装为电池包。在模组和电池包两级封装结构下，电芯可被更多组件保护，具有较强的抗冲击能力，且通过分级设计更容易地实现电源管理、成组难度低，并在一定程度上抑制电芯的一致性离散问题。然而，在电池系统中，只有电芯是能够贡献能量的部件，因此更多的结构部件意味着更低的空间利用率，是制约动力电池系统能量密度的主要因素之一。

“无模组”电池系统集成技术是将电池系统内部组件的空间排布重新设计，跳过模组将电芯直接集成到系统层级。该项技术需要在满足电池高能量密度、快速充电、高安全性等技术要求的同时，减小各功能组件的空间占用，以实现空间利用率的提升、进一步提高系统能量密度的目的。

1.2技术特点

目前针对系统集成技术创新有多条典型技术方案，如将电芯直接组装为电池包的CTP（Cell to Pack）方案、将电芯集成到底盘的CTC（Cell to Chassis）方案以及形成“电池上盖-电芯-托盘”的“三明治”结构的CTB（Cell to Body）方案。这三种方案均实现了系统空间利用率的提升，并针对快速充电过程中的散热需求做出了新型冷却系统设计，其技术特征如表1所示。

表1无模组电池系统集成技术

2.电池系统集成技术发展趋势与挑战

2.1发展趋势

随着新能源汽车与动力电池产业的高速发展，电池工艺的进步带来良品率的提升，大电芯设计已成为可能，且电芯在使用过程中的一致性差异已能得到显著抑制，因此电池企业能够以大电芯为基础重新设计电池成组模式，在“小模组”到“大模组”的过渡过程中也为各电池企业积累充足经验，避免过多结构件带来的过度防护。进一步的，基于不同的大电芯设计方案，由“大模组”过渡到“无模组”是各类电池集成技术给出的共性答案。取消模组层级，一方面可以提高电池系统的空间利用率，另一方面也有利于简化电池系统集成流程，并通过减少组件实现成本降低。

2.2技术挑战

上述电池系统结构创新技术普遍采用“大电芯”设计，由尺寸变大造成的电芯比表面积减小及电芯发热量增大为热管理系统带来了更高要求。具体来说，电池在充放电过程中均会产生热量，倍率越大，产热量越高。在传统电池设计中，由于电芯较小、比表面积较大，有利于热量散出，且通过结构组件的分隔进一步降低了散热压力。而对于无模组系统集成技术而言，更大电芯、更紧凑的结构设计为冷却系统带来了新的挑战。同时，由于电芯设计应满足快速补能需求，在快速充电过程中更易造成热量累积，因此如何利用散热通道空间平衡散热需求是无模组结构电池系统的共性挑战。另一方面，目前大多数无模组电池系统都是集成在新能源汽车底部，且CTP、CTC、CTB等系统集成技术在底部护板中集成了更多功能，因此需要高度关注新结构电池系统的底部防护，充分论证底部机械强度是否能够满足实车运行需求，并开展底部磕碰、剐蹭等场景对电池包安全性的验证。

3.首批汽车安全沙盒监管试点申报情况

2023年11月10日，市场监管总局质量发展局发布“关于确定首批汽车安全沙盒监管试点名单的通知”，宁德时代新能源科技股份有限公司申请的“多功能空间重构的电池系统集成技术”入选。该项技术属于CTP系统集成技术的一种，针对电池包结构组件中的稳定支撑、冷却散热及底部防护功能，该技术分别在多功能弹性夹层结构、电芯大面水冷、底部空间复用三方面提供解决方案，重构了电池系统空间，有效促进了成组效率与可靠性、热效率、安全性的多方面提升。

具体来说，多功能弹性夹层结构通过夹层板阻隔了电池之间的热传导，并在夹层侧边布置冷却流道，为电芯提供更好的散热环境；夹层本身为电池提供结构支撑且具有弹性，预留的部分形变空间为可能存在的外部冲击提供一定缓冲，实现了“支撑、冷却、隔热、缓冲”一体化设计。将冷却板紧贴电芯大面，换热路径较传统设计有所缩短，使散热效率提升，兼顾了散热响应时间和电芯温度一致性。通过底部空间采用电芯倒置的设计方案，高压连接线束和失控排气通道从电池上方集成到下方，实现电池包的结构防护等多个功能模块在底部空间的综合分布，减少功能模块的空间占用，使系统空间利用率进一步提高。各创新设计的优势分析如表2所示。

表2技术方案优势分析

目前，采用该项技术的“麒麟电池”已按国家标准完成了公告测试，已搭载于极氪009等车型。作为全球首次量产的技术，需通过市场端的实际运行加以验证。同时在车辆实际使用场景下，电池包存在各种极端场景的使用挑战，为不断提升电池产品的功能性能和安全性能，需要持续关注产品的实际表现。

4.小结

“多功能空间重构的电池系统集成技术”是在不改变电芯电化学材料体系的情况下，通过更高效的结构设计提高电池系统能量密度的创新技术。汽车安全沙盒监管试点针对多功能空间重构的电池系统集成技术开展深度测试，有助于企业进一步探明潜在风险、优化产品设计、提升应急处置能力，兼顾新技术推广和消费者人身财产保护，统筹好发展与安全。