热电分离、大面冷却、CTB...... PACK方案演进何时见底？|固态电池|热电分离|电池包|电芯|电解液|磷酸铁|锂离子

极氪009配备麒麟电池电芯侧面放置弹性夹层（可液冷可加热）红色部分为冷却水道

动力电池历经材料、工艺、集成技术等多维度迭代之后，无限逼近更低成本、更高安全和更高性能的目标。

麒麟电池、神行超充、刀片电池、龙鳞甲、4695，不同电池方案，指标侧重点也不尽相同，PACK设计方向亦存在差异。但是从CTM到CTP，再到CTC、CTB方案，PACK发展趋势也逐渐趋同，更加简化、安全。

作为PACK的主要组成部分——电芯，方形电池目前演化出三个方向，一是以宁德时代为代表的标准小方形电芯，二是以比亚迪为代表的长刀片电池，三是以蜂巢为代表的短刀，适应不同材料体系，圆柱尺寸演化也比较明朗，往4695系列靠近；其它组件，都有很多共性的趋势，轻量化、功能共用、设计简化、更高安全等等；并且在整包层面，开始注重与整车的融合。

01.

麒麟电池：三元快充安全空间利用率优化

以宁德时代为例，作为引领电池包演进方向的龙头电池企业，先后经历标准模组到大模组、再到去模组，然后去横纵梁、端板部件一系列简化操作，目前进化到CTP3.0阶段。

以麒麟电池为例，先后在极氪009（2C）、理想MEGA（5C）、极氪001（4C）、小米SU7（3.3C）等多款车型上搭载，虽然每款车电量、重量、快充能力存在差异，但具有非常明显的“麒麟电池”特征。

首先是对整包空间利用率的优化，是麒麟电池一个很重要的特点。这一点，主要是通过部件优化来实现。

宁德时代2022年6月份首发版本的麒麟电池，达到72%的体积利用率。首创取消底部液冷板、隔热垫和横纵梁的设计，用多功能弹性夹层替代，同时该夹层内置微米桥起到缓冲电芯膨胀的作用。同时，底部集成结构防护、高压连接、热失控排气等功能模块，释放6%空间。

首发搭载的极氪009上，该设计十分明显。

极氪009 140kWh版本搭载麒麟电池，与116kWh电量版本，同样配置三元电池，占用的整车空间一样，前者比后者续航增加将近110km，这一点足以说明麒麟电池包在体积利用率上的优化。

在小米SU7的车型上，麒麟电池的体积利用率进一步提升。提升原因主要有两点，小米SU7电池包上盖与车地板合二为一，电芯倒置，释放10mm高度，集成效率提升9.1%；多功能弹性夹层将隔热板、水冷板和横纵梁三合一，集成效率被提升6.5%。叠加线束优化，整体空间利用率再一次提升。

但笔者同样也发现，除了最高的极氪009能量密度在192Wh/kg左右，其它几款车型质量能量密度均在160Wh/kg左右，对比现在市面上现有三元电池包，处于中等水平。大面积冷却确实会增加一部分重量，所以实际的质量能量密度与宣传的指标存在差距。

此外，由于麒麟电池采用的是三元电芯、兼顾快充能力，所以宁德时代除了增加冷却面积，还增加了热电分离等设计，大大增加其快充时的散热能力，增加电池安全。

热管理方案上，以极氪009上的麒麟电池包为例，应用了弹性夹层（水冷板）的设计，底部水冷换到侧面水冷，冷却面积增加，快充和热管理理论效果更佳。弹性夹层与电芯之间用胶固定，冷却水道由中间向电池包两边扩散，为保证后面水管的水压，侧面设置两个水管中转站，确保冷却均匀。与此同时，为了更全方面地散热，BMS下面也有冷却管路进行散热。

与常规设计不同的是，麒麟电池防爆阀设置在底部，底部铝板上设有防爆阀孔，电芯由底部铝板支撑。

麒麟电池还有一个热电分离的设计，泄压阀和正负极布置在不同方向。但是在小米SU7的车型上，泄压阀和正负极在同一个界面，只是将整个电芯倒置，同样也是为了在一定程度上实现热电分离，进一步优化快充、安全性能。

此外，在空间布局上，麒麟电池排布方式基本上都是横向6颗电芯，在根据不同的需求匹配不同列数，底部根据防护需求增加或者放弃横梁设计，至于正放还是倒置，根据不同车型高度需求调整，但整体方案大同小异。

在提升体积利用率、快充性能及安全指标的基础上，麒麟电池开始往高功率方向走，逐步满足极氪001FR、小米SU7 Ultra等高性能车市场需求。

02.

神行超充：用低成本磷酸铁锂方案实现长续航和4C快充

如果说麒麟电池是为了提升三元电池快充安全，同样出自宁德时代的神行超充电池，主要侧重点则是为了用低成本的磷酸铁锂电池满足乘用车在全温域下长续航和快速补能两大需求。

这一点从宣传页也可以看出来。主要实现途径有两个方向：一方面，依靠宁德时代在材料层面的革新，另一方面，PACK层面设计优化。

材料上，正负极的主要改进思路就是通过纳米化和表面改性增加锂离子嵌入通道和缩短嵌入距离，从而提升传输速度；电解液主要使用宁德时代全新超高导电电解液配方，降低电解液年度，增强锂离子脱溶剂化能力，从而提升电导率；隔膜主要是提高孔隙率和降低迂曲度孔道，进而降低锂离子传输阻力，同时通过改良电解液，减少固液界面的反应产热，配备高安全涂层隔膜，进一步提升快充的安全性。此外，极片还采用多梯度分层设计，通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率，下层高压实结构。材料层面的革新最终目的就是为了提升锂离子传输速度，为快充性能的实现扫清障碍。

官方宣传资料中，神行超充电池可实现15分钟满电，充电10分钟续航400km。但是有媒体测试过搭载神行超充电池的小米SU7Pro，显示平均充电倍率在1.2C左右，峰值充电倍率不到2.5C。

PACK层面，神行超充电池包还是横向6颗电芯布置，托盘设有横梁，与麒麟电池不同的是，无弹性夹层的设计，依旧采用底部水冷方案。

搭载神行超充电池的小米SU7，电芯倒置，官方给出的体积成组效率为77.8%，整包电量近95kWh，CLTC续航830km。与刀片电池版本小米SU7相比，续航增加主要是电量的增加。

目前来看，神行超充电池在快充层面尚未实现预期值，续航主要通过增加电量和提升整包体积利用率实现。

所以宁德时代不断更新神行电池快充和体积利用率这两大指标，争取将磷酸铁锂的优势进一步发挥，宁德时代表示神行Plus电池明年上市之际体积能量密度会突破450Wh/L。

但无论是麒麟电池还是神行电池，均存在同样的问题，在体积利用率提升的同时，也牺牲了部分重量指标，所以需要进一步优化。

03.

刀片电池：磷酸铁锂实现更长续航 CTB提升空间利用率

比亚迪目前主要电池基本上都在往刀片电池方向靠，推刀片电池的初衷也是为了用成本更低的磷酸铁锂电池来突破600km续航，在此过程中，不断满足其他性能需求。

比亚迪在电芯层面基本上已经趋向标准化，刀片电池包采用长薄型的磷酸铁锂方壳电池，通过尺寸上的微调得到不同容量的电芯，即便是外供的电芯，基本上都以该尺寸为主，所以在电芯层面的发挥空间不太大。后期主要的变化可能就是在材料层面，通过材料的更新不断提升能量密度和其他指标。

但是，尽管是CTB设计，比亚迪刀片电池包方案也比较多变，包括横纵梁、底护板、上盖、冷却方式、CCS等等，比亚迪会根据不同的车型需求，演化出不同的集成方案。

以比亚迪海豹和汉为例做对比，首先在电芯层面的区别是排列方式，“汉”沿着X方向排列，最长边与X向垂直，并且整包无横纵梁，但是海豹被中间横纵梁分为4个区域，最长边与X向平行，沿着Y向排列。

海豹CTB

汉CTB

此外，“汉”在电池上部设置有FPC，但海豹去掉长FPC的设计，Z向空间有所提升，也能更好地与车身进行密封。

不仅是不同车型之间的区别，大电量与小电量版本也存在差异，在遵循CTB设计的原则下，电池包内部再根据不同方案进行调整。

比亚迪CTB和宁德时代CTP方案虽然差异十分明显，但终究是围绕续航、安全等指标做优化升级，殊途同归。

04.

蜂巢能源：短刀折中龙鳞甲创新集成

目前市面上还有一派是短刀电芯方案，以蜂巢能源为代表。

短刀相比方形CTP和长刀CTB，电芯更像是折中的方案，整包层面比较像两者的结合。

电芯层面，短刀相比方形和长刀，材料兼容及其性能的发挥比较适中，也能比较灵活实现800V方案。PACK层面，短刀集成效率比方形高但比长刀相对更低（这是理论情况，具体因各电池包实际方案而定）。

蜂巢能源在PACK层面的集成方式，也是从LCTP、CTP到CTC，基本上就是模组到去模组再到上盖集成、底盘集成这么一个路径。

在龙鳞甲电池包上，蜂巢能源有所沿用也所有创新。冷却方式依旧如此，要么底部要么顶部，要么两者集合双面冷却，蜂巢能源会根据不同充电倍率的电芯有选择的进行单面或者双面冷却。

其创新之处在于，首先是将极柱和防爆阀放置在电芯不同的截面，与比亚迪长刀电芯不同的是，防爆阀在与极柱垂直的侧面，首先防止热失控时喷出的高温物体接触电连接件，造成进一步的安全事故，与此同时，防爆阀底出的设计，将原先预留的底部防撞通道设计转变为排气通道，一个区域兼容两种功能，Z向空间有所优化，本质上都是热电分离。

宁德时代麒麟电池，上汽魔方电池，中创新航OS电池均有围绕热电分离所做的设计。捷威动力此前还给过另外一种方案——气液分离，在电池包纵梁上设置气液分离装置，气体通过上盖导气槽引导导出，液体通过整车的膨胀壶，包内压力增加，液位在压力作用下下降，冷却液通过整车膨胀壶进行暂时收集，但是这种方案难在如何将热失控时喷发的气体和液体进行完全分离。

热、电、气作为整个电池包热管理的重要对象，在已经量产的电池包中，开始逐渐落地“热电分离”方案，此后应该也会有更多据此的创新和方案，落地之后带电部件的绝缘防护也可以进一步简化

此外，龙鳞甲电池直接将上盖与液冷板集成的设计，类似比亚迪将液冷板与底盘集成的方案，只是上部的液冷板集成对于CTB方案来说，又会进一步优化Z向空间和提升车身地板刚度。

热电分离、防护空间共用（底部与散热通道）、高集成结构的磷酸铁锂电芯系统，体积成组效率可提升至76%，续航超800KM。

05.

圆柱电池的创新演进：大尺寸、CTC、无极耳......

圆柱电池相比方形和软包，一个比较大的优势是生产效率好且良率高，虽然在国内市场占比较小，但是因为特斯拉及部分外资车企的需求，国内电池企业也相应有所布局。

电芯层面，圆柱电池也正在往4680、4695及更大尺寸演进；PACK层面，随着特斯拉、亿纬锂能、中创新航等企业围绕圆柱电池不断进行更新演进，集成方案、热管理设计等等也有所变化。

以特斯拉为例，从最开始用18650、2170电池到如今46系列大电池，不仅是尺寸上越做越大，针对电芯本身逐步推无极耳/全极耳设计、底部冷却、干法电极制备工艺。PACK层面，特斯拉用4680CTC方案，专利显示特斯拉CTC方案类似比亚迪CTB方案，电芯集成到电池包，电池包充电整车地板，电芯之间填充树脂材料。该方案结合一体化压铸工艺，可帮助特斯拉减少零部件370个，整车减重10%，续航里程增加14%。

除了CTC方案，圆柱电池包设计中，部分电池厂设计也有向下泄压的设计，以亿纬锂能4695电池组为代表，但与特斯拉大圆柱方案不同的是，亿纬锂能大圆柱电池包没有完全灌胶，电芯顶部汇流排、FPC、塑料支架采用胶粘的形式，支架与电芯底部、电芯顶部与采集片/上盖也是胶粘。