バッテリーパックは新エネルギー車の中核エネルギー源であり、車両全体に駆動力を提供します。一般的に、バッテリーパック技術の長所と短所は、効率（エネルギー密度）、安全性、製造コスト、メンテナンスコストの観点から評価されます。

バッテリーの設計では、単一セルの電圧はわずか3〜4V程度ですが、電気自動車に必要な電圧は少なくとも100Vです。新しい車の電圧は700V / 800Vに達し、出力電力は一般的に200Wであるため、バッテリーをブーストする必要があります。電気自動車の電流と電圧の要件を満たすには、異なるセルを直列または並列に接続する必要があります。

バッテリー パックは、バッテリー セル、電子および電気システム、熱管理システムなどで構成されており、ベース プレート (トレイ)、フレーム (金属フレーム)、上部カバー プレート、ボルトなどのバッテリー フレーム構造に囲まれています。これらのコンポーネントとシステムをより効率的かつ安全に「パッケージ化」する方法は、常に業界全体で継続的な研究と探求のテーマとなっています。

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動力電池群の技術の起源は1950年代に遡り、旧ソ連と一部のヨーロッパ諸国で生まれました。この技術はもともと、部品の物理的類似性（普遍的なプロセスルート）を決定し、効率的な生産を確立するためのエンジニアリングと製造の概念として使用されていました。

グループテクノロジー（GT）の核心は、生産活動における関連する事柄の類似点を特定して探究し、類似の問題をグループに分類し、比較的統一された最適なソリューションを求めてこのグループの問題を解決し、経済的利益を達成することです。動力電池の分野では、グループテクノロジーは主に、構造、熱管理、電気接続設計、電池管理システム（BMS）技術など、単一セルから電池パック（パック）に電池を統合する技術に関係しています。

自動車分野における以前のグループ化技術はMTP（Module To Pack）であり、これは、セルを最初にモジュールに統合し、次にモジュールをパックに統合することを意味します。 この技術は、モジュールを取り外して交換できるという特徴があり、メンテナンス性に優れていますが、グループ化の効率は低いです。 技術の発展に伴い、グループ化技術はMTPからCTP（Cell To Pack）への変化を遂げました。 CTP技術は、セルをパックに直接統合し、従来のモジュール構造を排除し、グループ化の効率と生産効率を向上させる技術を指します。 近年、業界では、CTC（Cell To Chassis）、CTB（Cell To Body＆Bracket）、MTB（Module To Body）などの、より高い統合効率のグループ化技術も模索しています。

動力電池と電気化学エネルギー貯蔵の分野において、リチウム電池の主な技術進歩は構造革新と材料革新から生まれています。前者は「セル-モジュール-電池パック」の構造を物理レベルで最適化し、電池パックの体積エネルギー密度の向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。後者は化学レベルで電池材料を探求し、単一セルの性能向上とコスト削減の両方の目標を達成することです。この記事では、電池パックの構造統合の観点から、さまざまな構造統合技術が電池パックの製造技術に与える影響と革新的発展の方向に焦点を当てています。現在の動力電池統合の主要技術を下図に示します：

1-MTPは排除されました

現在の電気自動車開発の波の始まりには、石油から電気への新エネルギー車モデルが数多く発売されました。これらは、従来のガソリン車の空間レイアウトとスタイル設計を継承しています。エンジニアは、一定数の個別のバッテリーセルを直列/並列に接続して比較的大きなバッテリーセルモジュールを組み立て、次にそのようなバッテリーセルモジュールをいくつかバッテリーパックに配置しました。これが、おなじみの「MTP」バッテリーパックです。バッテリーパックは2回以上「パッケージ化」する必要があるため、必要な部品の数が非常に多く、バッテリーパックは「内側3層、外側3層」のように見え、冗長な部品が多すぎてシステムの体積と重量が大きくなり、「MTP」バッテリーパックの体積エネルギー密度と重量エネルギー密度が低下します。さらに、ガソリン車の設計ではバッテリー用のスペースが明確に確保されていないため、バッテリーシステムは「収まるところに押し込む」ことしかできず、製品の競争力とユーザーエクスペリエンスが低下します。

テスラに代表される新型インテリジェント電気自動車プラットフォームの登場以来、国産純電気自動車は、バッテリーパックをより効率的かつ規則的に理想的な空間位置に取り付け、3つの電気システムをより合理的にレイアウトし、車両の電子・電気アーキテクチャと熱管理設計をより効率的に統合できるようになりました。エネルギー効率、耐久性、インテリジェンスなどの面での車両の製品力が大幅に向上しました。

2-統合技術2.0時代——CTP

MTP構造のバッテリーパックには、スペース利用率の大きな問題があります。バッテリーセルからモジュールまでのスペース利用率は80％、モジュールからバッテリーパックまでのスペース利用率は50％で、全体のスペース利用率はわずか40％です。モジュールのハードウェアコストは、バッテリー総コストの約14％を占めています。この低いスペース利用率の構造は、新エネルギー車の開発要件を満たすことができません。バッテリーセル→モジュール→バッテリーパック→ボディ統合の考え方の枠組みの下で、車両が限られたシャシースペースにできるだけ多くの電力を積載し、体積利用率を向上させたい場合は、各統合ステップの標準化を考慮する必要があります。走行距離に対する市場の需要が高まり続けるにつれて、単一のバッテリーモジュールの体積は増加し続け、間接的にCTPソリューションの出現につながります。

CTP構造技術は、安全性、パッケージの複雑さ、コスト削減などを考慮して生まれました。CTP技術は、バッテリーセルの安全性を確保するという前提の下、内部のケーブルと構造部品を削減します。MTP技術と比較して、CTP技術にはモジュール構造がなく、車両に取り付ける前にバッテリーセルを直接バッテリーパックにパッケージ化します。

現在、主なアイデアは2つあります。1つは、CATLに代表される、内部の複数の小型モジュールの構造を置き換える完全な大型モジュールとしてパックを捉えることです。もう1つは、設計時にモジュールフリーのソリューションの使用を検討し、BYDのブレードバッテリーのように、バッテリー自体を電力参加者として設計することです。

CTP技術の核心はモジュール設計を廃止することです。バッテリーセルはシェルと直接結合され、エンドプレートとパーティションの使用が削減されます。その後に生じる問題は、バッテリーパックの固定と熱管理です。

実は、CTPバッテリーパックのオリジナル製品は、純粋なモジュールフリー設計ではなく、元の小型モジュールを3つの大型モジュールと2つの中型モジュールに統合した設計であり、両端にアルミニウムエンドプレートもあったため、理論的にはまだMTPですが、構造的には確かに大きな改善があります。

CTP 3.0の導入後、CATLはより先進的な製造方法を発表し、完全にモジュールフリーの設計を実現しました。バッテリーセルは高さ方向の垂直配置から水平位置に変更されました。さらに、バッテリーセル間に新しい冷却ソリューションが実装され、熱を放散するだけでなく、サポート、クッション、断熱、温度制御機能も提供します。底部シェルも制限固定機能を備えて設計されています。

図1: CATLキリンバッテリーCTP2.0とCTP3.0の比較

3-統合技術3.0時代——CTB、CTC

l CTB技術

CTP技術はバッテリー構造の革新における大きな前進ですが、バッテリーパック自体にはまだ大きな進歩はありません。CTP技術では、バッテリーパックは依然として独立したコンポーネントです。CTPのバッテリーパックの合理化戦略と比較すると、CTB技術は車体フロアパネルとバッテリーパックカバーを1つに組み合わせています。バッテリーカバー、ドアシル、前後ビームによって形成された平らなシール面は、シーラントで車室を密閉し、底部は取り付けポイントを介して車体と組み立てられます。バッテリーパックの設計と製造では、バッテリーシステムが車体全体に統合され、バッテリー自体の密閉と防水の要件を満たすことができ、バッテリーと車室の密閉は比較的簡単で、リスクを制御できます。

これにより、従来の「バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造が「車体下部一体型バッテリーパックカバー-バッテリーセル-トレイ」のサンドイッチ構造に変わり、車体とバッテリーカバーの接続による空間損失が低減されます。この構造モードでは、バッテリーパックはエネルギー源であるだけでなく、構造として車両全体の力と伝達にも関与します。

図2: CTB技術構造の概略図

l CTCテクノロジー

CTC方式を採用した後、バッテリーパックは独立したアセンブリではなく、車体と一体化されるため、製品の設計と製造プロセスが最適化され、車両部品の数が減少し、特にバッテリーの内部構造部品とコネクタが削減され、軽量という固有の利点があり、スペース利用率が最大化され、バッテリーの数を増やして走行距離を向上させるためのスペースが提供されます。電気化学システム自体は変更されないという条件下では、バッテリーの数を増やすことで走行距離を延ばすことができます。

図3: テスラCTC技術構造図

例えば、テスラなどの自動車メーカーは、CTC技術モデルを相次いで発表しています。セルレベルでは、多機能弾性サンドイッチ構造と大面積水冷技術を採用し、統合開発によってもたらされたバッテリーパックの底部の衝突防止空間再利用技術を重ね合わせ、グルーピング効率、放熱性、安全性を考慮し、セル最適化と車両構造保護の2つの側面からCTC技術の応用を推進しています。車両統合開発レベルでは、バッテリーセルがシャーシに直接統合され、モジュールとバッテリーパックのリンクが排除されています。3大電動システム（モーター、電子制御、バッテリー）、3小電動システム（DC/DC、OBC、PDU）、シャーシシステム（トランスミッションシステム、駆動システム、ステアリングシステム、ブレーキシステム）、自動運転関連モジュールの統合が実現され、インテリジェントパワードメインコントローラーを通じて電力配分が最適化され、エネルギー消費が削減されます。

4-CTP、CTB、CTC技術用バッテリーボックスの特定要件の変更

従来のバッテリーパック構造では、バッテリーモジュールはバッテリーセルを支持、固定、保護する役割を果たし、バッテリーボックス本体は主に外部からの押し出し力を支えます。CTP、CTB、CTC技術の適用により、バッテリーボックスに新しい要件が提示され、具体的には次のような点に反映されています：

バッテリーボックス本体の強度要件が向上：CTP、CTB、CTC構造ではモジュールリンクが削減または排除されているため、バッテリーボックス本体は外部からの押し出し力だけでなく、モジュールが本来負うバッテリーセルからの膨張力にも耐える必要があります。そのため、バッテリーボックス本体の強度要件は高くなります。

衝突保護機能: CTP 技術を使用してバッテリー パックのサイド ビームを削除した後、バッテリーが衝突の衝撃を直接受けるため、CTP バッテリー パックは十分な衝突耐性を備えている必要があります。

絶縁、断熱、放熱の要件：CTPまたはCTBおよびCTC構造は、シャーシ支持構造ボックスに基づいて、底板プロファイルを水冷プレートに変更します。バッテリーボックスボックスは、バッテリーセルの重量を支えるだけでなく、バッテリーの熱管理などの機能も提供します。構造はよりコンパクトになり、製造プロセスは最適化され、自動化の程度は高くなります。

メンテナンス性の低下: 高度に統合された設計により、バッテリー パックの交換が複雑になります。たとえば、CTC 構造では、バッテリー セルが樹脂材料で満たされているため、バッテリー セルの交換が難しく、修理がほぼ不可能になります。

5- バッテリーパックの統合が電気自動車の充電インフラに与える影響

異なるバッテリーパック統合技術を選択することは、異なる補償方法を選択することも意味します。CTPはバッテリーの交換を重視する傾向がありますが、より高度に統合されたCTB/CTCは急速充電を重視する傾向があります。

高い統合性は、同じスペースにより多くのバッテリーを収容できることを意味し、それによって電気自動車の航続距離が増加します。ユーザーは短距離のために頻繁に充電する必要がなくなるかもしれませんが、長距離の移動中には迅速に充電することを好むかもしれません。したがって、充電インフラの計画はこれらの変化を考慮に入れ、ユーザーのニーズに応えられるようにする必要があります。

バッテリーパックの統合が進むにつれて、バッテリーパックの物理的なサイズと構造が変化する可能性があり、充電インターフェースの設計と充電装置の互換性に影響を与える可能性があります。

さらに、バッテリーパックの統合化が進むと、充電速度と効率にも影響が出る可能性があります。高速で安全な充電プロセスを確保するには、より効率的なバッテリー管理システムと充電技術を開発して導入する必要があるかもしれません。

ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。