基于分區(qū)域分模式分時(shí)充放電邏輯的動(dòng)力電池設(shè)計(jì)

寧 磊，梁 乾

Ning Lei，Liang Qian

（漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，陜西 漢中 724200）

0 引 言

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響續(xù)駛里程。電池充電問題制約著電動(dòng)汽車發(fā)展，快充充電方式的最大優(yōu)點(diǎn)是充電速度快，較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到電池容量80%，但快充電流和電壓較高，短時(shí)間內(nèi)對(duì)電池造成較大沖擊，使電池發(fā)熱甚至使活性物質(zhì)脫落，影響電池的使用壽命[1]。慢充充電根據(jù)電池特性設(shè)計(jì)充電曲線，對(duì)電池進(jìn)行深度充電，提升其充放電效率，延長使用壽命，但充電時(shí)間較長，充電不方便[2-3]。

為了解決電動(dòng)汽車充電時(shí)間長和充電難問題，行業(yè)內(nèi)提出采用換電模式為電動(dòng)汽車補(bǔ)電。通過整體更換電池包、分箱更換電池包或移動(dòng)更換電池包等方式快速為電動(dòng)汽車補(bǔ)電。換電時(shí)間與燃油車加油時(shí)間相當(dāng)，提高了充電的便利性，降低了充電難度。換電模式的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)電速度快，動(dòng)力電池組采用慢充提前充滿，有利于延長電池使用壽命；換電模式的缺點(diǎn)是跨品牌統(tǒng)一電池結(jié)構(gòu)和參數(shù)的難度很大，不利于行業(yè)創(chuàng)新，對(duì)技術(shù)水平要求較高，設(shè)備成本也較高，電池安全性保障仍是難題[1，4]。

不論哪種電量補(bǔ)給方式，最終目標(biāo)是達(dá)到充電時(shí)間短、充電方便、充電安全和保證電池壽命的目標(biāo)。為此，本文提出分區(qū)域分模式分時(shí)充放電邏輯的動(dòng)力電池設(shè)計(jì)方案。

1 動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合動(dòng)力電池快充和慢充的優(yōu)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分區(qū)域分模式分時(shí)充電，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。分區(qū)域是指將動(dòng)力電池包分成3 個(gè)模塊：QCBM（Quickly Charging Battery Module，快充充電電池模塊）、SCBM（Slowly Charging Battery Module，慢充充電電池模塊）1、2。分區(qū)域模式可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)某個(gè)電池模塊出現(xiàn)問題時(shí)直接更換此模塊，不需要更換整個(gè)電池模組，大幅降低使用成本。分模式是指將充電線路設(shè)置為兩種：（1）QCBM 前端與快充充電口相接進(jìn)行快充，QCBM 后端與SCBM1、SCBM2 相接，由QCBM 對(duì)SCBM1、SCBM2 進(jìn)行慢充充電；（2）QCBM、SCBM1 和SCBM2 均與車載充電機(jī)相連，由圖1 可知，慢充充電設(shè)備通過車載充電機(jī)對(duì)慢充充電電池模塊進(jìn)行慢充。分時(shí)是指不同動(dòng)力電池模塊的充電時(shí)間不同，根據(jù)需要按一定順序進(jìn)行充電。

圖1 分區(qū)域分模式分時(shí)充放電電池結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)力電池的控制邏輯

2.1 分區(qū)域分時(shí)慢充

在慢充充電條件（具有慢充充電設(shè)備和充足的充電時(shí)間）滿足時(shí)，QCBM、SCBM1 和SCBM2均采用慢充。分區(qū)域分時(shí)慢充控制邏輯如圖2 所示。

圖2 分區(qū)域分時(shí)慢充控制邏輯

當(dāng)充電插頭插入交流充電口時(shí)喚醒 VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器），VCU 向BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）發(fā)出反饋充電需求指令，BMS 接收指令后分析QCBM、SCBM1 和SCBM2 中傳感器的電池狀態(tài)信息，之后確定各個(gè)模塊是否需要充電，BMS 將充電需求反饋給VCU，VCU 接收信息后給車載充電機(jī)發(fā)出開始充電指令[5]。充電時(shí)，按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 順序順次充電；放電時(shí)，依然按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 順序順次放電。

2.2 分區(qū)域分時(shí)快充

當(dāng)車輛行駛中出現(xiàn)充電需求但沒有充足的慢充時(shí)間時(shí)，需要在快充充電樁上進(jìn)行快速充電，以便較短時(shí)間內(nèi)完成充電。

所設(shè)計(jì)的電池模組放電順序?yàn)?QCBM、SCBM1 和SCBM2。當(dāng)QCBM 和SCBM1 電量消耗殆盡時(shí)，BMS 收到QCBM 和SCBM1 荷電狀態(tài)信息，BMS 立刻向VCU 發(fā)送充電請(qǐng)求，VCU 接到請(qǐng)求后通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線將充電請(qǐng)求顯示在儀表盤上，提示駕駛員充電，此過程中分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯如圖3 所示。

圖3 充電前的分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯

當(dāng)充電插頭插入充電樁快充充電口時(shí)，喚醒VCU 向BMS 發(fā)出給QCBM 電池模塊進(jìn)行快充充電的指令，當(dāng)QCBM 充電完成即結(jié)束此次快充充電，此過程中分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯如圖4 所示。

圖4 QCBM 充電過程的分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯

車輛行駛時(shí)QCBM 開始向SCBM1 進(jìn)行慢充充電，SCBM2 繼續(xù)放電為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電量。當(dāng)SCBM2 電量消耗殆盡時(shí)，QCBM 完成對(duì)SCBM1慢充充電，QCBM 電量消耗殆盡，SCBM1 電量充足，此過程中分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯如圖5 所示。

圖5 QCBM 向SCBM1 充電的分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯

BMS 接收到QCBM 和SCBM2 荷電狀態(tài)信息后，立刻向VCU 發(fā)送充電請(qǐng)求，VCU 接到請(qǐng)求后通過CAN 總線將充電請(qǐng)求顯示在儀表盤上，提示駕駛員充電。

在充電樁上再次完成對(duì)QCBM 進(jìn)行快速充電。車輛行駛時(shí)QCBM 開始向SCBM2 進(jìn)行慢充充電，SCBM1 繼續(xù)放電為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電量，此過程中分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯如圖6 所示。依次循環(huán)，停車時(shí)只對(duì)QCBM 進(jìn)行快充，車輛運(yùn)行時(shí)只對(duì)SCBM1 和SCBM2 進(jìn)行慢充。車輛行駛的整個(gè)過程中，分區(qū)域充放電結(jié)構(gòu)將充電模塊和放電模塊相分離，避免電池過熱帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，提高充電安全性。

圖6 QCBM 向SCBM2 充電的分區(qū)域分時(shí)快充控制邏輯

3 關(guān)鍵問題

分區(qū)域分模式分時(shí)充放電模式需要解決的關(guān)鍵問題是3 個(gè)電池模塊充放電的銜接和QCBM 的使用壽命。

3.1 3 個(gè)電池模塊充放電的銜接

為了解決QCBM、SCBM1 和SCBM2 這3 個(gè)電池模塊充放電的銜接問題，假設(shè)3 個(gè)電池模塊的電池容量相同，且總電池容量為akWh，理論續(xù)駛里程為bkm，3 個(gè)充電模塊的慢充總時(shí)長為th，則QCBM、SCBM1 和SCBM2 的電池容量均為a/3 kWh，每個(gè)電池模塊的理論續(xù)駛里程均為b/3 km，SCBM1 和SCBM2 慢充時(shí)長均為t/3。這樣設(shè)置能夠保證QCBM 恰好給SCBM1 或SCBM2充滿電（忽略充電損耗），同時(shí)在相同車速v和工況下SCBM1 和SCBM2 的慢充時(shí)長相等。為了保證SCBM2（或SCBM1）在放電結(jié)束之前QCBM已經(jīng)完成給SCBM1（或SCBM2）充電，要求SCBM2（或SCBM1）理論放電時(shí)間不少于QCBM給SCBM1（或SCBM2）充電時(shí)間，即

由式（1）得

當(dāng)電動(dòng)車行駛速度不超過b/t時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)電池模塊充放電的完美銜接，理論最高車速受理論續(xù)駛里程和慢充總時(shí)長影響，進(jìn)行電池組設(shè)計(jì)時(shí)可以對(duì)照實(shí)現(xiàn)。

3.2 QCBM 的使用壽命

QCBM 在整個(gè)電池模組中是唯一進(jìn)行快充的模塊，雖然分區(qū)域充電已經(jīng)大幅度降低快充對(duì)壽命的影響，但保持QCBM 狀態(tài)良好仍是進(jìn)一步提高電池使用壽命的關(guān)鍵?？梢赃x擇性能優(yōu)越的電池作為QCBM，并定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保養(yǎng)頻率要高于SCBM1 和SCBM2，通過延長QCBM使用壽命降低整個(gè)動(dòng)力電池的使用成本。

4 結(jié) 論

為了克服動(dòng)力電池快慢充的弊端以及換電模式的不利影響，本文結(jié)合快慢充的優(yōu)點(diǎn)提出分區(qū)域分模式分時(shí)充放電模式，改進(jìn)效果如下。

（1）節(jié)省充電時(shí)長。所建立的模式只對(duì)QCBM 進(jìn)行快充，且QCBM 占整個(gè)動(dòng)力電池模塊三分之一，在車輛行駛過程中通過QCBM 給SCBM1（或SCBM2）充電，節(jié)省了停車充電時(shí)間，可大幅降低整個(gè)充電時(shí)長。

（2）降低充電難度。時(shí)間充足時(shí)仍然可以采用慢充充電，但當(dāng)時(shí)間不充足時(shí)可以采用先快充后慢充、分區(qū)域放電方式，降低電池充電難度。

（1）提高充電安全性。充電模塊和放電模塊相分離，避免電池過熱帶來的安全性問題。

（2）延長電池使用壽命。所建立的模式只對(duì)QCBM 進(jìn)行快充，SCBM1 和SCBM2 均采用慢充，對(duì)于QCBM 可以選擇性能優(yōu)越的電池，并定期進(jìn)行保養(yǎng)，一定程度上延長整個(gè)電池的使用壽命。

（3）降低使用成本。當(dāng)某個(gè)電池模塊出現(xiàn)問題時(shí)，可直接更換此模塊，不需要更換整個(gè)電池模組，大幅降低使用成本。

綜上所述，基于分區(qū)域分模式分時(shí)充放電邏輯設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池相比現(xiàn)有充電方式有了很大改進(jìn)，為動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。