一車(chē)輛主要技術(shù)規(guī)格及電池關(guān)鍵設(shè)計(jì)

我最近將私家車(chē)改造為一輛電動(dòng)車(chē) (EV)，而作為一名工程師，我無(wú)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(shí)捷944 EV上卸下來(lái)的，充/放電大約200次。電池賣(mài)家對(duì)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(méi)選好車(chē)輛的形狀。由于沒(méi)有足夠的預(yù)算來(lái)進(jìn)行全面改造，車(chē)輛的平衡性、操控性很差，并有安全隱患。因此，他打算從頭來(lái)過(guò)，設(shè)計(jì)一款全新車(chē)輛。而他原來(lái)的電池也就不太適合他的新項(xiàng)目了，但是對(duì)于我來(lái)說(shuō)足夠用了，并且價(jià)錢(qián)只有新電池的三分之一。僅僅作為一名低用量用戶，我沒(méi)有接觸過(guò)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(qián)就辦多少事了。我不知道組成電池組的數(shù)個(gè)串聯(lián)在一起電池是否是同時(shí)生產(chǎn)的！但是我能找到節(jié)省大筆開(kāi)銷(xiāo)的二手電池—機(jī)不可失，失不再來(lái)。

圖1 – 二手160Ah LiFePO4電池

如你所見(jiàn)，到貨時(shí)，這些電池屬于不同的分組，其原因是它們遍布在車(chē)輛全身，只要有地方就行，機(jī)蓋下方和后門(mén)都有。我不知道這些電池是何時(shí)購(gòu)買(mǎi)的（一塊兒買(mǎi)的還是分開(kāi)買(mǎi)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(lái)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(shí)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(lèi)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(huì)導(dǎo)致單電池阻抗的變化，溫度對(duì)單電池的性能會(huì)產(chǎn)生最大的影響。如果對(duì)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(huì)受到電池材料額外膨脹和收縮的影響。這都會(huì)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(huì)出現(xiàn)容量不匹配。如果聽(tīng)之任之，電池組總?cè)萘繒?huì)受到最低單電池電壓的限制，從而導(dǎo)致車(chē)輛行駛里程的降低。

基本電池組設(shè)計(jì)原則：

• 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單電池充滿電時(shí)，必須停止充電。

• 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單電池?zé)o電時(shí)，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(gè)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(gè)單電將始終接近最大電壓，而另外一個(gè)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(huì)像它們最初使用時(shí)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(qǐng)見(jiàn)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(shí)出現(xiàn)。容量不匹配出現(xiàn)在同時(shí)使用初始容量不同的電池節(jié)時(shí)。由于電池組通常由幾乎在同一時(shí)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(wú)幾，所以單電池通常情況下匹配良好，只有充電普匹配會(huì)比較常見(jiàn)。然而，如果電池組由來(lái)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(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。這里列出了基本功能和它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

被動(dòng)均衡：

• 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單（硬件和軟件）

• 廉價(jià)

• 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(dòng)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(shí)間

• 可在充電和放電過(guò)程中工作

• 較大的均衡電流（大于1A），以快速均衡大電池

• 更長(zhǎng)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(lái)主動(dòng)均衡才是正道！

我決定使用手邊的最積極主動(dòng)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?xún)?nèi)。由TI EM1401EVM電路板管理的電池使用全部TI部件來(lái)提供5A主動(dòng)電池均衡（我設(shè)計(jì)的工作方式）。

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

下面是這一車(chē)輛的主要技術(shù)規(guī)格：

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

• 機(jī)蓋下：一個(gè)12節(jié)模塊和一個(gè)6節(jié)模塊（請(qǐng)見(jiàn)圖4）

• 在車(chē)后底板下（替代了郵箱和備胎）：3個(gè)模塊，每個(gè)模塊11個(gè)電池節(jié)（請(qǐng)見(jiàn)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(chē)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(shí)時(shí)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