摘 要：本研究从电池容量、应用场合、电芯形式等几个角度出发，介绍动力电池产品的现状，并针对动力电池的结构组成及各部分的功能特点进行简要介绍；对动力电池的主要技术参数做简要说明，指出其与电动汽车用户关心的性能参数之间的关联；研讨动力电池技术的主要发展趋势，对电池结构创新、固态电池、钠离子电池等几个热点研究方向做简要解释说明。
关键词：动力电池 产品概况 技术参数 发展趋势
引言
动力电池也称电池包、Pack，如图 1 所示，是电动汽车的能量来源，对于整车性能有重要影响，是新能源技术发展的关键核心。近年来，电动汽车产业的快速发展拉动了动力电池产量和技术的爆发式增长，各种创新技术层出不穷。
1 动力电池产品介绍
1.1 概况
动力电池广泛应用于混动汽车、纯电动车、燃料电池车等。由于应用场景及厂家技术特点的不同，电池的容量、结构形式以及采用的电芯形式等存在较大差别。
非插电式混动汽车（Hybrid Electric Vehicle，简称 HEV）电池容量一般为 1.5-3kWh。插电式混动车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，简称 PHEV）电池容量一般为 8-20kWh。小型纯电车电池容量一般为 10-30kWh，如五菱宏光 MINI 有 9.2kWh 和 13.8kWh 两种电池配置。常见的纯电动车如红旗 E-QM5、特斯拉 Model S、Model 3、小米 SU7 等电池容量在 50-100KWh 之间。
这些车型的动力电池容量虽有差别，但结构组成相近。传统的动力电池普遍采用 CTM（Cell to Module），是将电芯（Cell） 先组装成模组（Module）,然后再形成电池包，后续发展出 CTP（Cell to Pack）等技术，但内部的构成变化不大。
动力电池采用的电芯主要有圆柱电芯、方形电芯和软包电芯三类。圆柱电芯的型号编号前两位表示直径，3、4 位标识高度，单位是毫米，以 4680 电芯为例，直径 46 毫米，高度 80 毫米。
方形电芯中最有特点的是比亚迪刀片电池，因其形状窄而长形似刀片而得名，使单体电芯最大化，极大提高了电池包的空间利用率。
软包电芯多采用铝塑膜软质外壳，优点主要是能量密度高、安全性好，缺点是成本高、工艺难度大且对环境湿度敏感。
根据正极材料不同，电芯最常用的是磷酸铁锂和三元锂等。磷酸铁锂 (LiFePO4)特 点是安全性高、循环寿命长，但能量密度较三元锂低；三元锂能量密度更高，但安全性稍差。
1.2 基本结构
动力电池主要由模组（电芯组）、电池管理单元、高低压线束、热管理系统、接口、泄压阀、壳体及盖板等部分构成，图 2 所示为动力电池的结构爆炸图。
动力电池各关键部分介绍如下：
（1）模组（电芯组）：由多个电芯通过串、并联的方式组合而成，是电池包的基础核心。相较于传统的 CTM 电池包，目前主流的 CTP 电池包取消了作为中间组件的模组，由单体电芯直接组合而成。
(2) 电池管理系统（ Battery Management System, BMS）：是电池包的控制核心，负责电池充放电过程的电压、电流、温度、荷电状态等的监控和电池的自我保 护。
（3）热管理系统（Thermal Management System, TMS）：主要是电池的风冷或液冷系统，确保电池有适合的工作温度，有助于实现电池的高效和安全。
（4）高低压线束：高压线束用于电能的传输，低压线束用于控制信号的传递。
（5）安全装置：泄压阀等，紧急状况下通过泄压等方式保护电池和车辆安全。
（6）外壳：一般为铝型材焊接结构或者一体压铸铝合金结构，早期也有钣金结构，用于电池的安装和机械防护。
传统的模组电池包(CTM 电池包)是由电芯构成模组后，再由模组组装成电池包，模组由电芯、绝缘件、电气系统及结构件构成，其结构如图 3 所示，电池之前使用气凝胶等隔离，用来提高电池的安全性、可靠性和热管理效率。相较于目前流行的无模组设计，模组电池包虽然在能量密度上有一些劣势，但其在维护更换、安全性、热管理效率等方面具备的优势使得其至今仍被一些主机厂所采用。
CTP 电池内部结构如图 4 所示，取消或者说淡化了模组结构，需要在电芯组装到电 池包之后整体进行激光焊接连接，汇流排采用一体式结构。
2 动力电池主要技术参数
电池包的性能对整车的续航里程、输出性能及充电时间等有决定性影响，进而影响消费者的使用体验和购买意愿。电池包性能通过容量、充电速率、放电速率等参数反映出来。
（1）能量密度：是指单位体积或者重量电池储存能量的能力，单位是 Wh/L 或者 Wh/kg。能量密度越高意味着在整车的有效负荷内能够携带更高的电量，是长续航的基础。
（2）充放电速率：是指电池充电速度，通常用 C-rate 表示，1C 表示电池充满标称容量需要1小时，数字越高充放电速度越快。对于电动车来说，充电时间长一直是困扰其应用的问题，近几年随着高功率充电等技术发展，这一问题有所缓解。
（3）温度特性：电池存在最佳工作温度范围，环境温度过低或过高会造成电池性能衰减，还可能造成电池循环寿命降低。这一问题严重限制了电动车在我国北方地区尤其东北地区的推广。
此外，电池包的重要性能参数还包括标称电压、循环寿命、自放电率等。
3 动力电池技术发展趋势
电动汽车产业与动力电池技术的发展是相辅相成的，随着电动车的逐步推广，有关电池技术的创新层出不穷，使得电动车能够满足越来越多的用户的使用需要。下面介绍其中几个技术热点。
3.1 CTC 与 CTB
CTC（Cell to Chassis）和 CTB（Cell to Body）都是动力电池轻量化设计的先进技术形式，旨在通过提高电芯的重量、空间比例来提高电池容量。CTC 技术由特斯拉推广实施，如图 5 所示，是将电芯直接集成到车辆的底盘上，电池包的外框充当了底盘骨架的一部分。
CTB 技术由比亚迪提出，现已应用于比亚迪海豹系列车型，如图 6 所示，是在整车设计时将电芯强度考虑其中，将电池包上壳与车身融合，形成电池、车身一体化，这种设计得益于刀片电芯的强度特点。
二者都有助于提高空间利用率，实现更长的续航里程。同时，还有助于提高车辆安全性、增加车内空间、降低生产成本等。
3.2 固态电池
固态电池，所谓“固态”指的是电解质的物理状态，如图 7 所示，是为了解决传统 液态电解质存在的安全性、能量密度限制、低温限制等方面的问题而提出的技术方案。其优势主要体现在：
（1）能量密度高：传统锂电池液态电解质可能会与高电压的正极材料发生副反应，导致能量密度无法超过 300Wh/kg。固态电解质则无此问题，其中锂硫电池的理论能量密度可以达到 2600Wh/kg，对于电池轻量化、高续航能力意义巨大。
（2）低温性能：液态电解质在低温条件下离子传导减慢，令电池性能衰减明显；而固态电解质受低温影响微弱，对于寒冷地区电动汽车、储能电池的发展有重要意义。
（3）安全性：液态电解质含有有机溶剂，具有高易燃性；固态电解质由于是固态，不易燃，即使电池受损也不易发生化学反应而造成火灾，因此安全性显著提高。
此外，固态电池的理论充电速度、循环寿命等方面都有突出的潜在优势。但目前在成本、材料稳定性等方面还存在一些技术障碍，尚未大规模应用。固态电池技术最早可追溯到 20 世纪六七十年代，但始终未能实现商用化。进入 21 世纪后，随着材料科学、制造工艺等技术进步，特别是新能源汽车的崛起，固态电池成为行业热点中的热点，主要围绕聚合物、硫化物和氧化物三大技术路线，技术突破不断涌现，从公开的资料看， 固态电池的商用化已经近在咫尺。
3.3 钠离子电池
相较于锂离子电池，钠离子电池的能量密度潜力稍低。但由于钠的储量丰富、生产过程环境友好、安全性高、元素稳定性好、使用寿命长等优点，钠离子电池成为储能领域一个极具吸引力的发展方向。
4 结束语
随着“双碳”战略向各领域的持续延伸，电池技术将持续快速发展，不仅是电动汽 车，储能、3C、工业、军事、娱乐等领域也都将受到此趋势的深远影响。
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来源：汽车工业研究、锂电邦