BMS应用软件开发 — 3 电池系统的组成

1 电池的基本拓扑

2 已经被淘汰的CTM

3 早已经普及的CTP

4 集成度更高的CTC

5 刚性更好的CTB

1 电池的基本拓扑

相比于燃油车，虽然电动车在结构空间上灵活度更高，空间利用率也更好，但现有条件下无法像燃油车一样快速补能，为了避免里程焦虑，优化能量管理和提高能量密度依然是主流路线，这也是目前三电系统端需要解决的难题。

但可惜的是，迄今为止在电芯端依然没有太多质的飞跃，也就是在能量密度上没有太多突破，所以，如何优化电池整包内部空间，尽可能塞下更多的电芯以提高电量，进而增加续航里程，就成为了目前电动车提高续航的主要手段，于是，就有了我们今天要聊的话题。

电池其实是一个统称，本质是由非常多的电芯（Cell）组成，电芯的内部则是正负极材料和电解液。由于传闻中的“固态电池”暂时还没办法大规模量产，液态电池依旧是目前的绝对主流。在技术没有突破的情况下，电芯的能量密度无法获得太大提升，各大厂商和供应商便把注意力转移到了电池结构上。

在电池设计中，单个电芯的电压只有3-4V左右，而电动车所需的电压最低都要100V以上，现在的新车甚至有7、800V的电压，所以就需要给电池升压。为了满足电动车的电流和电压需求，就需要不同的电芯通过串联、并联组合的方式相连。

串联：这种方式可以增加电池组的总电压，而总容量保持不变。

并联：这种方式保持了与单个电池相同的电压，但增加了总容量。

先并后串：能够获得较大的电流，因为并联电芯可以看作一个整体供电，电流分配更均匀。目前大部分电池包采用先并后串的电池包

先串后并：只在两端并联，系统的过流能力较强。但每个支路电芯的电流监控架构可能更复杂。

在电动车上，一个电池包内至少包含了成百上千个电芯，为了方便监测、管理这么多电芯的电压和温度，汽车厂商便把串/并联起来的电芯进行分组，于是就有了电池组（Module）。当各个电池组分别固定、连接，并配上管理模块和冷却系统后，它就成为了能够使用的电池包（Pack）。


电芯	电池组（模组）


电池包构成	电池包（Pack

2 已经被淘汰的CTM

在讲结构之前，首先得先弄清楚，这些英文缩写的全称究竟是什么？“C”是英文“Cell”的缩写，也就是俗称的“电芯”；“T”—“To”；“P”—“Pack”，一般就是电池包的整包；“C”—“Chassis”；“B”—“Body”；“M”—“Module”。连起来就是“Cell To Body”、“Cell To Pack”等等。所以通过上述这些叫法，你能发现其目的都是围绕着电芯来开展——电动汽车的三电系统中，为车辆提供动力来源的就是电池包，逐层拆分下去后，最终的能量源就是一颗颗电芯。

就像前面提到的，在早期的电动车上，电芯集成在电池组中，所以它也叫CTM结构（Cell to Module）。但随着市场对长续航电动车的呼声增加，各大厂商发现CTM电池结构存在不可克服的缺点，那就是电池空间利用率太低。

具体来说，在CTM结构中每个电池组都需要金属面板和螺栓固定，虽然方便后期拆解维修单独更换电芯，但是固定电池组的结构件需要占用一定的空间。与此同时，为了保证散热效果，电池组之间还需保持一定的间距，因此又占用了电池包宝贵的空间。

CTM结构

就好比一家超市，如果采用了很多隔断、分区，摆放了众多的货架框架，划分出一个个小区域来分类放置商品，那实际能摆放商品的空间就被压缩了，能陈列的货物数量相对就少一些。因为要把空间分给这些用来间隔的货架框架、过道等部分。要是把整个卖场设计成几乎没有什么隔断的大通铺式的布局，全都用来直接摆放货物，那就能放下更多的商品了。正因如此，CTM结构的电池空间利用率只有40%，也就是电池包内可用来放电芯的空间只有4成，其余全部是其它附件。

为了让电动车拥有更长的续航性能，汽车厂商必须在空间有限的电池包内塞更多的电芯，但传统的CTM结构很难优化，所以工程师们便开始打起了电池包的主意。

3 早已经普及的CTP

从前面的CTM电池结构可以看到，电池包中的电池组数量越多，那么固定电池组所需的面板、螺栓、以及冷却散热空间就越多。所以在2019年的时候，宁德时代率先推出了CTP结构（Cell to Pack）。简单来说，CTP结构就是减少或省去电池组环节，直接把电芯装进电池包。

除了电池组数量锐减之外，CTP电池的另一大变化就是电池组或者电芯不再用机械结构固定，而是用结构胶粘在电池包上。虽然这种工艺导致后期几乎无法单独更换维修电芯，但是原来的螺栓、面板等结构件数量大幅减少。

比亚迪推出的“刀片电池”采用CTP结构，刀片电池把原来“砖块”状的电芯，改成了类似“刀片”一样扁平的长方形，并同时采用了无电池组设计，除了散热板、结构胶外，电池包内基本都是刀片电芯，因此刀片电池的空间利用率提升到了60%。大家都知道，磷酸铁锂电池自身能量密度不如三元锂，但是比亚迪凭借着刀片电池在空间利用率上的优势，将磷酸铁锂电池包的能量密度提升至了140Wh/kg。

比亚迪刀片电池CTP

目前宁德时代CTP3 电池包即麒麟电池，其体积利用率突破 72%。主要通过电芯和冷却板的设计优化实现，如方壳电芯采取背对背侧立方式排布，可放入更多单体电芯；冷却板替代横纵梁，两排电芯共享一个冷却通道，减少了冷却板数量。

宁德时代CTP3电池包

4 集成度更高的CTC

对于电动车来说，CTP电池的性能已经非常好了，而且它和最初的CTM一样，电池包依然是一个独立的部件，通过结构件安装在底盘下方，因此CTP和CTM都支持换电功能。然而，在成本控制、空间利用以及重量优化等方面，CTP 电池尚未达到极致状态。鉴于此，汽车制造商们提出了 CTC 技术，也就是 Cell to Chassis电池底盘一体化。

简单来说，CTC就是在CTP的基础上进一步简化结构，并将电池与底盘/车身融为一体，因此CTC电池不再作为一个独立的部件存在，而是底盘/车身的一部分。需要说明的是，根据车身结构形式的不同，CTC也分为两种类型：

在非承载式车身上，电芯直接布置在底盘大梁中，这种CTC技术被行业称之为滑板底盘；在承载式车身上，电芯布置在车身下方的底盘上，因此被称为电池底盘一体化。

非承载式车身：有独立的刚性车架，即底盘大梁架，车身本体通过弹性元件悬置于车架上，发动机、变速箱、悬挂系统等部件安装在车架上，车身基本不承担载荷，主要由车架来承受各种力。电芯也直接布置在底盘大梁中，这种CTC技术被行业称之为滑板底盘。

非承载式车身

承载式车身：没有单独的车架，是将车身底部的纵梁和横梁作为主要承重结构，发动机、前后悬架、传动系统等总成部件直接装配在车身上设计要求的位置，车身整体参与承载。电芯则布置在车身下方的底盘上，因此被称为电池底盘一体化。

承载式车身

2020年，特斯拉率先提出了CTC电池概念，并应用在美国德州生产的Model Y上（国内版暂时没有使用）。虽然Model Y的CTC电池也是从车身下方装上去的，但跟CTP电池不同的是，Model Y的电池上盖板既起到密封电池的作用，又是车身的地板。从上图可以看到，Model Y的电池包仍然是一个完整的组件，而车身地板则是镂空的，这一部分由电池上盖替代。

Model Y的CTC

既然用电池上盖充当地板，所以为了保证车辆地板的强度，特斯拉给Model Y的电池上盖设计了横向加强筋，以此取代原来布置在车身下方的横梁，电池组的外框则相当于原来的车身纵梁。得益于CTC技术的应用，Model Y的车内垂直空间可以增加10mm以上，进而带来更低的坐姿以及更宽敞的头部空间。而如果利用这个空间布置电池的话，则可以将容量提升5-10%。

不过从Model Y的布置也可以看到，由于车辆没有了传统的地板，所以Model Y的地毯和座椅是直接安装在电池上盖上的，这就对车辆的底盘隔音提出了更高的要求。另外，特斯拉的CTC结构也让电池无法单独拆卸，要想维修更换电池，就必须把座椅、地毯都拆掉，所以维修比CTP还麻烦。

Model Y座椅安装

除了特斯拉以外，国内的新势力品牌零跑也一直在宣传CTC技术，但零跑的CTC设计思路稍微有一些不同。简单来说，零跑的CTC是保留了的车身地板，取消电池上盖，用地板充当电池上盖，与特斯拉刚好相反。这两种设计的效果差不多，但用车身地板取代电池上盖板的话，对底盘的密封性能则要求更高，因为这种结构的电池包并不是一个完整的组件，而是像托盘一样安装在底盘上的。这意味着一旦底盘涉水，如果密封不到位就有可能导致电池包进水短路。而特斯拉的CTC方案，电池包是完整的组件，即便车身密封不好，最多也只是有水渗到了车内的地毯上，电池并不会受到什么影响。

零跑C10的CTC

另外，零跑早期在C01上宣传的CTC跟特斯拉不是一个概念，这是因为C01的电芯是装在电池组中的，而不是把电芯装在电池包中。从结构上看，零跑是把电池组集成到了底盘上，因此在业内被称为MTC结构。直到最新车型C10使用了CTC 2.0技术后，零跑才取消了电池组，所以C10其实才是真正的CTC。

零跑C01的CTC

5 刚性更好的CTB

特斯拉推出了CTC技术后，2022年比亚迪又在海豹上推出了CTB技术，也就是Cell to Body，电池车身一体化。虽然两者的名字看起来不一样，但在理念上是相同的。

海豹的CTB车身结构

在具体结构上，比亚迪的CTB跟特斯拉的CTC方案基本类似，二者都是用电池上盖取代车身地板。只不过，比亚迪的CTB方案保留了车身底部的横梁，电池上盖板则是一个平板，将刀片电池包上盖与传统结构的车身底板集成，构成上盖、“刀片电池”、托盘的整车三明治结构。动力电池的系统体积利用率提升至66%，系统能量密度提升了10%。海豹的车身扭转刚度达到40,500Nm/°