新能源汽车动力电池与整车先进集成技术.docx

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1、新能源汽车动力电池与整车先进集成技术摘要：新能源汽车行业由“油改电平台”向“纯电动平台”的转变后，动力电池作为纯电动新能源整车中质量最大、成本最高的核心部件，对整车续航里程、碰撞安全性、行驶性影响更加凸显。以动力电池为主的全新电动平台带来了轻量化、智能化、网联化等诸多方面的改善，集成技术在其中的重要性愈加凸显，本文从动力电池与整车在结构、热管理、高压电气系统、低压控制系统集成方面，论述了新一代动力电池与整车创新集成的主要发展方向及挑战。关键词：纯电动汽车动力电池结构集成热管理电气系统域控制1、引言在新能源行业蓬勃发展的初期，各家O发布了大量“旧瓶装新酒”的油改电新能源车型，因其产品延续着传统油

2、车的空间布局和造型设计，电池系统在整车的布局处处受限，产品力低下，用户体验不佳。随着以特斯拉为代表的新势力”全新的智能化电动车平台”发布，匹配着一代电池技术，在全球范围内快速掀起了一场全新的绿色工业革命。在这种原生纯电动车基础上，电池组得以更高效、规整的安装在最理想的空间位置，三电系统可以更合理的布局，整车的电子电气架构及热管理设计实现了更高效的集成，使得车辆的能效、续航、智能化等维度产品力极大加强。据中国汽车工业协会统计，2021年我国新能源汽车全年产销两旺，销令完成352.1万辆，同比增长1.6倍，连续7年位居全球第一，整个新能源汽车产业正处于技术变革驱动、生态重塑转型的关键阶段。我国历来

3、重视新能源产业的布局与发展，在这次变革中涌现出了一批优秀的FI主研发设计的优秀企业，诸多创新技术引领着行业发展方向,其中动力电池作为电动汽车的核心部件，其性能优劣直接决定了整车的成本、续航、安全可靠性、使用寿命等各类指标。目前主流液态锂离子电池材料技术经历过去几年的快速发展，能量密度的提升与成本下降已经进步相对稳定的发展阶段，动力电池与整车集成效率进一步提升可以为整车带来显著的轻量化、节能化、智能化及低成本边际效益。多个研究机构和企业近几年重点研究并发侦了pack级或系统级的新技术，特别是在如电池轻量化、热管理集成化、高低压系统集成化等集成化方面取得诸多创新的技术进步。另外电池本身作为机械、化

4、学、热力学、电气耦合的复杂集合零部件，集成技术发展方向将涉及更精密的尺寸控制，多功能合一、空间共享、化繁为简等多维度更精细化的设计平衡与跨界融合。2、结构集成动力电池结构集成指通过车辆的结构件或功能部件与动力电池进行结构共用、功能融合，以达到减少零部件总数，减少空间，降低成本并能提升整车强度与实现更高效的热管理性能的集成技术。目前动力电池行业主流技术为CTP（CeUtoPack,电芯到电池包）技术，有向CTC（Ce1.1.toChassis,电芯到底盘）技术演进的趋势,如图1所示。下面具体介绍CTP技术和CTC技术。图I电芯到底盘的成组路径2.1 CTP技术CTP技术由宁德时代在2016年已有

5、第一代商用车启动应用,2019年卜半年乘用车推出，指电芯跳过模组，直接集成在电池包中，在技术层面实现了两个维度的升级。一是结构件集成效率提升，取消了模组结构件，采用电池包结构梁承载：二是功能融合提升，水冷板与底版共用，电池包上盖自带隔热保温功能。使得系统体积利用率提升、系统能量密度提高、零部件数量减少，进而降低了成本。CTP技术经历了几代发展，目前可将箱体结构件、加热装置、冷却装置、高压保护装置等高度集成，Pack能量密度可达230Mkg,比传统Back1.40Whkg提升60%以上。如图2所示，宁德时代第一代CTP通过采用虚拟大模组，端板结构等技术,提升rPaCk集成化程度,能量密度可达到1

6、80Whkg以上：第二代CTP通过PaCk卜.箱体分区设计，去除端板结构，同时可兼容NP技术（不热扩散技术）和AB电池等，能量密度可达到200Whkg以上：第三代CTP技术通过水冷版侧置，即起到隔热功能，又加强了系统的冷却能力，使得高倍率快速充电成为可能，能量密度可达到250Whkg以上，计划于2023年量产。图2宁德时代CTP技术演进宁德时代第三代CTP技术，称为联麟电池。其取消横纵梁、水冷版、隔热型原本各自独立的设计，集成为多功能弹性夹层，内置微米桥连接装置，同时具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能；此外瞰麟电池电芯排列采用倒置方式，开创性的让多个模块共用底部空间，将结构防护、高压连接、热失

7、控排气等功能进行智能分布。宁德时代公布的最新参数表明，体枳利用率达72%,能量密度255Whkg,同时快充性能达到10分钟充电10%80tSoC的能力。图3宁德时代麒麟电池内部结构图4特斯拉CTC结构图CTP技术的优势显而易见，但随着集成效率的逐渐提高，在高压安全、热管理、采样及算法控制方面给设计、制造带来了巨大挑战。具体有：（1）结构件采用高强铝型材，挤压、焊接工艺：（2）水冷板设计、水道流向、水流支路流量及制冷量分配；（3）电池包内部温度与外部环境温度隔离设计；（4）电气间隙、爬电距离、绝缘设计匹配；（5）电芯采样及控制精度，绝缘设计及检测等。为了应对以上挑战，需要电池厂家具有很强的开发验

8、证及生产制造能力，随着车厂逐渐重视电池系统和整车匹配技术，行业上将目光投向CTC技术，希望通过CTC能进一步提升车辆的整体性能。2.2 CTC技术电池包技术从CTP发展到CTC,零件的外形、材质、组合形式等都伴随电池集成技术的进步发生改变，整体的方向是一体化、集成化。在乘用车和商用车上，都有新一代的产品发布。2.2.1 乘用车CTC技术2020年9月，特斯拉发布了与4680圆柱电芯匹配的CTC技术，引发了行业关注。电池上盖与车身地板集成为一个部件，车内座椅直接安装在地板上。为车内增加了IOmm高度空间。从结构原理上看，其电芯底托板、电芯布置均为CTP技术，只是在电池包上盖上做了集成，特斯拉称可

9、为车辆降低10%车重，减少370个零件，单位成本下降7%2022年4月和5月,零跑汽车和比亚迪汽车发布的CTC和CTB技术原理与特斯拉如出一辙，称可通过电池包结构件与车身结构件融合，提升车辆扭转刚度。2.2.2 商用车CTC技术（或称tfTC、MTV技术）商用车如客车、卡车等，一般为大电量（电量200kW1.450kWh）设计，采用多个电池包通过串并联得到所需电压和电量，系统设计曳杂，通过支架安装，导致空间利用率低。以客车为例，现有电池安装在车辆下部，如图5a,导致人员站立位置有台阶，人员上下车辆不便。新一代电池安装在车辆顶部，如图5b,电池采用模组到车辆的集成方式，与车辆一体化设计，体积利用

10、率提升40%,重量能量密度提升10%,并可希助整车减重150kgo综上所述，CTP技术已被广泛应用，通过3代技术的迭代创新,在乘用车上续航已可突破100okm。CTC技术目前处于快速发展阶段,乘用车厂家发布的CTC不约而同的采用了电池上盖与车身地板集成的方式，与真正意义上的CTC还有较大差距；商用车的CTC(MTV)技术，应用优势明显，发展前景广阔。3、热管理集成随着新能源汽车不断向高能量密度、高能量效率转换和高集成度发展，三电系统(电池、电机、电控)的热管理需求与日俱增，已经关系到新能源汽车的整体安全和效率问题，同时新能源车辆的冬季的里程焦虑与安全事故频发一直是阻碍行业发展的痛点问题。在传统

11、燃油车中，由于冬季可以采用发动机余热进行供暖，车载空调仅需考虑受季制冷应用即可，但对于纯电动汽车而言，发动机余热的缺失导致车辆冬季供暖的需求尤为紧迫，另外环境温度对电池的性能指标有显著影响，温度过高或过低不但是驱动力电池的性能指标大幅度降低,对使用寿命和安全系数也是有较大危害，因而如何更高效的热管理系统至关重要，促进了一体化集成式热管理系统的提出、升级和演化。3.1 集成式热管理技术研究现状现阶段新能源汽车热管理系统正经历从常规单冷空调技术到热泵空调技术的系统架构转变升级的过渡阶段。热泵空调可以简单类比我们平时抽水的水泵，两者概念意思相同，热泵空调工作过程并不只会搬运热量，夏天的冷气同样可以，

12、不过相比单冷空调，其成本更高。新能源汽车传统的热泵空调技术主要由乘员舱热泵空调机组，电池专用热管理机组及电机电控热管理机组三套分布式系统共同构成；乘客舱的温控主要依赖热泵机组来源于空气的热量进行供暖/制冷，考虑到环境温度对热泵机组系统的效率影响，在较低温度需要给乘客室升温时，需配合PTC供暖；电池、电机电控则依赖于各F1.独立的专用热管理机组供暖/制冷。为了进一步提高热管理效能与整车空间利用率，把空气、电机电控和电池的余热废热更高效的耦合利用，集成式的三源热泵技术是目前行业内整车热管理术重点研究的解决方案方向之一。3.2 三源热泵整车热管理集成方案利用热泵、回收、Free-Coo1.ingft

13、Heating,超级阀及模糊控制技术实现三电系统与空气之间废热转移/转化和低品质热的提升对驾驶室和电池进行加热或者冷却，大幅减少车辆系统PTC加热的电量消耗,解决或者缓解电动车冬天里程衰减的问题，并且已经在众多商用新能源卡车上配套使用。三源热泵系统根据运行模式和温区的不同，热泵的热源可以在：电机电控，电池及空气间自由切换。针对新能源车辆在使用的不同工况，均可以匹配对应的控制策略，使效率达到最优。图6列举了冬季低温驾驶模式下三源热泵的工作原理：外界环境温低、驾驶室座舱需要加热、电池需要加热、电机电控需要冷却。图6三源热泵系统冬季驾驶工况工作原理示意图新能源汽车热管理集成技术的发展趋势是将乘客舱的

14、舒适性与三电系统的精准温控要求进行深度耦合。随着电池系统热管理界面的设计将与整车耦合交集越来越深入，新一代绿色制冷剂应用、电池整车热管理功能一体化、BMS与整车热管理控制智能化将成为未来热管理集成系统的关键研究课题。4、高压电气系统集成新能源汽车由众多高压部件组成。随着新能源汽车的发展，高压电气集成是节省整车空间、提高产品可制造性、实现降本的必要手段。同时在电气集成度逐步提高的进程中，也需要重点关注电气系统的效率、安全性、可拳性和便捷性。目前高压电气集成化推进的主要方向是子系统集成及零部件集成。4.1子系统集成新能源汽车关键零部件主要有整车控制器（VCU）、电池及电池管理系统、高压配电箱（PD

15、U）、驱动电机、电机控制（MCID、减速器、高低压电源转换器（DCDC）.车载充电器（OBC）、加上客车用的气泵控制器、油泵控制器等，如下图7所示。图7新能源汽车关键零部件多合一组合图随着新能源技术的不断推广与运用，新能源部件由简单集成向高度集成化发展，多合一集成化电驱动系统在电能转化效率、机械空间紧凑化、线束精简化、成本等方面具备优势。目前新能源部件集成化主要可以分成两条路线：一条路线是电驱动系统和高压电附件独立集成。电驱动系统根据驱动电机、减速器、电机控制器的不同集成组成出常见二合一或三合-O高压电附件根据低压电源转换器、车载充电器、高压配电箱、气泵控制器和油泵控制器的不同集成组成出常见二

16、合一、三合一或五合-O另一条路线是电驱动系统与高压电附件高度组合集成，常见的有二种方式：第一种是电机控制器、高压配电箱、高低压电源转换器、车载充电器集成四合一：第二种是电机控制器、高压配电箱、高低压电源转换器、气泵控制器和油泵控制器五者集成五合一。随着新能源技术的不断创新、融合，市场推出更高集成度的七合一电驱动系统（如下图8）,该系统直接集成了电机控制器、驱动电机、减速器、高低压电源转换器、车载充电机、高压配电箱和电池管理系统等七大部件，实现了机械部件和功率部件的深度融合。图8电驱动系统七合一为了更进一步提升集成度设计电驱动系统八合一（如下图9所示）近期也发布于市，其融合了驱动电机、驱动电机控制器、减速器、高低压宜流转换器（DCDC）、双向车载充电器（OBe）、高压配电箱（PDU、电池管理器（BMS）、整车控制器（VCU）等八大部件为一体