一車輛主要技術(shù)規(guī)格及電池關(guān)鍵設(shè)計

我最近將私家車改造為一輛電動車 (EV)，而作為一名工程師，我無論如何要搞定它。

圖1顯示的是我收到的電池；我只知道這些電池是從一輛改造后的保時捷944 EV上卸下來的，充/放電大約200次。電池賣家對于改造后的性能不太滿意。他把改造不成功的原因主要?dú)w咎于沒選好車輛的形狀。由于沒有足夠的預(yù)算來進(jìn)行全面改造，車輛的平衡性、操控性很差，并有安全隱患。因此，他打算從頭來過，設(shè)計一款全新車輛。而他原來的電池也就不太適合他的新項目了，但是對于我來說足夠用了，并且價錢只有新電池的三分之一。僅僅作為一名低用量用戶，我沒有接觸過最佳的鋰離子電池技術(shù)，如果選擇了二手電池，那么我也不知道它們是否曾經(jīng)用在同一電池組或環(huán)境中。我只能有多少錢就辦多少事了。我不知道組成電池組的數(shù)個串聯(lián)在一起電池是否是同時生產(chǎn)的！但是我能找到節(jié)省大筆開銷的二手電池—機(jī)不可失，失不再來。

圖1 – 二手160Ah LiFePO4電池

如你所見，到貨時，這些電池屬于不同的分組，其原因是它們遍布在車輛全身，只要有地方就行，機(jī)蓋下方和后門都有。我不知道這些電池是何時購買的（一塊兒買的還是分開買的），這些電池曾經(jīng)在何種溫度下工作，是否由電池管理系統(tǒng) (BMS) 進(jìn)行監(jiān)視和/或管理，以及它們的充電方式。

正常情況下，由于來自電池生產(chǎn)線，為原廠設(shè)備制造商 (OEM) EV使用而生產(chǎn)的全新電池組由良好匹配的單電池構(gòu)成，并且直接組裝。這些單電池將始終是同時充電，一起使用，并且用同樣的算法進(jìn)行管理。大多數(shù)OEM應(yīng)用還有一些類型熱管理的功能，以確保電池組中的所有單電池在運(yùn)行環(huán)境中保持同樣的運(yùn)行狀態(tài)。

由于會導(dǎo)致單電池阻抗的變化，溫度對單電池的性能會產(chǎn)生最大的影響。如果對所有單電池施加相等的負(fù)載，但是某些單電池處于不同溫度中的話，它們將會受到電池材料額外膨脹和收縮的影響。這都會導(dǎo)致非常不同的老化特征。其結(jié)果是充電不匹配，其原因就是單電池的老化速度不同；很快就會出現(xiàn)容量不匹配。如果聽之任之，電池組總?cè)萘繒艿阶畹蛦坞姵仉妷旱南拗?，從而?dǎo)致車輛行駛里程的降低。

基本電池組設(shè)計原則：

• 當(dāng)?shù)谝粋€單電池充滿電時，必須停止充電。

• 當(dāng)?shù)谝粋€單電池?zé)o電時，放電必須終止。

• 弱蓄電池節(jié)比強(qiáng)蓄電池老化得更快。

• 弱蓄程度最高的電池節(jié)將最終限制電池組的可用電量（最弱環(huán)節(jié)）。

• 電池組中的系統(tǒng)溫度梯度使運(yùn)行在較高平均溫度的電池節(jié)變?nèi)酢?/p>

• 在不使用均衡的情況下，在每個充放電周期中，最弱蓄和最強(qiáng)蓄單電池之間的電壓差將增加。最終，其中一個單電將始終接近最大電壓，而另外一個單電池接近最低電壓→從而阻礙了電池組的充放電能力。

由于這些電池再也不會像它們最初使用時那么相互匹配，而且由于我的安裝方式將使它們處于不同的溫度環(huán)境中，我必須做好單電池均衡。

鋰離子電池主要出現(xiàn)兩種不匹配；充電不匹配和容量不匹配（請見圖2）。充電不匹配在容量相同的單電池所容納的充電量逐漸差生差別時出現(xiàn)。容量不匹配出現(xiàn)在同時使用初始容量不同的電池節(jié)時。由于電池組通常由幾乎在同一時間生產(chǎn)的單電池組裝而成，這些單電池的制造工藝也相差無幾，所以單電池通常情況下匹配良好，只有充電普匹配會比較常見。然而，如果電池組由來源不明的單電池組裝而成，或者在制造工藝方面差別很大的話，也有可能出現(xiàn)容量不匹配。

主要有兩種電池均衡：被動均衡和主動均衡。這里列出了基本功能和它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

被動均衡：

• 實現(xiàn)簡單（硬件和軟件）

• 廉價

• 降低了充電不匹配

• 小均衡電流（小于1A）

• 發(fā)熱-浪費(fèi)電能！

主動均衡：

• 效率更高

• 增加可用容量

• 減少充電和容量不匹配效應(yīng)

• 更快的電池組充電時間

• 可在充電和放電過程中工作

• 較大的均衡電流（大于1A），以快速均衡大電池

• 更長的電池組使用壽命

• 混用/匹配全新/舊模塊

• 可使用模塊內(nèi)的不匹配單電池（增加產(chǎn)量）

• 看起來主動均衡才是正道！

我決定使用手邊的最積極主動的TI BMS。為了確保我始終能夠從電池組獲得最大電量，所有單電池之間的電壓差保持在毫伏以內(nèi)。由TI EM1401EVM電路板管理的電池使用全部TI部件來提供5A主動電池均衡（我設(shè)計的工作方式）。

圖3顯示了基本架構(gòu)。其中一個BMS電路板被安裝在電池節(jié)旁邊，管理每個模塊或電池組。

下面是這一車輛的主要技術(shù)規(guī)格：

• 51x160Ah Thundersky LiFePO4電池，以如下方式排列在車輛內(nèi)的5個模塊中：

• 機(jī)蓋下：一個12節(jié)模塊和一個6節(jié)模塊（請見圖4）

• 在車后底板下（替代了郵箱和備胎）：3個模塊，每個模塊11個電池節(jié)（請見圖5）

• 大約170V滿充電壓：27kWh

• 1000A水冷DC電機(jī)控制器

• 大約150kW滿功率：大約200hp，250ftlbs

• 汽車凈重2900lbs

• 續(xù)航里程大約80英里

• 儀表板改為安卓ODROID板，以及顯示實時功率、電壓、電流和每英里耗電量的7英寸觸摸屏

• 消耗的電量大約在每英里250Wh到每英里325Wh之間