一種雙鋰電池組供電的混合動(dòng)力汽車電池組設(shè)計(jì)

方瑩+++陳軍峰++吳智正

摘 要： 這里提出一種適用于混合動(dòng)力汽車的雙鋰電池組供電方法。該混合動(dòng)力汽車電池組由兩個(gè)鋰電池組組成，交替供電和充電。大量鋰電池單體的串并聯(lián)會因單體之間一致性差而降低電池組壽命和可靠性。這種設(shè)計(jì)不僅可以消除電池并聯(lián)中因一致性差引起的不均衡電流，還能進(jìn)一步提高電池組的可靠性。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車； 鋰電池組； 雙電池組供電； 優(yōu)化成組

中圖分類號： TN958?34； TM912.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0155?03

0 引 言

電動(dòng)汽車對環(huán)境友好，能量利用率高，在如今環(huán)境污染嚴(yán)重、石油資源有限的情況下，成為未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。世界各主要國家，包括美國、日本、德國、法國等，都投入了很大的力量進(jìn)行電動(dòng)汽車研發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車是在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引進(jìn)了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與純電動(dòng)汽車相比，它有較長的行駛里程；與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相比，它改善了燃油的經(jīng)濟(jì)性[2]。

目前，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)全面進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，許多大公司推出了多款混合動(dòng)力量產(chǎn)車型，其中豐田第三代Prius，節(jié)油效果可以達(dá)到50%以上，百公里油耗下降到4.7升。截至2014年9月底，混合動(dòng)力車的全球累計(jì)銷量已經(jīng)突破700萬輛，達(dá)到705萬輛[3]。

然而，電池技術(shù)一直是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。在現(xiàn)有電池技術(shù)下，鋰電池較鉛酸電池、鎳氫電池等而言具有能量密度高、工作電壓高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、無污染、質(zhì)量輕、自放電小等優(yōu)點(diǎn)，成為動(dòng)力電池的研究重點(diǎn)。但是，電動(dòng)汽車的電壓要求在100 V以上，需要數(shù)十個(gè)電池單體串聯(lián)，并且為滿足汽車?yán)m(xù)航所需電池容量，需要在串聯(lián)基礎(chǔ)上并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容。由于電池的生產(chǎn)工藝限制，鋰電池單體之間存在容量、電壓、內(nèi)阻等的不一致，即使在同一批電池中也存在差異，并且隨著使用時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量衰退和老化過程的不同還會加劇電池的不一致性。電池單體間的不一致性，會導(dǎo)致電池組整體性能下降，縮減電池組壽命。

串聯(lián)電池組性能取決于電池組性能最差的那個(gè)電池單體，并且在充放電過程中，由于電池單體間的容量不一致可能造成個(gè)別單體電池的過充或過放。

在并聯(lián)電池組中，電池單體不一致性會出現(xiàn)電流不均衡，并聯(lián)支路電流同時(shí)受到本條支路參數(shù)和其他支路參數(shù)影響[4]。

由此可見，電池組的串并聯(lián)方式，不僅影響宏觀上的電量和電壓，在微觀上也會影響單體的壽命。通過研究合理的鋰電池成組方式，輔以具有均衡模塊的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），可以有效提高電動(dòng)汽車電池組壽命，優(yōu)化電池性能。

1 傳統(tǒng)電池組成組方式

1.1 先串聯(lián)后并聯(lián)成組方式

電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組要求提供高電壓，這就意味著需要大量電池單體串聯(lián)，如三菱汽車“i?MiEV”的電池組由88個(gè)電池單元串聯(lián)配置。傳統(tǒng)大型動(dòng)力電池組成組方式是先串聯(lián)幾十或上百個(gè)單體成為一個(gè)模塊以達(dá)到預(yù)期電壓要求，然后并聯(lián)3～4個(gè)模塊，達(dá)到電池組的容量要求，其連接方式如圖1所示。

這種電池組成組方式容易實(shí)現(xiàn)，方便管理，但存在可靠性不高的缺點(diǎn)，容易發(fā)生危險(xiǎn)。一旦某節(jié)單體電池出現(xiàn)故障，整個(gè)電池組性能會急劇下降變得不可使用，如果汽車在行駛過程中遇到此情況而未經(jīng)恰當(dāng)處理，很可能會出現(xiàn)爆炸等安全事故。

1.2 先并聯(lián)后串聯(lián)成組方式

先并聯(lián)后串聯(lián)成組方式如圖2所示。

這種成組方式可靠性大大提高，因而有比較多的應(yīng)用，比如北京奧運(yùn)會純電動(dòng)大巴采用104個(gè)模塊串聯(lián)，每個(gè)模塊由4個(gè)單體電池并聯(lián)的成組方式；松下公司2009年的“CEATEC JAPAN”上公開的電池模塊串聯(lián)配置了7個(gè)由20個(gè)電池單元并聯(lián)而成的子模塊[5]；在Tesla Roadster的電池組中每69節(jié)并聯(lián)為1組（brick），再將9組串聯(lián)為1層（sheet），最后串聯(lián)堆疊11層構(gòu)成[6]。

該成組方式可以在單體電池故障的情況下繼續(xù)行駛，但一旦出現(xiàn)故障對剩余電池的性能有較大影響，需要及時(shí)維修和更換。但現(xiàn)有電池組一般固化為車身一部分，與車體無法分離，難以拆卸。

2 一種雙鋰電池組供電方式

2.1 雙鋰電池組工作原理

提出一種雙鋰電池組供電方式，結(jié)構(gòu)如圖3所示。電池組分A，B兩組，根據(jù)混合動(dòng)力汽車對電壓的需求，將一定的電池單體串聯(lián)后封裝成電池組A和B。電池組通過單刀雙擲開關(guān)SPDT2、電壓檢測器與電動(dòng)機(jī)相連。供電時(shí)，單片機(jī)控制SPDT2與電池組A連通，則A組供電，B組掛起。同時(shí)，電壓檢測器將輸入電壓U與最低參考電壓U0相比：若高于U0，則輸出電壓等于輸入電壓；若低于U0，則反饋信號觸發(fā)SPDT2切換到電池組B，此時(shí)B組供電，A組掛起，并依此方式循環(huán)自動(dòng)切換供電電池組[7]。單片機(jī)通過控制單刀雙擲開關(guān)SPDT1使充電機(jī)對非供電電池組進(jìn)行充電，只有當(dāng)兩個(gè)電池組都低于U0時(shí)，充電機(jī)才對供電電池組進(jìn)行充電。單片機(jī)控制SPDT3分時(shí)采集電池組A，B的電壓，檢測電池狀態(tài)。

這種設(shè)計(jì)舍棄并聯(lián)擴(kuò)容的方式，采用雙鋰電池組供電方式達(dá)到預(yù)計(jì)電池組容量。不僅可以減少因?yàn)椴灰恢滦援a(chǎn)生的不平衡電流，而且串聯(lián)方式更方便電池管理。更重要的是，由于混合動(dòng)力汽車的特殊性，在行駛過程中可以給電池組充電，使得雙鋰電池組同時(shí)充電和放電的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步節(jié)省燃油，提高能量利用率。

2.2 一種高可靠性的雙鋰電池組供電方式

在前文提出的雙鋰電池組供電的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)方法，通過增加部分冗余電池來提高電池組的可靠性。如圖4所示，與前文不同的是，該設(shè)計(jì)中電池組A，B內(nèi)部不再是單純的串聯(lián)，而是首先以n個(gè)電池單體串聯(lián)且封裝成最小替換單元，再將m個(gè)最小替換單元串聯(lián)成電池組，滿足混合動(dòng)力汽車的電壓需求，同時(shí)冗余1個(gè)最小替換單元。在突發(fā)故障后可替換故障單元繼續(xù)工作，并且維修時(shí)只需將故障單元卸下替換即可。

根據(jù)一定的算法在每一次供電、充電切換時(shí)，從2m+1個(gè)最小替換單元中選出m個(gè)串聯(lián)成電池組A（供電組）；再選出m個(gè)串聯(lián)成電池組B（充電組），進(jìn)行一次供電、充電，并保證所有電池單體使用頻次相同，冗余的最小替換單元內(nèi)的電池也參與供電，降低因老化程度不同而導(dǎo)致的不一致性加劇。

下面通過例子進(jìn)行具體說明。設(shè)定電池組供電電壓為355 V左右，電池單體電壓3.7 V，單體個(gè)數(shù)在200個(gè)以上，電池組結(jié)構(gòu)如圖5所示。以48個(gè)電池單體串聯(lián)組成一個(gè)最小替換單元，2個(gè)最小替換單元串聯(lián)成一個(gè)電池組，供電電壓為355.2 V。同時(shí)冗余1個(gè)最小替換單元，即共有5個(gè)最小替換單元，240個(gè)電池單體。

將最小替換單元編成1～5號，正常供電時(shí)，按照表1調(diào)度使用。不難發(fā)現(xiàn)，4次切換后所有電池單體的使用頻次已經(jīng)相同。

表1 最小替換單元調(diào)度方法

當(dāng)出現(xiàn)故障單體時(shí)，立即切換兩組電池組狀態(tài)，并且屏蔽故障單體所在的最小替換單元，用剩余4個(gè)單元繼續(xù)供電。雖然電池組總體容量下降，但不影響汽車正常行駛，也不損害剩余電池性能，這點(diǎn)優(yōu)于先并聯(lián)后串聯(lián)成組方式的電池組，使得電池組壽命及可靠性大大提高。此外，通過合理管理，可以進(jìn)一步提高電池組的可靠性。首先，在供電電壓相同的情況下，根據(jù)電池組內(nèi)最小替換單元數(shù)不同，可分為以下工作模式，其中模式1上文已具體說明，其他模式以此類推，如表2所示。

若進(jìn)一步提高可靠性，可通過模式轉(zhuǎn)換的方式排除故障。比如，在模式1的情況下，出現(xiàn)了故障單元，可立即重新編組，轉(zhuǎn)換為模式2。由于模式2比模式1少了16個(gè)電池單體，可通過檢測將故障范圍縮小到16個(gè)單體之內(nèi)，將這16個(gè)單體屏蔽，剩余224個(gè)單體以模式2繼續(xù)工作。

此時(shí)仍可提供有冗余的可靠供電。理論上來說，模式1具有5重可靠性保障，也就是可以逐次從模式1轉(zhuǎn)換到模式5，再加上最后模式5的冗余保障。但出于電路復(fù)雜情況的考慮，不可能實(shí)現(xiàn)這么多模式的轉(zhuǎn)換。但如果只實(shí)現(xiàn)一次模式轉(zhuǎn)換，則只需在特定的電池單體節(jié)點(diǎn)處設(shè)置特殊開關(guān)，在必要情況下進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。該方法可保證在電池出現(xiàn)故障后短期內(nèi)不進(jìn)行電池維護(hù)。

3 結(jié) 語

本文介紹了傳統(tǒng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的成組方式，發(fā)現(xiàn)先串聯(lián)后并聯(lián)的成組方式可靠性不高，先并聯(lián)后串聯(lián)的成組方式雖可保證汽車運(yùn)行，但存在不一致性加劇的情況。提出一種雙鋰電池組供電方式，用雙鋰電池組供電替代并聯(lián)，提高一致性，利用混合動(dòng)力汽車在行駛中可充電的特性，進(jìn)一步提高能量利用率。此外，提出一種高可靠性的雙鋰電池組供電方式，通過設(shè)置冗余的最小替換單元提高電池組可靠性以及可維護(hù)性。下一步將探討電池組內(nèi)部及最小替換單元內(nèi)的均衡管理問題，從而進(jìn)一步改善電池組的一致性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳清泉，孫立清.電動(dòng)汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科技導(dǎo)報(bào)，2005，23（4）：24?28.

[2] 陳清泉.可持續(xù)道路交通的挑戰(zhàn)：電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車的技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009，38（2）：1?4.

[3] 佚名.豐田公布近17年數(shù)據(jù)，混合動(dòng)力車型全球累計(jì)銷量達(dá)705萬輛[EB/OL]. [2015?1?19].http：//www.d1ev.com/34909.html.

[4] 姜君.鋰離子電池串并聯(lián)成組優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[5] 賈旭平.松下4 A·h 18650型鋰離子電池[J].電源技術(shù)，2010，34（9）：865?867.

[6] Tesla公司.電動(dòng)汽車電池組防護(hù)結(jié)構(gòu)：美國，US 8286743 [P].2012?10?16.

[7] 邱細(xì)亞，王仁波，滿在剛，等.基于MSP430F168的雙電池供電設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2011，13（8）：24?27.