CTP方案解析

作者：祁鹏飞，微信：qipengfei-yp

从2016年商用车标准包到2019年北汽EU5电池包，再到《宁德时代CTP-LFP电池“出海”德国》一文中透露的CTP方案将应用至荷兰电动巴士制造商VDL Bus＆Coach的电动巴士和德国亚琛卡车制造商Trailer Dynamics的第一款电动半挂车Newton e Trailer。CTP方案发展至今约5年。本文以商用车标准包和北汽EU5电池包为基础，并结合大众MEB平台下箱体结构特点，分CTP电池包结构设计和CTP电池包设计关注点两部分对CTP电池包进行分析。

CTP电池包结构设计

1、模组结构

传统方形电池模组外框由端板和侧板围合并焊接而成，电芯侧面和侧板涂胶粘接。CTP方形电池模组将侧板替换成绑带，相邻电芯大面之间粘接。这种结构类似于早期某些软包模组，例如A123的模组。 下面分零部件进行说明。

A123软包模组

1）绑带

绑带常用材质有不锈钢、高强钢和塑料。对于CTP方案，由于模组上方膨胀主要由绑带限制，采用金属绑带；模组下方膨胀主要由电芯底部和液冷板胶黏限制，不依赖绑带，可以采用塑料绑带。下图为某PET绑带基本参数，由拉伸应变-载荷曲线可知，这种绑带不能有效限制电芯膨胀，仅可作为模组装配时临时成组用途。

PET绑带性能参数

打绑带的方式有两种：

第一种是模组堆叠后在模组线上打绑带，例如塑料绑带以及上述A123电池模组的绑带。

第二种是绑带来料为环形，模组堆叠挤压后将绑带套在端板上。金属绑带的接头可以是激光焊接、金属锁扣等。塑料绑带的接头是热熔连接。考虑尺寸需求、绝缘防护等问题，接头一般设置在端板位置。

CN201720879825.4，《电池模组》中介绍了一种金属锁扣接头。

金属锁扣接头-1

CN201810298047.9，《用于电池模组的固定带及电池模组》中介绍了另一种通过冲压咬合结构实现连接的锁扣结构，这种接头目前应用较多。

金属锁扣接头-2

2）端板

端板常用材质有塑料、铝合金和镁合金。由于三元电芯膨胀力较大，一般选择金属端板。在膨胀、振动、冲击等工况时，相对于传统方形电池模组CTP模组端板受力较小，更易实现轻量化。

CN201822246232.1，《电池模组》中描述了端板边缘和绑带配合处为圆角过渡，从而避免绑带松脱。对于强度高的绑带，很难在模组线上将来料状态为条状的绑带与端板各处贴合，所以优选先将绑带做成环形再套至端板。（提到这个专利并不是这个端板结构有参考价值，仅为说明端板和绑带圆角过渡的必要性）

端板边缘和绑带配合处为圆角过渡

端板上设置固定点，常用的结构有两种。CN201921326921.1,《电池模组》中描述了一种，为节省Z向空间还可以在端板下方设置缺口（类似大众MEB平台的590模组）。CN201822267812.9,《电池包及用于电池包的框体》中描述了另一种在端板中部设置凸出的固定耳的结构。第二种固定方式在限制膨胀、整体刚度等方面都有优势，但与之相连的下箱体边框也需要比较高，如果下箱体边框上设置了外部接口（一般是后驱接插件），此方案则不好实现。

模组通过长螺栓与端板下方螺母固定

模组通过端板上伸出的固定耳与下箱体固定

3）电芯间隔框

相邻电芯之间设置回型框用于吸收膨胀和抑制热扩散，以及对于热扩散风险高的情况电芯之间设置隔热垫都是常用的方案。

CN201921576330.X，《电池模组、电池包以及车辆》中描述了对卷绕电芯回型框尺寸设置的原则，即当模组膨胀时电芯和回型框互相挤压，回型框要压在JR圆角范围内，从而避免JR受损。有个问题想请大家确认下，叠片电芯JR没有圆角区域，电芯间隔框设置有何特殊要求？

相邻电芯之间隔框尺寸示意图

4）CCS组件

CCS组件最初应用塑料支架+母排+线束方案，再到由吸塑支撑件、热压膜代替塑料支架，由FPC代替线束，甚至采用无线束载体方案，下次机会再作专门讨论。

热压膜方案CCS组件

5）其他

对于采用宽度148mm电芯的双排模组，如果电芯宽度变为300mm（特斯拉磷酸铁锂电芯宽度300mm），电芯厚度减半，模组可以变为单排。双排电芯的模组装配时，需先将两个电芯侧面粘接再进行码垛，从工艺角度考虑，改为单排模组有较大优势；从模组整体刚度、热扩散抑制考虑,单排模组也有优势；从体积和重量成组效率，宽度翻倍厚度减半可能由于电芯壳体所占比例增多造成成组效率降低。这种改变在其他方面的影响大家有何见解？

2、箱体结构

EU5电池包下箱体和大众MEB平台下箱体方案类似，属于框架式下箱体，液冷板作为下箱体的底板与边框密封，液冷板下方还设置钢制底护板防护底部碰撞刮擦。不同的是MEB采用590模组，框架设置更多更密的横梁和纵梁，并且590模组刚度好，所以MEB整包刚度更好。

1）框架式结构

框架式下箱体横梁受力大，横梁和边框连接处焊缝容易开裂，CTP模组尺寸大、刚度差更增加了焊缝失效风险。

CN201921856972.5，《电池包下箱体、电池包及装置》中描述了一种通过转接块增加横梁和纵梁连接焊缝长度的方案。

横梁与纵梁加强连接方案-1

CN201921098475.3,《电池下箱体及电池系统》中描述了另一种通过转接块加强横梁与边框连接的结构。

横梁与纵梁加强连接方案-2

我们还可以借鉴Model3和Bolt梁和边框连接方式，两者都是通过设置转接块，转接块与边框和梁通过螺栓连接。虽然Model3和Bolt的出发点是将梁做成独立于下箱体的可拆卸梁，而不都是为了加强梁与箱体的连接强度，但这种借助转接块并通过螺栓连接或铆接的方式，避免焊接对材料的软化，确实更灵活也更强壮。

Model3电池包&Bolt电池包

2）液冷板和底护板

液冷板与电芯底部粘接，电芯底部绝缘膜开窗，液冷板上表面作绝缘处理。由于液冷板起到支撑绑带模组的作用，液冷板的厚度也相对较厚。液冷板的绝缘可采用绝缘粉末例如环氧树脂粉末喷涂，喷涂后还可以提高胶水粘接力。由于绑带模组刚度差，所以液冷板和模组底部之间可以增加限位条，限位条可以进一步保证电芯壳体和液冷板之间绝缘，也可以保证涂胶量的均匀，使得各处电芯温度更加一致。CN201820465105.8，《电池箱体以及电池箱》中对此有描述。 液冷板作为下箱体的底板需要与边框密封，与MEB类似可以采用涂胶+FDS连接实现。 底护板与边框、横梁和纵梁采用密封拉铆螺母连接，可拆卸的连接方便底护板失效后的售后维护。底护板与液冷板之间也可以密封，例如采用泡棉密封。CN201721867377.2，《电池包》中介绍了一种底护板结构。

框架式下箱体

CN201822266524.1，《电池箱》和CN201822267862.7《电池箱》中对液冷板、底护板与边框的连接与密封有描述。

液冷板、底护板和边框的连接与密封结构-1

液冷板、底护板和边框的连接与密封结构-2

CTP电池包设计关注点

1、电芯膨胀

CTP电池包通过如下方式解决电芯膨胀问题：

1）电芯之间预留膨胀空间，端板变形可以吸收端部电芯膨胀；

2）模组上方通过钢绑带约束电芯膨胀；

3）模组下方通过电芯底部和液冷板涂胶粘接力约束电芯膨胀；

4）模组固定结构对约束电芯膨胀亦有贡献。

因为CTP模组上方的钢绑带相对传统模组的框架刚度差，且CTP模组长度大，所以CTP模组在EOL时长度增加多。因此对于CTP模组更需要关注膨胀对结构的影响：

1）模组内部结构不被破坏，例如FPC采集点设置缓冲结构、母排中间设置更大的缓冲槽；

2）模组与下箱体连接处不被破坏，例如底部胶黏剪切强度、螺纹连接处受弯矩；

3）模组与箱体内其他零部件间隙足够，从而避免磨损。CN201920615109.4，《电池模组及电池包》和CN201921326899.0，《电池模组》中展示了一种FPC缓冲结构和母排缓冲槽结构。需要注意的是FPC缓冲结构具有方向性，左右应为对称结构。

模组FPC和母排缓冲结构

2、整包刚度

CTP电池包重量成组效率很高，但整包刚度却相对要差，各种工况下电芯的惯性力一部分通过底部胶黏传递至液冷板、横梁，再传递至整包挂载点，另一部分经过端板传递至整包挂载点。一定循环次数后，钢绑带对电芯的束缚力增大，刚度也会有所改善。但另一方面胶黏粘接力作为克服膨胀的反力，在冲击工况下，水平方向冲击惯性力与膨胀反力叠加增加了开胶的风险。

3、底部碰撞安全

底部碰撞安全包括底部电芯挤压安全和底部箱体气密安全。

1）底部电芯挤压安全与MEB相比，CTP模组尺寸大，横梁和纵梁对液冷板和底护板的支撑间距大，电池包底底护板刚度差；另一方面绑带模组刚度差，某些工况下障碍物可以将底护板、液冷板和电芯顶高，电芯能够向上移动可以减小其变形量，这个是MEB采用590模组所不具备的优势。

2）底部气密安全底部气密安全需要要考虑底护板和液冷板在撞击时开裂，更重要的是液冷板和底护板固定标准件位置受撞击后的密封失效。固定液冷板的FDS和固定底护板的拉铆螺母受到碰撞更容易使得箱体外密封失效。另外，底部密封安全还有另一个难点是气密失效后难以探测。

液冷板、底护板与边框的连接与密封

4、保温

模组散热路径：

1）模组表面与周围空气热交换，再与箱体热交换。

2）电芯与模组端板热交换，再与液冷板和箱体热交换。CN201921200931.0，《电池模组端板、电池模组及电池包》中介绍在端板和下箱体之间设置隔热层，

CN201920240330.6，《一种电池模组》中介绍在电芯和端板之间以及端板与下箱体之间设置隔热层。

相对于传统模组，CTP模组没有侧板，通过端板散热相对较少。

端板底部设置隔热层

端板底部和内侧设置隔热层

3）模组底部和液冷板热交换，再通过空气纵向传导至底护板，或通过液冷板横向传导至箱体。

CN201822267862.7，《电池箱》中介绍底护板和液冷板之间密封。空气层可以作为隔热介质，空气导热系数极低，隔热效果好；

底护板和液冷板之间密闭腔作为隔热层

CN201822246290.4，《电池箱》中介绍在液冷板和边框之间设置隔热层，从而阻断液冷板和箱体之间传热路径，即上述2）和3）的部分传热路径被阻断。但实际上这个方案较难实施，且密封失效风险更大。

液冷板与边框之间设置隔热层

CN201822266635.2，《电池箱》中介绍了一种减少液冷板和边框热交换的一种箱体结构。

通过减小液冷板与边框之间接触面积减小散热

5、热扩散防护

和小模组相比较，大尺寸双排模组对热扩散的抑制更难。通过三个维度的隔离抑制热扩散：

1）模组内部

CN201920794199.8，《电池箱》中提到的双排模组在电芯侧面和大面均做热隔离。但隔热垫的结构还需结合零件可制造性、模组装配工艺等结构优化设计；

相邻电芯大面和侧面设置隔热层

2）模组之间

通过模组间间隙以及箱体横纵梁隔离；

3）模组与上盖之间

《拆解宁德时代811动力电池包 解析内部结构和细节》中提到在模组和上盖之间设置云母板，避免上盖被烧穿。

模组与上盖之间设置云母片隔热

需要注意的是，本文对CTP电池包基本设计思路进行探讨，文中所列大部分解决方案有实际应用，但专利所展示的结构并非最优。更具体的信息等方便的时候再和大家讨论。